陳 軍，李赫龍，盧 斌，劉昊臻，林 靜

（1.中建水務環(huán)保有限公司，北京 100037；2.深圳市碧園環(huán)保技術有限公司，廣東 深圳 518000）

人工濕地是污水處理中常用的技術，垂直流人工濕地由于占地面積相對少、污染物去除率高且不易發(fā)生堵塞等特點被廣泛應用。在人工濕地中，基質(zhì)中的填料是人工濕地處理污水的重要部分，對處理效果有重要影響。填料在為植物和微生物提供生長介質(zhì)的同時，還能夠通過沉淀、過濾和吸附等作用直接去除污染物，而填料的種類、顆粒級配等會直接影響污染物的沉淀、過濾和吸附效果[1]。

朱夕珍等[2]以石英砂、煤灰渣和高爐渣作為填料，長期觀測運行對比其污染物削減效果，認為石英砂導水性好，水力負荷高，不易堵塞；武俊梅等[3]分別以沸石、無煙煤、頁巖、蛭石、鋼渣、生物陶粒等填料進行污水處理，得出了沸石、無煙煤和生物陶粒在高水力負荷條件下可獲得更好的處理效果。李少朋等[4]選用活性炭、陶粒和火山巖作為垂直流人工濕地基質(zhì)，進行不同基質(zhì)凈化畜禽養(yǎng)殖廢水的效果研究，結果表明，活性炭對總磷、總氮有很好的凈化效果。Wang等[5]將牡蠣殼作為人工濕地填料進行污水處理試驗，結果表明該填料對磷有顯著的去除效果。王建明等[6]使用牡蠣殼濾池對養(yǎng)殖污水進行處理，結果表明總氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮和活性磷酸鹽的去除率分別達到（76.7±7.56）%、（94.9±3.6）%、（12.2±38.76）%和 （17.8±17.46）%。李文鵬[7]制備了改性牡蠣殼粉用于處理含磷廢水，對磷的去除效果可達90%以上；張毓媛等[8]選取火山石、粗爐渣、牡蠣殼三種基質(zhì)，通過垂直流人工濕地室內(nèi)模擬試驗研究了五種體積比的基質(zhì)組合的除污效果，結果表明填料組合配比對水質(zhì)處理效果影響顯著。吳小鳳等[9]以火山石、沸石、牡蠣殼、陶粒、麥飯石和磚紅壤作為人工濕地填料，分別進行單一和組合填料配比研究，結果表明組合填料系統(tǒng)對主要污染物的去除效率相對單一填料有所提高。

以上關于填料配比和組合的應用研究方法多是基于小型裝置的室內(nèi)控制試驗，在室外大尺度上的觀測研究還較為鮮見。并且，在人工濕地實際運行中，表層填料的厚度和水力負荷也是影響污水水質(zhì)出水效果的重要方面?；诖耍P者在現(xiàn)有研究成果的基礎上，選擇沸石、活性炭和牡蠣殼三種填料作為人工濕地基質(zhì)，研究其對污水處理廠尾水深度處理的效果，并通過改變填料的鋪設厚度和水力條件，對其脫氮除磷效果進行探究。

1 材料與方法

本研究分三個階段在7個試驗池進行，試驗池尺寸為：長×寬×高=2 m×2 m×1.8 m，池子由過濾層90 cm、承托層（粒徑4～8 mm的碎石）30 cm、透水層（粒徑8～16 mm的碎石） 30 cm 3層填料填鋪而成。其中，過濾層填料根據(jù)試驗方案進行設計，其方案配比如表1所示。試驗池表層均種植相同密度的風車草，每天的進水量和進水時間由自動閥門控制，運行的水力負荷為0.5 m3/（m2·d），連續(xù)運行90 d。污水水樣來自深圳市某污水處理廠尾水，其水質(zhì)標準執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》中一級A標準。

研究表明，單一的填料對污水的處理效果不如組合填料，水力負荷也是影響人工濕地污水處理及長期穩(wěn)定運行的重要因素。為此，筆者將活性炭、牡蠣殼、沸石三種填料按照1∶2∶7的比例進行組合，分別設置厚度為20 cm、30 cm、50 cm，研究填料厚度對污染物去除效果的影響。之后，再分別按照高負荷2 m3/(m2·d)、中負荷1 m3/(m2·d)、低負荷 0.5 m3/(m2·d)三種水力負荷進水，探究濕地填料在不同水力負荷下的處理效果及穩(wěn)定程度。

裝置搭建好后進行半個月的調(diào)試運行，待運行穩(wěn)定后，每隔5 d分別對各試驗池出水水質(zhì)進行取樣檢測。水質(zhì)檢測的指標有TN、TP、NH3-N、COD，檢測方法按照水和廢水監(jiān)測分析方法，采用紫外可見分光光度計檢測。

2 結果分析

2.1 不同填料處理尾水效果

在不同填料處理下，各試驗池水質(zhì)處理效果見圖1。COD的處理效果最好的為A1，平均去除率為（56.46±4.26）%，A2和A3兩個則分別為（40.40±6.136）%和 （41.70±6.526）%，相比于沸石和牡蠣殼，活性炭對COD的去除效率更高。在氨氮的處理效果上，A3最好，試驗期間平均去除率為 （84.1±3.946）%，而空白組的去除率只有55.95%，其他兩組也分別只有61.9%和68.29%，說明與活性炭和牡蠣殼相比，沸石對氨氮的去除能力更強。在總磷的處理效果上，A1和A3的處理效果與空白組差別不大，兩組的去除率在35%～45%之間，說明添加活性炭和沸石對總磷的去除不能產(chǎn)生明顯的提升效果，而A2在試驗期間對總磷的平均去除率為（62.01±6.896）%，最大去除率為75%，說明牡蠣殼的添加可以有效地提升人工濕地填料對總磷的去除效果。

表1 人工濕地表層填料方案

相比于其他水質(zhì)指標，各試驗池對總氮的去除率普遍偏低。其中，A3的處理效果最好，試驗期內(nèi)平均去除率為（36.61±5.04）%，另外兩組的去除效果則分別為12.55%和14.12%，說明添加沸石對總氮有一定的去除效果。

2.2 組合填料厚度對污染物的影響

根據(jù)各功能性填料對污染物的去除效果，按照活性炭∶牡蠣殼∶沸石=1∶2∶7進行組合配比試驗，研究表層填料厚度對尾水的處理效果，其結果見圖2。三個試驗池對COD的去除效果均較好，其中A6試驗池的去除率為56.35%，A4和A5兩個分別為50.16%和54.26%，即A6＞A5＞A4。對于氨氮，三個試驗池的處理效果均隨著試驗進行有提高的趨勢。試驗期間，三個試驗池中去除效果最好的為A6，平均去除率為81.48%，A4和A5兩個分別為78.40%和74.70%。對于總磷，三個試驗池中去除效果最好的仍為A6，平均去除率為63.07%，A4和A5兩個分別為58.14%和54.72%。對于總氮的去除效果，三個試驗池中去除效果最好的仍為A6，平均去除率為46.13%，A4和A5兩個分別為40.83%和41.29%。

圖1 不同填料對污水的處理效果

圖2 填料厚度對污水的處理效果

2.3 水力負荷

水力負荷是影響人工濕地污水處理及長期穩(wěn)定運行的重要因素，過高的水力負荷不僅影響出水水質(zhì)，而且也會縮短人工濕地的使用壽命，過低則降低了人工濕地對污水處理效率。根據(jù)功能填料厚度對去除率的結果，A6試驗池的厚度對尾水處理效果最好。在A6厚度的基礎上分別設置了高、中、低三個水力負荷進行研究，其結果見圖3?？偟膩砜?，低水力負荷下各水質(zhì)的處理效果最好，出水水質(zhì)最為穩(wěn)定，水質(zhì)去除效果大致表現(xiàn)為低負荷＞中負荷＞高負荷的趨勢。其中，COD的去除率在三個水力負荷下差別不大，高水力負荷條件下處理效果只比低水力負荷下減少8.81%。氨氮的處理效果隨著時間的進行，三個水力負荷下的去除效果有逐漸縮小的趨勢。以上結果說明，污水中COD和氨氮的去除效果受水力負荷的影響較小。因此，在實際應用中，可根據(jù)水質(zhì)特點適當提高水力負荷以增加人工濕地污水處理量。

圖3 水力負荷對污水的處理效果

總磷的去除效果則隨著時間的進行，低水力負荷下水質(zhì)處理效果越來越好。這是由于在人工濕地中，總磷的去除更多的是靠基質(zhì)填料的吸附作用，當水力負荷過大時，不僅導致人工濕地填料使用壽命縮短，也會因為磷酸根離子來不及吸附而導致出水濃度偏高。值得一提的是，對于總氮的去除，低負荷條件下的效果明顯好于高負荷和中負荷。其中，低負荷下的去除率為46.14%，而高負荷下的去除率僅為26.38%，且隨著試驗的進行，低負荷下的優(yōu)勢越來越明顯。其主要原因是總氮在填料中進行反應時需要硝化菌和反硝化菌的參與[10-12]，而當一定濃度下水力負荷過高時，超過了填料的飽和去除率，必然導致出水濃度提高。這一結果說明填料對總氮的承載有限，過高的水力負荷會降低總氮的去除效果。

3 討論

不同人工濕地填料對水質(zhì)的處理效果不同，組合填料相比單一填料更能夠提高對不同水質(zhì)的處理效果，因而選出合適的填料組合，對于提高污水處理效果至關重要。本研究選取垂直流人工濕地常見的填料牡蠣殼、活性炭、沸石進行研究。

在單種填料上，活性炭對COD的去除效率較好，與砂石相比，去除率提高了17.96%，說明活性炭對COD的去除有明顯的效果，這與其他研究結果一致[13-14]。在人工濕地中，植物吸收、微生物分解代謝和基質(zhì)吸附作用是磷的主要去除途徑，而基質(zhì)磷吸附作用普遍被視為首要的途徑，經(jīng)基質(zhì)吸附和沉淀作用去除的總磷可占到總?cè)コ康?0%以上。在總磷的處理效果上，牡蠣殼試驗組效果最好，其去除率高于同期空白組27.26%。牡蠣殼的主要成分為碳酸鈣，物理構造為角質(zhì)層、棱柱層、珍珠層組成，主要部分為棱柱層，葉片狀結構，含大量互相連通的2～10μm微孔，具有較強的吸附能力。Wang等[5]應用牡蠣殼作為人工濕地填料研究對污水中磷的去除效果，李文鵬等[7]通過制備改性牡蠣殼粉來研究其對含磷廢水的處理效果。這些研究均表明牡蠣殼對磷的去除效果較好，牡蠣殼填料適合對含磷廢水中磷的去除，可用來廣泛推廣并應用為人工濕地填料[15]。

在氨氮和總氮的處理效果上，沸石試驗組效果最好，試驗期間氨氮平均去除率高于空白組29.15%，總氮平均去除率高于空白組26.63%。對于氨氮，沸石去除氨氮的途徑以離子交換為主，物理吸附作用很小，因而去除效果比較穩(wěn)定[16]。陳麗麗等[17]研究沸石、紅泥、砂、爐渣4種人工濕地基質(zhì)凈化NH4+-N的效果，結果表明4種基質(zhì)對氨氮的吸附量順序依次為：沸石＞紅泥＞爐渣＞砂；盧少勇等[18]測定了29種常見的濕地填料對氨氮去除效果，結果表明沸石很適合作為人工濕地中吸附NH3-N的填料，以上研究均與本研究結果一致。而對于總氮的去除，沸石試驗組之所以強于其他兩組，可能是由于對氨氮的去除效果較好，進而間接提高了總氮的去除效果。

對于人工濕地填料的選擇，眾多研究均表明，組合填料相比于單一的填料，不僅污染物去除效果好，而且相對更穩(wěn)定[3，9，19]。本研究設置的以沸石、活性炭、牡蠣殼為主的組合填料，在厚度上對各水質(zhì)指標的處理結果均表現(xiàn)為A6（50 cm） ＞A5（30 cm） ＞A4（20 cm），說明組合填料厚度越厚，人工濕地填料對尾水去除效果越好，但其差距均不大，見圖4。對于COD的去除效果，A6比A4高出6.19%；對于氨氮、總磷、總氮的去除率，也分別只高出7.78%、8.35%、5.30%，說明隨著表層填料厚度的增加，人工濕地填料對污染物去除的邊際效益在逐漸遞減。根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標準（GB 3838—2002），三個試驗池出水水質(zhì)除總氮外，其他三個指標均達到了地表水Ⅲ類標準。因此，從性價比來看，三個試驗池表層填料上，反而A4（20 cm）的厚度效果最優(yōu)。

圖4 厚度對出水的影響

4 結論

人工濕地填料的選擇對污水廠尾水的深度處理效果有重要影響，牡蠣殼、活性炭、沸石單獨使用時，分別對總磷、COD、氨氮有顯著的處理效果。按照活性炭∶牡蠣殼∶沸石 =1∶2∶7進行組合配比時，表層填料厚度對污染物的去除效果表現(xiàn)為50 cm＞30 cm＞20 cm，但三種情況下出水水質(zhì)差別不大。水力負荷會影響人工濕地對污染物的去除效果，低水力負荷下各水質(zhì)的處理效果最好，出水水質(zhì)最為穩(wěn)定，水質(zhì)去除效果大致表現(xiàn)為低負荷＞中負荷＞高負荷的趨勢，總氮總磷受水力負荷影響較大，氨氮與COD則影響較小。