（市政工程专业论文）人工湿地填料截污规律试验研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 人工湿地污水处理系统是低投资、低能耗、行之有效的处理与利用污水的系统 工程，脱氮除磷效果明显。填料土体是人工湿地的基质与载体，填料土体对污染物 的成功截留为后续植物吸收创造良好条件，是出水水质的重要保证。 为研究填料对污染物的吸附截留作用，进行了单一填料静态吸附实验，单一填 料动态截污实验、多种填料动态截污实验和动态截污影响因素分析实验。在单一填 料和多种填料动态截污实验过程中进行了示踪剂实验，以研究水力条件对截污效果 的影响。 实验得出以下结论： ( 1 ) 得出各填料吸附各种污染物质的f r e u n d i e h 等温线公式以及各填料吸附容 量随进水浓度和吸附剂量变化的规律； ( 2 ) 粉煤灰去除c o d 、n h 3 一n 的效果很好，粉煤灰空心砖去除p 的效果很好， 粉煤灰和细煤渣配合使用去除c o d 和n h 3 - n 的效果很好，粉煤灰和粉煤灰空心砖 配合使用去除n h 3 一n 和p 的效果很好，活性炭对各类污染物的去除效果都并非最好。 ( 3 ) 平均停留时间越长、分散度越大，填料对c o d 去除效率越高。填料对t p 、 n h 3 - n 的去除效率与平均停留时间和分散度无明显关系。 ( 4 ) 对于c o d 的去除，流速的影响不显著，进水浓度的影响较显著，填料的 影响非常显著；对于n h 3 - n 的去除，进水浓度的影响不显著，流速的影响较显著， 填料的影响非常显著；对于t p 的去除，填料的影响不显著，流速的影响和进水浓度 的影响非常显著。 ( 5 ) 进水负荷应小于3 m 3 m 2 。d 。 关键词：人工湿地、填料、污水处理、脱氮除磷 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n s t r u c t e dw e t l a n di sal o wi n v e s t m e n t ，l o we n e r g yc o s ta n dv a l i dw a s t e w a t e r t r e a t m e n ta n dr e u s es y s t e mt h a th a sao b v i o u sr e m o v a le f f e c to f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s m e d i ai st h em e d i u ma n dc a r r i e ro ft h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d s t h es u c c e s s f u lr e m o v a lo f p o l l u t a n tb ym e d i a t r e a t sag o o dt e r mf o rf o l l o w u pa d s o r p t i o nb y p l a n ta n dg u a r a n t e e s t h eq u a l i t yo f e f f l u e n t i no r d e rt os t u d yt h em e d i a sf u n c t i o no fr e m o v a lp o l l u t a n t ，m a n yt e s t so f p o l l u t a n t r e m o v a la r eh o l di n c l u d i n gas t a t i ct e s to f s i n g l em e d i a ，ad y n a m i ct e s to fs i n g l em e d ia ，a d y n a m i ct e s to fm a n i f o l dm e d i aa n dad y n a m i ct e s to fd i f f e r e n tr e a c t i o nc o n c l i f i o n s a t r a c e rt e s ti sc a r r i e di nt h e p r o c e s so ft h et w od y n a m i ct e s t st os t u d yt h eh y d r a u l i c i n f l u e n c e t h et e s t ss h o wt h a t ： ( 1 ) i ti sf o u n dt h a tf r e u n d i c ha d s o r p t i o ni s o t h e r mo fe v e r yk i n do fm e d i aa n dt h e m o v e m e n tl a wo f a d s o r p t i o nc a p a c i t yi n f l u e n c e db yi n f l u e n tc o n c e n t r a t i o na n da b s o r b e n t d o s a g e ( 2 ) f l ya s hi sv a l i d t or e m o v a lc o d a n dn h 3 - n h o l l o wb r i c km a d eo f f l ya s h i sa l s o v a l i dt or e m o v a lpt h ec o da n dn h 3 一nr e m o v a ii se f f e c t i v ew h e n f l ya s ha n d c o a ic i n d e r a r eu s e dt o g e t h e r i ti sa l s oe f f e c t i v ew h e n f l ya s ha n dh o l l o wb r i c km a d eo ff l ya s ha r e u s e dt o g e t h e rt or e m o v a ln h 3 一na n dra c t i v ec a r b o ni sn o tt h ek i n do fm e d i aw i t hb e s t r e m o v a l a b i l i t y ( 3 ) t h el o n g e rh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ea n dt h el e s sp e c l e t ，t h eb e t t e re f f e c to fc o d r e m o v a l t h e r ei sn oo b v i o u sr e l a t i o nb e t w e e n h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ea n dp e c l e ta n d t h e e f f e c to f n h 3 - n a l s oi sb e t w e e n h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ea n dp e c l e ta n dt h ee f f e c to f t p ( 4 ) i nt h ep r o c e s so fc o dr e m o v a l ，t h ei n f l u e n c eo fh y d r a u l i cl o a d i n gr a t ei sn o t o b v i o u s ，t h ei n f l u e n c eo f i n f l u e n tc o n c e n t r a t i o ni sr a t h e ro b v i o u s ，t h ei n f l u e n c eo f m e d i ai s v e r yo b v i o u s i nt h ep r o c e s so fn h 3 nr e m o v a l ，t h ei n f l u e n c eo fh y d r a u l i cl o a d i n gr a t ei s r a t h e ro b v i o u s ，t h ei n f l u e n c eo fi n f l u e n tc o n c e n t r a t i o ni sn o to b v i o u s t h ei n f l u e n c eo f m e d i ai s v e r yo b v i o u s i nt h ep r o c e s so f t pr e m o v a l ，t h ei n f l u e n c eo f h y d r a u l i cl o a d i n g r a t ea n di n f l u e n tc o n c e n t r a t i o ni sv e r yo b v i o u s ，t h ei n f l u e n c eo f m e d i ai sn o to b v i o u s ( 5 ) t h eh y d r a u l i cl o a d i n gr a t em u s tb el e s st h a n3 m 3 m 2 d k e y w o r d s ： c o n s t r u c t e dw e t l a n d s ，m e d i a ，w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ， r e m o v a lo f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s i i 华中科技大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：旁、l 真 日期：0 m 年年牛月0 牛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：孝、1 真 日期：蚪年午月斗日 指导教师签名： 日期：肿 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的来源 1 绪言 随着工农业生产的高速发展和人们生活水平的不断提高，近年来水体营养化问 题日趋严重。据全国2 6 个主要湖泊水库富营养的调查表明：贫营养的1 个，中营养 的9 个，富营养的1 6 个，在1 6 个富营养化湖泊中有6 个的总氮、总磷的负荷量极 高，已进入异常营养型阶段。同时，我国沿海赤潮发生的次数和面积也逐年增加， 每年都给当地的工农业生产带来相当大的损失。自2 0 世纪7 0 年代以来，世界各国 都认识到控制水中的氮和磷是限制藻类生长、遏制水体营养化的重要因素，开展了 脱氮除磷机理及工艺的研究。我国从8 0 年代初开始，也进行了大量的这方面的研究， 其中有的已进入规模应用，并取得了满意的效果【i 】。我国最新颁布的污水综合排放 标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 所规定的污水处理厂排放标准为：磷0 5 m l ( 一级标准) 、 1 0 m g l ( z 级标准) ，氮1 5 m g l ( 一级标准) 、2 5 m g l ( 二级标准) 。这就意味着新标准 对新建及已建污水处理厂提出了更高的要求，废水脱氮除磷技术在我国的发展前景 将更加广阔 2 1 。 目前，我国绝大部分城市污水厂均采用传统的二级活性污泥法处理工艺。这种 工艺工程投资高，能耗大，运行管理要求高，对控制大城市的水环境污染起到了关 键作用。然而由于我国经济发展水平不高，能源短缺，许多地方，尤其中小城市和 乡村缺乏具有一定操作管理和技术水平的人员。同时我国的乡镇企业迅猛发展，对 当地造成了严重的环境污染。因此在我国大力开发具有高效、简易、低耗的污水处 理技术，具有很大意义。 人工湿地污水处理系统是低投资、低能耗、行之有效的处理与利用污水的系统 工程，是在长期应用天然湿地净化功能基础上发展起来的水净化资源化生态工程处 理技术，脱氮除磷效果明显。 国外人工湿地污水处理系统的应用始于2 0 世纪7 0 年代初，近1 0 年来发展十分 迅速，目前，美国、加拿大已有3 0 0 多个人工湿地污水处理系统，欧洲有5 0 0 多个， 其规模小自4 0 m 2 ，大至1 0 0 0 多公顷。我国自“六五”开始开展了人工湿地小试、中 试到实用规模的试验，取得了人工湿地工艺特征、技术要点及工程参数等研究成果j 。 天津市环保所在1 9 8 7 年建成了我国第一个占地6 h m 2 、处理规模为1 4 0 0 m 3 d 的芦苇 湿地工程；北京市环保所在北京昌平县建成了处理规模为5 0 0 m 3 d 的芦苇湿地处理 系统示范工程；国家环保局华南环保所1 9 9 0 年在深圳建立了白泥坑人工湿地示范工 程，占地面积为1 2 6 h m 2 ，处理规模为3 1 0 0 m 3 d 。 本课题来源于国家十五“8 6 3 ”课题“城市污水生物生态处理技术与示范”，进 行人工湿地的研究。 人工湿地污水处理系统已被大量用来处理生活污水【4 】和工业废水【5 】，还被应用于 处理矿山废水、农业废水、垃圾填埋场渗滤液、高速公路暴雨径流和富营养化湖水【6 8 1 。而且人工湿地可以作为自然景观，具有一定的欣赏价值 9 ，l “。可以肯定地说，这 项技术将会越来越受到人们的重视，并得到越来越广的应用。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 人工湿地的国内外研究现状 目前人工湿地的研究和应用正方兴未艾。总结人工湿地的优点有 ( 1 ) 建设成本低 据国外统计，一般人工湿地污水处理系统的投资比常规的二级污水厂的低。对 我国已建成或正在建的常规二级污水处理厂的投资进行分析，也表明人工湿地的投 资远远低于常规二级污水处理设施( 见表1 1 ) 【1 l 】。而较低的投资对于我国现阶段经 济承受能力来说是最佳方案。 ( 2 ) 运行管理成本低无需专职人员管理、无电耗及药耗 高昂的运行费用常常是中小城镇开展污水处理的限制条件。从表1 1 可以看出， 人工湿地吨水处理费用仅为相近地区的鼓风曝气型项目的1 6 ( 珠海) 一2 0 ( 深圳) ， 为同一地区氧化沟方法的3 4 。原因有： 1 ) 由于人工湿地基本上不需要机电设备，故维护上只是清理渠道及管理作物， 一般人员完全可以承担，只需个别专业人员定期检查。 2 ) 人工湿地基本上不耗能，也不需要投药，这是其他处理方法无法与之相比的。 而且其他水处理工艺的能耗不仅是经济问题，同时也是环境问题，因为耗能过程中 产生的c 0 2 、s 0 2 等气体会污染大气环境。 表1 - 1 人工湿地污水处理系统与其他污水处理系统比较表 ( 3 ) 污水处理产物资源化回用 人工湿地污水处理系统特别注意污水处理与水资源利用相结合的特点，代表了 2 1 世纪小城镇污水处理发展的主要方向。 从表1 2 可看出，人工湿地污水处理系统的出水水质优于常规的二级处理，其出 水一般可真接用于农灌或景观用水等回用。 华中科技大学硕士学位论文 表1 - 2 人工湿地污水处理系统与传统二级污水处理系统处理效果比较表 ( 4 ) n 、p 处理效果显著 从表l 一2 可看出，人工湿地污水处理系统对n 、p 等指标的去除效果是常规二级 处理所不及的。 但是人工湿地也存在如下缺点： ( 1 ) 占地面积较大，进水负荷较小 从表1 1 中可知，人工湿地占地面积与其他污水处理厂相比占地仍较多，相当于 常规污水处理厂的l 3 倍，可能受到土地面积需求的限制，特别是在城市化地区。 因此许多学者致力于研究提高人工湿地处理效率的方法，以提高人工湿地进水负荷， 从而减少占地面积。 ( 2 ) 易堵塞，运行周期较短 人工湿地堵塞后，目前还没有很好的恢复对策。国外流行的做法是让堵塞后的 床体经过几个星期的停床修整来部分恢复渗透性，而轮休期的长短则取决于天气条 件。但是还是有很多学者认为堵塞问题可以得到有效解决。他们认为人工湿地污水 处理系统趋于成熟稳定后，堵塞速率会逐渐降低。 ( 3 ) 达到稳定状态所需时间较长 深圳市环境科学研究所设计的“洪湖公园人工湿地系统水质净化工程”在运行 开始阶段( 约6 个月) 处于不稳定状态。系统运行约半年以后，污染物去除效果才 好。这表明人工湿地生态系统需经过约半年时间才能达到稳定状态。 ( 4 ) 处理效果不稳定 人工湿地能有效地去除悬浮物和有机物。但是，考虑到营养物质的累积，人工 湿地的运行并不很好，因为只有3 0 的n 和p 被去除【l ”，而且通常在几年内基质吸 附p 的能力就会饱和，并开始释放过剩的p 【l “。 同时人工湿地处理效果受温度、气候条件影响较大。有研究表明：水温低于1 0 时，人工湿地的处理效率会明显下降【1 ”，这就是说，夏天的处理效果要好过冬天 【”，但温度高于3 0 又会对硝化与反硝化等生物化学过程产生抑制作用【l9 1 。也有研 究发现，n 的去除率会随季节变化而产生统计意义上的差异 2 0 l 。不过y a n g 等【2 1 l 发现， 华中科技大学硕士学位论文 当绿地运作一段时间( 如3 年) 后，去污效率基本不再受环境因子( 如温度、污水 流量等) 的影响。 人工湿地国家“六五”、“七五”攻关均有立项，但未能推广，除了因为人工湿 地还存在以上缺点，还有一个重要原因是。目前人工湿地缺乏统一的设计规范和参 数，因此还需要做大量的研究工作和技术改进。 人工湿地处理污水的机理较复杂。学者们一般认为人工湿地系统中，生长着水 生植物和大量的厌氧菌、好氧菌。污水在流经人工湿地时，经过物理沉淀、吸附， 微生物分解、植物吸收等作用而使污染物浓度降低。其中具有沉降性的有机物通过 沉积和过滤可很快被去除；可溶性有机物主要通过微生物的降解而去除；氮则是通 过硝化与反硝化反应及水生植物的吸收而被去除；而磷的去除主要靠沉淀、吸附及 水生植物的吸收。具体解释为： 人工湿地污水处理系统中，氮通常以有机氮和离子氮( n h 4 + ) 的形式存在。有 机氮首先被截留或沉淀，然后在微生物的作用下转化为离子氮。由于填料颗粒带有 负电荷，n h 4 + 很容易被吸附。硝化细菌通过硝化作用将n h 4 + 转化为n 0 3 一，填料又 可恢复对n h 4 + 的吸附功能。硝化作用在植物根系区的微氧环境中发生，植物根系也 为硝化细菌提供了丰富的表面。填料对带负电荷的n 0 3 - 没有吸附截留能力，n 0 3 一 可以被植物根系吸收而成为植物营养成分或通过反硝化最终转化为n 2 或者n 2 0 而挥 发掉。反硝化作用在纯土层( 缺氧和厌氧环境) ，中很快发生。因此，影响氮去除的 主要限制过程是氮的硝化作用，而冬季较低的气温抑制硝化作用和植物根系放氧作 用时，这种限制会更大【z 2 l 。 人工湿地污水处理系统磷的去除作用主要包括填料的物理作用、化学作用和微 生物的同化作用以及植物摄取作用【2 3 】。其中，填料的物理作用即填料截留悬浮物所 引起总磷去除的作用，即过滤性总磷的去除作用。化学作用主要是吸附和化学沉淀 作用，生物作用包括微生物的同化作用和植物的摄取作用。人工湿地对磷的主要去 除作用是化学吸附和沉淀以及微生物同化作用 2 4 1 。选用适宜的填料土体可使除磷效 果更好。 由上述机理可知：人工湿地污水处理系统中，填料土体是人工湿地的基质与载 体，填料土体对污染物的成功截留为后续植物吸收创造良好条件，是出水水质的重 要保证。因此本课题将人工湿地的填料作为主要研究对象。 1 3 人工湿地填料的国内外研究现状 专门针对人工湿地填料的研究尚未见到报道，只能在论述人工湿地的文献中收 集有关人工湿地填料的资料。 1 3 1 填料对污染物的截留机理 学者们认为，填料对污染物的截留过程包括物理过滤、离子交换、专性与非专 性吸附、螯合作用、沉降反应等。已有学者证明：填料土体对污水中磷和重金属的 净化主要就是通过上述反应实现的，其反应产物最终吸附或沉降在填料土体内，从 而使填料土体内这些元素的含量急剧升高，几年之后即可高达入水浓度的1 0 1 0 0 0 0 倍以上【”2 “。一些学者认为：植物根系的吸收、滞留与腐烂，填料土体内无机与有 4 华中科技大学硕士学位论文 机成分对金属的强烈吸附很可能是填料具有强大聚积能力的原因口5 j 2 7 1 。还有学者认 为填料土体吸附金属的量在表层深1 0 c m 的范围内不会随深度增加而有明显下降，也 就是说，从地表往下至少深1 0 c m 的土层的吸附能力是基本一致的口5 1 。 1 3 2 填料土体的建造、操作与管理措旆 填料土体的建造、操作与管理措施不同会呈现出明显不同的处理效果。 ( 1 ) 填料的选择与级配 一些学者认为，不同的填料对人工湿地的处理效果影响较大，比如：土壤的去 污功能不如砾石( 2 8 , 2 9 1 。 ( 2 ) 水流类型 不同的水流类型也会对处理效果产生影响 人工湿地污水处理系统按填料土体的构造形式可分为水平流系统和垂直流系 统，两者各有优缺点【3 0 1 ，见表1 3 。 表1 3 水平流系统和垂直流系统优缺点比较表 最初人们感兴趣的是水平流系统，因为它简易、造价低、运行能耗省，因此已 得到广泛的应用。但是它的输氧能力差，不利于除氮，所以垂直流系统又得到了重 视。垂直流系统还有比水平流系统稳定性好的优点，学者们分析原因是：1 ) 垂直流 系统中微生物浓度高；2 ) 垂直流系统受温度影响小；3 ) 营养物易于留在垂直流系 统基质里 3 ”。 由于水平流系统和垂直流系统各有优缺点，许多学者将两者组合使用，取得了 良好的效果。如将垂直流系统放在组合系统前端，输氧率高，处理效果较好，同时 可以通过反硝化去除总氮；也有人将水平流系统前置于垂直流系统，先去除部分t s s ， 有效地防止了堵塞。 ( 3 ) 填料土体的面积、形状、温度以及污水在填料土体中的滞留时间和运行方 式1 3 2 , 3 3 人工湿地污水处理系统有四种不同的进水方式1 3 4 】：推流式、回流式、阶梯进水 式、综合式。见图1 1 。其中，阶梯进水可避免处理填料土体前部堵塞，使植物长势 均匀，有利于后部的硝化脱氮作用：回流式可对进水进行一定的稀释，增加水中的 溶解氧并减少出水中可能出现的臭味；出水回流还可促进填料土体中的硝化和反硝 化作用，采用低扬程水泵，通过水力喷射或跌水等方式进行充氧；综合式则一方面 设置出水回流，另一方面还将进水分布至填料土体的中部，以减轻填料土体前端的 负荷。 华中科技大学硕士学位论文 i ；= 厂= = = i h = ：h 一l 十七：卜r 。一 = 二：= 二二二二i i 一卜一卜 j l 二= e ：e = f _ = ：产亏三尹了 图1 - 1 人工湿地进水方式图 人工湿地污水处理系统有四种不同的运行组合：单一式、串联式、并联式、综 合式。见图1 2 。 jr -，l ：止 叶寸一卜o - _ | ：_ _ 1-。广t：卜r 单一式 厂= = = r 二1r _ 二= _ f 一 l 一广-b - 小- - l 卜 。一- l 卜 串联式 并联式 图1 - 2 人工湿地运行组合图 综合式 ( 4 ) 管理措施 人工湿地运行过程中，采取一些措施也能提高填料土体处理效果。 例如，d a v i e s 发现往水体中加入一定量的明矾 a 1 2 ( s 0 4 ) 3 】，会使磷的去除率显著 升高：主要原因是由于a 1 3 + 与p 0 4 3 - 结合生成了a 1 p 0 4 沉淀【3 5 l ，更容易被填料截留。 最近a n n 等发现f e c l 3 固化磷酸根的效果比明矾更好【3 6 1 。 还有研究发现，人为升高湿地中的b o d ：n 0 3 - n 之l k ( 女n 添加秸秆或甲醇) ，填 料土体中氮的去除率会大幅度提升，能从3 0 左右上升至8 0 9 0 左右【3 7 】：原因 是b o d ：n 0 3 - n 太低时不利于反硝化的进行，当比值上升到2 、3 时，反硝化率达 到最大值。不过，b a k e r 【3 剐直接用c ：n 来表示n 0 3 2 - 的去除率，他发现c ：n 5 ：1 时，反硝化效率最高。 1 3 3 填料土体的理化性状 人工湿地中填料土体的所有理化性状都可能影d i 自j n 它自身对污水的处理效果。 同时，填料土体支撑着人工湿地动植物与微生物的生命过程，填料土体的任何性状 华中科技大学硕士学位论文 发生改变都可能影响到生物的生长发育及其对环境的作用，从而影响到它们的净化 效果 3 9 1 。 ( 1 ) 氧化还原电位e h 氧化还原电位e h 是最重要的影响因子之_ _ 1 4 0 , 4 q 。人工湿地的一个重要特征是存 在好氧与厌氧界面，从而使填料土体内的e h 变幅高达l0 0 0 m v ( - - 3 0 0 7 0 0 m v ) ，而 旱地土体的e h 通常只在4 0 0 7 0 0 m v 范围内变化【4 1 , 4 2 。因此湿地填料土体能发生比 旱地土体多得多的氧化还原反应，如有机化合物的降解反应，金属氧化物的还原反 应，硝化一反硝化反应，产沼反应( c 0 3 2 _ 或c 0 2 被还原成c h 4 ) 等 4 0 1 。填料土体中无 机磷等元素有效性与溶解状态也明显受e h 高低的影响【4 3 1 。此外，填料土体的e h 还 会通过影响植物或微生物生长和代谢来间接影响湿地的去污效果【4 4 】。 ( 2 ) 酸碱度口h p h 的升降影响到养分的有效状态和金属对生物的毒性【4 4 。 1 3 4 目前填料的使用情况 目前应用较多的有土壤填料、卵石填料、塑料填料、炉渣填料、陶瓷填料、活 性炭填料、自然岩石与矿物材料等i 同时，很多学者致力于研究现有填料的表面改 性，以期获得更佳的处理效果。每种填料性能各有优缺点，价格差异也较大，应根 据具体原污水的水质情况和经济分析结论进行选择，以充分发挥填料的作用。但所 选填料都应满足以下要求1 45 j ： ( 1 ) 质轻，松散容量小，有足够的机械强度： ( 2 ) 比表面积大，孔隙率高，属多孔惰性载体： ( 3 ) 不含有害于人体健康和妨碍工业生产的有害物质，化学稳定性良好： ( 4 ) 水头损失小，形状系数好，吸附能力强： ( 5 ) 水力负荷高，工作周期长，产水量大，产水水质好。 为了综合发挥各填料优势，填料土体往往由多种填料组成。填料级配十分重要， 以有效去除各种污染物质，同时有效避免堵塞，提高运行周期【4 6 1 。 1 4 论文研究的主要内容 填料的选择对于人工湿地污水处理系统的运行效果有着重要的意义。填料是湿 地的基质与载体，填料的所有理化性状都可能影响到它对污水的处理效果。在人工 湿地内部填充多孔的、有较大比表面积的填料，可以改善人工湿地的水力学性能， 为微生物提供更大的附着面积，同时增强系统对污染物( 尤其是氮、磷) 的去除能 力。 本论文的研究就是要研制出切实可行的污染物负荷能力高、吸附效率高、截留 效果好、性能长效持久的人工湿地填料土体，有效去除水中污染物，尤其是氮和磷。 因此，我们在人工湿地中采用一些高效填料，以观察其对污水中氮、磷和有机物的 净化效果，试图提高对污染物的吸附截留能力，延长填料的使用寿命，加大进水负 荷，减少占地面积。 华中科技大学硕士学位论文 实验步骤： ( 1 ) 单一填料静态吸附实验。选择几种单一填料进行静态吸附实验，测定不同 污水浓度、不同吸附时间和不同吸附剂量条件下的出水浓度。分析各种填料的吸附 性能和吸附机理。 ( 2 ) 单一填料动态截污实验。选择几种单一填料装填在规格相同的玻璃柱中， 通入相同负荷的污水，分别测定一定时间后的出水水质和水量，得到各种填料的截 污效果情况和水力学情况，选择出2 3 种效果良好的填料。 ( 3 ) 多种填料动态截污实验。根据单填料动态截污实验结果，选择几种填料 以不同级配装填在规格相同的玻璃柱中，通入相同负荷的污水，分别测定一定时间 后的出水水质和水量，得到各种级配填料的截污效果情况和水力学情况，确定最佳 级配，并和单一填料情况进行比较。 ( 4 ) 动态截污影响因素分析实验。进行不同负荷、温度、p h 值等条件下的截 污试验，确定最佳反应条件。分析污染物的去除机理。 ( 5 ) 在单一填料和多种填料动态截污实验过程中进行示踪剂实验，以研究水力 条件对截污效果的影响。 技术路线： 静态 吸附 实验 动态 截污 实验 各种单一埴 糊相同同条 件下的污染 物去除性能 比较分析 不同条件下的 污染物去除性 能比较分析 不同级配埴 孝斗相阉条件 下的污染物 去酴性钝比 较分析 污染物 去陈祝 理分析 埴料最忧 材料选择 及皈配率 研究总结 高效人工 湿地系统 研究结果 华中科技大学硕士学位论文 2 实验填料 通过查阅文献可知：粉煤灰、煤渣和活性炭有良好的吸附能力。因此本实验选 择了一定形状和粒径的粉煤灰、粉煤灰空心砖、煤渣和活性炭作为实验填料。实验 中使用粗砂用于表面均匀布水。 2 1 粉煤灰 我国电力生产以火力发电为主，粉煤灰产量极大。长期以来，粉煤灰的处置一 直困扰着许多发电企业，尤其是经济不发达地区的电厂。大量利用粉煤灰，既能节 约处置费用，又有一定的经济效益，对火电厂是一举两得的事。 ( 1 ) 粉煤灰的性质 粉煤灰颗粒非常细，具有非常大的比表面积，一般为2 7 0 0 3 5 0 0 c m 2 g 。 粉煤灰是一种烧粘土质火山灰材料，化学组成与粘土非常接近，但无塑性。粉 煤灰的化学成分中s i 0 2 及a 1 2 0 3 占大多数，还有少量的f e 2 0 3 ，c a o ，m g o ，n a 2 0 ， k 2 0 ，s 0 3 等。其中a 1 2 0 3 以富铝玻璃存在，是常用的吸附剂，而s i 0 2 也有较好的吸 附功能。 粉煤灰渗透系数介于天然砂质粉土和粘质粉土的量级水平，透水性能较大。 另外，粉煤灰是由煤在非常高温度下燃烧急冷所得到的颗粒，因此表面具有一 定的活性。因此粉煤灰具有比较高的吸附性能，在污水处理工程中得到利用。 粉煤灰吸附能力可达到活性炭粉末的7 5 以上，在碱性环境中的吸附量比在酸 性环境中要高，温度降低时有利于粉煤灰吸附量的增加【4 ”。 ( 2 ) 粉煤灰处理污水的机理 从粉煤灰的理化性质来看，粉煤灰去除污水中的有害物质主要是通过吸附，但 在一定条件下，也有一定的絮凝沉淀和过滤作用【4 ”。 1 ) 吸附作用 吸附包括物理吸附和化学吸附。 物理吸附的效果取决于粉煤灰的多孔性及比表面积，比表面积越大，吸附效果 越好。未燃炭粒对物理吸附产生重要影响。 化学吸附主要是由于其表面具有大量s i 、a i 等活性点，能与吸附质通过化学键 发生结合。在酸性条件下，阴离子可与粉煤灰中次生的带正电的硅酸铝、硅酸钙和 硅酸铁之间形成离子交换或离予对的吸附【4 9 。50 1 。粉煤灰中的s i 0 2 和a 1 2 0 3 与金属阳 离子也主要是离子交换。粉煤灰颗粒表面具有的硅醇基及硅醚基有较强极性的偶极 矩，对多环芳烃、氰化物有良好的脱除能力 5 u 。 2 ) 絮凝沉淀作用 粉煤灰中的一些成分还能与污水中的有害物质作用使其絮凝沉淀，与粉煤灰构 成吸附絮凝沉淀协同作用。例如，c a o 溶于水之后产生c a 2 + ，c a 2 + 与染料中的 磺酸基作用生成磺酸盐沉淀，与f 一生成c a f 2 沉淀，也能与5 0 4 2 - 形成c a s 0 4 沉淀； 粉煤灰中的碱性物质可中和酸性废水，形成铁氧絮凝体吸附其他有害物共沉t 5 ”。 华中科技大学硕士学位论文 3 ) 过滤作用 由于粉煤灰是多种颗粒的机械混合物，空隙率在6 0 7 0 之间，因此，污水 通过粉煤灰时，粉煤灰也能过滤截留一部分悬浮物。应该说明的是粉煤灰的沉淀和 过滤只能对吸附起补充作用，不能替代吸附的主导地位。 2 2 粉煤灰空心砖 粉煤灰用于烧结空心砖，是大量综合利用粉煤灰的主要途径之一。我国开展粉 煤灰烧结砖的历史较长，技术水平也在不断提高，尤其是粉煤灰的掺量，最初只能 掺1 0 ，而现在常见的掺量是7 0 一8 0 ，甚至达1 0 0 。因此粉煤灰空心砖中含有 大量的粉煤灰。粉煤灰空心砖中般还含有与粘土、页岩、煤矸石和粘结剂5 4 1 。 粉煤灰空心砖屑具有粉煤灰的化学特性，同时比表面积大，应用于污水处理工 程比粉煤灰具有不易流失，不易板结的特点。 2 3 煤渣 煤渣是一种人工熔岩，内部孔隙发达，表面具有许多大孔隙，由于燃烧不充分 往往含有1 0 3 0 的残炭，而残炭具有一定的吸附活性，因此煤渣具有比较高的 吸附性能。煤渣主要含氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化钙、氧化镁等氧化物，可以 起中和酸性废水的作用；在适宜条件的污水处理中，煤渣可以起到混合絮凝沉淀的 作用。此外，煤渣发达的孔隙、巨大的表面积和一定的机械强度使其具有过滤的作 用 55 1 。 2 4 活性炭 活性炭是由含碳的物质碳化和活化而成。每克活性炭的表面积可高达1 0 0 0m 2 ， 但9 9 9 以上的面积都在多孔结构颗粒的内部。活性炭的极大吸附能力即在于它具 有这样大的吸附面积垆。 活性炭的吸附量不仅与比表面积有关，更主要的是与孔隙的孔径分布有关。对 液相吸附时，大孔主要为吸附质的扩散提供通道，使之扩散到过渡孔与微孔中去， 所以吸附质的扩散速度往往受大孔制约。对水中大分子有机物吸附时主要靠过渡孔， 过渡孔又是小分子有机物到达微孔的通道。因此，要对原水进行水质分析，根据水 中有机物的分子直径和活性炭的微细孔分布情况，选择合适的炭种。 活性炭的吸附能力以物理吸附为主，但由于在制造过程中还形成部分表面氧化 基团，使活性炭具有一定的极性口”。 l o 华中科技大学硕士学位论文 3 静态吸附实验 静态吸附实验的目的是检测填料对污染物吸附能力的大小及确定吸附类型。方 法是将一定浓度、体积的污水与一定质量的填料混合，搅拌，静置一段时间，让填 料充分发挥吸附功能到认为完全吸附：测定进出水污染物浓度，计算填料的吸附容 量；确定填料对污染物的吸附类型。 影响吸附效果的因素很多，其中最重要的有：1 ) 吸附剂的性质，如：吸附剂的 比表面积、吸附剂的种类、吸附剂的颗粒大小、吸孔构造和分布情况；2 ) 吸附质的 性质，如：溶解质、表面自由能、极性、吸附质分子的大小和不饱和度、吸附质的 浓度等；3 ) 废水的p h 值；4 ) 共存物质；5 ) 温度：6 ) 接触时间等【5 8 1 。 吸附的过程分为3 个阶段。第一阶段为颗粒外部扩散阶段；第二阶段为颗粒内 部扩散阶段；第三阶段为吸附反应阶段。已有研究结果表明 49 1 ，粉煤灰的吸附速率 由颗粒内部扩散速率决定，即由第二阶段控制。因此，吸附质粒径越小，吸附速率 越快，达到吸附平衡时间越短。 3 1 实验材料与方法 3 1 1 实验材料 吸附剂的颗粒越大，比表面积越小，达到吸附平衡的时间越长，因此为了在较 短的时间内得到试验结果，取其中粒径符合下表要求的细颗粒进行试验，见表3 1 。 表3 - 1 实验吸附材料表 3 1 2 实验仪器 见表3 - 2 。 表3 - 2 实验仪器表 设备名称制造厂商 定时变速搅拌机d b j - - 6 2 l 不锈钢蒸馏水器 电热恒温干燥箱j 0 2 7 0 7 国华快速恒温数显水箱h h 一4 2 不锈钢手提式压力蒸汽灭菌器 y x q s g 4 6 - 2 8 0 s m s 一3 型微波消解c o d 测定仪 u v 一9 2 0 0 紫外可见分光光度计 四三o 六分厂 上海科析试验仪器厂 武汉市大江电器仪表厂 常州国华电器有限公司 上海博迅实业有限公司医疗设备厂 华南环境科技开发公司 北京瑞利分析仪器公司 华中科技大学硕士学位论文 3 1 3 实验方法 取一定量的吸附材料投入1 0 0 0 m l 大烧杯，加入5 0 0 m l 一定浓度的污水，用六 联搅拌机在定转速下充分搅拌，定时停止搅拌，静置1 5 m i n ，取上清液过滤，分析 滤液中污染物的含量。由实验结果可求得填料对污染物的吸附容量。 实验采用三种污水，以研究填料对不同浓度污染物的吸附效果： 1 ) 仅含氮的污水，由氯化铵标准溶液配制成实验需要的浓度( 5 - 5 0 m g l ) 。 2 ) 仅含磷的污水，由磷酸二氢钾标准溶液配制成实验需要的浓度( 1 1 5 m g l ) 。 3 ) 生活污水，在校园内三处采集，见表3 3 。 查兰兰竺竺皇燮! 墨! 墨； 1 西体育馆南侧池塘4 5 4 2o 0 4 04 8 9 1 3 2 青年园池塘2 1 6 1o 0 2 82 8 8 6 2 3 东校区湖溪河7 5 8 21 0 0 86 5 4 5 1 改变实验反应条件中的吸附时间、污水浓度和吸附剂量，得出填料的吸附容量 随吸附时间、污水浓度和吸附剂量的变化规律曲线，并由曲线拟合出回归方程。 3 1 4 分析指标与方法 c o d c ，采用重铬酸钾氧化还原法( 微波消解) ；n h 3 n 采用纳氏试剂分光光度法， t p 采用过硫酸钾消化钼蓝分光光度法。 3 2 实验结果与分析 3 2 i 仅含氮的污水的实验结果与分析 ( 1 ) 吸附时间对吸附效果的影响 反应条件：氨氮进水浓度c = 5 0 m g l ，吸附剂量1 0 9 ，转速2 0 0 r m i n 。 各吸附时间后n h 3 - n 的出水浓度见表3 - 4 。 枣兰：! 量堕塑堕塑重型璺：型塑当查盗鏖! 竺墨竺! 填料名称 墨堕堕堕塑重型型! 型盟坐查堕堕! 里g 鱼1 5 m i n1 0 m i n2 0 m i n3 0 m i n4 0 m i n6 0 r a i n 9 0 m i n1 2 0 m i n1 5 0 m i n 由表3 - 4 可知：n h 3 - n 的出水浓度在起初的2 0 m i n 内迅速降低，在3 0 m i n 9 0 m i n 之间逐渐稳步回升，除细煤渣的出水浓度保持稳定外，其他填料的出水浓度在1 2 0 m i n 后急速上升。吸附时间为2 0 m i n 时各填料对n h 3 - n 的去除率最高。 由吸附容量的定义得出吸附容量与吸附时间的关系图，见图3 1 。 华中科技大学硕士学位论文 芒 b 0 5 删瞄| 馋 豪 蓉 0 0 0 5 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 一+ 活性炭 + 细砖屑 p 一：茹爨蓉 i 。m 。8 r、_ 03 06 09 01 2 01 5 0 吸附时间( m i n ) 图3 一i 吸附时间对各填料吸附氨氮效果的影响图 由图3 1 可知：细砖屑的吸附容量明显大于其他几种填料，而其他几种填料的吸 附容量差别不大；四种填料的吸附容量随时间变化的规律相似，吸附容量在3 0 m i n 9 0 m i n 间变化不大，故后续实验采用6 0 m i n 的吸附时间。 且由图3 一l 各曲线拟合各填料吸附容量与吸附时间的关系方程式，见表3 5 。 表3 - 5 各填料n h 3 - n 吸附容量与吸附时间的关系方程式及相关率表 填料名称吸附容量y 与吸附时间x 的关系方程式相关率 细砖屑 粉煤灰 细煤渣 y = 5 x 1 0 5 x 2 + 0 0 0 5 6 x + 1 2 1 7 7 r 2 = 0 6 9 6 8 y = 4 1 0 5 x 2 + 0 0 0 3 5 x + 0 4 1 5 9 r 2 = 0 7 8 1 2 y = 3 1 0 一x 2 0 0 0 0 9 x + 0 3 9 0 5 r 2 = o 1 5 3 3 由表3 - 5 ：由x = - - b 2 a 时，y ( y = a x 2 + b x + c ) 取极值，得出当活性炭反应3 5 m i n ， 细砖屑反应5 6 m i n ，粉煤灰反应4 4 m i n 时n h 3 - n 吸附容量最大，细煤渣反应1 5 0 m i n 时n h 3 n 吸附容量最小。但由于方程的相关率不高，可信度不大。 ( 2 ) 污水浓度对吸附效果的影响 反应条件：吸附时间6 0 m i n ，吸附剂量1 0 9 ，转速2 0 0 r m i n 。 各进水条件下n h 3 - n 出水浓度见表3 - 6 。 表3 - 6 各进水条件下n h 3 n 出水浓度( m g c l ) + 古划衍各进水条件下n h 3 - n 出水浓度( m g l ) ：二三! ：j 亟 丁亟叵二巫亟二i 五互二巫五二至五e 活性炭4 6 3 98 5 9 51 7 4 0 82 4 5 1 33 35 0 04 37 6 3 细砖屑1 4 0 33 2 7 97 1 4 51 1 3 5 5 粉煤灰4 2 4 58 3 8 41 6 2 2 42 5 8 2 9 细煤渣4 7 1 88 5 4 21 7 5 3 92 5 1 7 1 由吸附容量的定义得出吸附容量与进水浓度的关系图， 2 2 7 1 1 4 1 ，6 5 8 4 3 5 0 0 川硒盟： 驺一图一见 华中科技大学硕士学位论文 骷 一0 孰 娶0 o o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 活性炭 o1 02 03 04 05 0 进水浓度( m g l ) 图3 2 进水浓度对各填料吸附氨氮效果的影响图 由图3 2 可知：细砖眉的吸附容量明显大于其他几种填料，而其他几种填料的吸 附容量差别不大；四种填料的吸附容量随进水浓度变化的规律相似，都是随着进水 浓度的增大