基于鐵碳物化-生物耦合法的新型濕地填料研究

劉學(xué)燕 侯琮語(yǔ) 李德生 鄧卓智

摘要：針對(duì)北方人工濕地運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的植物生長(zhǎng)萎靡、微生物活性低下、脫氮除磷效率不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求等問(wèn)題，研究新型鐵碳濕地材料，利用其微電解產(chǎn)生的[Fe²⁺]和[H]給硝化細(xì)菌做電子供體，將硝酸鹽氮還原為N₂，實(shí)現(xiàn)物化-生物耦合脫氮，并在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建不同介質(zhì)、不同類(lèi)型的人工濕地，試驗(yàn)中對(duì)比了傳統(tǒng)填料人工濕地與新型鐵碳人工濕地的運(yùn)行狀況。結(jié)果表明：進(jìn)行間歇曝氣情況下，采用脫氮除磷功能材料的人工濕地在水力停留時(shí)間24h的情況下對(duì)氨氮、總磷、COD的去除效率分別達(dá)到89%、76%、67%，均高于傳統(tǒng)填料去除效率，尤其是對(duì)氨氮;采用脫氮除磷功能材料的人工濕地植物生長(zhǎng)良好，表明脫氮除磷功能材料作為新型濕地填料發(fā)揮了良好的效果。

關(guān)鍵詞：人工濕地;脫氮除磷功能材料;微電解;曝氣

中圖分類(lèi)號(hào)：X703.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

人工濕地起源于20世紀(jì)70年代末，由基質(zhì)、植物和微生物三者形成共生系統(tǒng)，通過(guò)物理、化學(xué)和生物作用的協(xié)同關(guān)系來(lái)進(jìn)行廢水處理，對(duì)氮、磷處理效果好，出水水質(zhì)好，工程基建和運(yùn)行費(fèi)用低，維護(hù)管理方便[1]。

目前，人工濕地應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如水源地保護(hù)、再生水凈化、面源凈化、微污染湖泊河道水體達(dá)標(biāo)凈化等[2]，這些應(yīng)用有一個(gè)特點(diǎn)，即進(jìn)水污染物濃度較低，部分處理水質(zhì)對(duì)象為近Ⅳ類(lèi)水，甚至優(yōu)于Ⅳ類(lèi)水，且去除污染主要對(duì)象為氮磷污染濃度。在北方地區(qū)人工濕地運(yùn)行過(guò)程中，微污染凈化入水營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度低、溶解氧不足，使得植物生長(zhǎng)萎靡，微生物活性低下，處理效果較差，不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)凈化負(fù)荷。因此，需要針對(duì)運(yùn)行中的弱點(diǎn)研究應(yīng)對(duì)方法。

人工濕地三大要素包括水、基質(zhì)填料、水生植物[3]，其中基質(zhì)填料是人工濕地的主體，水生植物生長(zhǎng)同樣依賴(lài)于基質(zhì)填料，因此人工濕地基質(zhì)填料是研究的重點(diǎn)。研究表明，在碳源充足的情況下，不同的填料如爐渣、粉煤灰和砂等對(duì)氮磷等污染物的去除效率不同[4]。但是實(shí)際濕地進(jìn)水普遍會(huì)出現(xiàn)碳源較少的情況[5]，COD含量/TN含量<5時(shí)濕地系統(tǒng)對(duì)氮磷去除率較低[6]，低COD含量/TN含量情況下對(duì)濕地材料研究較少，為解決低COD含量/TN含量情況下濕地運(yùn)行狀況差的情況，需要針對(duì)低COD含量/TN含量情況研究新型濕地填料來(lái)提高濕地處理效率。

1 常規(guī)濕地填料及功能填料

1.1 常規(guī)濕地填料

常規(guī)濕地填料選取基于適用性、經(jīng)濟(jì)性、易得性原則，常用的有礫石、頁(yè)巖、石英砂、無(wú)煙煤、沸石、陶粒等。濕地填料通過(guò)吸附、過(guò)濾、吸收、離子交換、絡(luò)合反應(yīng)等物理化學(xué)作用凈化水質(zhì)，同時(shí)在運(yùn)行穩(wěn)定后填料上生長(zhǎng)微生物，通過(guò)微生物自身的新陳代謝吸收和降解污染物質(zhì)。填料本身性質(zhì)是影響濕地去污能力的主要因素，其中包括物理化學(xué)性質(zhì)如基質(zhì)粒徑、比表面積、孔隙率及Ca、Al、Fe含量等。研究表明，Ca、Al、Fe含量高的基質(zhì)吸附磷效果好。不同填料對(duì)濕地凈化功能影響較大，應(yīng)優(yōu)先選擇粒徑、級(jí)配合適，Ca、Al、Fe含量較高的填料[7]。

采用常規(guī)濕地填料在運(yùn)行過(guò)程中常遇到填料堵塞、植物生長(zhǎng)狀況差等問(wèn)題，繼而導(dǎo)致濕地運(yùn)行效果差，不能達(dá)到出水要求，因此濕地填料的選擇尤為重要。

1.2 脫氮除磷功能材料

為解決人工濕地運(yùn)行過(guò)程中植物生長(zhǎng)緩慢萎靡、易堵塞、效率低的問(wèn)題，提高濕地脫氮除磷效率，促進(jìn)濕地植物健康生長(zhǎng)，本試驗(yàn)選用脫氮除磷功能材料為濕地填料。

脫氮除磷功能材料主要成分為鐵粉和活性炭，通過(guò)特殊燒制后形成，擁有巨大的比表面積和大量微孔，適合微生物附著。主要物理參數(shù)為：直徑10～20mm，密度1200kg/m³，比表面積32.017m³/g，孔隙率46%，物理強(qiáng)度≥600kg/cm²。

在好氧情況下，氨氮在硝化細(xì)菌和氨氧化菌的作用下生成硝酸鹽氮。脫氮除磷功能材料中催化劑使其發(fā)生微電解作用，釋放出具有很強(qiáng)還原性的[Fe²⁺]和[H]，其可以還原硝酸鹽氮，后續(xù)隨著反硝化菌的出現(xiàn)，將微電解產(chǎn)生的Fe²⁺和[H]作為電子供體，將硝酸鹽氮還原為N₂，實(shí)現(xiàn)物化-生物耦合脫氮。此外微電解產(chǎn)生的鐵離子會(huì)和陰極產(chǎn)生的OH^-反應(yīng)生成Fe（OH）₂和Fe（OH）₃，其絮凝作用可降低出水濁度[8-9]。

在酸性條件下，鐵離子及其氧化物通過(guò)發(fā)生置換反應(yīng)可以有效沉淀磷，并且基質(zhì)中鐵在游離氧化鐵的形態(tài)下，其形成磷酸鐵鹽的能力越強(qiáng)，除磷效果越好。

鐵是植物生長(zhǎng)所必須的微量元素，同時(shí)是細(xì)胞內(nèi)許多重要酶的組成部分，鐵碳微電解釋放出的鐵可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)，避免黃葉病。出現(xiàn)黃葉病會(huì)導(dǎo)致人工濕地產(chǎn)生大量凋落物，凋落物會(huì)導(dǎo)致水體指標(biāo)如pH、溶解氧、總?cè)芙夤腆w和電導(dǎo)率等發(fā)生變化，甚至?xí)铀贊竦囟氯鸞10]。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)用水及水質(zhì)

試驗(yàn)廢水水質(zhì)模擬地表水V類(lèi)水體，由人工配置制得，以葡萄糖為碳源、以氯化銨為氮源、磷酸氫二鉀為磷源。試驗(yàn)原水COD_Cr、NH₄⁺-N、NO₃^-N、TP濃度分別為（40±2）、（2±0.4）、（0.5±0.3）、（0.4±0.1）mg/L。

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)分別在4個(gè)多介質(zhì)潛流式人工濕地系統(tǒng)中進(jìn)行。試驗(yàn)裝置技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。4個(gè)試驗(yàn)濕地均種植蘆葦。布水系統(tǒng)采用管身均勻開(kāi)孔的鋼管布水，進(jìn)水干管分出4個(gè)支管，等間距分布于布水層。人工濕地工藝流程見(jiàn)圖1。

2.3 試驗(yàn)方法

上述人工濕地系統(tǒng)于2017年3月10日開(kāi)始準(zhǔn)備工作，其中：1^#、2^#、3^#試驗(yàn)裝置于3月底開(kāi)始投入運(yùn)行，于4月19日開(kāi)始正式檢測(cè)分析;4^#試驗(yàn)裝置于2017年4月20日開(kāi)始投入運(yùn)行，于5月2日開(kāi)始正式檢測(cè)分析。試驗(yàn)過(guò)程為連續(xù)進(jìn)水、出水，水質(zhì)檢測(cè)為每天下午取樣分析，水質(zhì)檢測(cè)按國(guó)標(biāo)進(jìn)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 氨氮、硝氮、總氮的去除效果

1^#、2^#、3^#系統(tǒng)運(yùn)行期間進(jìn)行間歇曝氣。試驗(yàn)初期出水水質(zhì)不穩(wěn)定，取2017年4月29日至2017年5月3日連續(xù)5d出水水質(zhì)數(shù)據(jù)繪圖分析，期間溫度為20-25℃。上述系統(tǒng)對(duì)NH₃-N，硝氮、總氮的去除效果見(jiàn)圖2～圖4，

可見(jiàn)，加入脫氮除磷功能材料的人工濕地運(yùn)行效果良好。氨氮、硝氮和總氮的處理效果明顯，氨氮由原水的Ⅴ類(lèi)水經(jīng)處理后達(dá)到Ⅲ類(lèi)水，甚至Ⅱ類(lèi)水。

圖2顯示，氨氮平均進(jìn)水濃度為（2±0.4）mg/L，Ⅴ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，1^#、2^#、3^#系統(tǒng)出水氨氮最高濃度分別為0.32、0.43、0.67mg/L，平均值分別為0.23、0.22、0.60mg/L，平均去除率分別為89%、89%、71%。

圖3顯示，硝氮的平均進(jìn)水濃度為（0.5±0.3）mg/L，1^#、2^#、3^#系統(tǒng)出水硝氮最高濃度分別為0.29、0.49、0.40mg/L，平均去除率分別為63%、48%、78%。分析第4次取樣結(jié)果知，可能大部分氨氮通過(guò)硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為硝氮，導(dǎo)致硝氮濃度較高。

圖4顯示，總氮的平均進(jìn)水濃度為（2.5±0.5）mg/L，1^#、2^#、3^#系統(tǒng)出水總氮平均值分別為0.41、0.49、0.71mg/L，平均去除率分別為84%、81%、73%。1^#濕地氨氮去除率較高，原因可能是1#濕地脫氮除磷功能材料處于濕地系統(tǒng)表層，溶解氧含量較高，有利于附著在填料層上的微生物膜發(fā)生硝化去除氨氮，2^#、3^#濕地脫氮除磷功能材料處于濕地系統(tǒng)中部及底部，中、底部溶解氧含量相對(duì)較低，有利于發(fā)生反硝化去除硝態(tài)氮。

3.2 總磷的去除效果

含脫氮除磷功能材料的人工濕地對(duì)總磷去除效果見(jiàn)圖5?？偭灼骄M(jìn)水濃度為（0.40±0.13）mg/L，1^#、2^#、3^#系統(tǒng)出水總磷最高濃度分別為0.17、0.16、0.17mg/L，出水平均值分別為0.11、0.11、0.10mg/L，平均去除率分別為76%、76%、79%。在濕地系統(tǒng)中，脫氮除磷功能材料釋放出鐵離子，磷在鐵離子及其氧化物的作用下沉淀下來(lái)，從而降低了出水的磷濃度。同時(shí)，濕地系統(tǒng)中的有機(jī)質(zhì)可以與Fe₂O₃結(jié)合，給磷的吸附提供了一個(gè)活躍的表面，從而促進(jìn)了磷的吸附[11]。

3.3 COD的去除效果

含脫氮除磷功能材料的人工濕地對(duì)COD的去除效果見(jiàn)圖6。進(jìn)水COD的濃度為（40±2）mg/L，1^#、2^#、3^#系統(tǒng)出水COD平均濃度分別為13、13、14 mg/L，COD平均去除率分別為67%、67%、65%。濕地系統(tǒng)中的微生物主要集中在脫氮除磷功能材料孔隙、表面以及蘆葦根部，有機(jī)物的降解主要靠微生物活動(dòng)來(lái)完成。濕地中填料、植物、微生物是緊密相關(guān)的，合適的填料及植物可以培養(yǎng)大量微生物來(lái)降解水體中有機(jī)物，提高處理效率。

3.4 溶解氧對(duì)去除效果的影響

上述研究成果均在間歇曝氣情況下運(yùn)行的人工濕地系統(tǒng)得出，本節(jié)將其與2017年5月9-13日連續(xù)5d未曝氣情況下濕地運(yùn)行結(jié)果（見(jiàn)圖7～圖11）進(jìn)行對(duì)比。

1^#、2^#、3^#濕地系統(tǒng)布置有脫氮除磷功能材料，其氨氮去除率為40%～70%，4^#濕地未布置脫氮除磷功能材料，其出水氨氮濃度較高，去除率為5%～25%;1^#、2^#、3^#系統(tǒng)總氮去除率為35%～80%，4^#濕地為10%～25%;1^#、2^#、3^#濕地系統(tǒng)硝氮去除率為40%～90%，4^#濕地為30%～70%：1^#、2^#、3^#濕地系統(tǒng)總磷去除率為55%～90%，4^#濕地為30%～50%;1^#、2^#、3^#濕地系統(tǒng)COD去除率為70%～90%，4^#濕地為15%～25%。

濕地系統(tǒng)曝氣與未曝氣情況對(duì)比表明，溶解氧能夠有效提高氮、磷、COD的去除率。原因是溶解氧決定了濕地內(nèi)部的氧化還原環(huán)境，通常情況下厭氧條件會(huì)導(dǎo)致濕地發(fā)生釋磷過(guò)程，好氧條件下會(huì)導(dǎo)致濕地中磷濃度下降。氮的轉(zhuǎn)化過(guò)程包括硝化、反硝化，其中硝化過(guò)程需要在好氧條件下進(jìn)行（溶解氧濃度為2～4mg/L），反硝化過(guò)程需要在缺氧條件下進(jìn)行（溶解氧濃度小于0.5mg/L），因此溶解氧濃度較低會(huì)導(dǎo)致硝化過(guò)程進(jìn)行不充分，反硝化過(guò)程反應(yīng)充分，導(dǎo)致氨氮去除率低，硝氮去除率高。大部分微生物需要在好氧條件下通過(guò)呼吸作用降解COD，溶解氧不足會(huì)導(dǎo)致微生物活性下降，COD降解效率降低。其中4^#濕地系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間較短，未形成有效生物膜，導(dǎo)致處理效率較低。同樣在不曝氣情況下，1^#、2^#、3^#濕地系統(tǒng)去除效率明顯高于4^#濕地，充分表明脫氮除磷功能材料對(duì)溶解氧的需求較普通濕地材料低，可以降低成本。由圖7一圖11可知，2^#濕地系統(tǒng)對(duì)氨氮、總氮、硝氮、總磷及COD的綜合處理效果較1^#、3^#、4^#濕地系統(tǒng)更優(yōu)，脫氮除磷功能材料在濕地系統(tǒng)中層時(shí)綜合處理效果最好，1#濕地系統(tǒng)中鐵碳材料在濕地表層時(shí)適用于進(jìn)水氨氮濃度較高的情況，3^#濕地系統(tǒng)中鐵碳材料在濕地下層時(shí)適用于進(jìn)水硝氮濃度較高的情況。

4 結(jié)論

（1）1^#、2^#、3^#濕地系統(tǒng)采用了加載脫氮除磷功能材料，從3月底開(kāi)始運(yùn)行了5個(gè)月，期間進(jìn)行間歇曝氣。檢測(cè)結(jié)果顯示，濕地人水水質(zhì)為模擬Ⅴ類(lèi)，經(jīng)處理后達(dá)到Ⅲ類(lèi)水甚至Ⅱ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，氨氮、硝氮和總氮的處理效果明顯。相比之下，4^#濕地出水水質(zhì)僅為Ⅳ類(lèi)，且出水氨氮濃度較高，濕地植物多現(xiàn)黃葉病癥狀。

（2）從1^#、2^#、3^#濕地系統(tǒng)的運(yùn)行效果可以看出，適當(dāng)曝氣有利于濕地系統(tǒng)快速啟動(dòng)。1^#、2^#、3^#濕地系統(tǒng)試驗(yàn)裝置對(duì)氨氮、硝氮和總氮的去除效果表明：表層填充脫氮除磷功能材料有利于氨氮的去除，中部或底部填充脫氮除磷功能材料對(duì)硝氮的去除較有利。從試驗(yàn)結(jié)果看，在濕地中適當(dāng)增加曝氣設(shè)備可提高濕地處理效果，尤其是去除氨氮作用較好。

（3）脫氮除磷功能材料通過(guò)電子供給解決了人工濕地脫氮過(guò)程中碳源不足的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了在無(wú)外加碳源條件下對(duì)低C/N污水高效脫氮，降低了濕地運(yùn)行成本。

（4）使用脫氮除磷功能材料可以將水力停留時(shí)間由傳統(tǒng)的3d減為1d，縮短水體停留時(shí)間意味著可以縮減濕地整體面積，利用更少的面積達(dá)到同樣的處理效果，對(duì)于降低濕地用地成本有重大意義。

（5）脫氮除磷功能材料在運(yùn)行過(guò)程中有部分放熱過(guò)程，在濕地表面覆蓋保溫層的情況下可以緩解石英砂填料濕地冬季運(yùn)行困難的問(wèn)題。觀(guān)察濕地植物得出，在脫氮除磷功能材料供給植物足夠鐵元素的作用下，蘆葦、菖蒲生長(zhǎng)旺盛，同時(shí)避免了黃葉病的發(fā)生，充分發(fā)揮了植物的凈水及景觀(guān)作用，解決了石英砂填料人工濕地實(shí)際運(yùn)行中植物生長(zhǎng)狀況差的問(wèn)題。本次試驗(yàn)充分證明了該新型材料應(yīng)用于人工濕地系統(tǒng)是可行的，未來(lái)可進(jìn)行更多研究，探討其應(yīng)用于濕地系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

（6）脫氮除磷功能材料相比石英砂填料的優(yōu)勢(shì)為：低碳源情況下脫氮效果好;水力停留時(shí)間縮短;運(yùn)行過(guò)程中填料放熱可緩解冬季運(yùn)行困難問(wèn)題;濕地植物生長(zhǎng)旺盛，避免黃葉病發(fā)生。

濕地將在未來(lái)城市建設(shè)及水體凈化方面有大量應(yīng)用。濕地材料是影響濕地凈化能力的重要因素，選取高性能的濕地材料同時(shí)搭配合適的濕地植物將對(duì)濕地凈化能力有極大提升。對(duì)濕地材料的選取應(yīng)結(jié)合實(shí)際濕地工程情況進(jìn)行，通過(guò)分析不同外界環(huán)境因素對(duì)濕地填料凈化特性的影響，實(shí)現(xiàn)濕地運(yùn)行最優(yōu)化。本次試驗(yàn)未對(duì)溶解氧濃度進(jìn)行具體測(cè)量，有必要進(jìn)一步開(kāi)展試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行分析，尋求最優(yōu)溶解氧濃度。

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