污染負(fù)荷對(duì)生物炭人工濕地凈化效果的影響

　　摘要：對(duì)生物炭基潛流人工濕地對(duì)農(nóng)村生活污水凈化效果進(jìn)行中試實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建組生物炭人工濕地，對(duì)比組不同進(jìn)水污染負(fù)荷條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析水質(zhì)變化對(duì)各組生物炭人工濕地中化學(xué)需氧量、氨氮、總磷、總氮凈化效果的影響。結(jié)果表明：在水力停留時(shí)間為36~48，水力負(fù)荷為10cm/d的條件下，生物炭人工濕地對(duì)污水中總氮、氨氮、總磷、化學(xué)需氧量的去除率隨著進(jìn)水污染負(fù)荷的增大而減小;生物炭添加量的增加有利于人工濕地對(duì)總氮、氨氮污染物的去除，各組人工濕地對(duì)化學(xué)需氧量的去除效果差別隨污染負(fù)荷增加而增大，生物炭有助于加強(qiáng)人工濕地對(duì)化學(xué)需氧量的抗負(fù)荷能力，當(dāng)污染負(fù)荷增加時(shí)，生物炭添加量和添加位置對(duì)總磷的去除效果的影響減弱，且生物炭人工濕地對(duì)總磷具有較好的抗負(fù)荷能力;在低污染負(fù)荷和中污染負(fù)荷條件下，各組生物炭人工濕地對(duì)類(lèi)污染物均有較高的去除率。

　　關(guān)鍵詞：生物炭;人工濕地;污染負(fù)荷;去除效率

　　為了解決日益嚴(yán)重的農(nóng)村生活污水污染，我國(guó)自20世紀(jì)80年代就開(kāi)始針對(duì)農(nóng)村生活污水的處理開(kāi)發(fā)和研制了許多技術(shù)，包含厭氧沼氣池處理技術(shù)、穩(wěn)定塘處理技術(shù)、人工濕地處理技術(shù)等[1]。在這些方法中，人工濕地是一種耗資少、易管理、處理水質(zhì)效率高、生態(tài)環(huán)境友好型的水質(zhì)處理系統(tǒng)[2];但是，傳統(tǒng)人工濕地的抗污染負(fù)荷能力較差，污染物去除效率較低，因此需要研究一類(lèi)性能更優(yōu)的人工濕地[3]。

　　生物炭是由生物質(zhì)在缺氧或無(wú)氧的密閉環(huán)境中經(jīng)一定溫度熱解得到的富含碳的難溶性固體物質(zhì)[4]，具有孔隙分布合理、比表面積大、吸附能力強(qiáng)的特點(diǎn)[5]，并且理化性質(zhì)穩(wěn)定，制備方便，對(duì)各類(lèi)污染物均具有很強(qiáng)的吸附性，在土壤治理、氣候調(diào)節(jié)和廢水處理方面得到廣泛應(yīng)用[6]。

　　大量研究表明，生物炭人工濕地對(duì)污水的凈化有著明顯的效果[79]，其中潛流濕地的污水處理效果受氣候、季節(jié)的影響較小，如果在運(yùn)行過(guò)程中管理得當(dāng)，還可以有效防止蚊蠅滋生和產(chǎn)生臭味，是目前國(guó)內(nèi)外較常采用的一種人工濕地類(lèi)型[1012]。目前研究表明，生物炭對(duì)人工濕地中無(wú)機(jī)物的去除有著明顯的效果，如脫氮主要途徑是硝化-反硝化[13]，生物炭可以增強(qiáng)人工濕地的脫氮性能[1415]。

　　另有研究[1618]表明，生物炭可以提高無(wú)機(jī)磷的吸附能力。目前，針對(duì)生物炭人工濕地特別是中試尺度生物炭人工濕地的實(shí)驗(yàn)研究尚不多見(jiàn)，本文中基于潛流人工濕地中試實(shí)驗(yàn)，探討不同污染負(fù)荷條件下潛流生物炭人工濕地對(duì)污染物的凈化效果。

　　1材料與方法

　　1.1生物炭人工濕地實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的構(gòu)建組中試人工濕地均由磚、混凝土壘砌而成，外徑長(zhǎng)寬比為：其中長(zhǎng)度為5.1，寬度為1.7，高度為0.8，墻體厚度為0.15，在池子底部及四周均進(jìn)行防水處理。人工濕地的基質(zhì)為陶粒、沸石、瓜子石、生物炭。除生物炭外，基質(zhì)按照各組分的粒徑大小進(jìn)行排列，從上向下依次為粒徑小于0.4cm的瓜子石、0.4~0.8cm的陶粒、0.8~1.6cm的沸石、cm的陶粒。

　　為了研究不同生物炭類(lèi)型、生物炭不同投放位置以及生物炭不同投放量對(duì)人工濕地處理農(nóng)村生活污水的凈化效果，分別采用椰殼生物炭和果殼生物炭，生物炭投放位置如表所示。生物炭投放量均按生物炭與每層其他基質(zhì)的體積比為1:1投放至各層，其中、組生物炭的投放量是其他組的倍，每層基質(zhì)厚度均為15cm。植物選擇統(tǒng)一種植黃菖蒲，種植密度為每平方米25株。

　　1.2實(shí)驗(yàn)方案

　　綜合考慮水力條件對(duì)人工濕地污染物去除的影響，本研究設(shè)定水力停留時(shí)間為36~48，水力負(fù)荷為10cm/d的水力條件[19]。通過(guò)改變進(jìn)水中各種污染物濃度，根據(jù)《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》(HJ2005—2010)要求，結(jié)合農(nóng)村生活污水碳與氮的質(zhì)量比(簡(jiǎn)稱(chēng)碳氮比)較低的現(xiàn)狀，設(shè)置碳氮比約為:以模擬農(nóng)村生活污水，設(shè)置高、中、低個(gè)不同污染物濃度等級(jí)來(lái)確定濕地可承受的污染負(fù)荷。

　　實(shí)驗(yàn)進(jìn)水采用人工配水的方式模擬生活污水中的總氮TN、氨氮NH、總磷TP、化學(xué)需氧量COD的濃度，通過(guò)控制進(jìn)、出水口流量使之達(dá)到設(shè)定的水力條件，穩(wěn)定運(yùn)行一個(gè)實(shí)驗(yàn)周期(36)后，在各濕地出水口取100出水水樣，并立刻放入℃保溫箱，以備檢測(cè)各污染物濃度。每種污染負(fù)荷實(shí)驗(yàn)重復(fù)次，取平均值。為了減小實(shí)驗(yàn)誤差，每次取樣后都將人工濕地內(nèi)的水排空，以減少原有水的影響。

　　1.3數(shù)據(jù)分析方法

　　利用Excel軟件分析人工濕地中各類(lèi)污染物去除率隨污染負(fù)荷的變化情況;利用Origin軟件繪制各污染物進(jìn)出水水質(zhì)與去除效率的柱狀圖。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1不同污染負(fù)荷下生物炭人工濕地進(jìn)出水水質(zhì)各組人工濕地的進(jìn)、出水中TN、NH、TP、COD的濃度。在水力停留時(shí)間為36~48，水力負(fù)荷為10cm/d的條件下進(jìn)水，以《農(nóng)村生活污水處理處置設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB37/3693—2019)中的指標(biāo) 為限值，對(duì)進(jìn)、出水水質(zhì)進(jìn)行分析。

　　當(dāng)生物炭人工濕地進(jìn)水污染負(fù)荷為低等級(jí)時(shí)，各組濕地出水水質(zhì)都達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，TN、NH、TP、COD這類(lèi)污染物去除效果良好。當(dāng)進(jìn)水污染負(fù)荷增加到中等級(jí)時(shí)，各組濕地中的出水污染物濃度也隨之增加，各組濕地的出水水質(zhì)中除NH外均達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)各組情況進(jìn)行對(duì)比可知，在濕地中，出水水質(zhì)仍然可以達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其余組濕地的出水中NH質(zhì)量濃度均大于mg/L、小于15mg/L，達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

　　當(dāng)人工濕地進(jìn)水污染負(fù)荷增加到高等級(jí)時(shí)，所有實(shí)驗(yàn)組中TN的質(zhì)量濃度均大于20mg/L，NH的質(zhì)量濃度均大于15mg/L，未達(dá)到排放要求;濕地的出水中TP濃度可以達(dá)到排放一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)， 濕地出水的TP質(zhì)量濃度均大于1.5mg/L，未達(dá)到排放一級(jí)標(biāo)準(zhǔn);、濕地的出水中COD質(zhì)量濃度已經(jīng)超過(guò)60mg/L，不滿(mǎn)足農(nóng)村生活污水排放的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其他組排放達(dá)標(biāo)。綜上所述，生物炭人工濕地對(duì)低等級(jí)污染負(fù)荷到中等級(jí)污染負(fù)荷的水質(zhì)變化有較好的應(yīng)對(duì)能力。

　　2.1不同污染負(fù)荷下生物炭人工濕地去除效率

　　2.1.1對(duì)COD的去除效率各組人工濕地在不同污染負(fù)荷下對(duì)COD的去除率 。隨著污染負(fù)荷的增加，污染物的去除率逐步降低。在污染負(fù)荷為低等級(jí)的情況下，各組人工濕地的COD去除率接近甚至超過(guò)90%，較低的為分別為89.2%、88.6%，最高的為組，達(dá)到94.1%。

　　當(dāng)污染負(fù)荷達(dá)到中等級(jí)時(shí)，各組濕地的COD去除率明顯降低，降到了90%以下，最高的為組，達(dá)到88.3%，而組的降低為79.1%，其他組的均在80%以上;當(dāng)污染負(fù)荷增大到高等級(jí)時(shí)，各組濕地COD去除率持續(xù)降低，最高的為組，達(dá)到81.6%，最低的為組，為67.7%，比低等級(jí)污染負(fù)荷時(shí)的降低了24.6%。

　　通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著污染負(fù)荷增加，各組人工濕地對(duì)COD去除率的差距也在變大，表明濕地基質(zhì)構(gòu)造影響COD的去除，且對(duì)于污染物的抗負(fù)荷能力也不同。本文中對(duì)COD污染有較好抗負(fù)荷能力的為組，從低等級(jí)污染負(fù)荷到高等級(jí)污染負(fù)荷，去除率僅降低11.8%，說(shuō)明生物炭的用量對(duì)人工濕地對(duì)COD抗負(fù)荷能力有一定的影響，增加生物炭用量可以適當(dāng)提高人工濕地對(duì)COD的凈化效果。

　　2.2.2對(duì)TN的去除效率各組人工濕地在不同污染負(fù)荷下對(duì)TN的去除率。隨著污染負(fù)荷的增加，的去除率逐步降低。在低等級(jí)污染負(fù)荷時(shí)各組的TN去除率均超過(guò)80%，組的去除率較低，分別為83.5%、84.7%，組的分別達(dá)到92.1%、92.5%;當(dāng)污染負(fù)荷增大達(dá)到中等級(jí)時(shí)， 組的TN去除率分別為82.7%、80.7%，其余各組的為0%0%;當(dāng)污染負(fù)荷增大到高等級(jí)時(shí)，僅組的達(dá)到70%以上，為76.3%，最低的為組，為64.2%。

　　通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)， 組濕地對(duì)TN的去除效果明顯優(yōu)于其他組的，表明生物炭的應(yīng)用有利于人工濕地對(duì)TN的去除。當(dāng)污染負(fù)荷增加時(shí)，生物炭的類(lèi)型和添加位置不同的各組人工濕地對(duì)TN去除率的差距逐漸減小。

　　3結(jié)論

　　在水力停留時(shí)間為36~48，水力負(fù)荷為10cm/d的水力條件下，設(shè)計(jì)并實(shí)施了組不同污染負(fù)荷條件下的中試實(shí)驗(yàn)，分析了污染負(fù)荷變化對(duì)生物炭人工濕地凈化效果的影響，主要結(jié)論如下：

　　1)生物炭人工濕地對(duì)于農(nóng)村生活污水中TN、NH、TP、COD的去除率隨著進(jìn)水污染負(fù)荷的增大而降低。進(jìn)水污染負(fù)荷較低時(shí)，各組人工濕地對(duì)污染物均具有很好的去除效果，去除率都在80%以上，大部分達(dá)到了90%。當(dāng)進(jìn)水污染負(fù)荷處于高等級(jí)，各組對(duì)污染物的去除率總體維持在70%以上，少部分低于70%但保持在60%以上，對(duì)污染物具有良好的去除效果。

　　2)對(duì)于TN、NH這類(lèi)污染物來(lái)說(shuō)，生物炭添加量的增加有利于污染物的去除，且隨著污染負(fù)荷的增加，生物炭添加位置對(duì)TN、NH凈化效果的影響不大;對(duì)于COD，各組濕地對(duì)COD的去除效果差別隨著污染負(fù)荷增加而增大，表明生物炭有助于加強(qiáng)人工濕地對(duì)COD的抗負(fù)荷能力;對(duì)于TP，污染負(fù)荷增加時(shí)，生物炭添加量和添加位置對(duì)TP的去除效果的影響減弱，去除率普遍較高，且對(duì)TP具有較好的抗負(fù)荷能力。

　　3)在低污染負(fù)荷和中污染負(fù)荷的情況下，各組生物炭人工濕地對(duì)于類(lèi)污染物均具有較高的去除率，出水水質(zhì)可以達(dá)到《農(nóng)村生活污水處理處置設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB37/3693—2019)中的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，因此為保證污染物的去除效果，建議生物炭人工濕地的進(jìn)水污染負(fù)荷不宜過(guò)高，特別是對(duì)于TN、NH污染物，其進(jìn)水質(zhì)量濃度分別不宜超過(guò)85、82mg/L。

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　　作者：高海威，李雙，徐立榮，徐祥熙，王榮震，徐晶

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