三種人工濕地填料對(duì)生活污水的凈化效果(重要)

1、三種人工濕地填料對(duì)生活污水的凈化效果摘要：在人工濕地模型試驗(yàn)中，使用頁巖陶粒、石灰石、沸石為填料，對(duì)生活污水進(jìn)行處理，分析了 3種填料的物理、化學(xué)性能，研究了它們對(duì)污水處理效果的影響。結(jié)果表明：對(duì) COD 的去除效果：頁巖陶粒石灰石沸石；對(duì) TP 的去除效果：沸石頁巖陶粒石灰石；對(duì) TN 的去除效果：沸石頁巖陶粒石灰石；對(duì)NH3-N 的去除效果：沸石頁巖陶粒石灰石。關(guān)鍵詞：污水處理技術(shù)；人工綠地；頁巖陶粒；石灰石；沸石ThePurificationEffectofConstructedWetlandwithThreeKindsofPackingMaterialsonDomesticSewage

2、Abstract：Domesticsewagewastreatedintheconstructedwetlandmodelwiththreekindsofpackingmaterials,includingshalepotterygrain,limestone,andzeolite.Thephysicalandchemicalpropertiesofthosethreefillingmaterialsandtheireffectsonwastewatertreatmentwereanalyzed.Theresultswereasfollows:therankofremovalefficienc

3、yofCODofthethreematerialsWasshalepotterygrainlimestonezeolite;therankofremovalefficiencyofTPofthethreematerialsWaszeoliteshalepotterygrainlimestone;therankofremovalefficiencyofTNofthethreematerialswaszeoliteshalepotterygrainlimestone：therankofremovalefficiencyofNH3-NofthethreematerialsWaszeoliteshal

4、epotterygrainlimestone.Keywords:wastewatertreatmenttechnology;constructedgreenland;shalepotterygrain；limestone;zeolite1.前言1.1人工濕地的現(xiàn)狀人們的生活水平得到了不斷地提高，但同時(shí)必須指出的是，全球的環(huán)境也被嚴(yán)重污染了。隨著全球污染的加劇，環(huán)境的惡化，水資源供需矛盾日益突出對(duì)于正處于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展時(shí)期的我國，這一問題尤為突出。特別是近年來隨著工業(yè)化和城市化的提高，工業(yè)污水和城市生活污水的排放量不斷增加，在許多城市出現(xiàn)了嚴(yán)重的水污染，已經(jīng)嚴(yán)重地制約了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。傳統(tǒng)的生化二級(jí)處

5、理場(chǎng)限于投資和運(yùn)行費(fèi)用過高，難以在中小城市推廣，已建成的污水處理場(chǎng)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足污水處理的要求。因此，發(fā)展和推廣簡(jiǎn)便有效的污水處理技術(shù)是改變目前水資源缺乏狀況的一條重要途徑。人工濕地是本世紀(jì)七十年代蓬勃興起的一種處理污水的方式，它的原理主要是利用濕地中基質(zhì)、水生植物和微生物之間的相互作用，通過一系列的物理的、化學(xué)的以及生物的途徑凈化污水。應(yīng)用人工濕地處理污水，具投資和日常運(yùn)行費(fèi)用僅為常規(guī)二級(jí)污水處理場(chǎng)的1/101/2和1/51/3，但其出水水質(zhì)可達(dá)到或超過二級(jí)污水處理水平，且適用面廣，除處理城鎮(zhèn)生活污水外，也能廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、食品等工農(nóng)業(yè)廢水的處理。12011年2月2日是第十五個(gè)“世界

6、濕地日”， 今年的主題是“濕地與森林”。 國家林業(yè)局表示，今年我國將進(jìn)一步加強(qiáng)濕地資源保護(hù)，將大力推進(jìn)濕地保護(hù)立法和制度建設(shè)，建立健全濕地生態(tài)效益補(bǔ)償制度；深入實(shí)施濕地保護(hù)工程，加快構(gòu)建濕地保護(hù)長(zhǎng)效機(jī)制；研究建立濕地生態(tài)系統(tǒng)健康、價(jià)值和功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；加強(qiáng)國際重要濕地建設(shè)和管理，促進(jìn)濕地公園健康發(fā)展。1.2人工濕地的功能1.2.1水分調(diào)蓄功能。水分調(diào)節(jié)是濕地重要的生態(tài)功能之一。濕地具有巨大的滲透和蓄水功能。濕地的形成對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤难a(bǔ)給和調(diào)蓄產(chǎn)生了重要作用。1.2.2氣候調(diào)節(jié)功能。濕地是一種重要的水源地，通過水面的熱量和水汽交換對(duì)區(qū)域環(huán)境產(chǎn)生影響。濕地呈孤島狀分布于荒漠景觀中，形成干旱區(qū)特殊的

7、“濕島”效應(yīng)，對(duì)湖區(qū)周邊的氣候有一定的濕潤(rùn)作用和降溫效應(yīng)，濕地面積變化對(duì)沙塵暴、浮塵等氣候?yàn)?zāi)害具有一定的抑制作用。1.2.3生物多樣性維持功能。生物多樣性是人類賴以生存的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，濕地復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和景觀格局的異質(zhì)性可為不同的生態(tài)位的物種提供多樣性生境。水域生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性除了可以有效地保證生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定、發(fā)揮生態(tài)價(jià)值外，也是生態(tài)系統(tǒng)中物種的重要基因庫，能增加種群的遺傳多樣性，還能創(chuàng)造出一個(gè)植物區(qū)系和動(dòng)物區(qū)系協(xié)調(diào)共存的生境，提高水域生態(tài)系統(tǒng)的價(jià)值。1.2.4科學(xué)考察、休閑旅游功能。濕地特殊的地貌和氣候特征，使其形成了由石漠、沙漠、沼澤、灘涂和水域等組成的多樣化荒漠景觀類型，植被分布

8、也形成了旱生、沙生、鹽生、濕生、水生等多種類型的植物群落，其豐富的荒漠植物群落和荒漠景觀類型區(qū)，具有重要的旅游價(jià)值。21.3人工濕地的對(duì)有機(jī)污染物的去除途徑及影響因素一般認(rèn)為，有機(jī)污染物在濕地系統(tǒng)中的去除主要是通過3種途徑：第一是較大的不溶性有機(jī)顆粒團(tuán)經(jīng)沉降過濾被濾料與植物截留，并可部分被微生物降解；第二是污水中的可溶性有機(jī)物可被植物根系與填料表面上的生物膜吸附、吸收和代謝作用；第三是通過對(duì)填料的定期更換和植物收割將新的有機(jī)體從濕地中去除。網(wǎng)人工濕地中有機(jī)污染物降解機(jī)理的影響因素素眾多，主要涉及生物因素(植物、微生物及酶卜化學(xué)因素(如溶解性有機(jī)質(zhì)、氧化還原條件、溶解氧等)及工程因素(水流特性、

9、填料空隙度、停留時(shí)間、水力負(fù)荷和水位等)等，這些因素之問存在復(fù)雜的耦合關(guān)系。4濕地植物種類、微生物活性和土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的生化循環(huán)都與其自身的環(huán)境氣候有關(guān)。不同的植物種類和微生物類群對(duì)污水的凈化效果不同，因此應(yīng)選擇對(duì)污水處理效果好、適應(yīng)性強(qiáng)的品種，如蘆葦便是特別有效的植物?；|(zhì)的組成與水流過程及某些污染物的積累、釋放密切相關(guān)，因此，選擇合適的填料組成、設(shè)計(jì)合理的水流動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)可有效去除污染物質(zhì)。最近還有研究表明，有機(jī)污染物的轉(zhuǎn)化和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)與基質(zhì)中的氧化還原條件及可獲電子受體量有很好的相關(guān)性。1.4應(yīng)用實(shí)例在國外，人工濕地脫氮技術(shù)發(fā)展迅速。F.A.Comin等人于199許將人工濕地系統(tǒng)用于

10、解決西班牙東北部Ebro河三角洲的農(nóng)業(yè)徑流的氮污染問題，試驗(yàn)中濕地的入水為當(dāng)?shù)赜衩椎氐墓喔人?，總氮?fù)荷達(dá)270mg/(m2d),溶解性無機(jī)氮負(fù)荷達(dá)105mg/(nf-d),溶解性有機(jī)氮負(fù)荷達(dá)27mg/(m2-d),經(jīng)人工濕地處理后總氮的去除率達(dá)84%98%。分析表明，植物吸收、植物碎屑的積累和降解以及基質(zhì)中的氮循環(huán)是濕地中氮保留和降解的主要因素，根據(jù)一階柱塞流動(dòng)力學(xué)模型可得總氮去除率常數(shù)為0.075m/doG.Sunl?人6將潮汐流的概念引入人工濕地的運(yùn)行之中，該濕地系統(tǒng)栽種的水生植物以蘆葦為主，所處理的農(nóng)業(yè)廢水的氨氮平均濃度為329.5mg/L。在人工濕地運(yùn)行中，每隔一定周期向濕地注水、排水

11、，當(dāng)廢水排人濕地中時(shí)空氣被迫從床體基質(zhì)中排出，而當(dāng)水排出時(shí)空氣又進(jìn)入床體基質(zhì)中，這樣利用有節(jié)奏的氣、水運(yùn)動(dòng)就在濕地床體內(nèi)部不斷形成好氧、厭氧環(huán)境，有利于硝化、反硝化作用的發(fā)生，結(jié)果表明氨氮去除率可達(dá)93.1%。2材料與方法2.1植物的選擇植物在人工綠地污水凈化過程中的作用與其生長(zhǎng)期密切相關(guān)，生長(zhǎng)越旺盛，根系越發(fā)達(dá)的植株，其凈化污水的能力、輸氧和穿透的作用越強(qiáng)，因此,選擇合適的植物對(duì)提高綠地的凈化效率起著重要的作用。一般來說，植物的選擇遵循以下幾個(gè)原則：第一是耐污性能強(qiáng)、處理效果好、成活率高；第二是根系發(fā)達(dá)、莖葉茂密、生長(zhǎng)周期長(zhǎng)；第三是抗凍、抗熱、抗病蟲害能力強(qiáng),宜于鄉(xiāng)土生長(zhǎng)；第四是易于維護(hù)管理

12、；第五是具有美化景觀的功能。72、2填料的選擇在構(gòu)建人工綠地時(shí)，選擇適宜的填料是十分重要的。一般來講，人工濕地填料的選擇需要遵循以下幾條原則：第一是填料中鐵、鎂、鈣、鋁等活性物質(zhì)的含量要高；第二是填料表面粗糙，內(nèi)部孔隙發(fā)達(dá)，比表面積大；第三是因地制宜，就近取材，選取來源廣泛、價(jià)格低廉的材料作基質(zhì)，以降低人工濕地的成本；第四是堅(jiān)持以廢治廢，合理利用資源的原則，對(duì)吸附能力強(qiáng)，環(huán)境危害小的工業(yè)副產(chǎn)物加以利用。為了考察不同品種填料對(duì)污水處理效果的影響，實(shí)驗(yàn)選用3種填料：頁巖陶粒，石灰石，沸石。頁巖陶粒不僅具有優(yōu)異的性能，比表面積大，吸附懸浮能力強(qiáng)，密度低，孔隙率高；并且耐磨，耐沖刷，微孔多，截污能力強(qiáng)

13、，化學(xué)性能穩(wěn)定。白灰石主要礦物成分為方解石，表面平滑，呈小顆粒狀。沸石可以借水的滲濾作用，進(jìn)行陽離子的交換，其成分中的鈉、鈣離子可與水溶液中的鋰、鎂等離子交換。沸石中的水分可以跑出來，但這并不會(huì)破壞沸石內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)。因此它可以再重新吸收水或其他液體，還可以吸附某些污染物。8下面的粒徑大，孔隙率就高，有利于水的通過，防治漫流現(xiàn)象的出現(xiàn)，上面的粒徑小，很大部分原因是由于上面要種植植物，植物的根系要固定生長(zhǎng)的話就要粒徑小的填料，粒徑大了植物就不容易存活。考慮到這樣兩點(diǎn)所以人工濕地的填料粒徑為什么由上到下是遞增的。主要還是怕堵塞，種植物也是一部分。92.3運(yùn)行條件取相同體積的不同種填料分別填充于實(shí)驗(yàn)

14、模型中，試驗(yàn)?zāi)Ｐ透?220mm.長(zhǎng)300mm,寬 130mm,填料高 80mm、土壤高 50mm、粗沙高 30mm,實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D1。試驗(yàn)水質(zhì)選定為學(xué)院污水處理廠調(diào)節(jié)池中的污水，其中，經(jīng)檢測(cè)其COD質(zhì)量濃度為115139mg/L,IN為4I55mg/L,TP為59mg/L,NH3-N為2946mg/L,pH在7.07.2之間。 進(jìn)水量為0.76m,水力停留時(shí)間2.5d,每隔5天測(cè)定不同填料系統(tǒng)的進(jìn)出水濃度。6引沙注A-4上上圖】試驗(yàn)?zāi)Ｐ?.4水質(zhì)的測(cè)定方法主要水質(zhì)指標(biāo)均按國家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定7,其中，COD:重銘酸鹽法,TP:鋁狒鏤分光光度法，TN:堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，NH3-N:納

15、氏試劑分光光度法。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果填料的性能分析對(duì)填料的性能進(jìn)行了測(cè)試和分析，結(jié)果見表1、表2、表3。大量的研究發(fā)現(xiàn)孔隙率是指單位體積填料中的空隙所占的體積比，比表面積是指單位體積填料所具有的總表面積。表1填料的物理性質(zhì)T填料名稱3、表面密度/（kg所）聯(lián)通空隙率/%比表面積/3一1）外形特征頁巖陶粒14706.54.7不規(guī)則破碎形，粒徑1020mm右灰心27001.2一粒徑一般2030mm沸心2100508.0孔徑為0.31nm表2填料的元素組成填料名稱SiO2CaOMgOFe2O3Al2O3K2ONa2O燒失量其他頁巖陶粒63.582.082.47.5217.593.060.880.252.64

16、石灰石0.0755.220.080.030.02一一一一沸石73.53.620.450.757一一表3填料對(duì)COD、TP、TN、NH3-N的去除率%填料名稱CODTPTNNH3-N頁巖陶粒74.636.340.669.0石灰石71.325.328.431.1沸石66.142.765.473.4不同填料對(duì)污水的凈化效果測(cè)定了不同填料對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械奈鬯畠艋Ч謩e分析COD、TP、TN、5NH3-N的去除情況，去除率分別見圖2,平均去除率見表3。由圖2及表3可知，沸石對(duì)TP、TN、NH3-N的去除率最高；三種填料對(duì)COD的平均去除率在71%75%之間，彼此之間的區(qū)別不是很大

17、，頁巖陶粒對(duì)COD的去除率最高，沸石最低；對(duì)TN、TP、NH3-N的去除，頁巖陶粒都高于石灰石，而沸石則高于石灰石一倍多。由表3可知，綜合去除效果最好的是沸石。就填料的物理性質(zhì)而言，其粒度越小，孔隙率越高，基質(zhì)的比表面積越大，被吸附物的擴(kuò)散速率也越大，對(duì)吸附越有利。由表1可知沸石的比表面積最大為8.0itf/g,沸石其鋁硅酸鹽骨架結(jié)構(gòu)的孔道和空穴具有可供交換的陽離子，應(yīng)用中表現(xiàn)出良好的離子交換性能，同時(shí)，孔穴和孔道有很大的比表面積，允許一定大小的分子自由移動(dòng)，決定了沸石對(duì)氣體、液體均具有良好的吸附能力8。一般情況下， 污水中磷的去除途徑主要是基質(zhì)的沉淀和吸附作用。 基質(zhì)不僅對(duì)磷具有吸附作用，而

18、且含鈣和鐵的基質(zhì)可通過Ca、Fe反應(yīng)而沉淀10本試驗(yàn)所選用的3種填料中，石灰石的鈣含量最大，但總金屬含量很低；頁巖陶粒的鈣含量不高，但是總金屬含量高；沸石的鈣含量比頁巖陶粒高，總金屬含量略低于頁巖陶粒。試驗(yàn)結(jié)果表明沸石對(duì)1P的平均去除率最高。石灰石初期對(duì)磷的去除率不高，而后迅速增大，這可能與填料對(duì)磷的吸附速率有關(guān)。人工濕地主要去氮機(jī)理是微生物的硝化與反硝化作用，由于試驗(yàn)填料高度不夠高，厭氧環(huán)境空間相對(duì)較小，限制了反硝化作用，7因此填料對(duì)氮的處理效果不是很好，TN平均去除率為28%66%,NH3-N平均去除率為31%74%,對(duì)NH3-N的處理效果好于TN。 石灰石對(duì)氮的去除率最低， 可能是由于填

19、料本身的特性不利于脫氮細(xì)菌的生長(zhǎng)，這有待于進(jìn)一步的試驗(yàn)證實(shí)。11圖 2 不同填料對(duì) COlkKTNMbN 的去除情況4討論對(duì)本實(shí)驗(yàn)的討論第一是填料的比表面積、粒度分布、粒度大小和孔隙率等自身的物理性質(zhì)對(duì)填料的去污能力也會(huì)有很大的影響。 第二是沸石的比表面積和連通孔隙率均大于頁巖陶粒和石灰石，更適宜作為人工生態(tài)綠地的填料。第三是由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知頁巖陶粒對(duì)COD的去除效果最好，沸石對(duì)COD、TN、NH3-N的綜合去除效果最好。12人工濕地水處理技術(shù)存在的問題和改進(jìn)技術(shù)溫度問題溫度影響包括：低溫時(shí)生物活性下降和植物的死亡；對(duì)于表面流和豎流濕地，低溫時(shí)表面會(huì)結(jié)冰冰層不僅阻礙了大氣的復(fù)氧過程，使生化水平降

20、低，而且冰層的存在減少了有效水深，從而縮短了停留時(shí)間，進(jìn)而對(duì)處理效果產(chǎn)生影響。因此，低溫會(huì)導(dǎo)致處理效果的顯著降低。13目前，濕地中低溫問題帶來的問題還沒有完全解決，但可以采取一些措施適當(dāng)?shù)慕档蜏囟葞淼挠绊?。如在工藝中可以在其表面覆蓋植物的落葉，可以適當(dāng)?shù)牟扇”卮胧┑?。占地面積問題0I I1丁11234567取樣序號(hào)樟TN歉樣序號(hào)(*NH/N人工濕地的機(jī)理與特點(diǎn)使其與傳統(tǒng)的污水處理工藝相比較需要較大的占地面積，一般認(rèn)為大約是傳統(tǒng)污水處理工藝的23倍左右。而當(dāng)今，土地資源對(duì)于很多城市來說是非常寶貴的，這就為應(yīng)用該技術(shù)帶來很大的障礙。由于自身處理過程的特殊性，人工濕地技術(shù)在占地上的問題很難完全解

21、決。但是可以采取適當(dāng)?shù)拇胧┮詼p少占用有效的土地資源。如可將工程選在市郊區(qū)域，可采取組合工藝等。阻塞問題隨著時(shí)間的推移， 濕地中部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)逐漸積累， 濕地中的微生物也相應(yīng)的繁殖，再加上植物的腐敗，若保護(hù)不當(dāng)，很很容易產(chǎn)生淤積、阻塞現(xiàn)象。這種想象不僅會(huì)影響水的流速，而且會(huì)影響水的復(fù)氧，從而影響到微生物的活性進(jìn)而影響到處理效果。解決辦法：選擇適當(dāng)?shù)奶盍献詈檬嵌嗫踪|(zhì)松不易辦結(jié)的便宜材質(zhì)，采用合適的操作工藝，可以間歇進(jìn)水來恢復(fù)濕地的滲透速率，選擇合適的植物密度并及時(shí)維護(hù)。145結(jié)論人工濕地系統(tǒng)作為一種建造及運(yùn)行費(fèi)用低、 處理效果好的工藝， 有著和傳統(tǒng)污水處理工藝不同的獨(dú)特構(gòu)造，它尤其適用于含高氮廢水

22、的處理，值得大力推廣參考文獻(xiàn):1梁威，吳振斌.人工濕地對(duì)午睡中氮磷的去除機(jī)制研究進(jìn)展J.環(huán)境科學(xué)動(dòng)態(tài)，2000(3):3237.2陳麗，楊二，李莉，鮑宏秸.東居延海濕地生態(tài)功能與價(jià)值J.人民黃河，2011(33):84-85.3曹英蘭，林建清，陳輝.城鎮(zhèn)生活污水人工綠地處理技術(shù)及其應(yīng)用J.廈門科技，2007(4):1214.4劉強(qiáng).生態(tài)綠地污水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討J.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2004(7):142-143.5CominFA,RomeroJA,AstorgaV,etal、Nitrogenremovalandcyclinginrestoredwetlandsused38filtersofnutrientsforagriculturalrunoffJ、WatSciTech,1997,35(5):255261.6JSunG,GrayKRBiddlestoneAJ,etal、TreatmentofagriculturalwastewaterinacombinedtidalflowreedbedsystemJ.watSciTech,1999,40(3):139146.7周金娥.人工綠地在景觀水循環(huán)處理中的應(yīng)