人工湿地填料主要分为天然材料、工业副产品和人造产品三大类,传统天然材料有土壤、泥炭、粗砂、砾石,后经研究发现沸石、蛭石、石灰石作为填料用于人工湿地的处理污水能力要远远好于传统天然填料。工业副产品主要有灰渣、高炉渣、粉煤灰、钢渣、细砖屑等人造产品主要包括陶粒、陶瓷滤料、塑料等,随着研究的不断深人,各种新型填料不断应用于人工湿地。每种填料性能各有差异,应结合其特点充分发挥填料作用,本文对几种湿地中常用填料的性能研究进展进行介绍。

一、沸石

沸石结构由硅氧四面体组成,构架中有一定孔径的空腔和孔道,这也决定了其具有吸附和离子交换性能,可快速截留污水中的氨氮。沸石内部结构的松散程度是影响沸石吸附容量的主要因素,孔径大,结构松散且分布均匀的沸石吸附量较高。研究表明,由于沸石的结构特点,对氨氮等阳离子有很好的去除效果,且吸附饱和后的吸附位点可以通过植物和微生物的协同作用得到再生,沸石对污水中氮有很好的去除能力,且沸石价廉、易得,这些都决定了沸石被广泛用作湿地填料。

填料在人工湿地中的应用-国投盛世

二、蛭石

蛭石是一种自然界天然存在的多孔性含水硅铝酸盐晶体矿物,蛭石晶体内部有很多孔穴和通道,开口的通道彼此相连,使蛭石的比表面积很大,具有良好的吸附及离子交换性能,蛭石在高温作用下,具有很好的膨胀性,膨胀后的蛭石具有较大的比表面积和孔隙率。研究表明其蛭石对氨氮具有选择性吸附能力,聂发辉等研究表明,蛭石对氨氮的饱和吸附量高于沸石,蛭石的吸附效果受到温度和的影响。蛭石主要是通过离子交换作用去除水中氨氮,物理吸附作用相对很小,阳离子交换位点不能被认为是去除氨氮的长期汇,其作用蛭石将水相中的氨离子吸附交换下来,截留在蛭石固相中。

三、钢渣、炉渣等工业废弃物

高炉钢渣、炉灰渣等工业废弃物,含有丰富的钙、镁成分,对污水中磷有很好的吸附性,广泛用于人工湿地填料。以铁尾矿和钢渣作为复合垂直流人工湿地填料,对生活污水的处理效果比较理想,TP、TN、COD的去除效率可分别达到95%、70%、95%,以钢渣为主要填料构建小型潜流湿地,结果表明,钢渣湿地运行初期对硝氮型污水的处理能力高于氨氮型污水,钢渣可作为一种强化反硝化基质应用于一的去除,但以钢渣作为湿地主要基质使湿地出水较高,不利于氮转化细菌群落的快速建立,且容易造成出水偏高,可与其他种类的基质组合后应用于湿地中。煤灰渣是去除污水中耗氧有机污染物和总磷等指标的理想基质,模拟煤灰渣垂直潜流人工湿地研究除磷性能,表明煤灰渣对污水中磷素的吸附平衡时间较短,吸附速率较快,但需注意煤灰渣吸附磷后的再解析,以防二次污染。

四、陶粒

陶粒多由载土或页岩成型经高温处理所得,表面粗糙,内部多孔,有较大的比表面积,有利于生物的附着生长,现已被广泛用于水处理填料。研究了四种陶粒组合复合垂直流人工湿地在不同季节处理生活污水的运行效果,结果表明陶粒组合人工湿地对COD、TP、NH3-N均有很好的去除效果。随着不断的研究和改进,用于制陶粒的原材料范围不断扩大,粉煤灰、底泥、污泥、高炉渣、垃圾等各种固体废弃物用于烧制陶粒作为湿地填料,起到一个以废治废的作用。由于陶粒比表面积大,且富含钙、铁、铝等元素,能与污水中的磷酸盐形成不溶性沉底,有利于氮磷的去除。选择高钙粉煤灰陶粒作为人工湿地填料,表明高钙粉煤灰陶粒有巨大比表面积和孔隙率,有较大的磷吸附容量,磷去除率可达90%,强化除磷的机制是陶粒内部的钙元素与水中的磷发生化学反应,造成磷在陶粒表面的沉积。五种填料的比较通过前文对种常用填料特点和去污机理的介绍,结合实际应用报道和相关市场调查,本文对这四种填料作为水处理填料常用物理性质和目前市场价格做了统计,结果如表所示。

表2  4种填料物理性质和价格比较

填料在人工湿地中的应用-国投盛世

从表中可见,各填料的物理性质差异较大,钢渣作为工业废弃物,其密度最大,比表面积最小,粒径变化范围也最宽蛭石的密度相对最小,这与其经高温处理后,强膨胀性有关,同时蛭石的膨胀性还影响到其比表面积和孔隙率均较大,容重较小等性质,从表中我们也能看到蛭石的价格也是相对最低,这些都决定了蛭石能作为湿地水处理填料被应用。虽然沸石的价格也相对较低,但比表面积和孔隙率较蛭石和陶粒填料小很多,这也使沸石在净化水质过程中效果略差于其他填料。相较之下,虽然陶粒的价格是这几种填料中最贵的,但是由于作为人工填料,陶粒的粒径范围广,比表面积和孔隙率都较大,所以陶粒作为湿地填料的适用范围较广,可以用于不同粒径大小的组合填料使用。