人工湿地不同基质对城市生活污水净化效果研究

摘要 选取果壳炭、炉渣、陶粒和沸石4种填料，在不同水力停留（12、24、48和72 h）的条件下，进行人工湿地模拟净化生活污水试验。结果表明，4种基质中果壳炭和炉渣对出水pH的影响较大，果壳炭在不同水力停留时段出水pH（8.2～8.6）较进水（pH=7.6）高，炉渣在水力停留12和48 h增加了出水pH（分别为8.05和8.20）。4种基质在不同水力停留时段对COD和BOD 5均表现出了较好的处理效果，去除率分别达到了57.08%～81.85%和72.25%～94.16%，尤其是对BOD 5基本随水力停留时间的增加而增加（水力停留72 h时果壳炭除外）。在不同水力停留条件下，各基质对总氮的去除效果均表现为果壳炭>陶粒>沸石>炉渣，果壳炭和陶粒以水力停留72 h去除效果最佳，而沸石和炉渣在水力停留前期（12和24 h）的处理效果优于后期（48和72 h）;各基质对氨氮的去除效果均表现为果壳炭>陶粒>炉渣>沸石，且随着水力停留时间的延长而增加;吸附总磷效果最好的是炉渣，对总磷的去除率均显著优于陶粒和沸石（ P< 0.05），而果壳炭却表现出少量的释磷现象。

关键词 人工湿地;基质;水力停留时间;生活污水;净化;去除率

中图分类号 X 799.3  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）17-0052-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.17.013

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on the Purification Effect of Different Substrates in Constructed Wetland on Urban Domestic Sewage

XIAO Ye1，HUANG Zhi-gang2，LING Yu-lin1 et al

（1.College of Resources and Environment，Zunyi Normal University，Zunyi，Guizhou 563006;2.College of Biology and Agriculture，Zunyi Normal University，Zunyi，Guizhou 563006）

Abstract Four kinds of fillers （fruit shell carbon，slag，ceramsite and zeolite） were selected to simulate the purification of domestic sewage by constructed wetland under different hydraulic retention conditions （12，24，48 and 72 h）.The results showed that the fruit shell carbon and slag in the four substrates had a great influence on the pH of effluent.The pH of outfall （8.2-8.6） was higher than that of inflow （pH=7.6） in different hydraulic retention periods for fruit shell carbon system.The slag system increased the pH of outlet water （8.05 and 8.20 respectively） after hydraulic retention for 12 and 48 h.The four substrates showed good treatment effects on COD and BOD 5 during different hydraulic retention periods，and the removal rates of BOD 5 were 57.08%-81.85% and 72.25%-94.16%，respectively.Especially，BOD 5 increased with hydraulic retention time （except for fruit shell carbon when hydraulic retention time was 72 h）.Under different hydraulic retention conditions，the removal effects of total nitrogen for different substrates were as follows：fruit shell carbon>ceramsite>zeolite>slag.The removal efficiencis of fruit shell carbon and ceramsite were the best under 72 h hydraulic retention.But the treatment effect of zeolite and slag in the early period of hydraulic retention （12 and 24 h） was better than that in the later period （48h and 72 h）.The removal effect of ammonia nitrogen by different substrates was as follows：fruit shell carbon>ceramsite>slag>zeolite，and it increased with the extension of hydraulic residence time.The slag had the best effect of adsorbing total phosphorus，and the removal rate of total phosphorus was significantly better than that of ceramsite and zeolite （ P< 0.05），but the fruit shell carbon showed a small amount ofPrelease.

Key words Constructed wetland;Substrate;Hydraulic retention time;Domestic sewage;Purification;Removal rate

城镇化的快速发展带来了人口的密集，导致生活污水排放量也与日俱增，来自食品、城市地面径流和粪便等生活污水中富含的氮磷物质排放将导致地面水体富营养化。人工湿地是利用基质-微生物-植物三者间的协同作用来处理废水的方法[1]，因其具有低能耗、耐负荷、节约成本、管理简单和处理效果稳定等一系列优点而被广泛应用于生活、工业、矿山、农田污废水和垃圾渗滤液等受污水体修复[2-3]。湿地基质不仅是植物和微生物生长的依附介质，而且还可以通过吸附、沉淀和过滤等理化作用及生物途径直接去除污染物，因此是人工湿地的重要组成部分[4-5]。不同的理化性质基质对污染物的过滤、吸附及生化反应性能不同，其表面形成的微生物膜的形态和组成也存在一定差异，从而影响湿地系统污染物的去除效果[6]。目前人工湿地常用的基质是一些未加工改性的天然材料如土壤、河砂和砾石等，这类基质通常易吸附饱和，脱氮除磷效果不理想，净化效率低，致使出水中氮、磷浓度较高。因此筛选出具有高效净化能力的人工湿地基质，不仅可以提高人工湿地对污染物的净化能力，而且还能延长基质的使用寿命，同时节约建设成本。

水力停留时间是影响人工湿地污染物去除的关键因素，也是人工湿地污水处理系统中关键的设计参数。研究发现，水力停留时间过短，则污染物去除率低，而延长水力停留时间，虽然能降低出水磷的浓度，但过长的水力停留时间则会增加运行成本，且去污效果提升不明显[7]，甚至会发生逆反应，导致释磷现象[8]，故选取适当的水力停留时间对提高湿地脱氮除磷效率很重要。该研究通过比较筛选后选取的沸石、陶粒、炉渣、果壳炭4种填料为研究对象， 研究它们在不同水力停留时间条件下对有机污染物及氮磷的净化能力和处理效果， 为选择合适的人工湿地基质达到良好的处理效果及预防堵塞提供理论依据和实践参考。

1 材料与方法

1.1 基质材料和试验装置

试验测定比较室内无植物条件下填料对污染物的去除性能。试验基质选用了果壳炭（粒径3～5 mm）、陶粒（粒径5～10 mm）、沸石（粒径1～2 mm）和炉渣（粒径8～12 mm）作为研究对象，共4个处理，每组处理设置3个重复。如图1所示，在塑料箱（长44 cm、宽30 cm、高40 cm）内放置人工湿地基质，厚度约20 cm，底部设置直径为2 cm的出水口，另设计高位水箱，用于进水。

1.2 试验设计与进水 试验采用间歇进水方式一次性注入生活污水8 L，使污水没过基质5～10 cm，研究不同水力停留时间4种基质对污水中TN、TP、COD和BOD 5的去除效果，及对出水pH的影响，试验进行3次重复。

1.3 试验用水 该试验污水取自遵义市某污水处理厂进水口的城市生活污水，进水水质为pH 7.60、TP 0.61 mg/L、TN 10.40 mg/L、NH+ 4-N 9.53 mg/L、COD 87.00 mg/L、BOD 5 41.00 mg/L。

1.4 水质指标分析方法

水质监测参照国家标准分析方法。COD采用重铬酸钾法测定; BOD 5采用稀释与接种法测定;TN采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定;NH 4+-N采用纳氏试剂分光光度法测定;TP采用钼锑抗比色法测定。pH采用便携式pH计测定。

1.5 数据处理

试验数据用Excel 2010和 SPSS 13.0软件进行数据分析和绘图。不同基质间处理效果用LSD 法进行多重比较。

安徽农业科学2022年

2 结果与分析

2.1 不同基质对出水pH的影响

从图2可以看出，4种基质中以果壳炭和炉渣对出水pH的影响较大;果壳炭在4个水力停留时间内出水的pH为8.23～8.60，均大于进水（pH=7.6），炉渣的浸出液pH仅在水力停留12和48 h高于进水，分别为8.05和8.20，其余2个水力停留时间（24、72 h）出水pH均为7.70，与进水差异不大。相对于果壳炭、炉渣和沸石而言，陶粒在不同水力停留条件下出水pH较低，为7.40～7.77;尤其在处理24和72 h时pH分别降至7.47和7.40，具有降低进水pH的作用。沸石在4个水力停留时间对pH（7.65～7.80）的影响不大。

2.2 不同基质对污水中COD的净化能力 从图3可以看出，

4种基质在不同水力停留时间内对污水中的COD均具有较好的去除效果，去除率均达到了50%以上，但波动较大。在水力停留12和24 h，4种基质对COD的去除率差异不显著，其中以沸石的去除率最高，分别达78.53%和79.50%，而炉渣的去除率最低，分别为64.28%和64.45%。在水力停留48 h，果壳炭和炉渣的处理效果得到了提升，尤其是果壳炭对COD的去除率达到了81.85%，而陶粒和沸石的处理效果却呈现下降趋势。在水力停留72 h，除了果壳炭对COD的去除率下降至57.08%外，其他3种基质的去除率均明显提高至71.06%～77.83%。对于同一基质而言，果壳炭和炉渣在水力停留48 h对COD去除率最高，陶粒在水力停留72 h的处理效果最佳（77.83%），而沸石在水力停留24 h对COD去除率（79.53%）优于其他时间。

2.3 不同基质对污水中BOD 5的净化能力 从图4可以看出，4种基质在不同水力停留条件下对BOD 5均表现出较好的处理效果，去除率在72%以上。在水力停留12和24 h时，4种基质对BOD 5的去除率分别为72.77%～83.20%和72.25%～82.35%，各基质之间差异不显著。随着水力停留时间的延长，各基质对BOD 5的去除效果有所提升，尤其是果壳炭在水力停留48 h的去除率达到了94.16%，显著高于陶粒和沸石（P<0.05），但与炉渣的去除率（92.61%）差异不显著。在水力停留72 h，果壳炭对BOD 5的去除效果稍微有所降低，而其他3种基质则表现出更好的处理优势，去除率为92.08%～93.48%，显著高于果壳炭（P<0.05）。总体而言，除了果壳炭在水力停留72 h对BOD 5的去除率稍有降低外，各基质对BOD 5的处理效果均随水力停留时间的延长而增加。