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应用人工湿地技术处理污水时,基质的淤堵往往是制约其处理功效及使用寿命的主要因素。为此,国内外学者提出基质反级配的概念。但针对目前广泛应用的无烟煤和生物陶粒基质,还鲜有相关的全面研究报道。本研究设置了无烟煤和生物陶粒基质正、反级配垂直流人工湿地,在高水力负荷(900 mm·d-1)和高有机负荷(CODCr:708±94.5 mg·L-1)运行条件下对CODCr、TN、TP、NH4-N等指标的去除效率、系统渗透性能的变化以及各个系统基质脱氢酶活性和有机质的积累来比较两种级配方式下垂直流人工湿地的净化效果和系统渗透性能。
主要结果如下:
(1)两种级配方式下,垂直流人工湿地系统对污染物去除的综合效果优于单一粒径的无烟煤和生物陶粒湿地系统:
(2)在高有机负荷(CODCr:708±94.5mg·L-1)运行条件下,正反级配系统出水pH均呈现弱酸性,其中无烟煤系统出水酸性(6.00～6.08)略强于生物陶粒系统(6.48～6.55)；反级配系统的出水溶氧(1.02 mg·L-1)显著高于正级配系统(0.84mg·L-1)；
(3)至实验结束时,两种基质反级配系统的磷吸附总量分别为200mg·Kg-1,177 mg·Kg-1显著高于正级配系统的191mg·Kg-1,158 mg·Kg-1；正级配系统在CODCr去除方面显著强于反级配系统(p<0.05)；
(4)正级配系统对主要污染物的净化空间集中于上部30cm基质内,而反级配系统可以延伸至45cm处；
(5)各系统分层基质的含水率、有机质积累量、生物膜脱氢酶活性以及挥发性膜重的分布均表现出相似的规律；正级配系统主要依表层和上层,特别是表层基质来截留有机营养物质,而反级配系统可以将有机营养物质略为均匀的分布于系统各层中,以减轻表层的负荷；
(6)实验运行期间,反级配系统的有效孔隙率在各层的降幅差异不大,而正级配系统表层及上层有效孔隙率的降幅(均>11％)显著大于中层(均<6％)和底层(均<5％)；
(7)实验结束时,生物陶粒、无烟煤正级配系统渗透系数显著降低,分别降至初始值的1/20、1/30,降幅显著高于反级配系统,且出现了严重的表面滞水现象。
综合研究表明,反级配垂直流人工湿地系统可以在保证净化效率的同时,缓解基质堵塞,有效延长基质的使用寿命。