1、三种人工湿地填料对生活污水的净化效果重要三种人工湿地填料对生活污水的净化效果摘要：在人工湿地模型试验中，使用页岩陶粒、石灰石、沸石为填料，对生活污水进行处理，分析了3种填料的物理、化学性能，研究了它们对污水处理效果的影响。结果表明：对COD的去除效果：页岩陶粒石灰石沸石；对TP的去除效果：沸石页岩陶粒石灰石；对TN的去除效果：沸石页岩陶粒石灰石；对NH3-N的去除效果：沸石页岩陶粒石灰石。关键词：污水处理技术；人工绿地；页岩陶粒；石灰石；沸石The Purification Effect of Constructed Wetland with Three Kinds of Packing Ma
2、terials on Domestic SewageAbstract: Domestic sewage was treated in the constructed wetland model with three kinds of packing materials，including shale pottery grain，lime stone，and zeoliteThe physical and chemical properties of those three filling materials and their effects on wastewater treatment w
3、ere analyzedThe results were as follows：the ran k of removal efficiency of COD of the three materials Was shale pottery grainlime stonezeolite；the rank of removal efficiency of TP of the three materials Was zeoliteshale pottery grainlime stone；the rank of removal efficiency of TN of the three materi
4、als was zeolite shale pottery grainlime stone：the rank of removal efficiency of NH3-N of the three materials Was zeolite shale pottery grainlime stoneKey words: wastewater treatment technology；constructed green land；shale pottery grain；lime stone；zeolite1. 前言1.1 人工湿地的现状人们的生活水平得到了不断地提高,但同时必须指出的是,全球的环
5、境也被严重污染了。随着全球污染的加剧,环境的恶化,水资源供需矛盾日益突出,对于正处于经济高速发展时期的我国,这一问题尤为突出。特别是近年来随着工业化和城市化的提高,工业污水和城市生活污水的排放量不断增加,在许多城市出现了严重的水污染,已经严重地制约了经济的发展。传统的生化二级处理场限于投资和运行费用过高,难以在中小城市推广,已建成的污水处理场也远远不能满足污水处理的要求。因此,发展和推广简便有效的污水处理技术是改变目前水资源缺乏状况的一条重要途径。人工湿地是本世纪七十年代蓬勃兴起的一种处理污水的方式,它的原理主要是利用湿地中基质、水生植物和微生物之间的相互作用,通过一系列的物理的、化学的以及生
6、物的途径净化污水。应用人工湿地处理污水,其投资和日常运行费用仅为常规二级污水处理场的 11012和1513 ,但其出水水质可达到或超过二级污水处理水平,且适用面广,除处理城镇生活污水外,也能广泛应用于农业、畜牧业、食品等工农业废水的处理。1 2011年2月2日是第十五个“世界湿地日”，今年的主题是“湿地与森林”。国家林业局表示，今年我国将进一步加强湿地资源保护，将大力推进湿地保护立法和制度建设，建立健全湿地生态效益补偿制度；深入实施湿地保护工程，加快构建湿地保护长效机制；研究建立湿地生态系统健康、价值和功能评价指标体系；加强国际重要湿地建设和管理，促进湿地公园健康发展。1.2 人工湿地的功能1
7、.2.1 水分调蓄功能。水分调节是湿地重要的生态功能之一。湿地具有巨大的渗透和蓄水功能。湿地的形成对当地地下水的补给和调蓄产生了重要作用。1.2.2 气候调节功能。湿地是一种重要的水源地，通过水面的热量和水汽交换对区域环境产生影响。湿地呈孤岛状分布于荒漠景观中，形成干旱区特殊的“湿岛”效应，对湖区周边的气候有一定的湿润作用和降温效应，湿地面积变化对沙尘暴、浮尘等气候灾害具有一定的抑制作用。1.2.3 生物多样性维持功能。生物多样性是人类赖以生存的重要物质基础，湿地复杂的生态系统结构和景观格局的异质性可为不同的生态位的物种提供多样性生境。水域生态系统的生物多样性除了可以有效地保证生态系统的稳定、
8、发挥生态价值外，也是生态系统中物种的重要基因库，能增加种群的遗传多样性，还能创造出一个植物区系和动物区系协调共存的生境，提高水域生态系统的价值。1.2.4 科学考察、休闲旅游功能。湿地特殊的地貌和气候特征，使其形成了由石漠、沙漠、沼泽、滩涂和水域等组成的多样化荒漠景观类型，植被分布也形成了旱生、沙生、盐生、湿生、水生等多种类型的植物群落，其丰富的荒漠植物群落和荒漠景观类型区，具有重要的旅游价值。2 1.3 人工湿地的对有机污染物的去除途径及影响因素一般认为，有机污染物在湿地系统中的去除主要是通过3种途径：第一是较大的不溶性有机颗粒团经沉降过滤被滤料与植物截留，并可部分被微生物降解；第二是污水中
9、的可溶性有机物可被植物根系与填料表面上的生物膜吸附、吸收和代谢作用；第三是通过对填料的定期更换和植物收割将新的有机体从湿地中去除 。3人工湿地中有机污染物降解机理的影响因素素众多，主要涉及生物因素(植物、微生物及酶)、化学因素(如溶解性有机质、氧化还原条件、溶解氧等)及工程因素(水流特性、填料空隙度、停留时间、水力负荷和水位等)等，这些因素之问存在复杂的耦合关系。4湿地植物种类、微生物活性和土壤中营养物质的生化循环都与其自身的环境气候有关。不同的植物种类和微生物类群对污水的净化效果不同，因此应选择对污水处理效果好、适应性强的品种，如芦苇便是特别有效的植物。基质的组成与水流过程及某些污染物的积累
10、、释放密切相关，因此，选择合适的填料组成、设计合理的水流动力学特征参数可有效去除污染物质。最近还有研究表明，有机污染物的转化和营养物质循环与基质中的氧化还原条件及可获电子受体量有很好的相关性。1.4 应用实例在国外，人工湿地脱氮技术发展迅速。F.ACo min等人5于1993年将人工湿地系统用于解决西班牙东北部Ebro河三角洲的农业径流的氮污染问题，试验中湿地的入水为当地玉米地的灌溉水，总氮负荷达270(d)，溶解性无机氮负荷达105(d)，溶解性有机氮负荷达27 (d)，经人工湿地处理后总氮的去除率达8498。分析表明，植物吸收、植物碎屑的积累和降解以及基质中的氮循环是湿地中氮保留和降解的主
11、要因素，根据一阶柱塞流动力学模型可得总氮去除率常数为0.075md。GSun等人6将潮汐流的概念引入人工湿地的运行之中，该湿地系统栽种的水生植物以芦苇为主，所处理的农业废水的氨氮平均浓度为329.5L。在人工湿地运行中，每隔一定周期向湿地注水、排水，当废水排人湿地中时空气被迫从床体基质中排出，而当水排出时空气又进入床体基质中，这样利用有节奏的气、水运动就在湿地床体内部不断形成好氧、厌氧环境，有利于硝化、反硝化作用的发生，结果表明氨氮去除率可达93.1 。2 材料与方法2.1 植物的选择植物在人工绿地污水净化过程中的作用与其生长期密切相关，生长越旺盛，根系越发达的植株，其净化污水的能力、输氧和穿
12、透的作用越强，因此，选择合适的植物对提高绿地的净化效率起着重要的作用。一般来说，植物的选择遵循以下几个原则：第一是耐污性能强、处理效果好、成活率高；第二是根系发达、茎叶茂密、生长周期长；第三是抗冻、抗热、抗病虫害能力强，宜于乡土生长；第四是易于维护管理；第五是具有美化景观的功能。7 2、2 填料的选择在构建人工绿地时，选择适宜的填料是十分重要的。一般来讲，人工湿地填料的选择需要遵循以下几条原则：第一是填料中铁、镁、钙、铝等活性物质的含量要高；第二是填料表面粗糙，内部孔隙发达，比表面积大；第三是因地制宜，就近取材，选取来源广泛、价格低廉的材料作基质，以降低人工湿地的成本；第四是坚持以废治废，合理
13、利用资源的原则，对吸附能力强，环境危害小的工业副产物加以利用。7为了考察不同品种填料对污水处理效果的影响，实验选用3种填料：页岩陶粒，石灰石，沸石。页岩陶粒不仅具有优异的性能，比表面积大，吸附悬浮能力强，密度低，孔隙率高；并且耐磨，耐冲刷，微孔多，截污能力强，化学性能稳定。白灰石主要矿物成分为方解石，表面平滑，呈小颗粒状。沸石可以借水的渗滤作用，进行阳离子的交换，其成分中的钠、钙离子可与水溶液中的锂、镁等离子交换。沸石中的水分可以跑出来，但这并不会破坏沸石内部的晶体结构。因此它可以再重新吸收水或其他液体，还可以吸附某些污染物。8下面的粒径大，孔隙率就高，有利于水的通过，防治漫流现象的出现，上面
14、的粒径小，很大部分原因是由于上面要种植植物，植物的根系要固定生长的话就要粒径小的填料，粒径大了植物就不容易存活。考虑到这样两点所以人工湿地的填料粒径为什么由上到下是递增的。主要还是怕堵塞，种植物也是一部分。923 运行条件取相同体积的不同种填料分别填充于实验模型中，试验模型高220、长300、宽130，填料高80、土壤高50、粗沙高30，实验模型见图1。试验水质选定为学院污水处理厂调节池中的污水，其中，经检测其COD质量浓度为115139L，IN为4I55L，TP为59L，NH3-N为2946L，pH在7.07.2之间。进水量为0.76m，水力停留时间2.5d，每隔5天测定不同填料系统的进出水
15、浓度。 24 水质的测定方法主要水质指标均按国家标准方法进行测定7 ，其中，COD：重铬酸盐法，TP：钼锑铵分光光度法，TN：碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，NH3-N：纳氏试剂分光光度法。3 实验结果3.1 填料的性能分析对填料的性能进行了测试和分析，结果见表1、表2、表3。大量的研究发现孔隙率是指单位体积填料中的空隙所占的体积比，比表面积是指单位体积填料所具有的总表面积。表1 填料的物理性质填料名称表面密度（kgm_3）联通空隙率%比表面积（m2g_1）外形特征页岩陶粒14706547不规则破碎形，粒径1020石灰石270012粒径一般2030沸石21005080孔径为0.31nm表2 填
16、料的元素组成填料名称SiO2CaOMgOFe2O3Al2O3K2ONa2O烧失量其他页岩陶粒63.582.082.47.5217.593.060.880.252.64石灰石0.0755.220.080.030.02沸石73.53.620.450.7511.71.191.87表3 填料对COD、TP、TN、NH3-N的去除率 %填料名称CODTPTNNH3-N页岩陶粒74.636.340.669.0石灰石71.325.328.431.1沸石66.142.765.473.43.2 不同填料对污水的净化效果测定了不同填料对试验模型中的污水净化效果，分别分析COD、TP、TN、NH3-N的去除情况，去
17、除率分别见图2，平均去除率见表3。由图2及表3可知，沸石对TP、TN、NH3-N的去除率最高；三种填料对COD的平均去除率在7175之间，彼此之间的区别不是很大，页岩陶粒对COD的去除率最高，沸石最低；对TN、TP、NH3-N的去除，页岩陶粒都高于石灰石，而沸石则高于石灰石一倍多。由表3可知，综合去除效果最好的是沸石。就填料的物理性质而言，其粒度越小，孔隙率越高，基质的比表面积越大，被吸附物的扩散速率也越大，对吸附越有利。由表1可知沸石的比表面积最大为8.0 g，沸石其铝硅酸盐骨架结构的孔道和空穴具有可供交换的阳离子，应用中表现出良好的离子交换性能，同时，孔穴和孔道有很大的比表面积，允许一定大
18、小的分子自由移动，决定了沸石对气体、液体均具有良好的吸附能力8。一般情况下，污水中磷的去除途径主要是基质的沉淀和吸附作用。基质不仅对磷具有吸附作用，而且含钙和铁的基质可通过Ca、Fe反应而沉淀10本试验所选用的3种填料中，石灰石的钙含量最大，但总金属含量很低；页岩陶粒的钙含量不高，但是总金属含量高；沸石的钙含量比页岩陶粒高，总金属含量略低于页岩陶粒。试验结果表明沸石对1P的平均去除率最高。石灰石初期对磷的去除率不高，而后迅速增大，这可能与填料对磷的吸附速率有关。人工湿地主要去氮机理是微生物的硝化与反硝化作用，由于试验填料高度不够高，厌氧环境空间相对较小，限制了反硝化作用，7因此填料对氮的处理效
19、果不是很好，TN平均去除率为2866 ，NH3-N平均去除率为3174，对NH3-N的处理效果好于TN。石灰石对氮的去除率最低，可能是由于填料本身的特性不利于脱氮细菌的生长，这有待于进一步的试验证实 。114 讨论4.1对本实验的讨论第一是填料的比表面积、粒度分布、粒度大小和孔隙率等自身的物理性质对填料的去污能力也会有很大的影响。第二是沸石的比表面积和连通孔隙率均大于页岩陶粒和石灰石，更适宜作为人工生态绿地的填料。第三是由实验结果可知页岩陶粒对COD的去除效果最好，沸石对COD、TN、NH3-N的综合去除效果最好。124.2人工湿地水处理技术存在的问题和改进技术4.2.1温度问题温度影响包括：
20、低温时生物活性下降和植物的死亡；对于表面流和竖流湿地，低温时表面会结冰冰层不仅阻碍了大气的复氧过程，使生化水平降低，而且冰层的存在减少了有效水深，从而缩短了停留时间，进而对处理效果产生影响。因此，低温会导致处理效果的显著降低。13目前，湿地中低温问题带来的问题还没有完全解决，但可以采取一些措施适当的降低温度带来的影响。如在工艺中可以在其表面覆盖植物的落叶，可以适当的采取保温措施等。4.2.2占地面积问题人工湿地的机理与特点使其与传统的污水处理工艺相比较需要较大的占地面积，一般认为大约是传统污水处理工艺的23倍左右。而当今，土地资源对于很多城市来说是非常宝贵的，这就为应用该技术带来很大的障碍。由
21、于自身处理过程的特殊性，人工湿地技术在占地上的问题很难完全解决。但是可以采取适当的措施以减少占用有效的土地资源。如可将工程选在市郊区域，可采取组合工艺等。4.2.3阻塞问题随着时间的推移，湿地中部分营养物质会逐渐积累，湿地中的微生物也相应的繁殖，再加上植物的腐败，若保护不当，很很容易产生淤积、阻塞现象。这种想象不仅会影响水的流速，而且会影响水的复氧，从而影响到微生物的活性进而影响到处理效果。解决办法：选择适当的填料最好是多孔质松不易办结的便宜材质，采用合适的操作工艺，可以间歇进水来恢复湿地的渗透速率，选择合适的植物密度并及时维护。145 结论人工湿地系统作为一种建造及运行费用低、处理效果好的工
22、艺，有着和传统污水处理工艺不同的独特构造，它尤其适用于含高氮废水的处理，值得大力推广参考文献：1梁威，吴振斌人工湿地对午睡中氮磷的去除机制研究进展J环境科学动态，2000(3)：3237.2陈丽，杨二，李莉，鲍宏喆东居延海湿地生态功能与价值J人民黄河，2011(33):8485.3曹英兰，林建清，陈辉城镇生活污水人工绿地处理技术及其应用J厦门科技，2007(4)：1214. 4刘强生态绿地污水处理系统设计探讨J科技情报开发与经济，2004(7)：1421435 Comin F A，Romero J A，Astorga V，et al、Nitrogen removal and cycling i
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24、观水系统优化试验研究D 武汉：武汉理工大学，2007.9 刘文祥人工湿地在农业面源污染控制中的应用研究J环境科学研究，1997，10(4)：1519.10高磊，丁建彤，操家顺不同填料的人工湿地生物膜特性与处理效果研究EBOL20090601http：wwwpapereducn.11吴晓磊人工湿地废水处理机理J、环境科学，1995，16(3)：8386.12王世和人工湿地污水处理理论与技术M北京：科学出版社，2007：626713丁廷华污水芦苇湿地处理系统示范工程的研究J、环境科学，1992，13(2)：8l3.14项学敏，宋晨，周集体，周笑白，杨凤林.人工湿地水处理技术研究进展存在的问题与改进
25、J.环境科学与技术，2006（29）：101104.致谢转眼间，大学四年即将结束。在这四年里，我不仅从老师和同学们身上学到到了许多专业知识，也学会了如何与人更好的沟通与合作，学会了如何去面对困难和解决问题。对给予我谆谆教诲的师长和无私帮助我的同学表示感谢！首先，我要感谢赵凤岐老师。从论文选题到定稿，都倾注了大量的心血。感谢他在论文撰写这个环节给予我的悉心指导。在研究进程中，时时关注实验进展，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨，解决所遇到的问题。作为老师，他一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神你，不仅授我以文，而且教我做人；作为长辈，他对我关怀备至，让我感念至深。在此谨向赵老师表示我最诚挚的敬意和感谢。 最后，谨向所有在此期间曾经关心和帮助过我的老师、同学和工作伙伴表示最诚挚的感谢！ 在我即将结束在母校山西农业大学四年的大学生活，在即将步入新的人生旅程之际,我再一次对各位老师及同学的厚爱表示最诚挚的谢意和良好的祝愿。
