人工湿地基质类型和粒径对水质净化效率影响研究-第2页-北极星水处理网

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3.1基质类型和粒径对COD去除效果的影响

在本实验中,沸石、砾石、无烟煤对COD均有较高的去除率.4~8mm粒径沸石、砾石和无烟煤对COD的平均去除率分别达到了53.74%、60.76%、62.93%.以往的研究结果也显示,这3种基质对COD的去除率是较高的.刘灏等的研究发现,6.25~6.5mm砾石对北京市生活污水中COD的去除率在60%以上;李怀正等研究了砾石对上海市莘庄污水厂初沉池出水的去污效果发现,砾石的COD去除率在60%以上.但是本实验中3种基质对COD的平均去除率均高于文献的研究结果.张翔凌比较了沸石、砾石和无烟煤对东湖湖水与化粪池出水的混合原污水污染物的净化效果发现,沸石对COD的平均去除率在30%~40%之间,砾石和无烟煤对COD的平均去除率在40%以上.孔令华等的研究发现,沸石对COD的去除率仅为36.7%.这可能是由于实验中充足的碳源和较长的水力停留时间为微生物的降解提供了充足的反应底物和反应时间,从而提高了实验柱中有机物的去除效率.

人工湿地主要依赖微生物代谢活动分解去除有机物,基质作为微生物的生长载体,直接的吸附作用对有机物去除影响较小,主要通过间接影响微生物从而影响COD去除率.本研究实验进水中COD的浓度较高(525.60mg˙L),在有机物含量充足的条件下,溶解氧是限制人工实验柱系统好氧降解最主要的因子.实验柱中的溶解氧主要来自于大气复氧,基质间孔隙度的大小会直接影响实验柱的复氧能力.表2结果显示,沸石和无烟煤基质对COD的去除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),可以判断出,在2~4mm和3~5mm粒径下,溶解氧仍是限制沸石和无烟煤实验柱中有机物去除效率的重要因子.填充4~8mm粒径砾石的人工实验柱对COD的去除效果则要优于2~4mm和8~16mm,说明在4~8mm粒径下,砾石既能为微生物的降解作用提供更多与有机污染物反应的位点,又不会受到溶解氧供应量的限制.

效应检验结果显示(表2),在COD的去除过程中,基质粒径对COD去除率变异的解释度为62.3%,远高于基质类型的解释度7.2%,可以判断出,基质粒径在COD的去除中起了更关键的作用,也说明在人工实验柱中,基质对微生物的影响主要表现为基质粒径对微生物的影响.

3.2基质类型和粒径对TN去除效果的影响

图3显示,TN去除率在不同基质类型和不同基质粒径之间均有显著差异(P<0.05).在2~4mm和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.这与张翔凌的研究结果一致.沸石的氨氮吸附性能十分优异,其硅铝酸盐骨架结构内部含有可用于交换阳离子的通道,对氨氮的净化具有重要的影响.但与以往的研究相比,本实验中TN去除率是明显偏高的.汤显强等做了室内无植物条件下单一填料粗砾石对污水的净化,发现其对TN的去除率低于40%.Zhang等构建了垂直流人工湿地基质模拟实验柱,在实验期间砾石和无烟煤对TN的去除率均低于40%.本实验中,沸石的TN去除率在70%以上,无烟煤的TN去除率在60%以上,砾石的TN去除率相对较低,但也在40%以上.这可能与实验装置和进水中污染物的浓度有关.有研究表明,微生物的硝化与反硝化作用是湿地除氮最主要的方式,水中碳源充足可以有效提高湿地系统的反硝化速率.在人工实验柱中,溶解氧沿基质层自下而上呈现出厌氧、缺氧及好氧这3种状态,从而使得系统硝化/反硝化作用有条不紊地进行.污水中充足的硝态氮含量和缺氧环境为反硝化菌提供了有利的生存条件,充足的碳源为反硝化脱氮提供了电子供体,较长的水力停留时间也为基质和微生物提供了更多的吸附和降解反应时间,使得人工实验柱中氮素的去除效率显著增大.

不同粒径沸石、砾石和无烟煤对TN去除效果的影响均表现为小粒径优于大粒径,这也说明了厌氧反硝化作用是人工实验柱中脱氮的主要方式.小粒径的基质能够为反硝化细菌提供更好的缺氧环境,同时也能够提供更多与氨氮、硝态氮进行物理化学反应的位点,从而提高TN去除率.效应检验结果表明,基质类型和粒径对TN去除率变异的解释度分别为59.9%、79.1%,基质粒径对实验柱中TN去除率的影响作用大于基质类型的影响,说明当湿地脱氮以反硝化作用为主时,选择合适的粒径有助于提高湿地脱氮效率.

3.3基质类型和粒径对TP去除效果的影响

在2~4mm和4~8mm粒径下,无烟煤对TP的去除效果均显著优于砾石和沸石基质.无烟煤的TP去除率在60%以上,砾石在20%~45%之间,沸石的TP去除率低于30%.这与前人的研究结果较为一致.孔令华等研究了沸石对SBR尾水的处理效果,发现沸石对TP的去除率为24.9%.汤显强等发现粗砾石对TP的平均去除率在35%左右.张翔凌比较了几种基质对TP的去除效果也发现无烟煤的TP去除率高于砾石和沸石.人工实验柱中磷素的去除是微生物积累和基质的物理化学反应共同作用的结果.基质中的Ca2+、Mg2+、Al3+、Fe3+等金属离子、金属氧化物和氢氧化物以及黏土矿物可与可溶性无机磷酸盐发生吸附沉淀反应或配位体交换作用,以实现磷的净化.Reddy等的研究发现,湿地系统中7%~87%的磷是通过基质的吸附沉淀作用被除去的.基质本身的理化性质对磷素的吸附有很大影响,这也是基质类型对TP去除率变异的解释度(89.7%)远高于基质粒径解释度(56.4%)的原因.

图4结果显示,不同粒径的沸石、砾石和无烟煤对TP的去除率之间均存在显著差异(P<0.05),可见基质粒径对TP去除率的影响也是不可忽略的.相同基质类型下,相同体积的小粒径的基质具有更大的比表面积,能够为磷酸盐提供更多吸附沉淀或配位体交换的反应位点.因此基质粒径越小,基质对TP的去除率将会越高.张倩[27]的研究中也发现,基质对磷的吸附会受到粒径大小的影响,粒径较小时基质的磷吸附量相对较高.因此在砾石和无烟煤实验柱中,TP的去除均表现为小粒径优于大粒径.但在沸石实验柱系统中,4~8mm沸石对TP的去除效果显著优于1~2mm和2~4mm粒径的沸石.这与张翔凌等的结论不一致.笔者猜测出现该结果有以下原因：①沸石基质对氨氮的吸附性能优异，有研究发现,沸石中与NH4+发生离子交换的主要是Na+、Ca2+和K+,三者占离子交换总量的99%.氨氮和磷的吸附点位有所重合,沸石对氨氮的吸附可能会影响其对磷的去除;②实验柱中的有机物分解和硝化作用都会消耗氧,相较4~8mm和2~4mm沸石,1~2mm沸石实验柱中由于基质复氧能力弱,溶解氧含量更低.微生物在厌氧环境下会将吸收的磷酸盐重新释放到水中,使水中的磷酸盐含量升高,TP去除率降低;③在对磷素的去除过程中,沸石表面的金属离子和氧化物能与无机磷反应生成难溶化合物[27],导致水力传导系数下降,污水在沸石中的渗流受阻将会限制磷素的进一步去除.

4结论

(1)沸石、砾石和无烟煤对COD均有较好的去除效果.选择合适的基质粒径有利于提高湿地COD的去除率,基质粒径过小和过大都会限制湿地中有机物的降解.本实验中,4~8mm粒径下沸石和砾石的COD去除率最高,6~8mm粒径下无烟煤对COD去除效果最好.

(2)人工实验柱中氮素的去除以反硝化脱氮为主,小粒径由于复氧能力弱更有利于氮素的去除.在2~4mm粒径下,3种基质对TN均有较高的去除率,总体表现为：沸石>无烟煤>砾石.

(3)3种基质中,无烟煤对TP的平均去除率最高,且表现为小粒径优于大粒径;沸石的TP去除率较低,不同粒径间表现为：4~8mm>2~4mm>1~2mm.

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