裴 亮， 孫莉英， 梁 晶， 麥榮幸

(1.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所 陸地水循環(huán)及地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100101; 2.新華水力發(fā)電有限公司, 北京 100070)

1 研究背景

近20年來(lái)，人工濕地廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)新興污水處理技術(shù)領(lǐng)域，新型的濕地技術(shù)也大量涌現(xiàn)，該技術(shù)適用于處理水量不大、水質(zhì)變化較小、管理水平不高的污廢水降解[1-4]。人工濕地技術(shù)屬于生態(tài)處理方式，可對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的污廢水進(jìn)行有效的降解，尤其針對(duì)農(nóng)業(yè)廢水的降解效果更為顯著，是農(nóng)業(yè)面源污染控制中途截留的主要方法之一[5-9]。

人工濕地用于農(nóng)業(yè)廢水降解中的關(guān)鍵要素是植物和填料的選擇[10]，其中，填料可通過(guò)沉淀、過(guò)濾、吸附作用截留污水中的污染物質(zhì)，也是人工濕地其他有效元素(植物和微生物)生存的介質(zhì)。因此，填料的選擇對(duì)人工濕地發(fā)揮水質(zhì)凈化效果起到了關(guān)鍵性的作用。目前已有報(bào)道的人工濕地填料主要有沸石、草木灰、礫石粒、石灰渣、煤粉灰、礦石粒、黏土礦渣和個(gè)別工業(yè)副產(chǎn)品顆粒等[11-15]。

本試驗(yàn)針對(duì)人工濕地填料對(duì)農(nóng)業(yè)廢水污染物降解效果不穩(wěn)定的問(wèn)題，采用階梯式人工濕地方法對(duì)農(nóng)業(yè)廢水進(jìn)行降解。在其他參數(shù)及條件相同情況下，選擇了4種不同填料來(lái)構(gòu)建階梯式人工濕地體系，對(duì)農(nóng)業(yè)廢水進(jìn)行降解研究，考查其對(duì)污染物的降解效果。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)采用階梯式人工濕地，該人工濕地類型屬于垂直復(fù)合上行流潛流濕地，濕地構(gòu)造見圖1。濕地的基本參數(shù)及運(yùn)行情況見課題組以前的研究成果，即參考文獻(xiàn)[8]。梯形水泥池高度160 cm、上邊緣長(zhǎng)3 m、底部邊緣長(zhǎng)1.7 m，填料層厚度共80 cm，填料層上面有40 cm的土壤覆蓋層。進(jìn)水蓄水池隔板高度140 cm、進(jìn)水污水一級(jí)沉淀池的隔板長(zhǎng)為120 cm，進(jìn)水污水一級(jí)沉淀池隔擋板下方立于大礫石層上，且大礫石層的一部分與進(jìn)水通道貫通，出水沉淀池隔擋板高度為100 cm、出水蓄水池隔擋板高度為80 cm[3，5]。

裝置工作的原理：農(nóng)村廢水通過(guò)進(jìn)水管進(jìn)入混凝土池后先進(jìn)入污水一級(jí)沉淀池沉淀，后從進(jìn)水蓄水池隔擋板溢出通過(guò)進(jìn)水通道滲透進(jìn)入填料層，即從進(jìn)水污水一級(jí)沉淀池隔擋板下面滲入填料[3]，自下而上依次經(jīng)過(guò)基質(zhì)填料層、土壤層過(guò)濾處理后，溢出出水沉積池?fù)醢搴罅魅氤鏊练e池，蓄滿后再溢入出水蓄水池。濕地土壤層上種水生植物。在床體中間沿程豎向設(shè)置了小孔樣本管，以收集水樣和測(cè)定濕地內(nèi)的溫度、溶解氧、pH值等數(shù)據(jù)。裝置經(jīng)過(guò)2012年4月-2012年8月的運(yùn)行，運(yùn)行情況良好[3,8-9]。

試驗(yàn)中，保持其他影響因素恒定，設(shè)定水力停留時(shí)間(HRT)7d為1個(gè)周期，連續(xù)7次檢測(cè)進(jìn)水和出水的COD、濁度、NH3—N、TN、TP，隨后計(jì)算出降解率。

2.2 測(cè)試項(xiàng)目與方法

該試驗(yàn)用水采用農(nóng)村廢水，其分析方法和水質(zhì)情況見表1。

表1 分析方法和水質(zhì)情況[8]

圖1 階梯式人工濕地結(jié)構(gòu)

3 結(jié)果與分析

3.1 不同填料對(duì)農(nóng)業(yè)廢水COD的影響

圖2為COD降解率隨水力停留時(shí)間HRT的變化情況。

圖2 COD降解率隨水力停留時(shí)間的變化

研究表明[8]，不同填料對(duì)COD的降解有一定的作用，因?yàn)樘盍媳旧砟芪詹糠譄o(wú)機(jī)污染物質(zhì)，而且填料具有較大的比表面積，可為微生物的繁殖和發(fā)生作用提供有利的生存條件，使得微生物對(duì)農(nóng)業(yè)廢水中污染物能進(jìn)行有效地吸附和吸收降解[9]。

由圖2可以看出，4種填料中麥飯石和鋼渣降解COD的效果都較好，且麥飯石系統(tǒng)降解效果好于鋼渣系統(tǒng)，隨著HRT的增加，降解率逐漸增長(zhǎng)，到一定階段會(huì)漸趨平緩; 石灰石系統(tǒng)的降解率較低，隨HRT增加，COD降解率變化不大，當(dāng)HRT在4d以后，降解率基本保持不變，當(dāng)HRT為5d時(shí)，4種填料降解COD效果達(dá)到穩(wěn)定。取HRT=7d時(shí)，鋼渣、石灰石、麥飯石和竹炭粒系統(tǒng)對(duì)COD的降解率分別為79.7%、73.0%、81.3%和67.6%，最終出水平均COD濃度為: 51.2、61.3、53.2和93.4mg/L。4種填料中，麥飯石和鋼渣比表面積大，麥飯石比較松軟，對(duì)污染物的攔截、吸附及吸收效果較好，微生物的生長(zhǎng)環(huán)境更優(yōu)越[13,16]，因此在對(duì)COD的降解效果方面麥飯石和鋼渣較石灰石和竹炭粒要好。

3.2 不同填料對(duì)農(nóng)業(yè)廢水濁度的影響

對(duì)不同填料情況下，濁度降解率隨水力停留時(shí)間的變化情況進(jìn)行了研究，具體見圖3。

圖3 濁度解降率隨水力停留時(shí)間的變化

從圖3可以看出，鋼渣、麥飯石和竹炭填料對(duì)濁度的降解率曲線趨勢(shì)很接近。隨HRT增加，濁度降解率也增加。當(dāng)HRT在4d時(shí)，鋼渣、石灰石、麥飯石和竹炭粒系統(tǒng)對(duì)濁度的降解率分別為80.3%、66.7%、80.6%和77.6%，HRT繼續(xù)增加，濁度降解率增高就不明顯了。填料對(duì)濁度的降解作用主要是靠填料的比表面積吸附和固著大量的微生物，從而形成大片的生物膜起到過(guò)濾作用，因此粒徑小、形狀不規(guī)則的填料對(duì)濁度的降解率會(huì)更高[12,15]。鋼渣、麥飯石和竹炭粒3種填料粒徑都小、形狀不規(guī)則，而且麥飯石和竹炭粒材質(zhì)偏軟，更易于吸附污染物，故對(duì)濁度的降解效果更好。當(dāng)HRT到5d時(shí)，4種填料的出水濁度平均值達(dá)到16.4、26.3、11.5和13.3NTU。

采用4種填料的階梯式人工濕地處理農(nóng)業(yè)廢水，出水濁度指標(biāo)達(dá)到了城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)[11]的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 不同填料對(duì)農(nóng)業(yè)廢水TP的影響

人工濕地對(duì)TP[13]的降解主要靠人工濕地的填料層填料、水生植物和微生物以及三者之間的聯(lián)合作用，人工濕地中填料層對(duì)TP去除作用最大，水生植物與微生物的結(jié)合及耦合作用降解TP的作用僅次于填料層填料的作用。在4種填料系統(tǒng)中，微生物對(duì)含磷化合物的轉(zhuǎn)化在TP的凈化過(guò)程中是一個(gè)限制性因子，濕地中填料穩(wěn)定性也強(qiáng)化了微生物對(duì)TP的吸附和吸收積累[13]。鋼渣填料對(duì)磷的降解能力要比其他填料強(qiáng)，隨著水力停留時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼渣系統(tǒng)對(duì)磷的降解率保持在一個(gè)較高的水平，石灰石、麥飯石和竹炭粒系統(tǒng)降解效果較差。對(duì)不同填料條件下，TP降解率隨水力停留時(shí)間的變化情況進(jìn)行了研究，具體見圖4。

圖4 TP降解率隨水力停留時(shí)間的變化

從圖4可以看出，當(dāng)HRT到5d的時(shí)候，石灰石系統(tǒng)對(duì)TP的降解率開始趨于平穩(wěn)，這可能是因?yàn)槭沂缺砻娣e小，填料吸附達(dá)到飽和，TP的降解單靠吸附降解。當(dāng)HRT超過(guò)6d時(shí)，鋼渣和竹炭粒填料對(duì)TP的降解效果也有所下降，同時(shí)麥飯石系統(tǒng)的降解能力也逐漸平穩(wěn)趨于飽和，表明HRT在6d左右時(shí)對(duì)污水中TP的降解來(lái)說(shuō)是較合理的水力停留時(shí)間。因此HRT取6d，此時(shí)，鋼渣、石灰石、麥飯石和竹炭粒系統(tǒng)對(duì)TP的降解率可分別達(dá)到83.5%、55.2%、78.6%和69.2%。最終出水TP平均指標(biāo)為: 0.21、0.59、0.38和0.40mg/L。

3.4 不同填料對(duì)農(nóng)業(yè)廢水TN的影響

TN是農(nóng)業(yè)廢水中最重要且最難降解的污染物，對(duì)TN的降解，是通過(guò)填料及土壤中微生物的硝化和反硝化作用進(jìn)行。圖5為TN降解率隨水力停留時(shí)間變化的情況。

從圖5可看出，水力停留時(shí)間增加過(guò)程中，4種填料對(duì)TN的降解率一直保持增長(zhǎng)，當(dāng)HRT大于5d時(shí)，4種填料對(duì)TN的降解達(dá)到穩(wěn)定。除了填料和植物吸收外，TN的降解還受其他因素的影響，如氨的揮發(fā)、填料的吸附與過(guò)濾、硝化與反硝化反應(yīng)等，其中TN降解主要是靠微生物的硝化反硝化作用[13]，根系越發(fā)達(dá)的水生植物和穩(wěn)定性越強(qiáng)、比表面越大的填料，越能為硝化細(xì)菌提供一個(gè)良好的環(huán)境，即一個(gè)好的好氧微環(huán)境，更利于TN硝化充分，因此鋼渣和麥飯石的降解效果要好于石灰石和竹炭粒[14]。當(dāng)HRT到7d時(shí)，鋼渣、石灰石、麥飯石和竹炭粒系統(tǒng)對(duì)TN的降解率分別可達(dá)74.4%、50.1%、79.2%和69.2%。最終出水TN平均指標(biāo)為: 6.92、13.71、8.87和11.40mg/L。

圖5 TN解降率隨水力停留時(shí)間的變化

3.5 不同填料對(duì)農(nóng)業(yè)廢水NH3—N的影響

研究發(fā)現(xiàn)[3]，濕地整體系統(tǒng)的污廢水降解效果與濕地的填料之間存在顯著關(guān)系。濕地系統(tǒng)中微生物量越多，污廢水中污染物降解效率越高；硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的數(shù)量影響NH3—N的降解率，硝化和反硝化作用是濕地系統(tǒng)主要除TP和TN的方式，而填料與水生植物共同提供的微生物溫床決定了微生物的生長(zhǎng)狀況。但是，NH3—N的降解率還會(huì)受到其他因素的影響，使得人工濕地填料系統(tǒng)對(duì)NH3—N的降解率不穩(wěn)定[14]。

圖6 NH3—N降解率隨水力停留時(shí)間的變化

從圖6可以看出，隨HRT延長(zhǎng)，4種填料的NH3—N降解率都在增加。HRT在1～3d內(nèi)，降解率不高，HRT到4d時(shí)，降解率有了較大幅度的增加，HRT大于4d后，鋼渣和麥飯石的氨氮降解率都在80%左右，竹炭粒系統(tǒng)的降解率也達(dá)到75%左右，所以這3種填料系統(tǒng)對(duì)NH3—N的降解效果都比較好。當(dāng)系統(tǒng)HRT大于4d時(shí)，4種填料系統(tǒng)對(duì)NH3—N的降解率達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)HRT到6d時(shí)，最終出水NH3—N濃度平均指標(biāo)為: 2.9、6.3、3.6和4.7mg/L。

4 結(jié) 論

階梯式人工濕地方法對(duì)農(nóng)業(yè)廢水進(jìn)行降解研究結(jié)果表明：在其他參數(shù)及條件相同情況下，選擇4種不同填料來(lái)構(gòu)建階梯式人工濕地體系，對(duì)農(nóng)業(yè)廢水進(jìn)行降解，4種填料在農(nóng)業(yè)廢水處理中均具有較好的效果，4種填料濕地系統(tǒng)都能有效地降解農(nóng)業(yè)廢水中的COD、濁度、TP、TN和NH3—N。當(dāng)污水停留時(shí)間(HRT)為7d時(shí)，對(duì)污水中COD、濁度、TN、TP和NH3—N的降解率，鋼渣分別為79.7%、88.7%、83.5%、74.4%和81.2%，石灰石分別為73.6%、70.7%、55.2%、50.1%和56.9%，麥飯石分別為81.3%、89.7%、78.6%、79.2%和81.5%，竹炭粒分別為67.6%、88.5%、68.3%、69.2%和73.2%，出水水質(zhì)基本達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)要求。麥飯石濕地系統(tǒng)的降解效果最佳，石灰石濕地系統(tǒng)降解效果略差，但可以推測(cè)，石灰石系統(tǒng)的出水再經(jīng)過(guò)一級(jí)濕地處理也可達(dá)標(biāo)。說(shuō)明4種填料應(yīng)用于處理農(nóng)業(yè)廢水是可行的。

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