人工湿地是通过模拟自然生态系统中天然湿地的结构和功能,形成的基质-微生物-植物复合生态系统。它利用物理、化学和生物的三重协同作用,通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解等实现对污水的净化。人工湿地具备投资少、运行成本低、管理操作简单等特点,适用于我国农村生活污水的治理。

一、研究背景

填料是人工湿地中的重要组成部分,不仅为人工湿地里的植物、微生物提供生长环境,其本身也发挥着净化污水的作用。人工湿地中磷素的去除,70%~87%是缘于填料的吸附和沉淀作用;填料释放在水中的Ca2+、Mg2+、Al3+和Fe3+等离子及其水合物、氧化物与磷素反应形成难溶性化合物。此外,填料也能通过吸附作用去除部分氨氮。然而,人工湿地在运行过程中会经常发生填料堵塞,填料渗透系数减小,水流渗透速度减缓,实际水力停留时间延长,导致其利用率下降、寿命缩短、黑臭水体难以治理问题。

二、试验方法与结论

模块化填料(MS)选取花岗岩碎石为粗骨料,在制作的过程中用水泥和粉煤灰作为胶结材料。其中最优配合比骨料级配为10~16mm、设计孔隙率30%、水灰比0.30、粉煤灰掺量30%、减水剂用量1.5%,制成10cm×10cm×10cm大小,预留2个贯通孔的内置孔隙(贯通孔规格φ2cm×10cm)。

模块化填料人工湿地处理农村生活污水-国投盛世

模块化填料人工湿地处理农村生活污水-国投盛世

在6d内,模拟生活污水中氨氮、总磷和COD进出水浓度,以及MS和GS填料对各种污染物的去除效果见表1。从图3(a)中可以看出,MS对氨氮的去除效果优于GS,其中,MS对氨氮去除率为64.86%,GS对氨氮去除率仅有46.72%。这是由于MS具有比GS更高的孔隙率,为硝化细菌和反硝化细菌提供更多的附着空间;同时由于模块化填料没有像碎石填料一样紧密堆积,方便系统内水体与外界气体的传递,加大水体中溶解氧的浓度,从而有利于提高微生物的活性。硝化细菌的最佳pH范围在8.0~8.5之间,经测试,MS和GS的pH分别为8.3和7.8,所以MS为硝化细菌和反硝化细菌提供了更适宜的条件。

模块化填料人工湿地处理农村生活污水-国投盛世

模块化填料人工湿地处理农村生活污水-国投盛世

通过MS-C-S和不同的MS-U-S、MS-C-L及GS-C-S系统的对比实验,发现含氮化合物的去除主要依靠系统中微生物的硝化作用和反硝化作用,正值生长期的植物也能吸收污水中部分含氮化合物;植物和微生物对含氮有机物的转化主要通过氨化作用,将可溶性的含氮有机物(DON)转化成NH+4,再经过耦合硝化和反硝化作用去除氨氮;当系统内没有种植植物,氨化作用、硝化作用、反硝化作用以及填料的吸附作用是去除含氮化合物的主要途径。

总之,模块化填料对氨氮和总磷的去除率明显高于碎石填料,模块化填料及以其为基质的人工湿地系统可以很好的去除氨氮、总磷和COD。MS具有贯通孔的特殊结构增大了填料孔隙率,为微生物提供了更多附着表面,截留更多污染物,且不易堵塞。