人工湿地基质类型和粒径对水质净化效率影响研究

水处理网讯:人工湿地是指通过模拟天然湿地结构与功能,选择一定的地理位置与地形,根据人们的需要人为设计与建造的湿地.它由水体、基质、水生植物和微生物四大基本要素构成.基质是人工湿地中水生植物和微生物的生长载体,一般由不同级配、比例的单一或混合填料构成.选择合适的基质材料,可以为污水在湿地系统中的渗流提供良好的水力条件,为植物和微生物的生长提供良好的载体.基质是人工湿地系统中重要的营养聚集场所,它本身还可以通过物理化学吸附、沉降络合等作用有效去除污水中的氮、磷、难降解有机物等污染物质.因此,选择合适的基质材料,是构建人工湿地、提高人工湿地净化污水能力的关键措施.

国内外学者在基质除污性能上已作了大量研究,发现页岩、钢渣、无烟煤等基质能有效去除污水中的磷,煤灰渣、砂子、无烟煤、生物陶粒等基质对有机物的去除效果较好,沸石、陶瓷滤料、高炉渣等基质对氮素有较高的去除率.但是,不同的基质材料在粒径上往往难以统一,甚至存在较大差异,过去在比较不同基质类型对污染物质的去除效率时往往忽略了基质粒径的影响.比较不同基质类型的除污效能时,必须要考虑粒径的作用,确保粒径统一的情况下对不同基质进行比较.目前对基质粒径的研究主要集中在湿地堵塞方面,基质粒径对污水中污染物质的净化效果的影响尚没有一个明确的参考值.

因此,本文就不同粒径下(2~4、4~8mm)对3种常用人工湿地基质(无烟煤、沸石、砾石)的除污性能作了研究,并比较了相同基质类型下不同粒径对COD、TN、TP去除率的影响,分析了基质粒径和基质类型对COD、TN、TP这3种典型污染物质去除效能的贡献,以期为人工湿地基质的选择提供科学依据,进一步提高人工湿地的水质净化效率.

1材料与方法

1.1实验装置与基质

如图1,实验装置为人工实验柱,柱体采用有机玻璃材料,直径10cm,高60cm,柱体中铺设50cm高的基质层(在实验柱底部填充大粒径的实验基质以防止堵塞),下方设置锥形排水口.实验选用了沸石、砾石和无烟煤这3种常用的人工湿地基质,每种基质分别选取了3种常见的粒径,分别为1~2、2~4、4~8mm粒径的沸石,2~4、4~8、8~16mm粒径的砾石、以及2~4、3~5、6~8mm粒径的无烟煤.共9组处理,每组处理设置3个重复.

图1人工实验柱系统

1.2实验设计与进水

实验前期(4月中旬),用实际生活污水培养人工实验柱系统,以模拟真实的微生物环境.5月初,人工实验柱排出实际生活污水后,注入人工配置的污水,开展水质净化实验.配置污水所用底水为亚热带林业研究所内的池塘水,参考冯华军等对浙江省生活污水的水质调查结果模拟生活污水水质,分别用蔗糖、硝酸钙、硫酸铵、磷酸二氢钾调整了化学需氧量、总氮、铵态氮和总磷的浓度,使进水污染物浓度保持在较高水平,进水pH为7(表1).

表1实验期间进水水质

实验期长两个月,采取间歇进水方式,一次性注入配置污水2L,使污水恰好没过基质层2~5cm,研究水力停留时间(hydraulicretentiontime,HRT)为7d时,3种基质和粒径大小对污水中COD、TN和TP的去除效果.本研究采取了较长的水力停留时间,目的在于使污水与基质充分接触,既延长污水中污染物质与基质表面微生物的作用时间,也为基质的吸附、沉淀等物理化学反应提供充足的反应时间,有助于体现基质之间的差异性.

1.3指标测定与统计分析

水样测试指标为化学需氧量(COD)、总磷(TP)、总氮(TN),分别采用重铬酸钾法、过硫酸钾氧化-钼锑抗比色法和过硫酸钾氧化-紫外分光光度法进行测定.

使用MicrosoftExcel2010和SPSS20.0对数据进行统计分析和绘图：对相同粒径不同基质类型的数据、相同类型不同基质粒径的数据分别进行LSD法显著性检验(P<0.05)和Duncana,b,c多重比较(α=0.05);对总样本进行主体间效应的检验(P<0.05),得到基质粒径和基质类型对污染物去除率变异的贡献值.

2结果与分析

2.1COD的去除

从图2可以看出,不同粒径沸石和无烟煤基质对COD的去除率均表现为大粒径优于小粒径：4~8mm>2~4mm>1~2mm(沸石),6~8mm>3~5mm>2~4mm(无烟煤),且不同粒径之间在0.05水平上差异显著,4~8mm沸石和6~8mm无烟煤对COD的平均去除率分别达到了53.74%和62.93%.不同粒径砾石对COD的去除效果表现为：4~8mm>8~16mm>2~4mm,且3种粒径之间存在显著性差异(P<0.05).

图2

以3~5、6~8mm无烟煤对COD(TN、TP)去除率的均值为4~8mm无烟煤的COD(TN、TP)去除率;小写英文字母为Duncana,b,c多重比较结果,不同字母之间表示COD去除率存在显著性差异(P<0.05),下同图2不同基质和粒径对COD的平均去除率

在2~4、4~8mm粒径下,3种基质对COD的去除效果均表现为砾石最好,分别为44.45%、60.76%.方差分析结果显示,在4~8mm粒径下,无烟煤和砾石对COD的去除效果要显著优于沸石(P<0.05),但在2~4mm粒径下,3种基质对COD的去除率之间无显著性差异(P>0.05).

2.2TN的去除

图3结果显示,3种基质对TN均有较高的去除率.沸石对TN的平均去除率最高,1~2mm沸石对TN的平均去除率达到了88.64%;其次是无烟煤,平均去除率在60%以上;砾石基质对TN的去除效果相对差一些,但2~4mm砾石对TN的平均去除率也高达68.49%.方差分析结果显示,不同粒径的沸石之间、砾石之间以及无烟煤之间对TN的去除率均存在显著性差异(P<0.05),总体上表现为小粒径优于大粒径.在2~4、4~8mm粒径下,3种基质对TN的去除效果均表现为：沸石>无烟煤>砾石.具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

图3

图3不同基质和粒径对TN的平均去除率

2.3TP的去除

从图4可以看出,无烟煤对TP的去除效果最好,平均去除率在60%以上,其次是砾石,去除率在20%~40%之间,沸石对TP的去除效果最差,平均去除率仅在15%以上.表2结果显示,不同粒径的沸石之间、砾石之间和无烟煤之间对TP的去除效果在0.05水平上均存在显著性差异;其中,砾石和无烟煤表现为小粒径优于大粒径,沸石基质则表现出与此相反的趋势：4~8mm沸石对TP的去除效果显著优于1~2、2~4mm(P<0.05).

图4

图4不同基质和粒径对TP的平均去除率

表2基质类型和基质粒径对COD、TN、TP去除影响的统计分析1)

在2~4mm粒径下,3种基质对TP的去除效果表现为：无烟煤>砾石>沸石,且方差分析结果显示,3种基质对TP的去除效果之间均存在显著性差异(P<0.05);在4~8mm粒径下,无烟煤基质对TP的去除率(62.68%)也显著高于沸石(27.29%)和砾石(27.98%).