人工濕地是指對天然濕地進行模擬后形成的濕地系統(tǒng)，可實現(xiàn)對污水的有效凈化。凈化過程既涉及物化反應，也離不開生物作用，具有成本低、易于管理等特點，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)當中的植物，還是微生物正常生長發(fā)育的場所，它本身也具備凈化污水的功能。可見，選擇適宜的填料是保證人工濕地發(fā)揮應有效果的關鍵。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，有必要通過實驗和分析驗證模塊化填料度對污水的處理效果。
一、實驗材料和方法
1.1材料與試劑
實驗植物采用美人蕉，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，同時是健康沒有病蟲害侵襲的幼苗。實驗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，需在試件上留設兩個貫穿孔，孔徑2cm。實驗所用污水的氨氮實際濃度在11~47mg•L-1的范圍內(nèi)變化、TP實際濃度在1.4~4.7mg•L-1的范圍內(nèi)變化、COD的實際濃度在270~360mg•L-1的范圍內(nèi)變化。
1.2裝置
實驗裝置以小型反應器為主，所有反應器當中都放置6個模塊化填料，共分成兩層，模塊化填料和碎石填料的質(zhì)量完全相等。為了對比實驗植物對系統(tǒng)造成的影響，建立兩個系統(tǒng)，其中一個有實驗植物，另外一個沒有。為了對比污水總量對有實驗植物的系統(tǒng)的實際處理效果造成的影響，也建立了兩個系統(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-有實驗植物-45L，而污水總量為60L的被記作模塊化填料-有實驗植物-60L有實驗植物，但填料為碎石的系統(tǒng)被記作碎石填料-有實驗植物-45L。
容器體積可以達到100L左右，使用模塊化填料的，要在反應器當中放好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行放置碎石填料的堆高按照21cm控制，各系統(tǒng)當中的實驗植物均為6株。成型后的實驗裝置如圖1所示。
圖1中，MS-C-S表示模塊化填料-有實驗植物-45L系統(tǒng)，MS-U-S表示模塊化填料-無實驗植物-45L系統(tǒng)，GS-C-S表示碎石填料-有實驗植物-45L系統(tǒng)。
二、實驗結(jié)果和分析
在6d的時間范圍內(nèi)，污水處理效果和填料之間的關系為：當填料為模塊化填料時，氨氮進、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%當填料為碎石填料時，氨氮進、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%。當填料為模塊化填料時，總磷進、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%;當填料為碎石填料時，總磷進、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%。當填料為模塊化填料時，COD進、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%當填料為碎石填料時，COD進、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濃度隨時間的變化如圖2所示。
由以上結(jié)果可知，模塊化填料對污水中氨氮去除效果比碎石填料好。其原因為模塊化填料孔隙率相對較高，可以為硝化與反硝化細菌創(chuàng)造良好條件與此同時，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，增強微生物活性。對于硝化細菌，其最佳pH為8.0~8.5，通過實驗，模塊化填料pH為8.3，而碎石填料為7.9。可見，模塊化填料可以為細菌創(chuàng)造良好反應條件。
模塊化填料對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標準。由于從第四天開始總磷溶度開始升高，所以末尾時產(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理。相關研究表明，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，整個降解過程表現(xiàn)出先快后慢，其原因為系統(tǒng)中有很多不同的微生物，且數(shù)量很多，營養(yǎng)充足，微生物在早期活性最強，隨著營養(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際去除率相對較高，其原因為這種填料中設置了貫穿孔，可以為微生物正常生長創(chuàng)造更多空間。
實驗植物對污染物去除會造成一定程度的影響，特別是在前期，能有效去除有機物和含氮化合物。其原因為前期實驗植物正在生長發(fā)育，可大量去除污染物。但隨著植物不斷成熟，對污染物實際去除效果逐漸減緩，甚至在后期出現(xiàn)了明顯反差。含氮化合物實際去除效果主要和微生物與填料有關，總磷的去除機理為填料吸附。
采用模塊化填料時，總磷去除效果十分顯著，但在處理時會發(fā)生解吸。運行過程中，模塊化填料和碎石填料的COD及氨氮實際去除效果無明顯差異，這說明對這兩種污染物的實際去除效果可以保持在相對穩(wěn)定的狀態(tài)。
由于實際水體當中的污水總量有所不同，所以在實驗中加入數(shù)量不同的污水來確認系統(tǒng)去除COD、氨氮和TP的實際效果。當污水總量為45L時，填料高度比污水表面高度低，而當污水總量為60L時，填料被污水完全淹沒。根據(jù)實驗結(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，而且兩個系統(tǒng)的實際去除效果基本上保持相同。
三、結(jié)論
通過以上實驗和對實驗結(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中的各類污染物。
(2)模塊化填料中設置了貫穿孔，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)實驗植物實際生長時，會從污水當中吸收大量營養(yǎng)物質(zhì)，這對氮磷類化合物實際去除是十分有利的。然而，伴隨實驗植物不斷生長和成熟，它對各類污染物的實際去除效果開始不斷減緩。（ >
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