人工湿地中强化吸附型填料筛选及其去污性能比较研究

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目前,我国面临十分严峻的水资源短缺、水环境污染、水生态破坏和水空间萎缩等一系列水安全问题。特别是广阔的农村地区、分散的度假景区等偏远地区和小型社区排放出的分散式生活污水缺乏有效的治理。人工湿地作为一种低耗高效、操作维护简易的污水处理工艺,尤其适合用来处理分散式的生活污水,在世界范围内的污/废水处理领域得到广泛应用。但是传统人工湿地的填料基质对于氮、磷等物质的吸附能力相对较差。因此,筛选一些强吸附型填料将其应用在人工湿地中会显著增强人工湿地的去污效能。本文选取了1种工业尾矿(煤矸石)、3种天然矿石(赤铁矿、磁铁矿和锰矿石)和2种人工合成材料(新型轻质陶砾和催化微电解陶砾)等三类材料与砾石按体积比1:1混合作为人工湿地的填料构建潜流人工湿地。在传统砾石填料的人工湿地为对照下,通过模拟生活污水考察不同填料的各人工湿地系统对有机物、氮和磷等污染物的吸附特性;探讨各混合填料的湿地系统对有机物、氮和磷的迁移转化的影响;并评估不同性质的填料添加对人工湿地系统的出水中重金属的浸出情况。最后筛选适宜的人工湿地填料及组合方式,本文取得的主要结果如下:(1)研究表明所选6种材料对NH4+-N和TP的理论吸附量均大于砾石填料。其中,通过等温吸附和动力学吸附表明锰矿石对NH4+-N和TP的理论吸附量最大,速率最快。锰矿石对NH4+-N的吸附量是0.5mg/g,是砾石吸附量的4倍之多。对TP的吸附量是0.76mg/g,是砾石的6倍。锰矿石对氮、磷具有优越的吸附能力表明其最适合作为强吸附型人工湿地填料添加到湿地中,这将为人工湿地设计时的水质净化目标和长期运行效果的预测提供科学的参考。(2)整体来看,添加强吸附填料的各潜流人工湿地系统要比常规砾石潜流人工湿地系统对污染物的长期去污效果要好。除添加磁铁矿填料的系统外,其它湿地系统对TOC的去除效果均优于仅添加砾石的系统,其中催化微电解陶砾系统对TOC的去除率最高达到了93.84%,并且去污效果稳定;添加锰矿石填料的湿地系统对NH4+-N、TN和TP的长期去污效果最好,这与其静态吸附试验的结果相吻合。新型轻质陶砾和催化微电解陶粒添加在湿地中对NH4+-N和TN的去除效果也较好,这与人造生物陶砾具有较大的孔径而更适合微生物膜的附着有直接的关系;添加矿石类的填料的湿地系统对TP的长期去除效果要优于仅添加砾石填料的湿地系统,这与矿石中含有更多的Fe、Al和Si等金属元素有直接的关系。(3)随着进水污染负荷的升高,NH4+-N的长期去除率降低而NO3--N的去除率有所升高,这是因为高负荷的进水中C/N比相对增高,从而为反硝化提供了更多的碳源,所以NO3--N得到了很好的去除,在第Ⅱ负荷下各系统的去除率都达到了99%以上。不同进水负荷下各强化吸附型人工湿地系统中TN和TP的净化效果基本稳定。各强化吸附型人工湿地系统中TP的净化效率随着水力停留时间(HRT)的延长都逐渐增大,但当水力停留时间在5天以上时湿地系统中TN的浓度下降的比较缓慢,有时会有轻微的上升情况,这说明潜流湿地中污水的水力停留时间不是越长越好,综合考虑,湿地中污水的水力停留时间5天为宜。(4)通过长期监测比较,发现强吸附型填料作为基质的潜流人工湿地中重金属Fe、Mn、Cu、Zn和Cr的浸出量要大于仅添加砾石的湿地系统,并且随着湿地运行时间的推移,各湿地中的重金属的浸出量逐渐降低。但总的来说,各湿地系统出水中的重金属浸出量均能满足我国《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)的Ⅰ类水标准,试验中所添加的这些强吸附型基质的系统出水都能满足国家排放要求。同时我们发现添加所选的强吸附型填料的潜流人工湿地系统中植物的生长状况受到了重金属一定的胁迫作用。其中添加磁铁矿的湿地植物受重金属胁迫的情况最为严重。
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