人工湿地基质及其去污机理_朱铁群

文章编号:1007-4929(2008)10-0037-04人工湿地基质及其去污机理朱铁群1,解蒙1,袁航2(1.华北水利水电学院,河南郑州450011;2.西安建筑科技大学,陕西西安710055)摘要:根据人工湿地基质的来源将其分为天然基质、工业副产品基质和人造基质。对常见的人工湿地基质如沸石、页岩、粉煤灰的去污能力进行了比较,并对基质去除悬浮固体物、有机物、氮、磷、重金属、硫的机理进行了阐述。最后提出了人工湿地基质选择的建议。关键词:人工湿地;基质分类;基质比较;去污机理;基质选择中图分类号:X703文献标识码:A收稿日期:2008-04-03作者简介:朱铁群(1957-),男,副教授,主要从事微生物与水污染防治的教学与研究。0引言湿地是地球上水陆作用形成的独特生态系统,是重要的生存环境和最富生物多样性的自然生态景观之一[1]。国际湿地公约把湿地定义为“不问其天然或人工、长期或间歇性沼泽地、湿原、泥炭地或水域地带、带有或静止或流动或为淡水、半咸水或咸水提供者,包括低潮时不超过6m的水域”[2]。人工湿地是一种人工建造和监督控制的与沼泽类似的地面,最早出现于20世纪70年代的德国[3],它由基质、水生植物及微生物3部分构成。污水的净化主要靠这3部分共同作用完成,包括物理作用(主要是吸附、截留和沉降作用)、化学作用(基质中某些成分与污水中的离子发生离子交换,络合反应等)、生物作用(基质表面附着的微生物去除氮素的硝化、反硝化作用)。基质(又叫填料、滤料),一般由土壤、细砂、粗砂、沸石等介质的一种或几种构成[4]。基质是人工湿地大部分物理化学和生物反应的所在地。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[5];基质也为污水在其中的渗流提供良好的水力条件[6]。1基质的分类基质可分为如下3类[7,8]:天然材料、工业副产品、人造产品。天然材料主要有沸石、页岩、石灰石、黄褐土、贝壳砂等;工业副产品主要有粉煤灰、煤渣、高炉矿渣、电弧炉钢渣等;人造产品主要是指活性炭、轻质膨胀性集料黏土(LECA),及轻质聚合体(LWA)等。2常见基质去污能力的比较2.1天然材料沸石、页岩、石灰石、黄褐土等矿物和岩石、土壤类等是较为常见的人工湿地基质。沸石(Zeolite)是火山岩形成的一种架状含水铝硅酸盐矿物,是多种沸石族矿物的总称[9]。主要化学成分为SiO2,AL2O3,CaO,MgO,K2O,Na2O,Fe2O3[9,10]等。研究发现,沸石去除COD的平均率最高[11];沸石通透性强,并且吸附氮素的能力要强[6,11];对磷的吸附要依据沸石类型的不同而异[12],原因如上除磷机理所述,一般认为与其Ca、Fe、Al等金属元素的含量有很大关系。页岩(Shale)物理组分较复杂,具薄片状层理,主要化学成分为SiO2、AL2O3、Fe2O3、MgO等[13,14]。付国楷[15]等人研究发现,页岩/钢渣强化潜流人工湿地对有机物的去除率比较稳定,当进水COD平均浓度为33.9mg/L时,平均去除率约为61%。王媛媛,张衍林[16]等人认为:页岩对污水中P的吸附量高达666.67mg/L,通过其特性如空积率,表面积,离子交换能力,磷的吸附能力以及经济、使用寿命等方面综合比较,页岩最适合做人工湿地基质。汤显强、李金中[5]等人在单一填料及其他条件相同的前提下,通过对页岩、麦饭石,粗砾石,铁矿石的比较,认为页岩对有机物、氮磷的去除力均强于其他,是理想的人工湿地填料。但是页岩强度较低,透水性能不强,容易造成堵塞等问题,因此宜选用与其他基质组合使用。石灰石(Limestone)是水成岩中分布最广的一种岩石,主要化学成份为CaCO3及SiO2、MgO等[17]。尹炜[18]等人试验37节水灌溉·2008年第10期得出结论:认为与硅灰石相比,石灰石的吸附速率较低,但吸附容量较大,作为人工湿地基质的石灰石要优于硅灰石。宋铁红、林英姿[19]等人认为:人工湿地以石灰石为填料,既可以缓冲水体的pH值,又可以适量提高对污水中磷的去除率。但也有学者认为[11],石灰石对NH4-N的去除效果不稳定,在59.2%～94.3%之间,对TN去除率在60.9%;单独采用石灰石做填料,不太适合微生物生长,因此COD去除率较低。黄褐土的主要组分一般为水云母,高岭石和蛭石等,化学成分包含SiO2、AL2O3、Fe2O3等。袁东海等人研究发现[12],黄褐土比矿渣、粉煤灰和蛭石净化磷素的能力弱,但比下蜀黄土、沸石和砂子的净化能力强,可作为组合物掺加进去。并且他们[20]还认为:因为黄褐土对磷素吸附量大,若进水中磷含量不高,则其不容易饱和,从而避免基质失效及二次污染等问题的发生。2.2工业副产品粉煤灰、煤渣、发电厂的飞灰等工业副产品是较为常见的人