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模块化填料人工湿地处理农村生活污水

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吴晓莺, 杜悦矜, 周林艳, 曾丽璇. 模块化填料人工湿地处理农村生活污水[J]. 环境工程学报, 2019, 13(3): 664-671. doi: 10.12030/j.cjee.201809052
引用本文: 吴晓莺, 杜悦矜, 周林艳, 曾丽璇. 模块化填料人工湿地处理农村生活污水[J]. 环境工程学报, 2019, 13(3): 664-671. doi: 10.12030/j.cjee.201809052
shu
WU Xiaoying, DU Yuejin, ZHOU Linyan, ZENG Lixuan. Treatment of rural domestic sewage by constructed wetland based on modular substrate[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2019, 13(3): 664-671. doi: 10.12030/j.cjee.201809052
Citation: WU Xiaoying, DU Yuejin, ZHOU Linyan, ZENG Lixuan. Treatment of rural domestic sewage by constructed wetland based on modular substrate[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2019, 13(3): 664-671. doi: 10.12030/j.cjee.201809052
shu

模块化填料人工湿地处理农村生活污水

  • 1.

    华南师范大学化学与环境学院，广州 510006

  • 基金项目:

    国家水体污染控制与治理科技重大专项2017ZX07202004国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07202004)

Treatment of rural domestic sewage by constructed wetland based on modular substrate

  • 1.

    School of Chemistry and Environment, South China Normal University, Guangzhou 510006, China

  • Fund Project:

摘要

  • 摘要: 构建美人蕉(Canna indicate L.)潜流人工湿地系统，对比研究基于模块化填料的人工湿地系统(MS-C-S)和基于普通碎石填料的人工湿地系统(GS-C-S)对农村生活污水的处理效果。结果表明，模块化填料对氨氮和总磷的去除率明显高于碎石填料。在MS-C-S和GS-C-S系统运行5 d后，MS-C-S系统对氨氮的去除率高达54.2%~69.4%，而GS-C-S系统仅为13%~28%；MS-C-S系统对总磷去除率77.7%~83.5%，而GS-C-S仅为54.5%。MS-C-S系统对氨氮和COD的去除率比 MS-U-S分别高出约23%和11%；而MS-C-S和MS-C-L系统对氨氮、总磷和COD的去除趋势和去除效果都几乎相近。模块化填料及以其为基质的人工湿地系统可以很好地去除氨氮、总磷和COD，有一定的应用前景。
    Abstract: In this study, a subsurface flow constructed wetland (SFCW) with Canna indicate L. plant was constructed to treat rural domestic sewage. In the SFCW, modular substrate (MS) was used to compare the treating effect with gravel substrate (GS). The results showed that the removal rates of NH4+-N and TP by canna constructed wetland system (MS-C-S) with modular substrate were significantly higher than those by common gravel substrate canna system (GS-C-S). After 5 day-operation, the removal rates of NH4+-N and TP by MS-C-S was 54.2%~69.4% and 77.7%~83.5%, respectively, while those by GS-C-S was only 13%~28% and 54.5%, respectively. The removal rates of NH4+-N and COD by the MS-C-S were about 23% and 11% higher than those by MS-U-S, respectively. MS-C-S and MS-C-L had similar removal trend and removal effect for NH4+-H, TP and COD. MS and MS-C-S had good performances on NH4+-H, TP and COD removal, and had a certain application prospect.

    • 摘要

      构建美人蕉(Canna indicate L.)潜流人工湿地系统，对比研究基于模块化填料的人工湿地系统(MS-C-S)和基于普通碎石填料的人工湿地系统(GS-C-S)对农村生活污水的处理效果。结果表明，模块化填料对氨氮和总磷的去除率明显高于碎石填料。在MS-C-S和GS-C-S系统运行5 d后，MS-C-S系统对氨氮的去除率高达54.2%~69.4%，而GS-C-S系统仅为13%~28%；MS-C-S系统对总磷去除率77.7%~83.5%，而GS-C-S仅为54.5%。MS-C-S系统对氨氮和COD的去除率比 MS-U-S分别高出约23%和11%；而MS-C-S和MS-C-L系统对氨氮、总磷和COD的去除趋势和去除效果都几乎相近。模块化填料及以其为基质的人工湿地系统可以很好地去除氨氮、总磷和COD，有一定的应用前景。

      Abstract

      In this study, a subsurface flow constructed wetland (SFCW) with Canna indicate L. plant was constructed to treat rural domestic sewage. In the SFCW, modular substrate (MS) was used to compare the treating effect with gravel substrate (GS). The results showed that the removal rates of NH4+-N and TP by canna constructed wetland system (MS-C-S) with modular substrate were significantly higher than those by common gravel substrate canna system (GS-C-S). After 5 day-operation, the removal rates of NH4+-N and TP by MS-C-S was 54.2%~69.4% and 77.7%~83.5%, respectively, while those by GS-C-S was only 13%~28% and 54.5%, respectively. The removal rates of NH4+-N and COD by the MS-C-S were about 23% and 11% higher than those by MS-U-S, respectively. MS-C-S and MS-C-L had similar removal trend and removal effect for NH4+-H, TP and COD. MS and MS-C-S had good performances on NH4+-H, TP and COD removal, and had a certain application prospect.

      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[1]。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[2,3]。

      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[4]。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[5]；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[6,7]。此外，填料也能通过吸附作用去除部分氨氮[8]。然而，人工湿地在运行过程中会经常发生填料堵塞[9]，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[10]，导致其利用率下降、寿命缩短、黑臭水体难以治理问题[11]。本研究设计了一种拥有贯通孔和预留湿地植物生长空间的模块化填料，构建了美人蕉潜流人工湿地，对比研究了基于模块化填料的人工湿地系统和基于普通碎石填料的人工湿地处理农村生活污水的效果。

    • 1 材料与方法

      1

    • 1.1 实验原料与试剂

      1.1

      供试植物美人蕉植株大小基本一致，株高均为56~65 cm，重量约为0.039 kg，植株根部大小相当，且为健康无病虫害的幼苗材料。

      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10~16 mm、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10 cm × 10 cm × 10 cm大小，预留2个贯通孔的内置孔隙(贯通孔规格φ2 cm × 10 cm)[12]。

      实验室模拟的农村生活污水，氨氮的浓度变化范围约在11~47 mg·L-1、TP 浓度变化范围约在1.4~4.7 mg·L-1、COD浓度变化范围约在270~360 mg·L-1。

    • 1.2 实验装置

      1.2

      MS和GS处理污水的实验装置采用自制的小型反应器，有效体积为20 L(φ29 cm × 31.5 cm)，每个反应器中放入6块MS，分2层放置，GS与MS等质量，见图1。

      图1 MS和GS装置示意图

      图1 MS和GS装置示意图

      Fig. 1 Schematic of MS and GS devices

      为比较美人蕉对系统的影响，建立有美人蕉与没有美人蕉的系统，分别记为MS-C-S和MS-U-S；为比较污水量对MS-C-S系统的处理效果，建立2个系统，每周期内污水量分别设为45 L和65 L。其中，45 L的记为MS-C-S；65 L的记为 MS-C-L；使用美人蕉碎石填料的系统记为GS-C-S。

      反应容器(共8个)有效体积为100 L(65 cm × 47 cm × 40 cm)，使用MS填料的系统需在反应器内放置3层填料；上面2层贯通孔朝上，最下一层贯通孔朝侧边，每层各18块按统一的排列式放置；GS堆积高度为21 cm；每个系统中种植的美人蕉数量为6棵，实验装置见图2。

      图2 系统装置示意图

      图2 系统装置示意图

      Fig. 2 Schematic of system device

    • 1.3 实验方法

      1.3

      系统中采用假单胞菌属(Pseudomonas)、气单胞菌属(Aeromonas)、黄杆菌属(Xanthomonas)的混合菌群。菌种培养至约107个·mL-1后，将菌液均匀倒入反应器中，加入配好的生活污水进行菌种的驯化并进行挂膜。7 d后，取填料及水样进行微生物种群数量的检测，若填料上已有该菌群且数量占有优势，则可视为投加成功。MS和GS填料本身的净水效果实验，为期6 d。MS-C-S、MS-U-S、MS-C-L和GS-C-S系统每6 d为一个周期进行静态净水实验，每周期内取样3~6次，共11个周期。在第11周期之后约 1个月监测各系统，结果均表明系统仍然运行较为稳定。

    • 1.4 分析方法

      1.4

      氨氮采用纳氏试剂分光光度法，总磷采用钼酸铵分光光度法，化学需氧量COD采用重铬酸钾法[13]。

    • 2 结果与讨论

      2

    • 2.1 模块化填料(MS)和普通碎石填料(GS)对氨氮、TP和COD去除效果

      2.1

      在6 d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[14]。硝化细菌的最佳pH范围在8.0~8.5之间[15,16]，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。

      表1 模拟生活污水中各污染物的进出水浓度以及填料的去除效果

      Table 1 Contaminants concentrations of inflow and outflow in simulated domestic sewage and their removal efficiency by substrate

      检测项目进水浓度/(mg·L-1)出水浓度/(mg·L-1)去除率/%
      MSGSMSGS
      氨氮40.18±10.0417.05±1.9023.19±4.2655.30±6.1241.52±5.21
      总磷5.35±1.390.86±0.293.58±0.6183.47±5.5328.98±21.32
      COD326.57±41.3676.13±9.9470.45±5.2776.57±2.6478.18±3.10
      图3 氨氮、总磷和COD浓度随时间的变化

      图3 氨氮、总磷和COD浓度随时间的变化

      Fig. 3 Changes in NH4+-N, TP and COD concentrations with time

      如图3(b)所示，MS对总磷去除效果要远优于GS，MS对TP的去除效果稳定且平均出水浓度达到GB 18918-2002的一级排放标准[17]；在第1天，去除效率达到40.13%，第4天后，溶液中TP浓度升高，这说明在末尾阶段发生了解吸过程。由此说明，填料对TP的吸附是人工湿地去除TP的重要机理[18]。有研究[19,20]表明，在微碱性条件下，衡量填料对TP去除能力的最重要的特征就是其钙含量。在本研究中，2种填料所处的系统都偏微碱性，且pH大小MS>GS。此外，粉煤灰和水泥的添加以及将粉煤灰砖块作为粗骨料都有利于填料对TP的吸附。

      填料对COD的去除效果随时间的变化如图3(c)所示。可以看出，2种填料对COD的去除都有着较好的效果，对COD的降解是一个先快后慢的过程；实验前2 d下降的速度最快，去除率依次达到68.32%和66.32%。这是由于系统内微生物种类多、数量大且营养充足，导致微生物活性强，最终造成对有机物的吸收利用率较高；随着营养物质的慢慢消耗和水中溶解氧的减少，2种填料对COD的去除逐渐缓慢，直至趋向平衡。但是，MS的去除效率比较高，这是因为该类型填料中间有预留的贯通孔，为微生物的生长提供了更多的空间。

    • 2.2 MS-C-S系统对氨氮、TP和COD的净化效率

      2.2

      由图4可以看出，美人蕉在实验运行的过程中对各种污染物的去除有一定的影响，尤其是在运行的前半段时间，美人蕉对含氮化合物以及有机物的去除效果明显；1周期中，MS-C-S对氨氮、COD的去除率比MS-U-S分别高出约23%和11%。由此可见，美人蕉正值生长期时，对污染物的吸收和去除效果较好，随着美人蕉的逐渐成熟，美人蕉对污染物的去除效果减缓，几乎与没有种植美人蕉的系统具有较为接近的去除效果[21]；到后半段时间，2个系统对氨氮的去除效果开始出现反差现象。这是因为美人蕉生长到达成熟期的时候，美人蕉吸收速率减慢；同时部分美人蕉的根茎叶掉落水体内会发生分解，从而使部分含氮化合物重新回到水体中。由此可见，含氮化合物的去除主要依靠系统内的微生物以及所选择的填料。2个系统对于TP的去除没有显著性差异(P>0.05)，这说明TP的去除主要依赖于填料的吸附作用。

      图4 MS-C-S和MS-U-S系统所有运行周期中NH4+-N、TP、COD去除率的变化

      图4 MS-C-S和MS-U-S系统所有运行周期中NH4+-N、TP、COD去除率的变化

      Fig. 4 Changes of removal rates of NH4+-N, TP and COD by MS-C-S and MS-U-S during all operating cycles

    • 2.3 MS-C-S和GS-C-S对NH4+-N、TP和COD的去除效果

      2.3

      由图5可见，采用MS作为人工湿地系统的填料在除磷方面占有一定的优势。MS-C-S对TP的平均去除率达88.13%，其中最大去除率达95.3%，且该系统对TP去除较为稳定，标准偏差为5.25；对于GS-C-S，对TP的平均去除率仅为39.84%，且去除效果不稳定，浮动幅度较大，标准偏差达到33.46%，同时在处理的过程中经常出现解吸的现象。在整个运行阶段，2种填料对氨氮和COD的去除效果没有显著性的差异(P>0.05)，但MS-C-S对氨氮的平均去除率(62.41%)比GS-C-S的平均去除率(55.83%)高出6.58%；同时2种填料的标准偏差较为接近且较小，这说明对氨氮的去除都比较稳定。

      图5 MS-C-S和GS-C-S系统所有运行周期中NH4+-N、TP、COD去除率的变化

      图5 MS-C-S和GS-C-S系统所有运行周期中NH4+-N、TP、COD去除率的变化

      Fig. 5 Changes of removal rates of NH4+-N, TP and COD by MS-C-S and GS-C-S during all operating cycles

    • 2.4 污水量对MS-C系统去除NH4+-N、TP和COD影响

      2.4

      考虑到实际水体的污水量不同，在人工生态填料-美人蕉系统(MS-C)加入不同的污水量以考察该系统对NH4+-N，TP和COD的去除效果。MS-C-S加入的污水量为45 L，污水高度低于填料的高度；MS-C-L的污水量为65 L，所有填料被污水淹没。因此，该组对比系统不仅研究不同污水量的影响也考察了填料利用率对污染物去除的影响。由图6可以看出，加大污水量对系统处理污水的效果没有显著的影响(P>0.05)，且2个系统对NH4+-N、TP、COD的去除趋势和去除效果几乎完全相同。

      图6 不同污水量对MS-C系统所有运行周期中NH4+-N、TP和COD去除率的变化

      图6 不同污水量对MS-C系统所有运行周期中NH4+-N、TP和COD去除率的变化

      Fig. 6 Effects of sewage volume on the removal rates of NH4+-N, TP and COD by MS-C during all operating cycles

    • 2.5 MS-C-S系统净化农村污水的机理

      2.5

      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NH4+，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。

      人工湿地对污水中磷的去除主要是填料的吸附沉淀作用、植物的吸收作用和微生物的转化吸收作用[22]。其中，填料的吸附沉淀作用被认为是人工湿地系统除磷的最主要途径[23,24]。在本研究中，对比有无美人蕉的MS-C-S、MS-U-S系统，显示植物对于TP 的去除没有明显的效果；但2个系统在所有运行周期中对TP都有比较稳定的去除率。MS对污水中TP的除非常占优势，且主要是通过吸附做作用达到净化，这与MS特殊的结构有关。这是因为MS内部具有连续的空隙结构，孔隙率一般达30%~36%，孔径几微米到几毫米，比表面积大，具有良好的过滤性、渗透性和吸附性能；同时，MS在制作的过程中添加的富含铝和钡离子的粉煤灰和主要成分是硫酸钙水泥，粉煤灰砖含钙量也较高，磷酸根离子可以与填料中的这些物质发生吸附沉淀反应，从而从水体中去除[25]。

      对GS与MS、MS-C系统与MS系统对去除有机物的比较，实验结果表明，COD的去除与填料的种类没有显著性差异(P>0.05)，这是由于COD的降解去除主要依靠系统内微生物的生化作用，微生物以污水中的有机物作为营养物质，降解后产生能量供微生物自身的活动。美人蕉植物对COD的平均去除效果影响也不大。只有当植物刚加入到体系中，种植植物(MS-C)的系统对COD的去除效果较为明显；当运行到植物较为生长稳定的时期时，植物对COD的去除效果开始减缓。

    • 3 结论

      3

      1) 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。

      2) 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。

      3) 美人蕉在生长过程中会吸收污水中的营养物质，有利于氮磷化合物的去除，但随着美人蕉成熟期的到来，对污染物的去除逐渐减缓。

    • 参 考 文 献

      • 1

        钱海燕, 陈葵, 戴星照, 等. 农村生活污水分散式处理研究现状及技术探讨[J]. 中国农学通报, 2014, 30(33): 176-180.

      • 2

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      • 3

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      • 4

        BARCO A, BORIN M. Treatment performance and macrophytes growth in a restored hybrid constructed wetland for municipal wastewater treatment[M]. Ecological Engineering, 2017, 107: 160-171.

      • 5

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出版历程
  • 刊出日期:  2019-03-14
吴晓莺, 杜悦矜, 周林艳, 曾丽璇. 模块化填料人工湿地处理农村生活污水[J]. 环境工程学报, 2019, 13(3): 664-671. doi: 10.12030/j.cjee.201809052
引用本文: 吴晓莺, 杜悦矜, 周林艳, 曾丽璇. 模块化填料人工湿地处理农村生活污水[J]. 环境工程学报, 2019, 13(3): 664-671. doi: 10.12030/j.cjee.201809052
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WU Xiaoying, DU Yuejin, ZHOU Linyan, ZENG Lixuan. Treatment of rural domestic sewage by constructed wetland based on modular substrate[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2019, 13(3): 664-671. doi: 10.12030/j.cjee.201809052
Citation: WU Xiaoying, DU Yuejin, ZHOU Linyan, ZENG Lixuan. Treatment of rural domestic sewage by constructed wetland based on modular substrate[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2019, 13(3): 664-671. doi: 10.12030/j.cjee.201809052
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模块化填料人工湿地处理农村生活污水

  • 1. 华南师范大学化学与环境学院，广州 510006
基金项目:

国家水体污染控制与治理科技重大专项2017ZX07202004国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07202004)

摘要: 构建美人蕉(Canna indicate L.)潜流人工湿地系统，对比研究基于模块化填料的人工湿地系统(MS-C-S)和基于普通碎石填料的人工湿地系统(GS-C-S)对农村生活污水的处理效果。结果表明，模块化填料对氨氮和总磷的去除率明显高于碎石填料。在MS-C-S和GS-C-S系统运行5 d后，MS-C-S系统对氨氮的去除率高达54.2%~69.4%，而GS-C-S系统仅为13%~28%；MS-C-S系统对总磷去除率77.7%~83.5%，而GS-C-S仅为54.5%。MS-C-S系统对氨氮和COD的去除率比 MS-U-S分别高出约23%和11%；而MS-C-S和MS-C-L系统对氨氮、总磷和COD的去除趋势和去除效果都几乎相近。模块化填料及以其为基质的人工湿地系统可以很好地去除氨氮、总磷和COD，有一定的应用前景。

English Abstract

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      摘要

      构建美人蕉(Canna indicate L.)潜流人工湿地系统，对比研究基于模块化填料的人工湿地系统(MS-C-S)和基于普通碎石填料的人工湿地系统(GS-C-S)对农村生活污水的处理效果。结果表明，模块化填料对氨氮和总磷的去除率明显高于碎石填料。在MS-C-S和GS-C-S系统运行5 d后，MS-C-S系统对氨氮的去除率高达54.2%~69.4%，而GS-C-S系统仅为13%~28%；MS-C-S系统对总磷去除率77.7%~83.5%，而GS-C-S仅为54.5%。MS-C-S系统对氨氮和COD的去除率比 MS-U-S分别高出约23%和11%；而MS-C-S和MS-C-L系统对氨氮、总磷和COD的去除趋势和去除效果都几乎相近。模块化填料及以其为基质的人工湿地系统可以很好地去除氨氮、总磷和COD，有一定的应用前景。

      Abstract

      In this study, a subsurface flow constructed wetland (SFCW) with Canna indicate L. plant was constructed to treat rural domestic sewage. In the SFCW, modular substrate (MS) was used to compare the treating effect with gravel substrate (GS). The results showed that the removal rates of NH4+-N and TP by canna constructed wetland system (MS-C-S) with modular substrate were significantly higher than those by common gravel substrate canna system (GS-C-S). After 5 day-operation, the removal rates of NH4+-N and TP by MS-C-S was 54.2%~69.4% and 77.7%~83.5%, respectively, while those by GS-C-S was only 13%~28% and 54.5%, respectively. The removal rates of NH4+-N and COD by the MS-C-S were about 23% and 11% higher than those by MS-U-S, respectively. MS-C-S and MS-C-L had similar removal trend and removal effect for NH4+-H, TP and COD. MS and MS-C-S had good performances on NH4+-H, TP and COD removal, and had a certain application prospect.

      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[1]。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[2,3]。

      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[4]。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[5]；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[6,7]。此外，填料也能通过吸附作用去除部分氨氮[8]。然而，人工湿地在运行过程中会经常发生填料堵塞[9]，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[10]，导致其利用率下降、寿命缩短、黑臭水体难以治理问题[11]。本研究设计了一种拥有贯通孔和预留湿地植物生长空间的模块化填料，构建了美人蕉潜流人工湿地，对比研究了基于模块化填料的人工湿地系统和基于普通碎石填料的人工湿地处理农村生活污水的效果。

    • 1 材料与方法

      1

    • 1.1 实验原料与试剂

      1.1

      供试植物美人蕉植株大小基本一致，株高均为56~65 cm，重量约为0.039 kg，植株根部大小相当，且为健康无病虫害的幼苗材料。

      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10~16 mm、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10 cm × 10 cm × 10 cm大小，预留2个贯通孔的内置孔隙(贯通孔规格φ2 cm × 10 cm)[12]。

      实验室模拟的农村生活污水，氨氮的浓度变化范围约在11~47 mg·L-1、TP 浓度变化范围约在1.4~4.7 mg·L-1、COD浓度变化范围约在270~360 mg·L-1。

    • 1.2 实验装置

      1.2

      MS和GS处理污水的实验装置采用自制的小型反应器，有效体积为20 L(φ29 cm × 31.5 cm)，每个反应器中放入6块MS，分2层放置，GS与MS等质量，见图1。

      图1 MS和GS装置示意图

      图1 MS和GS装置示意图

      Fig. 1 Schematic of MS and GS devices

      为比较美人蕉对系统的影响，建立有美人蕉与没有美人蕉的系统，分别记为MS-C-S和MS-U-S；为比较污水量对MS-C-S系统的处理效果，建立2个系统，每周期内污水量分别设为45 L和65 L。其中，45 L的记为MS-C-S；65 L的记为 MS-C-L；使用美人蕉碎石填料的系统记为GS-C-S。

      反应容器(共8个)有效体积为100 L(65 cm × 47 cm × 40 cm)，使用MS填料的系统需在反应器内放置3层填料；上面2层贯通孔朝上，最下一层贯通孔朝侧边，每层各18块按统一的排列式放置；GS堆积高度为21 cm；每个系统中种植的美人蕉数量为6棵，实验装置见图2。

      图2 系统装置示意图

      图2 系统装置示意图

      Fig. 2 Schematic of system device

    • 1.3 实验方法

      1.3

      系统中采用假单胞菌属(Pseudomonas)、气单胞菌属(Aeromonas)、黄杆菌属(Xanthomonas)的混合菌群。菌种培养至约107个·mL-1后，将菌液均匀倒入反应器中，加入配好的生活污水进行菌种的驯化并进行挂膜。7 d后，取填料及水样进行微生物种群数量的检测，若填料上已有该菌群且数量占有优势，则可视为投加成功。MS和GS填料本身的净水效果实验，为期6 d。MS-C-S、MS-U-S、MS-C-L和GS-C-S系统每6 d为一个周期进行静态净水实验，每周期内取样3~6次，共11个周期。在第11周期之后约 1个月监测各系统，结果均表明系统仍然运行较为稳定。

    • 1.4 分析方法

      1.4

      氨氮采用纳氏试剂分光光度法，总磷采用钼酸铵分光光度法，化学需氧量COD采用重铬酸钾法[13]。

    • 2 结果与讨论

      2

    • 2.1 模块化填料(MS)和普通碎石填料(GS)对氨氮、TP和COD去除效果

      2.1

      在6 d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[14]。硝化细菌的最佳pH范围在8.0~8.5之间[15,16]，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。

      表1 模拟生活污水中各污染物的进出水浓度以及填料的去除效果

      Table 1 Contaminants concentrations of inflow and outflow in simulated domestic sewage and their removal efficiency by substrate

      检测项目进水浓度/(mg·L-1)出水浓度/(mg·L-1)去除率/%
      MSGSMSGS
      氨氮40.18±10.0417.05±1.9023.19±4.2655.30±6.1241.52±5.21
      总磷5.35±1.390.86±0.293.58±0.6183.47±5.5328.98±21.32
      COD326.57±41.3676.13±9.9470.45±5.2776.57±2.6478.18±3.10
      图3 氨氮、总磷和COD浓度随时间的变化

      图3 氨氮、总磷和COD浓度随时间的变化

      Fig. 3 Changes in NH4+-N, TP and COD concentrations with time

      如图3(b)所示，MS对总磷去除效果要远优于GS，MS对TP的去除效果稳定且平均出水浓度达到GB 18918-2002的一级排放标准[17]；在第1天，去除效率达到40.13%，第4天后，溶液中TP浓度升高，这说明在末尾阶段发生了解吸过程。由此说明，填料对TP的吸附是人工湿地去除TP的重要机理[18]。有研究[19,20]表明，在微碱性条件下，衡量填料对TP去除能力的最重要的特征就是其钙含量。在本研究中，2种填料所处的系统都偏微碱性，且pH大小MS>GS。此外，粉煤灰和水泥的添加以及将粉煤灰砖块作为粗骨料都有利于填料对TP的吸附。

      填料对COD的去除效果随时间的变化如图3(c)所示。可以看出，2种填料对COD的去除都有着较好的效果，对COD的降解是一个先快后慢的过程；实验前2 d下降的速度最快，去除率依次达到68.32%和66.32%。这是由于系统内微生物种类多、数量大且营养充足，导致微生物活性强，最终造成对有机物的吸收利用率较高；随着营养物质的慢慢消耗和水中溶解氧的减少，2种填料对COD的去除逐渐缓慢，直至趋向平衡。但是，MS的去除效率比较高，这是因为该类型填料中间有预留的贯通孔，为微生物的生长提供了更多的空间。

    • 2.2 MS-C-S系统对氨氮、TP和COD的净化效率

      2.2

      由图4可以看出，美人蕉在实验运行的过程中对各种污染物的去除有一定的影响，尤其是在运行的前半段时间，美人蕉对含氮化合物以及有机物的去除效果明显；1周期中，MS-C-S对氨氮、COD的去除率比MS-U-S分别高出约23%和11%。由此可见，美人蕉正值生长期时，对污染物的吸收和去除效果较好，随着美人蕉的逐渐成熟，美人蕉对污染物的去除效果减缓，几乎与没有种植美人蕉的系统具有较为接近的去除效果[21]；到后半段时间，2个系统对氨氮的去除效果开始出现反差现象。这是因为美人蕉生长到达成熟期的时候，美人蕉吸收速率减慢；同时部分美人蕉的根茎叶掉落水体内会发生分解，从而使部分含氮化合物重新回到水体中。由此可见，含氮化合物的去除主要依靠系统内的微生物以及所选择的填料。2个系统对于TP的去除没有显著性差异(P>0.05)，这说明TP的去除主要依赖于填料的吸附作用。

      图4 MS-C-S和MS-U-S系统所有运行周期中NH4+-N、TP、COD去除率的变化

      图4 MS-C-S和MS-U-S系统所有运行周期中NH4+-N、TP、COD去除率的变化

      Fig. 4 Changes of removal rates of NH4+-N, TP and COD by MS-C-S and MS-U-S during all operating cycles

    • 2.3 MS-C-S和GS-C-S对NH4+-N、TP和COD的去除效果

      2.3

      由图5可见，采用MS作为人工湿地系统的填料在除磷方面占有一定的优势。MS-C-S对TP的平均去除率达88.13%，其中最大去除率达95.3%，且该系统对TP去除较为稳定，标准偏差为5.25；对于GS-C-S，对TP的平均去除率仅为39.84%，且去除效果不稳定，浮动幅度较大，标准偏差达到33.46%，同时在处理的过程中经常出现解吸的现象。在整个运行阶段，2种填料对氨氮和COD的去除效果没有显著性的差异(P>0.05)，但MS-C-S对氨氮的平均去除率(62.41%)比GS-C-S的平均去除率(55.83%)高出6.58%；同时2种填料的标准偏差较为接近且较小，这说明对氨氮的去除都比较稳定。

      图5 MS-C-S和GS-C-S系统所有运行周期中NH4+-N、TP、COD去除率的变化

      图5 MS-C-S和GS-C-S系统所有运行周期中NH4+-N、TP、COD去除率的变化

      Fig. 5 Changes of removal rates of NH4+-N, TP and COD by MS-C-S and GS-C-S during all operating cycles

    • 2.4 污水量对MS-C系统去除NH4+-N、TP和COD影响

      2.4

      考虑到实际水体的污水量不同，在人工生态填料-美人蕉系统(MS-C)加入不同的污水量以考察该系统对NH4+-N，TP和COD的去除效果。MS-C-S加入的污水量为45 L，污水高度低于填料的高度；MS-C-L的污水量为65 L，所有填料被污水淹没。因此，该组对比系统不仅研究不同污水量的影响也考察了填料利用率对污染物去除的影响。由图6可以看出，加大污水量对系统处理污水的效果没有显著的影响(P>0.05)，且2个系统对NH4+-N、TP、COD的去除趋势和去除效果几乎完全相同。

      图6 不同污水量对MS-C系统所有运行周期中NH4+-N、TP和COD去除率的变化

      图6 不同污水量对MS-C系统所有运行周期中NH4+-N、TP和COD去除率的变化

      Fig. 6 Effects of sewage volume on the removal rates of NH4+-N, TP and COD by MS-C during all operating cycles

    • 2.5 MS-C-S系统净化农村污水的机理

      2.5

      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NH4+，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。

      人工湿地对污水中磷的去除主要是填料的吸附沉淀作用、植物的吸收作用和微生物的转化吸收作用[22]。其中，填料的吸附沉淀作用被认为是人工湿地系统除磷的最主要途径[23,24]。在本研究中，对比有无美人蕉的MS-C-S、MS-U-S系统，显示植物对于TP 的去除没有明显的效果；但2个系统在所有运行周期中对TP都有比较稳定的去除率。MS对污水中TP的除非常占优势，且主要是通过吸附做作用达到净化，这与MS特殊的结构有关。这是因为MS内部具有连续的空隙结构，孔隙率一般达30%~36%，孔径几微米到几毫米，比表面积大，具有良好的过滤性、渗透性和吸附性能；同时，MS在制作的过程中添加的富含铝和钡离子的粉煤灰和主要成分是硫酸钙水泥，粉煤灰砖含钙量也较高，磷酸根离子可以与填料中的这些物质发生吸附沉淀反应，从而从水体中去除[25]。

      对GS与MS、MS-C系统与MS系统对去除有机物的比较，实验结果表明，COD的去除与填料的种类没有显著性差异(P>0.05)，这是由于COD的降解去除主要依靠系统内微生物的生化作用，微生物以污水中的有机物作为营养物质，降解后产生能量供微生物自身的活动。美人蕉植物对COD的平均去除效果影响也不大。只有当植物刚加入到体系中，种植植物(MS-C)的系统对COD的去除效果较为明显；当运行到植物较为生长稳定的时期时，植物对COD的去除效果开始减缓。

    • 3 结论

      3

      1) 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。

      2) 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。

      3) 美人蕉在生长过程中会吸收污水中的营养物质，有利于氮磷化合物的去除，但随着美人蕉成熟期的到来，对污染物的去除逐渐减缓。

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参考文献 (25)

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