人工濕地是指對(duì)天然濕地進(jìn)行模擬后形成的濕地系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的有效凈化。凈化過程既涉及物化反應(yīng)，也離不開生物作用，具有成本低、易于管理等特點(diǎn)，在農(nóng)村生活污水綜合處理中十分適用。在人工濕地系統(tǒng)中，填料為重要組成部分之一，它不僅是人工濕地系統(tǒng)當(dāng)中的植物，還是微生物正常生長(zhǎng)發(fā)育的場(chǎng)所，它本身也具備凈化污水的功能?？梢?，選擇適宜的填料是保證人工濕地發(fā)揮應(yīng)有效果的關(guān)鍵。目前，以碎石填料最為常用，但它的污染物去除效果已經(jīng)無法滿足要求，需要對(duì)填料的類型加以更新和改良。由此就產(chǎn)生了新型模塊化填料，有必要通過實(shí)驗(yàn)和分析驗(yàn)證模塊化填料度對(duì)污水的處理效果。
一、實(shí)驗(yàn)材料和方法
1.1材料與試劑
實(shí)驗(yàn)植物采用美人蕉，其植株大小大體相同，高度在56~65cm范圍內(nèi)，重量在40g左右，根系體積相當(dāng)，同時(shí)是健康沒有病蟲害侵襲的幼苗。實(shí)驗(yàn)用模塊化材料將花崗巖作為主要粗骨料，將粉煤灰與水泥作為膠結(jié)料。最優(yōu)配合比條件下的骨料級(jí)配是10~16mm。采用以上原材料制成的試件，其規(guī)格為10cm伊10cm伊10cm，需在試件上留設(shè)兩個(gè)貫穿孔，孔徑2cm。實(shí)驗(yàn)所用污水的氨氮實(shí)際濃度在11~47mg•L-1的范圍內(nèi)變化、TP實(shí)際濃度在1.4~4.7mg•L-1的范圍內(nèi)變化、COD的實(shí)際濃度在270~360mg•L-1的范圍內(nèi)變化。
1.2裝置
實(shí)驗(yàn)裝置以小型反應(yīng)器為主，所有反應(yīng)器當(dāng)中都放置6個(gè)模塊化填料，共分成兩層，模塊化填料和碎石填料的質(zhì)量完全相等。為了對(duì)比實(shí)驗(yàn)植物對(duì)系統(tǒng)造成的影響，建立兩個(gè)系統(tǒng)，其中一個(gè)有實(shí)驗(yàn)植物，另外一個(gè)沒有。為了對(duì)比污水總量對(duì)有實(shí)驗(yàn)植物的系統(tǒng)的實(shí)際處理效果造成的影響，也建立了兩個(gè)系統(tǒng)，其污水總量分別是45L與65L。其中，污水總量為45L的被記作模塊化填料-有實(shí)驗(yàn)植物-45L，而污水總量為60L的被記作模塊化填料-有實(shí)驗(yàn)植物-60L有實(shí)驗(yàn)植物，但填料為碎石的系統(tǒng)被記作碎石填料-有實(shí)驗(yàn)植物-45L。
容器體積可以達(dá)到100L左右，使用模塊化填料的，要在反應(yīng)器當(dāng)中放好3層模塊化填料上數(shù)第一層和第二層的貫通孔向上，第三層中的貫通孔朝向兩側(cè)，不同層位中的模塊化填料按照排列式進(jìn)行放置碎石填料的堆高按照21cm控制，各系統(tǒng)當(dāng)中的實(shí)驗(yàn)植物均為6株。成型后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。
圖1中，MS-C-S表示模塊化填料-有實(shí)驗(yàn)植物-45L系統(tǒng)，MS-U-S表示模塊化填料-無實(shí)驗(yàn)植物-45L系統(tǒng)，GS-C-S表示碎石填料-有實(shí)驗(yàn)植物-45L系統(tǒng)。
二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析
在6d的時(shí)間范圍內(nèi)，污水處理效果和填料之間的關(guān)系為：當(dāng)填料為模塊化填料時(shí)，氨氮進(jìn)、出水濃度分別為40.18±10.04mg•L-1和17.05±1.90mg•L-1，去除率為55.30%±6.12%當(dāng)填料為碎石填料時(shí)，氨氮進(jìn)、出水濃度分別為40.18±10.04mg•L-1和23.19±4.26mg•L-1，去除率為41.52%±5.21%。當(dāng)填料為模塊化填料時(shí)，總磷進(jìn)、出水濃度分別為5.23±1.39mg•L-1和0.86±0.29mg•L-1，去除率為83.47%±5.53%;當(dāng)填料為碎石填料時(shí)，總磷進(jìn)、出水濃度分別為5.23±1.39mg•L-1和3.25±0.61mg•L-1，去除率為28.98%±21.32%。當(dāng)填料為模塊化填料時(shí)，COD進(jìn)、出水濃度分別為326.57±41.36mg•L-1和76.13±9.94mg•L-1，去除率為76.57%±2.64%當(dāng)填料為碎石填料時(shí)，COD進(jìn)、出水濃度分別為326.57±41.36mg•L-1和70.45±5.274mg•L-1，去除率為78.18%±3.10%。氨氮、總磷和COD濃度隨時(shí)間的變化如圖2所示。
由以上結(jié)果可知，模塊化填料對(duì)污水中氨氮去除效果比碎石填料好。其原因?yàn)槟K化填料孔隙率相對(duì)較高，可以為硝化與反硝化細(xì)菌創(chuàng)造良好條件與此同時(shí)，模塊化填料較為松散，便于系統(tǒng)中的水和氣體相互傳遞，使溶解氧濃度明顯增加，增強(qiáng)微生物活性。對(duì)于硝化細(xì)菌，其最佳pH為8.0~8.5，通過實(shí)驗(yàn)，模塊化填料pH為8.3，而碎石填料為7.9?？梢?，模塊化填料可以為細(xì)菌創(chuàng)造良好反應(yīng)條件。
模塊化填料對(duì)污水中總磷去除效果比碎石填料好很多，不僅去除效果保持穩(wěn)定，而且出水濃度可以滿足一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。由于從第四天開始總磷溶度開始升高，所以末尾時(shí)產(chǎn)生了解吸。由此可得，填料自身吸附總磷是填料去除污水中總磷的基本機(jī)理。相關(guān)研究表明，微堿性環(huán)境下，判斷填料去除總磷的能力最常用的指標(biāo)即為鈣含量。本次研究中，填料所處環(huán)境均為微堿性，而且模塊化填料的pH比碎石填料大。除此之外，無論是將粉煤灰與水泥作為膠結(jié)料，還是采用粉煤灰磚塊，都對(duì)填料自身吸附總磷有利。
兩種填料都能有效去除污水中COD，整個(gè)降解過程表現(xiàn)出先快后慢，其原因?yàn)橄到y(tǒng)中有很多不同的微生物，且數(shù)量很多，營(yíng)養(yǎng)充足，微生物在早期活性最強(qiáng)，隨著營(yíng)養(yǎng)逐漸消耗與溶解氧不斷減少，COD去除率降低，到趨于平衡為止。然而，相比之下模塊化填料實(shí)際去除率相對(duì)較高，其原因?yàn)檫@種填料中設(shè)置了貫穿孔，可以為微生物正常生長(zhǎng)創(chuàng)造更多空間。
實(shí)驗(yàn)植物對(duì)污染物去除會(huì)造成一定程度的影響，特別是在前期，能有效去除有機(jī)物和含氮化合物。其原因?yàn)榍捌趯?shí)驗(yàn)植物正在生長(zhǎng)發(fā)育，可大量去除污染物。但隨著植物不斷成熟，對(duì)污染物實(shí)際去除效果逐漸減緩，甚至在后期出現(xiàn)了明顯反差。含氮化合物實(shí)際去除效果主要和微生物與填料有關(guān)，總磷的去除機(jī)理為填料吸附。
采用模塊化填料時(shí)，總磷去除效果十分顯著，但在處理時(shí)會(huì)發(fā)生解吸。運(yùn)行過程中，模塊化填料和碎石填料的COD及氨氮實(shí)際去除效果無明顯差異，這說明對(duì)這兩種污染物的實(shí)際去除效果可以保持在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。
由于實(shí)際水體當(dāng)中的污水總量有所不同，所以在實(shí)驗(yàn)中加入數(shù)量不同的污水來確認(rèn)系統(tǒng)去除COD、氨氮和TP的實(shí)際效果。當(dāng)污水總量為45L時(shí)，填料高度比污水表面高度低，而當(dāng)污水總量為60L時(shí)，填料被污水完全淹沒。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在增加污水總量以后，系統(tǒng)污水處理效果無明顯影響，而且兩個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際去除效果基本上保持相同。
三、結(jié)論
通過以上實(shí)驗(yàn)和對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析論述，可得出下列幾條結(jié)論：
(1)人工濕地是處理農(nóng)村生活污水最有效的方式之一。從氨氮與總磷處理效果看，模塊化填料由于碎石，在人工濕地中采用模塊化填料能有效去除污水當(dāng)中的各類污染物。
(2)模塊化填料中設(shè)置了貫穿孔，這種特殊結(jié)構(gòu)能提高填料整體孔隙率，為水中各類微生物的生長(zhǎng)創(chuàng)造良好條件，有效截留不同的污染物，避免產(chǎn)生堵塞等問題。
(3)實(shí)驗(yàn)植物實(shí)際生長(zhǎng)時(shí)，會(huì)從污水當(dāng)中吸收大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，這對(duì)氮磷類化合物實(shí)際去除是十分有利的。然而，伴隨實(shí)驗(yàn)植物不斷生長(zhǎng)和成熟，它對(duì)各類污染物的實(shí)際去除效果開始不斷減緩。（ >
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