成 昊 葉 芬# 宋謀勝

(1.銅仁學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州 銅仁 554300；2.銅仁市創(chuàng)建國家環(huán)境保護(hù)模范城市辦公室，貴州 銅仁 554300)

表面水力負(fù)荷對錳渣陶瓷球填料人工濕地的影響研究*

成 昊1,2葉 芬1,2#宋謀勝1

(1.銅仁學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州 銅仁 554300；2.銅仁市創(chuàng)建國家環(huán)境保護(hù)模范城市辦公室，貴州 銅仁 554300)

云貴高原地區(qū)農(nóng)村面源污染嚴(yán)重。參照貴州銅仁農(nóng)村面源污水配制模擬污水，研究了表面水力負(fù)荷對錳渣陶瓷球填料人工濕地的影響。結(jié)果表明，該人工濕地的最佳表面水力負(fù)荷為0.55m3/(m2·d)，此時(shí)COD、氨氮、硝態(tài)氮和TP去除率分別為90.12%、76.45%、70.04%、87.48%。以錳渣陶瓷球代替礫石作為人工濕地填料能顯著提高人工濕地對污染物的去除能力。

錳渣陶瓷球 人工濕地 農(nóng)村面源污染 銅仁

面源污染是相對于點(diǎn)源污染而言的，又可稱為非點(diǎn)源污染。由于農(nóng)村面源污染分布區(qū)域廣、種類繁多，所以相比工業(yè)廢水處理難度更大。目前，面源污染成為破壞水環(huán)境的主要原因[1]，在我國輸入湖泊的污染物約50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))來源于面源污染[2]。尤其是我國云貴高原一帶，山巒起伏，地形不平，山區(qū)面積達(dá)90%以上[3]，受當(dāng)?shù)刈匀?、?jīng)濟(jì)、社會及歷史發(fā)展因素的共同作用，農(nóng)村居民點(diǎn)的分布長期處于自發(fā)選擇狀態(tài)，缺乏統(tǒng)一規(guī)劃管理，呈現(xiàn)“散、臟、亂、小、差”的特點(diǎn)[4]。伴隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展，人們的生活水平得到提高，人為產(chǎn)生的固體廢棄物在種類和數(shù)量上均逐漸增加。就地處理農(nóng)村面源污染，因地制宜地將污水進(jìn)行資源化利用，有利于物質(zhì)的自然循環(huán)[5]。

本研究擬采用垂直潛流(VF)/水平潛流(HSF)復(fù)合人工濕地(以下簡稱人工濕地)治理農(nóng)村面源污染，同時(shí)利用固體廢棄物錳渣制備錳渣陶瓷球替代礫石作為填料。錳渣陶瓷球填料人工濕地具有以下優(yōu)點(diǎn)：與當(dāng)?shù)丨h(huán)境融合；利用基質(zhì)、微生物、植物的協(xié)同作用，具有較好的污水處理與凈化能力，防止二次污染[6-7]；實(shí)現(xiàn)固體廢棄物的再生利用。

1 材料與方法

1.1 人工濕地

共設(shè)置1#和2#兩套人工濕地，均根據(jù)《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》(HJ 2005—2010)設(shè)計(jì)。相比1#人工濕地，2#人工濕地利用錳渣陶瓷球替代礫石作為中間層填料，VF段替代比例(以面積占比計(jì)，下同)為50.00%，HSF段替代比例為38.46%。選擇輪葉黑藻(Hydrillaverticillata)、菖蒲(Acoruscalamus)和美人蕉(Cannageneralis)作為濕地植物。人工濕地剖面圖如圖1所示，人工濕地的填料和植物鋪設(shè)如表1所示。

表1 人工濕地構(gòu)造

注：1)菖蒲占20%，美人蕉占80%。

圖1 人工濕地剖面圖Fig.1 Profile diagram of artificial wetland

在人工濕地前段安裝1個(gè)水塔，借助地勢落差使污水進(jìn)入到人工濕地；進(jìn)水口附近安裝蝶閥和浮子流量計(jì)(量程為4～40 L/h)，通過蝶閥調(diào)節(jié)進(jìn)水流量并控制污水的停留時(shí)間；出水口安裝了蝶閥和浮子流量計(jì)控制出水速度。污水首先進(jìn)入VF段，污水垂直向下流經(jīng)輪葉黑藻、50 mm黏土層、400 mm礫石層(直徑為5～10 mm)或錳渣陶瓷球?qū)印?50 mm礫石層(直徑為15～20 mm)；接著進(jìn)入HSF段，污水依次通過350 mm礫石層(直徑為15～20 mm)、250 mm礫石層(直徑為5～10 mm)或錳渣陶瓷球?qū)印?0 mm黏土層，再由出水口水平進(jìn)入集水區(qū)。

調(diào)研結(jié)果顯示，銅仁周邊農(nóng)村面源污染主要以生活污水為主。參照銅仁農(nóng)村面源污水的水質(zhì)指標(biāo)，配制模擬污水(見表2)。

表2 水質(zhì)指標(biāo)

1.2 實(shí)驗(yàn)方案與分析方法

1#人工濕地與2#人工濕地同時(shí)運(yùn)行。每日17:00配制次日所需的模擬污水，將污水灌入水塔。取樣周期為28 d，每日10：00左右取樣。

調(diào)節(jié)進(jìn)水口的蝶閥改變流量從而改變表面水力負(fù)荷，其實(shí)驗(yàn)方案見表3。

表3 表面水力負(fù)荷實(shí)驗(yàn)方案

通過測試COD、氨氮、硝態(tài)氮和TP的去除率確定最佳表面水力負(fù)荷。表面水力負(fù)荷指單位面積人工濕地在單位時(shí)間內(nèi)能接納的污水量，按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：qhs為表面水力負(fù)荷，m3/(m2·d)；Q為人工濕地設(shè)計(jì)水量，m3/d；A為人工濕地面積，m2。

采用單因素分析法，研究不同表面水力負(fù)荷下，人工濕地對COD、TP、氨氮、硝態(tài)氮去除率的影響，COD、TP、TN分別控制在(290.0±5.0)、(30.0±2.0)、(13.0±1.0) mg/L，只有表面水力負(fù)荷發(fā)生變化。每種方案測試1次，每次在出水口取3個(gè)水樣，測定水質(zhì)指標(biāo)，取平均值。COD、TN、氨氮、硝態(tài)氮、TP的測定儀器見表4。

表4 水質(zhì)指標(biāo)測定儀器

注：1)測定前先進(jìn)行過硫酸鉀消解。

2 結(jié)果與分析

2.1 表面水力負(fù)荷對COD去除的影響

在不同表面水力負(fù)荷條件下運(yùn)行28 d，人工濕地的COD去除率如圖2所示。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，隨著表面水力負(fù)荷增加，1#和2#人工濕地的COD去除率均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。1#人工濕地的COD去除率峰值出現(xiàn)在表面水力負(fù)荷為0.40 m3/(m2·d)時(shí)；2#人工濕地的COD去除率峰值出現(xiàn)在表面水力負(fù)荷為0.55 m3/(m2·d)時(shí)。2#人工濕地的COD去除率峰值明顯高于1#人工濕地，為90.12%，說明2#人工濕地的抗沖擊能力優(yōu)于1#人工濕地。分析COD去除率曲線整體趨勢可以發(fā)現(xiàn)，2#人工濕地對COD的去除效果始終優(yōu)于1#人工濕地。這是因?yàn)?#人工濕地的填料中使用了錳渣陶瓷球，錳渣陶瓷球粒徑可控，空隙均勻，導(dǎo)致2#人工濕地的水流壓降小于1#人工濕地，溶解氧高于1#人工濕地，從而促進(jìn)其對COD的降解。另外，本研究使用的錳渣陶瓷球表面存在孔徑80 μm左右的大量顯氣孔(見圖3)，有利于表面掛膜[8]，增強(qiáng)了微生物的分解作用，從而提高了人工濕地對COD的去除率。

圖2 表面水力負(fù)荷對COD去除率的影響Fig.2 The influence of hydraulic surface loading on COD removal rate

圖3 錳渣陶瓷球微觀結(jié)構(gòu)(×200)Fig.3 Microstructure of manganese slag ceramic ball (×200)

2.2 表面水力負(fù)荷對氨氮去除的影響

在不同表面水力負(fù)荷條件下運(yùn)行28 d，人工濕地的氨氮去除率如圖4所示。由圖4可以看出，隨著表面水力負(fù)荷增加，1#和2#人工濕地的氨氮去除率均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。1#和2#人工濕地的氨氮去除率峰值均出現(xiàn)在表面水力負(fù)荷為0.55 m3/(m2·d)時(shí)，但2#人工濕地的氨氮去除率峰值明顯高于1#人工濕地，達(dá)到76.45%。表面水力負(fù)荷低時(shí)進(jìn)水量小，且輪葉黑藻消耗了一部分溶解氧，所以氨氮去除率偏低；隨著進(jìn)水量增大，人工濕地的溶解氧增加，且菖蒲和美人蕉生長良好，通過根系將大量溶解氧帶入HSF段水體，所以氨氮去除率隨之增加。但是當(dāng)表面水力負(fù)荷超過0.55 m3/(m2·d)時(shí)，人工濕地的處理能力已達(dá)到極限，氨氮去除率逐漸降低。從圖4還可以發(fā)現(xiàn)，2#人工濕地的氨氮去除效果始終優(yōu)于1#人工濕地，說明錳渣陶瓷球作為填料有利于提高人工濕地對氨氮的去除能力。

圖4 表面水力負(fù)荷對氨氮去除率的影響Fig.4 The influence of hydraulic surface loading on ammonia nitrogen removal rate

2.3 表面水力負(fù)荷對硝態(tài)氮去除的影響

在不同表面水力負(fù)荷條件下運(yùn)行28 d，人工濕地的硝態(tài)氮去除率如圖5所示。從圖5可以看出，隨著表面水力負(fù)荷增加，1#和2#人工濕地的硝態(tài)氮去除率均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。這是因?yàn)楸砻嫠ω?fù)荷增加一方面增大了厭氧環(huán)境的面積，另一方面增加水中污染物溶解度，且輪葉黑藻生長消耗溶解氧，間接使VF段水體處于缺氧或者厭氧狀態(tài)。1#和2#人工濕地的硝態(tài)氮去除率峰值均出現(xiàn)在表面水力負(fù)荷為0.55 m3/(m2·d)時(shí)，2#人工濕地的最高硝態(tài)氮去除率為70.04%，相比1#人工濕地優(yōu)勢并不明顯，可能是因?yàn)?#人工濕地的水力停留時(shí)間短于1#人工濕地，而水力停留時(shí)間偏短并不利于脫氮[9]。

圖5 表面水力負(fù)荷對硝態(tài)氮去除率的影響Fig.5 The influence of hydraulic surface loading on nitrate nitrogen removal rate

2.4 表面水力負(fù)荷對TP去除的影響

在不同表面水力負(fù)荷條件下運(yùn)行28 d，人工濕地的TP去除率如圖6所示。從圖6可以看出，隨著表面水力負(fù)荷增加，TP去除率先上升后下降。1#和2#人工濕地的TP去除率峰值均出現(xiàn)在表面水力負(fù)荷為0.55 m3/(m2·d)時(shí)，2#人工濕地的最高TP去除率達(dá)到87.48%，相比1#人工濕地優(yōu)勢并不明顯。

圖6 表面水力負(fù)荷對TP去除率的影響Fig.6 The influence of hydraulic surface loading on TP removal rate

2.5 人工濕地去污機(jī)制探討

2.5.1 錳渣陶瓷球填料去污機(jī)制

結(jié)合圖2至圖6分析發(fā)現(xiàn)，2#人工濕地的去污性能優(yōu)于1#人工濕地，這主要是因?yàn)?#人工濕地使用了錳渣陶瓷球替代礫石作為填料。錳渣陶瓷球的氣孔率達(dá)40%，表面有許多80 μm左右的顯氣孔，有利于微生物在其表面生長。當(dāng)微生物生長到一定厚度，在錳渣陶瓷球表面形成了好氧—缺氧—厭氧分布，從而提高了微生物對污染物的去除率。

錳渣陶瓷球粒徑均勻，空隙率可調(diào)，節(jié)省動力損耗，減少壓降損失。水流能在2#人工濕地流動穩(wěn)定，并將老化的微生物沖走。污水中不溶性有機(jī)物經(jīng)過沉淀和過濾作用，迅速被錳渣陶瓷球填料攔截，再被微生物利用[10]。相比之下，礫石表面光滑，微生物生長空間較少，所以微生物容易脫落；另外，礫石顆粒形狀不規(guī)則，孔隙不均勻，增加了壓降損失，因此1#人工濕地發(fā)生堵塞的概率較大。

2.5.2 微生物和植物凈化機(jī)制

微生物是各類污水中最先出現(xiàn)并且能對污染物進(jìn)行有效吸收和降解的生物群體；此外，微生物還能捕獲溶解性污染物，供給與其共生的植物或者動物利用。濕地植物在進(jìn)行光合作用時(shí)，能經(jīng)過通氣組織將氧氣輸送到根系，在植物根系周圍的微環(huán)境中依次出現(xiàn)好氧區(qū)、缺氧區(qū)和厭氧區(qū)，為好氧微生物和厭氧微生物提供良好的生存環(huán)境[11]。在好氧環(huán)境下，亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌將含氮化合物降解為硝酸鹽和亞硝酸鹽，在缺氧環(huán)境下反硝化細(xì)菌將其還原成二氧化氮或者氮?dú)馀懦?。噬磷?xì)菌將有機(jī)磷和不可直接利用的磷降解為簡單的、可供植物和微生物吸收的磷，并在厭氧環(huán)境下生成短鏈脂肪酸。

美人蕉和菖蒲根系發(fā)達(dá)，生物量大，能為水體提供大量氧氣，同時(shí)也為微生物提供了生長空間；兩者均能吸收污水中的有機(jī)物，表現(xiàn)出較強(qiáng)的污水處理能力[12]。輪葉黑藻生長范圍廣，適應(yīng)能力強(qiáng)，生長速度快，富集能力強(qiáng)，除磷效果明顯，在一些富營養(yǎng)化的水體中，還能明顯降低水體中的氮含量[13-15]。

3 結(jié) 論

錳渣陶瓷球填料人工濕地的最佳表面水力負(fù)荷為0.55 m3/(m2·d)，此時(shí)COD、氨氮、硝態(tài)氮和TP去除率分別高達(dá)90.12%、76.45%、70.04%、87.48%。錳渣陶瓷球氣孔率為40%，表面有許多80 μm左右的顯氣孔，有利于生物掛膜，能明顯改善人工濕地對污染物的去除能力。

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Theinfluenceofthehydraulicsurfaceloadingfortheartificialwetlandusingmanganeseslagceramicballasfiller

CHENGHao1,2,YEFen1,2,SONGMousheng1.

(1.CollegeofMaterialandChemicalEngineering,TongrenUniversity,TongrenGuizhou554300;2.TongrenOfficeofEstablishingNationalEnvironmentalProtectionModelCity,TongrenGuizhou554300)

Non-point source pollution in rural areas of Yunnan-Guizhou Plateau is serious. The influence of surface hydraulic loading on manganese slag ceramic ball artificial wetland was studied according to simulated wastewater of non-point source pollution,taking Tongren for instance. Results showed that the excellent surface hydraulic loading of the system was 0.55 m3/(m2·d),with removal rates of COD,ammonia nitrogen,nitrate nitrogen and TP 90.12%,76.45%,70.04% and 87.48%,respectively. The removal rate of pollutants was improved significantly by using manganese slag ceramic ball as filler instead of gravel in artificial wetland.

manganese slag ceramic ball； artificial wetland； non-point source pollution； Tongren

成 昊，男，1987年生，博士，副教授，研究方向?yàn)榄h(huán)境保護(hù)材料、污水凈化裝備。#

。

*貴州省教育廳科技拔尖人才支持項(xiàng)目(黔教合KY字[2016]107號、黔教合KY字[2016]009號)；貴州省銅仁市創(chuàng)模辦資助課題(No.Trcmb16-9、No.Trcmb16-14)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.06.003

2016-05-05)