1、人工濕地&小微濕地基礎(chǔ)知識培訓七）人工濕地填料的作用、種類及配置TOC o 1-5 h z引言1人工濕地中填料的作用1 HYPERLINK l bookmark12 1.1填料脫氮機制與影響因素2 HYPERLINK l bookmark14 1.2填料脫磷機制與影響因素2人工濕地填料的種類3 HYPERLINK l bookmark16 2.1火山巖5 HYPERLINK l bookmark18 2.2陶粒5 HYPERLINK l bookmark6 2.3鋼渣、爐灰渣6 HYPERLINK l bookmark20 2.4碎石7 HYPERLINK l bookmark22 2.5粉煤

2、灰8 HYPERLINK l bookmark24 2.6沸石8 HYPERLINK l bookmark26 2.7蛭石9 HYPERLINK l bookmark28 2.8礫石10人工濕地填料的選擇與配置103.1填料的選擇11 HYPERLINK l bookmark30 3.2填料的組合配制11人工濕地&小微濕地基礎(chǔ)知識培訓南京樸厚生態(tài)科技有限公司生態(tài)技術(shù)部 人工濕地填料人工濕地的基本組成由水生植物、填料、微生物和水體等部分構(gòu)成，其中，填料是人工濕地的重要要組成部分。填料做微生物附著的基面以及水生植物的載體，在人工濕地水質(zhì)凈化過程中發(fā)揮著非常重要的作用。由于不同填料的理化性質(zhì)不同,其

3、對不同污染的去除效果差異較大。因此,選擇適當?shù)奶盍鲜潜ＷC人工濕地具有良好水質(zhì)凈化能力的關(guān)鍵.選擇填料時,不同填料對污染物的去除能力是主要考慮因素,同時還應考慮填料的易得性以及成本等。人工濕地中填料的作用填料是人工濕地的基質(zhì)與載體，它支撐著人工濕地動植物與微生物的生命過程，填料對污染物的成功截留為后續(xù)植物吸收創(chuàng)造良好條件，是出水水質(zhì)的重要保證。人工濕地填料對污染物的去除過程包括物理過濾、離子交換、專性與非專性吸附、鰲合作用于沉降反應等。已有研究表明，污水中磷和重金屬物最終吸附或沉降在填料土體內(nèi)，從而使填料土體內(nèi)這些元素的含量急劇升高，幾年之后即可高達污水濃度的10-10000倍以上。02N0 x

4、-N9Ip*3T1澀地基質(zhì)填料-表面生物膜,、*汗S知圖1-1濕地基質(zhì)及微生物水質(zhì)凈化上的作用1微生物=胞外產(chǎn)物+1.1填料脫氮機制與影響因素人工濕地中存在多種脫氮機制，其中通過微生物代謝的硝化反硝化是主要途徑，填料的存在為微生物提供附著生長的重要場所，對污水的處理效果起到不可替代的作用。通常認為填料對氨氮的去除主要是通過填料的吸附、離子交換作用實現(xiàn)的，是快速可逆過程、而許多用于濕地的填料由于松散、比表面積大，有利于空氣中的氧氣進入，為附著于植物根系和填料表面的硝化細菌提供氧氣，進行硝化作用-同時，一些孔隙率大的填料由于含水率高，且濕地在運行時，填料往往處于飽水厭氧環(huán)境、利于反硝化作用脫氮。填

5、料的含水率、比表面積、不均勻系數(shù)、粒徑大小等各種理化性質(zhì)都可能影響污水的脫氮效率。其中氧化還原電位是影響脫氮的重要的影響因素之一，反映填料發(fā)生氧化還原反應能力大小，會通過影響植物或微生物生長代謝過程間接影響濕地的除氮效率。溶解氧條件對硝化細菌和反硝化細菌數(shù)量的影響較為顯著。劉慎坦研究了不同基質(zhì)潛流式人工濕地系統(tǒng)內(nèi)硝化細菌和反硝化細菌的空間分布，結(jié)果表明，表層溶解氧含量高，硝化細菌密度大，低層溶解氧低，反硝化細菌密度大，這種硝化、反硝化細菌數(shù)量的不同分布特點有利于人工濕地中形成上、下分層的硝化與反硝化區(qū)，促進了氮的去除。除此之外、而填料的類型和填充方式也是影響人工濕地脫氮效率的重要因素。1.2填

6、料脫磷機制與影響因素當污水流經(jīng)人工濕地時，填料通過一系列物理和化學的途徑去除污水中的N、P營養(yǎng)元素。其中物理去除主要指填料對磷的吸附，過濾攔截而沉淀的過程-化學除磷指填料成分與磷發(fā)生化學反應，生產(chǎn)沉淀去除，被認為是濕地除磷的主要機理。影響填料除磷效果因素有很多。例如填料的類型、氧化還原電位、填料的pH、填料本身化學特性等，其中主要取決于填料pH和填料本身化學特性。國內(nèi)外研究均發(fā)現(xiàn)，填料中含有大量鈣、鐵、鋁離子對磷的去除能力較強，pH為中性的情況下，引起磷吸附沉淀的主要元素是鐵和鋁；當pH較高時，引起磷沉淀主要元素是鈣；劉湯勛用石英砂、石灰、水泥和鋁粉等材料自制填料，實驗研究發(fā)現(xiàn)自制填料在不管在

7、磷濃度較低與較高時，吸附率都很高，原因是自制填料金屬礦物成分含量高、比表面積大；Drizo等研究鈣、鐵、鎂、鋁和磷的吸附關(guān)系，最后總結(jié)出富含鈣、鐵鋁質(zhì)的填料去除污水中磷能力較強；而硅質(zhì)含量高的填料凈化能力較差；AritasCA等研究發(fā)現(xiàn)沙子除磷主要決定因素是鈣含量，尤其是在偏堿性污水中，但在酸性污水中，鐵、鋁含量對沉淀反應更為重要；Sakadevenk等也發(fā)現(xiàn)基質(zhì)中氧化鐵鋁含量與磷吸附量有顯著相關(guān)關(guān)系,除此之外填料除磷還受到污水的溫度、溶解氧、磷負荷、水力條件、填料組合等眾多因素的影響。由前文可知填料的各種理化都會對污染物的去除效果產(chǎn)生影響。本文對粒徑大小、比表面積、含水率、孔隙率、不均勻系數(shù)

8、等填料常見理化性質(zhì)對污染物去除效果的影響進行了歸納（見下表）。為濕地填料的選擇提供一定指導，當然，除了填料的理化性質(zhì)，填料的填充方式，填料的組合等眾多因素都會對濕地污染物去除產(chǎn)生影響。表1.1填料各理化性質(zhì)對污染物去除性能的影響理化行質(zhì)對污染物去除的影響粒徑大小粒徑大小影響污水流速與流態(tài)，粒徑過小，容易造成堵塞；粒徑過大會縮短水力停留時間，影響凈水效果。所以一般采用的填料粒徑規(guī)格在5-60mm范圍內(nèi)比表面積較大的表面積，有利于微生物的附著生長，能夠保持較多的生物量，通過微生物作用，將有利于污水的凈化。含水率含水率過低，不利于微生物的附著；相對較咼的含水率，會是填料處于飽水狀態(tài)，營造厭氧環(huán)境，有

9、利于填料脫氮過程的反硝化作用，但過高的含水可能會影響填料的結(jié)構(gòu)，減低其使用壽命。不均勻系數(shù)分層鋪設(shè)的填料，每層填料要求均勻，顆粒間差別小，不均勻系數(shù)太大會減小孔隙度、減少含污能力、影響進水滲透率、空氣流通、容易形成表面流或短流?？紫堵饰⑸镌谔盍仙系娜〖焉L環(huán)境為孔徑為l-3mm的微孔，較咼的孔隙率也有利于微生物的生長，以及生物代謝過程中氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的傳質(zhì)過程，使用空隙率較咼的填料能有效提咼濕地去污能力化學成分填料的化學成分穩(wěn)定性要良好，不能對水質(zhì)造成二次污染，填料中鈣、鎂、鋁等成分能與磷發(fā)生反應生成沉淀，提高去除效果。人工濕地填料的種類人工濕地填料主要分為天然材料、工業(yè)副產(chǎn)品和人造產(chǎn)品三大

10、類。傳統(tǒng)天然材料有土壤、泥炭、粗砂、礫石，后經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)沸石、蛭石、石灰石作為填料用于人工濕地的處理污水能力要遠遠好于傳統(tǒng)天然填料；工業(yè)副產(chǎn)品主要有灰渣、高爐渣、粉煤灰、鋼渣、細磚屑等；造產(chǎn)品主要包括陶粒、陶瓷濾料、塑料等；隨著研究的不斷深入，各種新型填料不斷應用于人工濕地，每種填料性能各有差異，應結(jié)合其特點充分發(fā)揮填料作用，本章節(jié)對幾種濕地中常用填料的性能研究進展進行介紹。下表為人工濕地相關(guān)標準中推薦的采用的填料類型及要求。表2.1各個標準中推薦的填料種類及要求規(guī)范名稱建議種類要求環(huán)保部規(guī)范初始空隙率在30-40%住建部石灰石、火山巖、沸石、頁巖、陶粒、爐渣、無煙煤等材料，宜就近取材較強的機械

11、強度，較大孔隙率、比表面積、粗糙度，良好的生物和化學穩(wěn)定性北京規(guī)范初始空隙率在30-40%天津規(guī)程石灰石、沸石、頁巖、陶粒、礦渣、爐渣等，亦可加工篩選廢磚瓦和混凝土塊較強的機械強度，較大孔隙率、比表面積、粗糙度，良好的生物和化學穩(wěn)定性；初始空隙率在35-40%；上海規(guī)程礫石、沸石、鋼渣、石灰石、咼爐礦渣、碎石、粗砂、石英砂表面積大、機械強度咼、穩(wěn)定性好、取材方便、價格低廉的填料。江蘇規(guī)程石灰石、礦渣、蛭石、沸石、砂石、咼爐渣、頁巖等，碎磚瓦、混凝土塊經(jīng)過加工、篩選后也可作為填料使用。填料安裝后濕地孔隙率不宜低于0.3。浙江規(guī)范天然材料如碎石、礫石、粗砂、火山巖、沸石和人工材料如礦渣、爐渣、陶粒

12、等；加工和篩選的碎磚瓦、混凝土塊等材料較強的機械強度，較大孔隙率、比表面積、粗糙度，良好的生物和化學穩(wěn)定性；山東指南礫石、碎石、石英砂、石灰石、火山巖、沸石、礦渣、爐渣、陶粒、塑料等天然材料和人工材料具有一定機械強度、比表面積較大、穩(wěn)定性良好、并具有合適的孔隙率及表面粗糙度的填充物云南規(guī)范石灰石、礫石、沸石、卵石、陶粒選用多孔、表面積較大、Ca/Fe含量高寧夏規(guī)范礫石、粗砂達到DB64/T700-2011中規(guī)定的一級排放標準的人工濕地基質(zhì)中鈣、鐵、鋁、鎂含量均不能低于20%，保證較高氮、磷去除率；潛流型人工濕地基質(zhì)的孔隙率宜控制在35%40%青海規(guī)范河沙、石英砂、礫石、卵石、石灰石、沸石、蛭石

13、、頁巖、花崗巖、具有一定的機械強度、空隙率、表面粗糙度、盡可能大的表面積，以及良好的規(guī)范名稱建議種類要求陶粒、礦渣、無煙煤、草炭等，宜采用沙石搭配生物、化學及熱力學穩(wěn)定性注：填料應預先清洗干凈，按照設(shè)計確定的級配要求充填。2.1火山巖火山巖為形狀不規(guī)則的顆粒，顏色為紅黑褐色，表面粗糙多微孔，平均孔隙率在40%左右，具有比表面積大，生物化學穩(wěn)定性好的特點，適合微生物在其表面生長和繁殖，能夠保持較多的微生物量。一般人工濕地填料選取的火山巖粒徑范圍為5-50mm。圖2-1火山巖填料2.2陶粒陶粒多由黏土或頁巖成型經(jīng)高溫處理所得，表面粗糙，內(nèi)部多孔，有較大的比表面積，有利于生物的附著生長，現(xiàn)已被廣泛用

14、于水處理填料；丁建彤研究了四種陶粒組合復合垂直流人工濕地在不同季節(jié)處理生活污水的運行效果，結(jié)果表明陶粒組合人工濕地對COD、TP、NH3-N均有很好的去除效果；隨著不斷的研究和改進，于制陶粒的原材料范圍不斷擴大，粉煤灰、底泥、污泥、高爐渣、垃圾等各種固體廢棄物用于燒制陶粒作為濕地填料，起到一個以廢治廢的作用；由于陶粒比表面積大，且富含鈣、鐵、鋁等元素；能與污水中的磷酸鹽形成不溶性沉底，有利于氮磷的去除；曹世瑋選擇高鈣粉煤灰陶粒作為人工濕地填料，表明高鈣粉煤灰陶粒有巨大比表面積和孔隙率，有較大的磷吸附容量，磷去除率可達90%，強化除磷的機制是陶粒內(nèi)部的鈣元素與水中的磷發(fā)生化學反應，造成磷在陶粒表

15、面的沉積。圖2-2陶粒填料2.3鋼渣、爐灰渣高爐鋼渣、爐灰渣等工業(yè)廢棄物含有豐富的鈣、鎂成分，對污水中磷有很好的吸附性，廣泛用于人工濕地填料；鄭好以鐵尾礦和鋼渣作為復合垂直流人工濕地填料，對生活污水的處理效果比較理想，TP、TN、COD的去除效率可分別達到95%、70%、95%；孫書明以鋼渣為主要填料構(gòu)建小型潛流濕地，結(jié)果表明，鋼渣濕地運行初期對硝氮型污水的處理能力高于氨氮型污水，鋼渣可作為一種強化反硝化基質(zhì)應用于NO3-N的去除，但以鋼渣作為濕地主要基質(zhì)使?jié)竦爻鏊畃H較高，不利于氮轉(zhuǎn)化細菌群落的快速建立，且容易造成出水SS偏高，可與其他種類的基質(zhì)組合后應用于濕地中；煤灰渣是去除污水中耗氧有機

16、污染物和總磷等指標的理想基質(zhì)，徐祖信模擬煤灰渣垂直潛流人工濕地研究除磷性能，表明煤灰渣對污水中磷素的吸附平衡時間較短，吸附速率較快，但需注意煤灰渣吸附磷后的再解析，以防二次污染。圖2-3礦渣填料2.4碎石碎石是由天然巖石、卵石或礦石經(jīng)機械破碎、篩分制成的，多棱角，表面粗糙，粒徑大于4.75mm的巖石顆粒。碎石是傳統(tǒng)的人工濕地填料，運行使用最為廣泛，通透性較好，價格相對低廉，分布很廣，便于就地取材。對TP的去除效果較好。圖2-4碎石填料2.5粉煤灰粉煤灰中含有的A12O3、CaO等活性組分，能與氟形成絡(luò)合物或產(chǎn)生對氟有絮凝作用的膠體離子。粉煤灰具有耐磨損、生物附著力強、掛膜能力良好、水流流態(tài)好等

17、優(yōu)點。粉煤灰對生活污水中的COD，TN，NH4+-N有較好的去除效果，對NO3-N去除效果一般。圖2-5粉煤灰填料2.6沸石沸石結(jié)構(gòu)由硅氧四面體組成，構(gòu)架中有一定孔徑的空腔和孔道，這也決定了其具有吸附和離子交換性能。可快速截留污水中的氨氮；沸石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的松散程度是影響沸石吸附容量的主要因素，孔徑大、結(jié)構(gòu)松散且分布均勻的沸石吸附量較高；研究表明由于沸石的結(jié)構(gòu)特點，對氨氮等陽離子有很好的去除效果，且吸附飽和后的吸附位點可以通過植物和微生物的協(xié)同作用得到再生，沸石對污水中氮有很好的去除能力，且沸石價廉、易得，這些都決定了沸石被廣泛用作濕地填料。圖2-6沸石填料2.7蛭石蛭石是一種自然界天然存在的多孔

18、性含水硅鋁酸鹽晶體礦物，蛭石晶體內(nèi)部有很多孔穴和通道，開口的通道彼此相連，使蛭石的比表面積很大，具有良好的吸附及離子交換性能；蛭石在高溫作用下，具有很好的膨脹性，膨脹后的蛭石具有較大的比表面積和孔隙率，研究表明其蛭石對氨氮具有選擇性吸附能力；聶發(fā)輝等研究表明，蛭石對氨氮的飽和吸附量高于沸石，蛭石的吸附效果受到溫度和pH的影響；蛭石主要是通過離子交換作用去除水中氨氮，物理吸附作用相對很小，陽離子交換位點不能被認為是去除氨氮的長期匯，其作用蛭石將水相中的氨離子吸附交換下來，截留在蛭石固相中。圖1-7麥飯石填料2.8礫石礫石指的是風化巖石經(jīng)水流長期搬運而成的無棱角的天然粒料。安粒徑大小,又可把礫石細

19、分為巨礫、粗礫和細礫三種：粗礫又叫卵石（64-256mm）、中礫（8-64mm）和細礫（2-8mm）三種。常用粒徑為2-60mm。圖2-8礫石填料人工濕地填料的選擇與配置目前對濕地填料的研究主要是分為兩個方向，其一是對不同填料的研究與改進，尤其是對一些固體廢棄物和新型材料的使用制作填料的研究；另一方面便是通過不同填料之間的組合配制，以提高濕地去污能力，降低濕地堵塞發(fā)生的研究。3.1填料的選擇人工濕地填料的選擇應該遵循材料的廉價易得經(jīng)濟性，處理效果高效，安全無毒等原則；在進行人工濕地的設(shè)計時，對于不同的類型的人工濕地，填料的選擇應首先篩選對主要污染物去除能力較強的當?shù)夭牧?這樣不僅能提高濕地的凈

20、化能力，盡量避免破環(huán)原有生態(tài)系統(tǒng)平衡，同時還能較少成本投入；填料種類多樣，不同的填料對污水中不同污染物的去除能力不同，如下表所示，對不同的污染物類型可選用不同的填料，提高濕地對不同污染物的去除能力。3.1針對不同污染物去除的填料選擇污染物類型主要去除機理可選用填料注意與改進SS、有機物填料的攔截，沉降作用，填料表面生物膜的吸附和降解泥炭、土壤、灰渣、陶粒通過一些填料的組合，可以在去除SS和有機物的同時達到去除其他污染物的作用重金屬填料的吸附、反應沉淀，填料表面微生物代謝，植物的吸收沸石、膨脹土、粉煤灰、陶粒重金屬一般無法最終去除，會以沉淀的形式留在填料基質(zhì)中，所以對于用于處理重金屬含量高的填料

21、要注意及時回收,防止因重金屬重新釋放造成的二次污染氮填料的吸附，填料表面附著微生物的硝化和反硝化作用沸石、蛭石、陶粒、粉煤灰等由于氮的去除主要依靠微生物作用，所以在填料選擇時應選擇孔隙率，比表面積大，吸附效果好的填料進行強化除氮磷物理過程（填料對磷的吸附、攔截沉淀過程）;化學反應（鈣、鐵、鋁離子與磷反應沉淀）填料表面微生物的新陳代謝。頁巖、陶粒、廢磚塊、高爐渣、鋼渣與其他填料的組合鋼渣、爐渣的使用會使水質(zhì)的pH偏咼、單獨使用存在環(huán)境風險，需和其他填料組合；運用吸附性能好的多種填料進行組合有利于強化除磷3.2填料的組合配制很多填料在單獨使用時對污染物去除能力是有限的，且往往可能只對某種特定的污染物有較好的去除效果，但對污水整體的凈化效果卻不盡人意，此時我們就需要考慮多種填料的組合使用