2009年3月
EnvironmentalScience&Technology
Vol.32No.3
卷Mar.第322009
人工湿地填料净化生活污水级配优化研究
黄逸群，张民*，徐玉新
（山东农业大学资源与环境学院，作物生物学国家重点实验室，山东
泰安271018）
摘要：采取室内填料柱级配淋洗试验的方法，选取粉煤灰、煤渣、空心砖填料组合作为人工湿地填料，进行不同填料级配污水净化效果研究。结果表明：在相同进水水质和水力负荷运行条件下，粉煤灰、煤渣、空心砖以体积比3：1：1混合时，COD、TN、NH4+-N去除效果最好，去除率最高分别达到47.83%、81.93%、93.53%；粉煤灰、煤渣、空心砖以体积比1：1：3混合时，TP去除率较高，可达到85.97%。试验所选填料考虑到填料物理特性及长期稳定运行的需要，选择粉煤灰、煤渣、空心砖以体积比3：1：1混合填料作及级配对NO3--N无较好的去除效果。为人工湿地去污填料最为适宜。
关键词：人工湿地；填料级配；淋洗；去污性能中图分类号：X703
文献标志码：A
文章编号：1003-6504(2009)03-0130-05
OptimizingSubstrateGradationforConstructedWetlandTreating
DomesticWastewater
HUANGYi-qun，ZHANGMin*，XUYu-xin
（CollegeofResourceandEnvironment，ShandongAgriculturalUniversity，Tai’an271018，China）
Abstract：Indoorleachingcolumnexperimentsweredonetoinvestigatetheeffectofgradationofsubstrateforconstructedwetlandusedtotreatsewage.Brownsoil，flyash，cinderandhollowbrickswereusedasfilteringmediawithdifferentproportionswhichresultedinoptimizedpollutantsremovalofCOD，TN，NH4+-NaswellasTP.Itwasconcludedthatavolumeratioof3：1：1offlyash，cinder，andhollowbricksrespectivelymixedwassuitableforconstructedwetlandtreatingdomesticwastewateraccordingtotheexperimentalresultandthelong-termoperationneed.Keywords：constructedwetland；domesticwastewater；substrate；pollutantremovals
近年来，随着水资源的紧缺，处理生活污水进行水资源回用逐渐成为热点。而人工湿地以其自然、处理效果稳定等优点，又逐渐成为水处理中的热点。人工湿地污水处理系统是目前世界上低投资、低能耗、最廉价、行之有效的处理污水
和利用污水的系统工程[1]。近年来，在国内外被广微生物和填料之间的物泛应用[2-4]。它主要利用植物、
理、化学和生物作用达到污水净化的目的。人工湿地可以分为表面流人工湿地和潜流人工湿地两种类型。潜流人工湿地对污染物质的去除是植物吸收、微生物转化及基质物理化学作用三方面共同作用的结果。其中，基质起着非常重要的作用，它不仅为植物生长、微生物附着提供适宜条件，自身还通过物理化学吸附，沉降络合等作用有效去除污染物质。
潜流人工湿地污水处理系统中所使用的填料是人工湿地的基质与载体，包括多种类型[5]，其所有理化
收稿日期：2008-03-05；修回2008－05－22
性状都可能影响到对污水的处理效果[6]。在人工湿地内部填充多孔的、有较大比表面的填料，可以改善人工湿地的水力学性能，为微生物提供更大的附着面积，同时增强系统对污染物（尤其是氮、磷）的去除能力。填料对污染物的成功截留为后续植物吸收创造良好条件，是出水水质的重要保证。
填料的类型以及比例是影响人工湿地处理污水的重要因素之一。填料对污染物的截留过程包括物理过滤、离子交换、专性与非专性吸附、螯合作用、沉降反应等。目前用于污水处理的人工湿地填料包括碎石[7]、页岩[8]、煤灰[9]、矿渣[10]、陶粒[11]、石灰石、沸石[12]等。研究标明：粉煤灰、煤渣有良好的吸附能力。空心砖是由粉煤灰等添加高岭土、页岩等物质制成，具有一定的吸附能力。目前，对人工湿地的研究往往偏重于生物因子在废水工程中的作用，对基质研究相对较少[13]。湿地填料的选择大多以填料对特征污染物的去除情况为依
基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目（2006BAD10B07）；国家“948”项目（201054）
作者简介：黄逸群（1981-），女，在读硕士，主要从事环境监测与评价研究，（电话）8242900（电子信箱）[email protected]；*通讯作者，（电子信箱）[email protected]。
第3期黄逸群，等人工湿地填料净化生活污水级配优化研究
131
据，如除磷填料的选择常依据填料最大磷吸附量[8-11]，
实验中此法选用填料较少，对填料的实际去污性与过
本研究以室内模拟人工湿地污水处理高估计。为此，
系统中的填料系统，排除环境中不可控制因子的影响，通过比较生活污水中COD、NH3-N、TN、TP、NO3--N
的去除效果，研究了3种基质对去除污水中各污染因子的能力，从而为选择及优化人工湿地填料提供依据。11.1
材料与方法
大漏斗及接收器、滤纸、纱布组成（图1）。填料柱为内
径4.5cm，高为28cm的PVC管。将各种填料按试验设计混合，填充至PVC管中，压实，总填充高度为25cm。用蒸馏水自下而上浸透填料柱，
后用污水进行淋溶。
供试材料
考虑到北方地区填料的来源及成本等诸多因素，本实验选用泰安市本地的粗砾石、粉煤灰、煤渣、空心粉煤灰、煤渣取自泰安市热电厂（经砖作为实验填料。水膜式除尘器处理后），经过筛、晾干后待用。空心砖块取自泰安建材市场。
其中实验使用的碎石粒径为2~4mm，用于填料柱的底部布水均匀，碎石中含有较多的Al2O3、Fe2O3、CaO等成分，对污水具有较好的过滤作用。实验使用的粉煤灰主要成分为SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3等，具有多孔性及很大的比表面积，通过吸附、离子交换、絮凝沉淀和过滤作用去除污水中的污染物质[14]。空心砖由粉煤灰烧结而成，具有粉煤灰的化学特性，生产烧结
耐空心砖过程中掺合的粘结料有易熔粘土、高岭土、
火土、页岩等泥料。同时其比表面积大，与粉煤灰相比在污水处理工程中具有不易流失，不板结等优点[15]。煤渣内部孔隙发达，表面有许多大孔隙，具有比较高
此外，煤渣发达的孔隙、巨大的表面积和的吸附性能。
一定的机械强度使其具有较强的过滤作用[16]。
淋洗生活污水以泰安市污水处理厂刚经过粗格栅处理的生活污水作为水源。污水的主要水质参数为：COD94.49~175.26mg/L，TN36.59~29.92mg/L，NH4+-N25.9~29.1mg/L，NO3--N2.7~3.5mg/L，TP2.23～5.92mg/L，pH8.32～8.64。1.2试验设计
试验于2006年下半年在山东农业大学土壤化学实验室进行，共设7个处理，见表1。
表1锯末和粪便的成分组成表
Table1Designscheme
淋溶污水负荷按照人工湿地污水负荷进行计算，淋洗水量为200mL/d。
1.3样品采集与分析方法
1.3.1水样采集
试验采取连续淋溶的方式，一次污水淋洗体积200mL，每淋洗一次取样一次，每天上午8：00取样。连续淋洗10次，共淋洗2L，取样10次。取样后将接收器中的水样混匀，经滤纸过滤后，从中取样进行水质分析。1.3.2
水样基本理化性质测定
水样测定COD：采用重铬酸钾氧化法；NH4+-N：采用连续流动注射分析仪测定（型号AutoAnalyzer3.AA3）；NO3--N：采用连续流动注射分析仪测定（型号AutoAnalyzer3.AA3）；TN：采用过硫酸钾消解-紫外分光光度法；TP：采用过硫酸钾消解-钼锑抗分光上海）。光度法（型号UV-7504c紫外分光光度计，1.3.3
分析方法
数据采用Excel和美国SASSystem9.1分析软件进行处理。22.1
结果与讨论
填料不同级配对COD的去除
人工湿地对COD的去除通过好氧降解、厌氧降
解及填料吸附沉降、植物组织吸收实现，植物根系不断向床体释放氧气使好氧降解成为人工湿地去除COD的主要途径。本实验无植物，COD去除主要靠填料吸附和填料表面微生物同化吸收。
处理对COD去除率差异显著，同种处理对COD的去除率随淋洗水量的增加也存在差异（表2）。对COD去除率自高至低依次为SFVA311>SFVA211>SFVA131>SFVA121>SFVA111>SFVA112>SFVA113，所有处理均呈现下降趋势，不同处理下降幅度存在差
处理号处理代号处理名称1234567
SFVA111SFVA211SFVA311SFVA112SFVA113SFVA121SFVA131
处理1处理2处理3处理4处理5处理6处理7
处理内容
粉煤灰-煤渣-空心砖以体积比1：1：1混合粉煤灰-煤渣-空心砖以体积比2：1：1混合粉煤灰-煤渣-空心砖以体积比3：1：1混合粉煤灰-煤渣-空心砖以体积比1：1：2混合粉煤灰-煤渣-空心砖以体积比1：1：3混合粉煤灰-煤渣-空心砖以体积比1：2：1混合粉煤灰-煤渣-空心砖以体积比1：3：1混合
试验装置由污水配给瓶、流量控制装置、填料柱、
132
异。淋洗初期，SFVA211、SFVA311去除率较高，分别达到41.73%、47.83%，SFVA121、SFVA131次之，SFVA112、SFVA113较低，分别为27.63%、28.23%。各处理差异显著，说明污水中COD去除与填料种类，级配有关。SFVA311去除率优于其它处理，可能与粉
填料粒度越小，颗粒越细，达煤灰吸附平衡时间有关。
各处理均出现到平衡时间越短。随淋洗污水量增加，
表2
处理代号SFVA111
SFVA211SFVA311SFVA112SFVA113SFVA121SFVA131
第32
卷
不同程度下降。经10次淋洗后，SFVA311去除率仍优于其它处理，且差异极显著。这可能是因为室内试验无植物栽种，有机污染物的去除仅通过填料吸附和微生物降解实现，因此水力渗透系数低（水力停留时间
、孔隙率低的粉煤灰具备较长的污水、填料接触时长）
间和较大接触面积，能提供较好的吸附沉降条件和相对适宜的微生物生长条件。
不同处理对COD去除率动态变化
填料体积397.4cm3
1400160027.27d26.90c34.53b30.80b41.87a24.07e24.23g24.07e26.03f25.57d26.57e25.77d31.57c28.97e
Table2DynamicremovalratesofCODinthecolumnswithdifferenttreatments
200
30.57e41.73b47.83a27.63g28.23f34.37e40.07c40029.60e41.37b46.97a27.37g28.03f32.03d39.10c
淋洗污水在以下淋洗体积时的去除率(%)[**************]8.70e28.47e27.53e27.13a39.50b38.63b36.63b35.30a25.73g25.53g42.50a42.20a25.73g25.53g25.43g24.37a27.83f27.37f27.13f27.83f31.90d31.60d31.07d30.17a38.97c37.80c35.57c32.23a
1800mL
26.83c30.27b32.90a23.37de24.60d22.70e25.43f2000mL26.27b30.17b32.67a22.33d24.43c17.07de24.67e
注：在同一列中的平均数据用邓肯多重比较，凡数字后标有不同字母的数值表示其间差异显著（p
填料不同级配对TN的去除
人工湿地去除氮素通过植物组织吸收、填料吸附沉降及生长在植物、填料表面的微生物硝化、反硝化实现。室内填料柱试验无植物栽种且室内缺乏阳光照射，对微生物生长不利。试验水力停留时间达不到微生物
）。以上因彻底除氮的要求（水力停留时间最低为5d[17]
素导致室内试验TN去除主要靠填料吸附沉降完成。
淋洗初期SFVA211、SFVA311去除率较高，分别达77.4%、81.93%，SFVA121、SFVA131次之，SFVA311、SFVA112较SFVA111低，分别为45.2%、37.03%（表3）。处理间差异显著，说明污水中TN去除与填料种
TN主要通过填料类，级配有一定关系。试验条件下，
表3
处理代号SFVA111
SFVA211SFVA311SFVA112SFVA113SFVA121SFVA131
2.2
水力渗透系数低的粉煤吸附被去除，因此孔隙率低、
灰具备较好的填料、污染物接触效果。随淋洗污水量增加，各处理均出现不同程度下降。经10次淋洗后，SFVA311去除率仍优于其他处理。这可能是因为室内试验无植物栽种，有机污染物的去除仅通过填料吸附和微生物降解实现，因此水力渗透系数低（水力停留时间长）、孔隙率低的粉煤灰具备较长的污水、填料接触时间和较大接触面积，能够提供较好的吸附沉降条件和相对适宜的微生物生长条件。所有处理TN去除率随时间推移均有下降现象，可能是因为随着淋洗水量的增加，各种填料对TN吸附能力逐渐趋于饱和而致。
不同处理对TN去除率动态变化
填料体积397.4cm3
1400160038.17b41.63c52.60a49.57b54.83a53.00a23.60c13.50f22.03cd20.27d16.80d17.53e55.87a51.03b
Table3DynamicremovalratesofTNinthecolumnswithdifferenttreatments
200
58.30d77.40b81.93a45.20e37.03f68.23c77.37b40057.17c74.80a75.33a45.27d32.63e65.20b74.57a
淋洗污水在以下淋洗体积时的去除率(%)[**************]1.53c51.83c44.40c30.43b72.27ab63.93b63.20b55.80a74.07a75.03a74.47a63.80a39.60d41.43d34.57d15.80c46.47cd50.13c36.87d29.07b65.07b33.03e36.93d33.90b69.80ab64.40b59.03b57.93a
1800mL
45.97a46.77a48.20a20.40b13.03c25.73b47.27a2000mL26.50b45.80a47.37a20.00bc14.50cd24.50d41.00a
2.3
填料不同级配对NH4+-N的去除
人工湿地去除氨氮主要是通过植物填料吸附沉降及生长在植物、填料表面微生物的硝化作用实现。本试验在室内进行，无植物栽种且室内缺乏阳光照射，再加上水力停留时间较短，达不到微生物生长的要求，使其生长受到一定的抑制。
处理对NH4+-N去除率差异显著，同种处理对NH4+-N的去除率也随淋洗水量的增加存在差异（表4）。对TN去除率自高至低依次为SFVA211>SFVA111>
SFVA121>SFVA113>SFVA111>SFVA112>SFVA113。淋洗初期SFVA211、SFVA311去除率较高，分别达92.62%、93.53%，SFVA121、SFVA131次之，SFVA112、SFVA113较SFVA111低，分别为38.4%、22.47%。各处理间差异显著，说明污水中NH4+-N去除与填料种类，级配有一定关系。试验条件下，NH4+-N主要通过填料吸附沉降及生长在填料表面的微生物硝化
第3期黄逸群，等人工湿地填料净化生活污水级配优化研究
133
作用被去除，因此孔隙率低、水力渗透系数低的粉
煤灰具备较好的填料、污染物接触效果。随淋洗污水量增加，各处理均出现不同程度下降。经10次淋洗后，SFVA311去除率仍优于其他处理，且差异极显著。这可能是因为室内试验无植物栽种，有机污染物的去除仅通过填料吸附和微生物降解实现，
表4
处理代号SFVA111SFVA211SFVA311SFVA112SFVA113SFVA121SFVA131
因此粉煤灰具备较长的污水、填料接触时间和较大接触面积，能够提供较好的吸附沉降条件和相对适宜的微生物生长条件。所有处理NH4+-N去除率随时间推移均有下降现象，可能是因为随着淋洗水量的增加，各种填料对NH4+-N吸附能力逐渐趋于饱和。
不同处理对NH4+-N去除率动态变化
填料体积397.4cm3
1400160054.53d22.23f86.43a84.23a82.23b81.90b25.40f24.63e12.64f12.07g76.77b76.87c81.41b72.82d
Table4DynamicremovalratesofNH4+-Ninthecolumnswithdifferenttreatments
200
86.00d92.62b93.53a38.40e22.47g85.30d88.10c40083.00e90.19b92.43a35.63f19.86g84.23d86.59c
淋洗污水在以下淋洗体积时的去除率(%)[**************]8.70ab82.60d79.77d72.53c91.20a91.54a92.67a88.41a90.52a86.40b82.74c82.43b32.10c32.07e32.03e31.13d18.67g16.14f14.27f14.00e84.23b82.10d82.00c81.77b86.65ba85.10c84.05b83.13b
1800mL
20.50f85.79a82.00b23.30e12.02g71.80c66.11d2000mL19.07e84.87a79.80b15.87f12.43g71.23c58.74d
填料不同级配对TP的去除
人工湿地去除磷主要是通过湿地植物的吸收和填料的吸附而实现。本试验没有植物参与，只通过填料吸附途径对TP进行去除。填料对磷的吸附包括物理吸附和化学吸附为主，物理吸附时间短，吸附量小，
Fe、Ca等易饱和；化学吸附通过填料中金属元素Al、
与磷素形成沉淀或络合物而实现，吸附较稳定。试验前期，填料对磷的吸附以表面物理吸附为主，随着物理
Fe、吸附逐渐饱和，化学吸附通过填料中金属元素Al、
Ca等与磷素形成沉淀或络合物来实现，吸附较稳定。
试验前期，填料对磷的吸附以表面物理吸附为主，到试验后期，化学吸附成为TP去除首要因素。如表5，对TP去除率自高至低依次为SFVA113>SFVA112>SFVA131>SFVA121>SFVA111>SFVA211>SFVA311，处理间差异显著，且下降幅度存在差异。淋洗初期SFVA113、SFVA112去除率较高，分别达
表5
处理代号SFVA111SFVA211SFVA311SFVA112SFVA113SFVA121SFVA131
2.4
85.97%、84.43%，SFVA131、SFVA121次之，SFVA211、SFVA311较SFVA111低，分别为52.5%、51.73%。各处理差异显著，说明污水中TP去除与填料种类，配比有一定关系。含有空心砖较多的SFVA113、SFVA112去除效果优于其他处理，原因可能是空心砖中含有较高比例的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO，其中Fe、Ca、Al的水合物在填料表面与污水中磷酸根离
）与空心砖中子结合，或是阴离子（如废水中的PO43-次生的硅酸铝、硅酸钙和硅酸铁之间形成离子交换
或离子对的吸附，而且空心砖的制备材料中有高岭土、页岩等，已有研究显示这些基质对TP有良好的去
SFVA113去除率仍优于其除作用[18]。经10次淋洗后，
他处理，除与SFVA112无差异性外，与其他处理均
这可能是因为随着淋洗水量的增加，不差异极显著。
同填料对TP的交换能力不同，对TP交换能力慢慢趋于饱和的缘故。
不同处理对TP去除率动态变化
填料体积397.4cm31400mL1600mL45.17b40.50f49.50b48.53e49.50b48.53e73.17a72.57b74.90a74.07a46.47b42.40e47.10b50.93c
Table5DynamicremovalratesofTPinthecolumnswithdifferenttreatments
200mL
55.30d52.50e51.73f84.43b85.97b55.87d58.60c400mL53.77d52.33e51.47e84.23b85.50a54.53d56.93c
淋洗污水在以下淋洗体积时的去除率(%)600mL800mL1000mL1200mL53.40e52.97e52.33de44.97b51.83f51.13f50.77e50.13b51.23f50.90f50.77e50.13b83.93b83.47b83.33b74.00ab85.60a85.03a85.13a75.10a54.63d53.83d53.70cd51.57b56.93c55.23c54.37c54.20b
1800mL
34.93e48.40c48.40c72.13b74.07a37.23d48.10c2000mL34.47c47.60b48.10b68.73a71.00a29.47d47.37b
填料不同级配对NO3--N的去除可溶性氮，特别是硝态氮，在介质中较难被吸附，能随地下水流迁移。本试验污水中NO3--N去除主要是填料中的反硝化作用。
对NO3--N去除率处理间差异显著，同种处理对NO3--N的去除率也随淋洗水量的增加存在差异（表
2.5
6）。对NO3--N去除率自高至低依次为SFVA113>SFVA112>SFVA131>SFVA121>SFVA111>SFVA211>SFVA311，所有处理均呈现下降趋势，下降幅度有所
淋洗初期SFVA113、SFVA112去除率较高，分别为差异。26.43%、26.17%，SFVA131、SFVA121次之，SFVA211、SFVA311较SFVA111低，分别为24.47%、24.43%。随
淋洗污水量增加，各处理均出现不同程度下降。但经10次淋洗后，除SFVA311与其他处理差异显著外，其
表6
处理代号SFVA111SFVA211SFVA311SFVA112SFVA113SFVA121SFVA131
第32
卷
余处理均无差异性。说明试验所选填料种类以及级配对NO3--N去除影响较小，去除效率不佳。
不同处理对NO3--N去除率动态变化
填料体积397.4cm3
1400mL1600mL24.53a24.17de24.03a23.97ef28.87a23.80f25.07a24.97ab25.30a25.23a24.57a24.47cd24.90a24.73bc
Table6DynamicremovalratesofNO3--Ninthecolumnswithdifferenttreatments
200mL
25.30c24.47d24.43d26.17b26.43a25.40c25.50c400mL25.17e24.27f24.27f26.03b26.23a25.37d25.77c
淋洗污水在以下淋洗体积时的去除率(%)600mL800mL1000mL1200mL25.13c25.13c25.03c24.77d24.30d24.13d24.30d24.27e24.23d24.17d24.10d24.07f26.07a25.60b25.60b25.33a25.97a25.97a25.83a25.37a25.30c25.17c25.13c24.93c25.63b25.63b25.30bc25.13b
1800mL
23.80ab23.80ab20.00b25.10ab25.47ab24.47ab24.73ab2000mL23.27a19.27ab18.40c25.10ab25.23ab24.93ab24.77ab
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在相同进水、水质、水力负荷的试验条件下，粉煤
TN、NH4+-N有较好的去除灰对生活污水中的COD、
率，空心砖对污水中的TP有较好的去除率，粉煤灰、煤渣以及空心砖对NO3--N均没有较好的去除效果。粉煤灰、煤渣、空心砖以体积比3：1：1混合时，
+
COD、TN、NH4-N去除效果最好，去除率最高分别达到47.83%、81.93%、93.53%；粉煤灰、煤渣、空心砖以
TP去除率较高，可达到体积比1：1：3混合时，
85.97%。空心砖物理性质虽优越，但去污能力有限，不能满足人工湿地长期运行净化污水的要求，考虑到湿地填料物理特性及长期稳定运行的需要，建议选用粉煤灰、煤渣、空心砖以体积比3：1：1混合填料作为人工湿地填料，既避免了单一填料长期使用可能导致堵塞，从而造成污水短路或填料区出现死水区的现象，也使得污水中的各种污染物得到较好的去除效果。将以上填料配比使用是一种双赢的填料选择方案。
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2009年3月
EnvironmentalScience&Technology
Vol.32No.3
卷Mar.第322009
人工湿地填料净化生活污水级配优化研究
黄逸群，张民*，徐玉新
（山东农业大学资源与环境学院，作物生物学国家重点实验室，山东
泰安271018）
摘要：采取室内填料柱级配淋洗试验的方法，选取粉煤灰、煤渣、空心砖填料组合作为人工湿地填料，进行不同填料级配污水净化效果研究。结果表明：在相同进水水质和水力负荷运行条件下，粉煤灰、煤渣、空心砖以体积比3：1：1混合时，COD、TN、NH4+-N去除效果最好，去除率最高分别达到47.83%、81.93%、93.53%；粉煤灰、煤渣、空心砖以体积比1：1：3混合时，TP去除率较高，可达到85.97%。试验所选填料考虑到填料物理特性及长期稳定运行的需要，选择粉煤灰、煤渣、空心砖以体积比3：1：1混合填料作及级配对NO3--N无较好的去除效果。为人工湿地去污填料最为适宜。
关键词：人工湿地；填料级配；淋洗；去污性能中图分类号：X703
文献标志码：A
文章编号：1003-6504(2009)03-0130-05
OptimizingSubstrateGradationforConstructedWetlandTreating
DomesticWastewater
HUANGYi-qun，ZHANGMin*，XUYu-xin
（CollegeofResourceandEnvironment，ShandongAgriculturalUniversity，Tai’an271018，China）
Abstract：Indoorleachingcolumnexperimentsweredonetoinvestigatetheeffectofgradationofsubstrateforconstructedwetlandusedtotreatsewage.Brownsoil，flyash，cinderandhollowbrickswereusedasfilteringmediawithdifferentproportionswhichresultedinoptimizedpollutantsremovalofCOD，TN，NH4+-NaswellasTP.Itwasconcludedthatavolumeratioof3：1：1offlyash，cinder，andhollowbricksrespectivelymixedwassuitableforconstructedwetlandtreatingdomesticwastewateraccordingtotheexperimentalresultandthelong-termoperationneed.Keywords：constructedwetland；domesticwastewater；substrate；pollutantremovals
近年来，随着水资源的紧缺，处理生活污水进行水资源回用逐渐成为热点。而人工湿地以其自然、处理效果稳定等优点，又逐渐成为水处理中的热点。人工湿地污水处理系统是目前世界上低投资、低能耗、最廉价、行之有效的处理污水
和利用污水的系统工程[1]。近年来，在国内外被广微生物和填料之间的物泛应用[2-4]。它主要利用植物、
理、化学和生物作用达到污水净化的目的。人工湿地可以分为表面流人工湿地和潜流人工湿地两种类型。潜流人工湿地对污染物质的去除是植物吸收、微生物转化及基质物理化学作用三方面共同作用的结果。其中，基质起着非常重要的作用，它不仅为植物生长、微生物附着提供适宜条件，自身还通过物理化学吸附，沉降络合等作用有效去除污染物质。
潜流人工湿地污水处理系统中所使用的填料是人工湿地的基质与载体，包括多种类型[5]，其所有理化
收稿日期：2008-03-05；修回2008－05－22
性状都可能影响到对污水的处理效果[6]。在人工湿地内部填充多孔的、有较大比表面的填料，可以改善人工湿地的水力学性能，为微生物提供更大的附着面积，同时增强系统对污染物（尤其是氮、磷）的去除能力。填料对污染物的成功截留为后续植物吸收创造良好条件，是出水水质的重要保证。
填料的类型以及比例是影响人工湿地处理污水的重要因素之一。填料对污染物的截留过程包括物理过滤、离子交换、专性与非专性吸附、螯合作用、沉降反应等。目前用于污水处理的人工湿地填料包括碎石[7]、页岩[8]、煤灰[9]、矿渣[10]、陶粒[11]、石灰石、沸石[12]等。研究标明：粉煤灰、煤渣有良好的吸附能力。空心砖是由粉煤灰等添加高岭土、页岩等物质制成，具有一定的吸附能力。目前，对人工湿地的研究往往偏重于生物因子在废水工程中的作用，对基质研究相对较少[13]。湿地填料的选择大多以填料对特征污染物的去除情况为依
基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目（2006BAD10B07）；国家“948”项目（201054）
作者简介：黄逸群（1981-），女，在读硕士，主要从事环境监测与评价研究，（电话）8242900（电子信箱）[email protected]；*通讯作者，（电子信箱）[email protected]。
第3期黄逸群，等人工湿地填料净化生活污水级配优化研究
131
据，如除磷填料的选择常依据填料最大磷吸附量[8-11]，
实验中此法选用填料较少，对填料的实际去污性与过
本研究以室内模拟人工湿地污水处理高估计。为此，
系统中的填料系统，排除环境中不可控制因子的影响，通过比较生活污水中COD、NH3-N、TN、TP、NO3--N
的去除效果，研究了3种基质对去除污水中各污染因子的能力，从而为选择及优化人工湿地填料提供依据。11.1
材料与方法
大漏斗及接收器、滤纸、纱布组成（图1）。填料柱为内
径4.5cm，高为28cm的PVC管。将各种填料按试验设计混合，填充至PVC管中，压实，总填充高度为25cm。用蒸馏水自下而上浸透填料柱，
后用污水进行淋溶。
供试材料
考虑到北方地区填料的来源及成本等诸多因素，本实验选用泰安市本地的粗砾石、粉煤灰、煤渣、空心粉煤灰、煤渣取自泰安市热电厂（经砖作为实验填料。水膜式除尘器处理后），经过筛、晾干后待用。空心砖块取自泰安建材市场。
其中实验使用的碎石粒径为2~4mm，用于填料柱的底部布水均匀，碎石中含有较多的Al2O3、Fe2O3、CaO等成分，对污水具有较好的过滤作用。实验使用的粉煤灰主要成分为SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3等，具有多孔性及很大的比表面积，通过吸附、离子交换、絮凝沉淀和过滤作用去除污水中的污染物质[14]。空心砖由粉煤灰烧结而成，具有粉煤灰的化学特性，生产烧结
耐空心砖过程中掺合的粘结料有易熔粘土、高岭土、
火土、页岩等泥料。同时其比表面积大，与粉煤灰相比在污水处理工程中具有不易流失，不板结等优点[15]。煤渣内部孔隙发达，表面有许多大孔隙，具有比较高
此外，煤渣发达的孔隙、巨大的表面积和的吸附性能。
一定的机械强度使其具有较强的过滤作用[16]。
淋洗生活污水以泰安市污水处理厂刚经过粗格栅处理的生活污水作为水源。污水的主要水质参数为：COD94.49~175.26mg/L，TN36.59~29.92mg/L，NH4+-N25.9~29.1mg/L，NO3--N2.7~3.5mg/L，TP2.23～5.92mg/L，pH8.32～8.64。1.2试验设计
试验于2006年下半年在山东农业大学土壤化学实验室进行，共设7个处理，见表1。
表1锯末和粪便的成分组成表
Table1Designscheme
淋溶污水负荷按照人工湿地污水负荷进行计算，淋洗水量为200mL/d。
1.3样品采集与分析方法
1.3.1水样采集
试验采取连续淋溶的方式，一次污水淋洗体积200mL，每淋洗一次取样一次，每天上午8：00取样。连续淋洗10次，共淋洗2L，取样10次。取样后将接收器中的水样混匀，经滤纸过滤后，从中取样进行水质分析。1.3.2
水样基本理化性质测定
水样测定COD：采用重铬酸钾氧化法；NH4+-N：采用连续流动注射分析仪测定（型号AutoAnalyzer3.AA3）；NO3--N：采用连续流动注射分析仪测定（型号AutoAnalyzer3.AA3）；TN：采用过硫酸钾消解-紫外分光光度法；TP：采用过硫酸钾消解-钼锑抗分光上海）。光度法（型号UV-7504c紫外分光光度计，1.3.3
分析方法
数据采用Excel和美国SASSystem9.1分析软件进行处理。22.1
结果与讨论
填料不同级配对COD的去除
人工湿地对COD的去除通过好氧降解、厌氧降
解及填料吸附沉降、植物组织吸收实现，植物根系不断向床体释放氧气使好氧降解成为人工湿地去除COD的主要途径。本实验无植物，COD去除主要靠填料吸附和填料表面微生物同化吸收。
处理对COD去除率差异显著，同种处理对COD的去除率随淋洗水量的增加也存在差异（表2）。对COD去除率自高至低依次为SFVA311>SFVA211>SFVA131>SFVA121>SFVA111>SFVA112>SFVA113，所有处理均呈现下降趋势，不同处理下降幅度存在差
处理号处理代号处理名称1234567
SFVA111SFVA211SFVA311SFVA112SFVA113SFVA121SFVA131
处理1处理2处理3处理4处理5处理6处理7
处理内容
粉煤灰-煤渣-空心砖以体积比1：1：1混合粉煤灰-煤渣-空心砖以体积比2：1：1混合粉煤灰-煤渣-空心砖以体积比3：1：1混合粉煤灰-煤渣-空心砖以体积比1：1：2混合粉煤灰-煤渣-空心砖以体积比1：1：3混合粉煤灰-煤渣-空心砖以体积比1：2：1混合粉煤灰-煤渣-空心砖以体积比1：3：1混合
试验装置由污水配给瓶、流量控制装置、填料柱、
132
异。淋洗初期，SFVA211、SFVA311去除率较高，分别达到41.73%、47.83%，SFVA121、SFVA131次之，SFVA112、SFVA113较低，分别为27.63%、28.23%。各处理差异显著，说明污水中COD去除与填料种类，级配有关。SFVA311去除率优于其它处理，可能与粉
填料粒度越小，颗粒越细，达煤灰吸附平衡时间有关。
各处理均出现到平衡时间越短。随淋洗污水量增加，
表2
处理代号SFVA111
SFVA211SFVA311SFVA112SFVA113SFVA121SFVA131
第32
卷
不同程度下降。经10次淋洗后，SFVA311去除率仍优于其它处理，且差异极显著。这可能是因为室内试验无植物栽种，有机污染物的去除仅通过填料吸附和微生物降解实现，因此水力渗透系数低（水力停留时间
、孔隙率低的粉煤灰具备较长的污水、填料接触时长）
间和较大接触面积，能提供较好的吸附沉降条件和相对适宜的微生物生长条件。
不同处理对COD去除率动态变化
填料体积397.4cm3
1400160027.27d26.90c34.53b30.80b41.87a24.07e24.23g24.07e26.03f25.57d26.57e25.77d31.57c28.97e
Table2DynamicremovalratesofCODinthecolumnswithdifferenttreatments
200
30.57e41.73b47.83a27.63g28.23f34.37e40.07c40029.60e41.37b46.97a27.37g28.03f32.03d39.10c
淋洗污水在以下淋洗体积时的去除率(%)[**************]8.70e28.47e27.53e27.13a39.50b38.63b36.63b35.30a25.73g25.53g42.50a42.20a25.73g25.53g25.43g24.37a27.83f27.37f27.13f27.83f31.90d31.60d31.07d30.17a38.97c37.80c35.57c32.23a
1800mL
26.83c30.27b32.90a23.37de24.60d22.70e25.43f2000mL26.27b30.17b32.67a22.33d24.43c17.07de24.67e
注：在同一列中的平均数据用邓肯多重比较，凡数字后标有不同字母的数值表示其间差异显著（p
填料不同级配对TN的去除
人工湿地去除氮素通过植物组织吸收、填料吸附沉降及生长在植物、填料表面的微生物硝化、反硝化实现。室内填料柱试验无植物栽种且室内缺乏阳光照射，对微生物生长不利。试验水力停留时间达不到微生物
）。以上因彻底除氮的要求（水力停留时间最低为5d[17]
素导致室内试验TN去除主要靠填料吸附沉降完成。
淋洗初期SFVA211、SFVA311去除率较高，分别达77.4%、81.93%，SFVA121、SFVA131次之，SFVA311、SFVA112较SFVA111低，分别为45.2%、37.03%（表3）。处理间差异显著，说明污水中TN去除与填料种
TN主要通过填料类，级配有一定关系。试验条件下，
表3
处理代号SFVA111
SFVA211SFVA311SFVA112SFVA113SFVA121SFVA131
2.2
水力渗透系数低的粉煤吸附被去除，因此孔隙率低、
灰具备较好的填料、污染物接触效果。随淋洗污水量增加，各处理均出现不同程度下降。经10次淋洗后，SFVA311去除率仍优于其他处理。这可能是因为室内试验无植物栽种，有机污染物的去除仅通过填料吸附和微生物降解实现，因此水力渗透系数低（水力停留时间长）、孔隙率低的粉煤灰具备较长的污水、填料接触时间和较大接触面积，能够提供较好的吸附沉降条件和相对适宜的微生物生长条件。所有处理TN去除率随时间推移均有下降现象，可能是因为随着淋洗水量的增加，各种填料对TN吸附能力逐渐趋于饱和而致。
不同处理对TN去除率动态变化
填料体积397.4cm3
1400160038.17b41.63c52.60a49.57b54.83a53.00a23.60c13.50f22.03cd20.27d16.80d17.53e55.87a51.03b
Table3DynamicremovalratesofTNinthecolumnswithdifferenttreatments
200
58.30d77.40b81.93a45.20e37.03f68.23c77.37b40057.17c74.80a75.33a45.27d32.63e65.20b74.57a
淋洗污水在以下淋洗体积时的去除率(%)[**************]1.53c51.83c44.40c30.43b72.27ab63.93b63.20b55.80a74.07a75.03a74.47a63.80a39.60d41.43d34.57d15.80c46.47cd50.13c36.87d29.07b65.07b33.03e36.93d33.90b69.80ab64.40b59.03b57.93a
1800mL
45.97a46.77a48.20a20.40b13.03c25.73b47.27a2000mL26.50b45.80a47.37a20.00bc14.50cd24.50d41.00a
2.3
填料不同级配对NH4+-N的去除
人工湿地去除氨氮主要是通过植物填料吸附沉降及生长在植物、填料表面微生物的硝化作用实现。本试验在室内进行，无植物栽种且室内缺乏阳光照射，再加上水力停留时间较短，达不到微生物生长的要求，使其生长受到一定的抑制。
处理对NH4+-N去除率差异显著，同种处理对NH4+-N的去除率也随淋洗水量的增加存在差异（表4）。对TN去除率自高至低依次为SFVA211>SFVA111>
SFVA121>SFVA113>SFVA111>SFVA112>SFVA113。淋洗初期SFVA211、SFVA311去除率较高，分别达92.62%、93.53%，SFVA121、SFVA131次之，SFVA112、SFVA113较SFVA111低，分别为38.4%、22.47%。各处理间差异显著，说明污水中NH4+-N去除与填料种类，级配有一定关系。试验条件下，NH4+-N主要通过填料吸附沉降及生长在填料表面的微生物硝化
第3期黄逸群，等人工湿地填料净化生活污水级配优化研究
133
作用被去除，因此孔隙率低、水力渗透系数低的粉
煤灰具备较好的填料、污染物接触效果。随淋洗污水量增加，各处理均出现不同程度下降。经10次淋洗后，SFVA311去除率仍优于其他处理，且差异极显著。这可能是因为室内试验无植物栽种，有机污染物的去除仅通过填料吸附和微生物降解实现，
表4
处理代号SFVA111SFVA211SFVA311SFVA112SFVA113SFVA121SFVA131
因此粉煤灰具备较长的污水、填料接触时间和较大接触面积，能够提供较好的吸附沉降条件和相对适宜的微生物生长条件。所有处理NH4+-N去除率随时间推移均有下降现象，可能是因为随着淋洗水量的增加，各种填料对NH4+-N吸附能力逐渐趋于饱和。
不同处理对NH4+-N去除率动态变化
填料体积397.4cm3
1400160054.53d22.23f86.43a84.23a82.23b81.90b25.40f24.63e12.64f12.07g76.77b76.87c81.41b72.82d
Table4DynamicremovalratesofNH4+-Ninthecolumnswithdifferenttreatments
200
86.00d92.62b93.53a38.40e22.47g85.30d88.10c40083.00e90.19b92.43a35.63f19.86g84.23d86.59c
淋洗污水在以下淋洗体积时的去除率(%)[**************]8.70ab82.60d79.77d72.53c91.20a91.54a92.67a88.41a90.52a86.40b82.74c82.43b32.10c32.07e32.03e31.13d18.67g16.14f14.27f14.00e84.23b82.10d82.00c81.77b86.65ba85.10c84.05b83.13b
1800mL
20.50f85.79a82.00b23.30e12.02g71.80c66.11d2000mL19.07e84.87a79.80b15.87f12.43g71.23c58.74d
填料不同级配对TP的去除
人工湿地去除磷主要是通过湿地植物的吸收和填料的吸附而实现。本试验没有植物参与，只通过填料吸附途径对TP进行去除。填料对磷的吸附包括物理吸附和化学吸附为主，物理吸附时间短，吸附量小，
Fe、Ca等易饱和；化学吸附通过填料中金属元素Al、
与磷素形成沉淀或络合物而实现，吸附较稳定。试验前期，填料对磷的吸附以表面物理吸附为主，随着物理
Fe、吸附逐渐饱和，化学吸附通过填料中金属元素Al、
Ca等与磷素形成沉淀或络合物来实现，吸附较稳定。
试验前期，填料对磷的吸附以表面物理吸附为主，到试验后期，化学吸附成为TP去除首要因素。如表5，对TP去除率自高至低依次为SFVA113>SFVA112>SFVA131>SFVA121>SFVA111>SFVA211>SFVA311，处理间差异显著，且下降幅度存在差异。淋洗初期SFVA113、SFVA112去除率较高，分别达
表5
处理代号SFVA111SFVA211SFVA311SFVA112SFVA113SFVA121SFVA131
2.4
85.97%、84.43%，SFVA131、SFVA121次之，SFVA211、SFVA311较SFVA111低，分别为52.5%、51.73%。各处理差异显著，说明污水中TP去除与填料种类，配比有一定关系。含有空心砖较多的SFVA113、SFVA112去除效果优于其他处理，原因可能是空心砖中含有较高比例的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO，其中Fe、Ca、Al的水合物在填料表面与污水中磷酸根离
）与空心砖中子结合，或是阴离子（如废水中的PO43-次生的硅酸铝、硅酸钙和硅酸铁之间形成离子交换
或离子对的吸附，而且空心砖的制备材料中有高岭土、页岩等，已有研究显示这些基质对TP有良好的去
SFVA113去除率仍优于其除作用[18]。经10次淋洗后，
他处理，除与SFVA112无差异性外，与其他处理均
这可能是因为随着淋洗水量的增加，不差异极显著。
同填料对TP的交换能力不同，对TP交换能力慢慢趋于饱和的缘故。
不同处理对TP去除率动态变化
填料体积397.4cm31400mL1600mL45.17b40.50f49.50b48.53e49.50b48.53e73.17a72.57b74.90a74.07a46.47b42.40e47.10b50.93c
Table5DynamicremovalratesofTPinthecolumnswithdifferenttreatments
200mL
55.30d52.50e51.73f84.43b85.97b55.87d58.60c400mL53.77d52.33e51.47e84.23b85.50a54.53d56.93c
淋洗污水在以下淋洗体积时的去除率(%)600mL800mL1000mL1200mL53.40e52.97e52.33de44.97b51.83f51.13f50.77e50.13b51.23f50.90f50.77e50.13b83.93b83.47b83.33b74.00ab85.60a85.03a85.13a75.10a54.63d53.83d53.70cd51.57b56.93c55.23c54.37c54.20b
1800mL
34.93e48.40c48.40c72.13b74.07a37.23d48.10c2000mL34.47c47.60b48.10b68.73a71.00a29.47d47.37b
填料不同级配对NO3--N的去除可溶性氮，特别是硝态氮，在介质中较难被吸附，能随地下水流迁移。本试验污水中NO3--N去除主要是填料中的反硝化作用。
对NO3--N去除率处理间差异显著，同种处理对NO3--N的去除率也随淋洗水量的增加存在差异（表
2.5
6）。对NO3--N去除率自高至低依次为SFVA113>SFVA112>SFVA131>SFVA121>SFVA111>SFVA211>SFVA311，所有处理均呈现下降趋势，下降幅度有所
淋洗初期SFVA113、SFVA112去除率较高，分别为差异。26.43%、26.17%，SFVA131、SFVA121次之，SFVA211、SFVA311较SFVA111低，分别为24.47%、24.43%。随
淋洗污水量增加，各处理均出现不同程度下降。但经10次淋洗后，除SFVA311与其他处理差异显著外，其
表6
处理代号SFVA111SFVA211SFVA311SFVA112SFVA113SFVA121SFVA131
第32
卷
余处理均无差异性。说明试验所选填料种类以及级配对NO3--N去除影响较小，去除效率不佳。
不同处理对NO3--N去除率动态变化
填料体积397.4cm3
1400mL1600mL24.53a24.17de24.03a23.97ef28.87a23.80f25.07a24.97ab25.30a25.23a24.57a24.47cd24.90a24.73bc
Table6DynamicremovalratesofNO3--Ninthecolumnswithdifferenttreatments
200mL
25.30c24.47d24.43d26.17b26.43a25.40c25.50c400mL25.17e24.27f24.27f26.03b26.23a25.37d25.77c
淋洗污水在以下淋洗体积时的去除率(%)600mL800mL1000mL1200mL25.13c25.13c25.03c24.77d24.30d24.13d24.30d24.27e24.23d24.17d24.10d24.07f26.07a25.60b25.60b25.33a25.97a25.97a25.83a25.37a25.30c25.17c25.13c24.93c25.63b25.63b25.30bc25.13b
1800mL
23.80ab23.80ab20.00b25.10ab25.47ab24.47ab24.73ab2000mL23.27a19.27ab18.40c25.10ab25.23ab24.93ab24.77ab
3结论
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在相同进水、水质、水力负荷的试验条件下，粉煤
TN、NH4+-N有较好的去除灰对生活污水中的COD、
率，空心砖对污水中的TP有较好的去除率，粉煤灰、煤渣以及空心砖对NO3--N均没有较好的去除效果。粉煤灰、煤渣、空心砖以体积比3：1：1混合时，
+
COD、TN、NH4-N去除效果最好，去除率最高分别达到47.83%、81.93%、93.53%；粉煤灰、煤渣、空心砖以
TP去除率较高，可达到体积比1：1：3混合时，
85.97%。空心砖物理性质虽优越，但去污能力有限，不能满足人工湿地长期运行净化污水的要求，考虑到湿地填料物理特性及长期稳定运行的需要，建议选用粉煤灰、煤渣、空心砖以体积比3：1：1混合填料作为人工湿地填料，既避免了单一填料长期使用可能导致堵塞，从而造成污水短路或填料区出现死水区的现象，也使得污水中的各种污染物得到较好的去除效果。将以上填料配比使用是一种双赢的填料选择方案。
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