污染負荷對生物炭人工濕地凈化效果的影響

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

　　關(guān)鍵詞：生物炭;人工濕地;污染負荷;去除效率

　　為了解決日益嚴重的農(nóng)村生活污水污染，我國自20世紀80年代就開始針對農(nóng)村生活污水的處理開發(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荷能力較差，污染物去除效率較低，因此需要研究一類性能更優(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、吸附能力強的特點[5]，并且理化性質(zhì)穩(wěn)定，制備方便，對各類污染物均具有很強的吸附性，在土壤治理、氣候調(diào)節(jié)和廢水處理方面得到廣泛應用[6]。

　　大量研究表明，生物炭人工濕地對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，如果在運行過程中管理得當，還可以有效防止蚊蠅滋生和產(chǎn)生臭味，是目前國內(nèi)外較常采用的一種人工濕地類型[1012]。目前研究表明，生物炭對人工濕地中無機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，生物炭可以提高無機磷的吸附能力。目前，針對生物炭人工濕地特別是中試尺度生物炭人工濕地的實驗研究尚不多見，本文中基于潛流人工濕地中試實驗，探討不同污染負荷條件下潛流生物炭人工濕地對污染物的凈化效果。

　　1材料與方法

　　1.1生物炭人工濕地實驗場的構(gòu)建組中試人工濕地均由磚、混凝土壘砌而成，外徑長寬比為：其中長度為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型、生物炭不同投放位置以及生物炭不同投放量對人工濕地處理農(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實驗方案

　　綜合考慮水力條件對人工濕地污染物去除的影響，本研究設定水力停留時間為36~48，水力負荷為10cm/d的水力條件[19]。通過改變進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(簡稱碳氮比)較低的現(xiàn)狀，設置碳氮比約為:以模擬農(nóng)村生活污水，設置高、中、低個不同污染物濃度等級來確定濕地可承受的污染負荷。

　　實驗進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、化學需氧量COD的濃度，通過控制進、出水口流量使之達到設定的水力條件，穩(wěn)定運行一個實驗周期(36)后，在各濕地出水口取100出水水樣，并立刻放入℃保溫箱，以備檢測各污染物濃度。每種污染負荷實驗重復次，取平均值。為了減小實驗誤差，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污染物去除率隨污染負荷的變化情況;利用Origin軟件繪制各污染物進出水水質(zhì)與去除效率的柱狀圖。

　　2結(jié)果與分析

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

　　當生物炭人工濕地進水污染負荷為低等級時，各組濕地出水水質(zhì)都達到一級標準，TN、NH、TP、COD這類污染物去除效果良好。當進水污染負荷增加到中等級時，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外均達到一級標準。對各組情況進行對比可知，在濕地中，出水水質(zhì)仍然可以達到一級標準，其余組濕地的出水中NH質(zhì)量濃度均大于mg/L、小于15mg/L，達到二級標準。

　　當人工濕地進水污染負荷增加到高等級時，所有實驗組中TN的質(zhì)量濃度均大于20mg/L，NH的質(zhì)量濃度均大于15mg/L，未達到排放要求;濕地的出水中TP濃度可以達到排放一級標準， 濕地出水的TP質(zhì)量濃度均大于1.5mg/L，未達到排放一級標準;、濕地的出水中COD質(zhì)量濃度已經(jīng)超過60mg/L，不滿足農(nóng)村生活污水排放的一級標準，其他組排放達標。綜上所述，生物炭人工濕地對低等級污染負荷到中等級污染負荷的水質(zhì)變化有較好的應對能力。

　　2.1不同污染負荷下生物炭人工濕地去除效率

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

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

　　通過對比發(fā)現(xiàn)，隨著污染負荷增加，各組人工濕地對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，且對于污染物的抗負荷能力也不同。本文中對COD污染有較好抗負荷能力的為組，從低等級污染負荷到高等級污染負荷，去除率僅降低11.8%，說明生物炭的用量對人工濕地對COD抗負荷能力有一定的影響，增加生物炭用量可以適當提高人工濕地對COD的凈化效果。

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

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

　　3結(jié)論

　　在水力停留時間為36~48，水力負荷為10cm/d的水力條件下，設計并實施了組不同污染負荷條件下的中試實驗，分析了污染負荷變化對生物炭人工濕地凈化效果的影響，主要結(jié)論如下：

　　1)生物炭人工濕地對于農(nóng)村生活污水中TN、NH、TP、COD的去除率隨著進水污染負荷的增大而降低。進水污染負荷較低時，各組人工濕地對污染物均具有很好的去除效果，去除率都在80%以上，大部分達到了90%。當進水污染負荷處于高等級，各組對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，對污染物具有良好的去除效果。

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

　　3)在低污染負荷和中污染負荷的情況下，各組生物炭人工濕地對于類污染物均具有較高的去除率，出水水質(zhì)可以達到《農(nóng)村生活污水處理處置設施水污染物排放標準》(DB37/3693—2019)中的一級標準，因此為保證污染物的去除效果，建議生物炭人工濕地的進水污染負荷不宜過高，特別是對于TN、NH污染物，其進水質(zhì)量濃度分別不宜超過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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