基质填料在人工湿地污水处理系统中处理效果的研究

摘要：人工湿地污水处理工艺近年来在农村环境连片整治中得到越来越广泛的应用，结合农村生活污水收集、处理的分散、面广、相对集中等特点，人工湿地相对其他污水处理工艺有着显著的优势。而作为该工艺核心部分的基质填料，对于它的研究也成为了热点。本文详细介绍了基质填料在人工湿地中的作用，分析其污水去除净化的机理，比选国内常见的几种基质填料，并针对多种基质填料组合的应用效果进行展望，旨在为人工湿地污水处理技术的应用研究提供有益的参考。

关键词：人工湿地； 基质填料；污水处理

中图分类号： U664 文献标识码： A 文章编号：

1、概述

人工湿地作为一种生态工程水处理技术，具有建设成本低、运行费用低、维护简单等特点，吸附、植物吸收和微生物去除三种途径共同作用的结果。而填料则是人工湿地的重要组成部分，是有机污染物转为无机物质的枢纽，是水生植物和微生物赖以生存的基础。因此，本文研究不同种基质填料对人工湿地净水效果的影响，以及通过多种级配组合基质填料的比较，为合理配置人工湿地系统组合型基质填料提供依据[1]。

2、人工湿地基质填料

2.1人工湿地构成

人工湿地分水平潜流人工湿地、垂直流人工湿地和表面流人工湿地三种，但不管是哪一种类型的人工湿地都由以下几个结构单元构成：

底部的防渗层；由填料、土壤和植物根系组成的基质层；

湿地植物的落叶及微生物尸体等组成的腐质层；

水体层；

湿地植物。

2.2基质层除污机理

基质层是人工湿地处理污水的核心部分。研究表明，人工湿地基质中的微生物代谢作用是污水有机物降解的主要作用机制，而影响微生物代谢作用主要是人工湿地基质层中的微生物和酶活性的空间分布，近表层的基质区域是人工湿地污水处理系统最有效的净化空间。

基质层的作用：1、提供水生植物生长所需的基质；2、为污水在其中的渗流提供良好的水利条件；3、为微生物提供良好的生长载体。

2.3基质填料除污作用

人工湿地基质填料对污水的净化主要是通过基质填料对污水的吸附作用实现。人工湿地填料对污水的吸附是指当污水流经人工湿地与多孔性固体填料接触时，污水中某一种污染物或多个污染物在固体表面处产生积蓄的现象。吸附作用包括物理吸附和化学吸附，而两者并不是孤立的，往往相伴发生。物理吸附是吸附剂和吸附质之间通过分子间作用力(范德华力)产生的吸附。分子间力是普遍存在的，所以一种吸附剂可吸附多种吸附质。由于分子间的作用力较弱，吸附的物质也较容易被解吸出来，所以物理吸附过程是可逆的。化学吸附是吸附剂和吸附质之间发生化学作用，生成化学键引起的吸附，只能形成单分子吸附层。化学吸附具有选择性，一种吸附剂只能对某种或几种吸附质发生化学吸附，化学吸附一般是不可逆的。影响吸附的因素是多方面的，吸附剂性质与活性、吸附质的性质与浓度、吸附过程的操作以及吸附时间等条件，均影响吸附效果。

2.4基质填料研究现状

人工湿地基质填料的研究将作为人工湿地污水处理技术研究中重要的一块，业已成为污水处理行业中研究的重点之一[4-5]。目前该研究方向主要集中在：

（1）选择、 开发更加合适、成本低廉的人工湿地基质填料。一方面可以从现有的各种黏土矿物中选择对有机污染物或氮、磷有很好吸附效果，同时又具有很好透水性且孔隙度大适合微生物生长的矿物来作为人工湿地的基质；另一方面也可以人工设计开发多孔的、轻质的、惰性的、比表面积大的人工填料来作为人工湿地的基质。

（2）对人工湿地基质层的去污机理研究。湿地基质层往往被看成是高效的“活性过滤器”，它作为人工湿地去污的核心部分，其去除污染物的过程即去污机理并不被研究者所完全认识。所以，对于各种污染物因子（特别是氮、磷、重金属）在进入基质层后的迁移转化过程的定量化研究将是以后研究的方向之一。

（3）对人工湿地基质层与湿地其他组成单元特别是植物的协同作用的研究。有学者将人工湿地污水处理技术称为生态系统污水净化技术，就是因为它是一种利用基质+微生物+植物组成一个完整的生态系统，通过系统的自我调节机制和对污染物的综合净化能力来处理污水的。因此，单一方面地过度强调这三者中的任何一方都会导致系统整体功能的削弱或丧失，弄清微生物、植物、基质层三者之间的协同互利机制，对于探明人工湿地的去污机理，优化湿地的设计结构具有十分重要的意义。

3、基质填料分析

3.1基质填料类型

填料的类型以及比例是影响人工湿地处理污水的重要因素之一。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。目前用于污水处理的人工湿地填料包括碎石、页岩、煤灰、矿渣、陶粒、石灰石、沸石等。湿地填料的选择大多以填料对特征污染物的去除情况为依据，张民、徐玉新等人的研究表明，组合型基质填料不同的级配、比例对湿地处理污水有不同的污水处理效果[3]。徐丽花、周琪等人的实验通过利用沸石与石灰石组成基质填料处理污水,结果优于其单独使用的处理效果。本文通过比较沸石、沸石-石灰石、石灰石三种填料的人工湿地的净化能力来分析单一填料和组合型填料的净化效果的区别。

3.2 净化效果分析

徐丽花、周琪等人的实验结果[6]表明三种基质填料对水污染因子COD、TN、TP的去除效果不同。其中对COD的去除率沸石人工湿地最高，沸石-石灰石人工湿地次之，石灰石人工湿地最低；对TN的去除率沸石-石灰石人工湿地最高，沸石人工湿地次之，石灰石人工湿地最低；三种形式的人工湿地对TP的去除率可划分两个阶段，阶段Ⅰ主要考虑到填料吸附、植物吸收作用的影响，对TP的去除率石灰石人工湿地最高，沸石-石灰石人工湿地次之，沸石人工湿地最低；阶段Ⅱ主要考虑到填料吸附饱和，主要通过微生物和植物进行降解，该阶段对TP的去除率沸石-石灰石人工湿地最高，石灰石人工湿地次之，沸石人工湿地最低。

上述结果表明：将沸石和石灰石用作人工湿地的填料, 不仅解决了除TN的难题, 也增强了除P能力, 而且只要湿地设计合理, 控制污水量不超过湿地系统的最大负荷,且有一定的间歇期, 使基质填料上吸附的N 、P就可以被植物和微生物利用, 其除N、P的能力就不会因运行时间的推移而降低, 从而使人工湿地系统能够更加有效地运用于污水处理[2]。

4、结论

1、基质填料是人工湿地污水净化过程中非常重要的环节。

2、基质填料的选取要根据水污染物去除因子的不同而不同，综合考虑基质填料之间的协同作用，达到更好的净化效果。

3、在农村环境连片整治中人工湿地基质填料的选择方面应综合考虑，因地制宜，选择合适的湿地填料。

4、人工湿地的运行效果与合理规范的设计有关的同时，也与规范的运行管理息息相关。

综上所述, 基质填料在人工湿地污水净化过程中起关键作用，根据基质填料的除污机理，针对不同的污水净化目标选用不同的基质填料，合理的组合级配，更好的提高基质填料污染因子的去除效果。随着社会的发展，基质填料选择面将越来越广泛，其不同的级配方法方式将更加多样化，人工湿地污水处理工艺在新农村环境连片综合整治中的应用面将更加开阔。

参考文献：

[1]王宝贞，王琳.水污染治理新技术-新工艺、新概念、新理论[M].北京：科学出版社，2004.1

[2]梁威，吴振斌.人工湿地对污水中的氮磷的去除机制研究进展[J].环境科学与动态，2000.(3):32-37

[3]黄逸群，张民，徐玉新.人工湿地填料净化生活污水级配优化研究[J].环境科学与技术，2009.(3):131-134,138

[4]陈长太，王雪．祁继英．国外人工湿地技术的应用及研究进展[J]．中国给水排水，2003，19(12)：105—106．

[5]徐建新，崔栋，赵振国等．北方人上湿地植物对污水净化效果研究[J]．安徽农业科学，2010，(30)：17049—17051，17062．

[6] 徐丽花，周琪.不同填料人工湿地处理系统的净化能力研究[J]．上海环境科学，2002，(10)：603-605.