不同填料的人工湿地生物膜特性与处理效果研究

不同填料的人工湿地生物膜特性与处理效果研究1
高磊 1，丁建彤 2，操家顺 1
1.河海大学环境科学与工程学院，南京（210098） 2.南京水利科学研究院，水利部水工新材料工程技术研究中心，南京（210029）
E-mail：ggaolei@
摘 要：在人工湿地中，使用 4 种陶粒和 1 种普通石灰石碎石为填料，对城市生活污水进行 处理，研究了陶粒品种对处理效果的影响，以及填料上生物膜量及生物膜活性。结果表明， 陶粒的内比表面积和连通孔隙率越大，生物膜量越高，对城市生活污水的净化效果越好；具 有多孔结构的陶粒的生物膜量、生物膜活性均高于石灰石碎石；内比表面积和连通孔隙率都 最大的 800 级粘土陶粒的生物膜量、生物膜活性均优于其它填料。 关键词：陶粒；人工湿地；填料；生物膜量；生物膜活性 中图分类号：X703.1
40.0
20.0
0.0
1
2
3
4
5
6
7
取样序号
图 6 不同填料对 TN 的去除率
去除率％
100.0 80.0 60.0
800级粘土陶粒
800级页岩陶粒 400级粘土陶粒
200级粘土陶粒 石灰石
40.0
20.0
0.0
1
2
3
4
5
6
7
取样序号
图 5 不同填料对 TP 的去除率
去除率％
100.0
80.0
60.0
3.3 不同填料生物膜活性比较
生物膜量只能反映附着生长微生物的多寡，而不能反映其活性。生物膜活性是影响系统 处理效率的关键因素，本试验用耗氧速率比较不同填料上生物膜的活性。不同填料的溶解氧 浓度随时间的变化情况见图 3，不同填料的耗氧速率值见表 4。
溶解氧浓度(mg/L)
8
7
6
5
4
3
800级粘土陶粒
TP
TN
76
57.4
56.8
79
37.1
42.8
77
38.2
45.3
74
62.4
41.6
70
25.1
30.9
NH3-N 71.5 46.5 47.2 45.0 33.8
五种填料对 COD 的平均去除率在 70％～79％之间，彼此之间的区别不大。生物膜量及 生物膜活性最高的 800 级粘土陶粒对 COD 的平均去除率最高，而石灰石碎石生物膜活性最 低，对 COD 的平均去除率也是最低的。
-4-

填料 耗氧速率
表4 800 级 粘土陶粒
不同填料的耗氧速率值(mgO2/(L·h))
200 级
800 级
粘土陶粒
页岩陶粒
2.06
1.70
1.12
400 级 粘土陶粒
0.74
石灰石 碎石 0.33
3.4 不同填料对污染物净化效果
测定了不同填料对试验容器内污水的净化效果，分析对 COD、TP、TN、NH3-N 的去 除情况，去除率分别见图 4～图 7，平均去除率见表 5。
大多数情况下，污水中磷的去除途径主要是基质的沉淀和吸附作用。基质不仅对磷具有 吸附作用，而且含钙和铁的基质可通过 Ca、Fe 与 PO43-反应而沉淀。Zhu 等[10]研究了 12 种
-5-

填料（其中 10 种为陶粒）中的钙、铁、铝含量和磷吸附量的关系，发现钙含量与磷吸附量 的相关性最强，同时发现磷的吸附量与填料中总金属含量有很好的相关性，相关系数达 R2 ＝0.93。本试验所选用的 5 种填料中，200 级粘土陶粒的钙含量最大，总金属含量也是最大 的，其总磷去除率最高，这与 Zhu 等人的研究结论一致。400 级粘土陶粒初期对磷的去除率 不高，而后迅速增大，这可能与填料对磷的吸附速率有关。
2. 材料与方法
2.1 试验材料
为考察不同品种填料及填料的物理化学性质对生物膜特性及污水处理效果的影响，试验 选用 4 种陶粒，分别为 800 级页岩陶粒、800 级粘土陶粒、400 级粘土陶粒、200 级粘土陶 粒，以及一种普通石灰石碎石为人工湿地的填料。各种填料的照片见图 1。其中 800 级页岩 陶粒是采用大块页岩石块在 1150～1250℃的回转窑中煅烧后，经破碎而成的，表面约有 1/4 是约 0.5mm 厚的致密薄壳，其余表面是破碎后暴露出来的孔隙，多数是封闭的；800 级和 400 级粘土陶粒的生产工艺相同，都是采用粘土湿法造粒后，在 1100～1250℃的回转窑中烧 胀而成，表面有一层约 0.2～0.5mm 的薄壳，比内部相对致密；200 级粘土陶粒是采用粘土 湿法造粒后在 1050～1150℃的回转窑中烧胀后经破碎、筛分而成，表面除局部有薄壳外， 大部分与内部一样含开放性孔隙。
Fe2O3 7.52
Al2O3 K2O 17.59 3.06
2.34 1.94
9.62
19.82 1.9
1.26 1.54 6.07
15.7 1.68
6.19 1.97 10.22 19.64 1.94
Na2O 0.88 0.18 0.8 0.16
烧失量 0.25 0.34 0.002 2.19
其它 2.64 2.72 2.548 4.58
2
400级粘土陶粒 800级页岩陶粒
1
200级粘土陶粒
石灰石碎石
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
时间(h)
图 3 不同填料的溶解氧浓度随时间的变化
800 级粘土陶粒的溶解氧浓度随时间的变化最快，最慢的是石灰石碎石，200 级粘土陶 粒、800 级页岩陶粒、400 级粘土陶粒依次介于两者之间。氧气的减少是活性微生物作用的 结果，800 级粘土陶粒耗氧速率最快，反映了其生物膜中的活性微生物多，因而其生物膜的 活性最高。800 级粘土陶粒生物膜量最大、生物膜的活性也是最高的，因而比其它填料更适 宜用于人工湿地。
用压汞法测定[9]。压汞法依据的理论原理是基于圆柱型孔隙模型的 Washburn 方程，该方程
基于 2 个基本假定：（1）孔隙是圆柱形的，（2）所有的孔隙都向外延伸至试样的外表面。
800 级粘土陶粒的内比表面积最大，可为微生物的附着、生长提供更多的场所，更有利于污
染物质的去除。
表 2 填料物理特性
表观密度 kg/m3
去除率％
100.0
80.0
60.0
40.0
800级粘土陶粒 800级页岩陶粒
20.0
400级粘土陶粒 200级粘土陶粒
石灰石
0.0
1
2
3
4
5
67取样序号 Nhomakorabea图 4 不同填料对 COD 的去除率
去除率％
100.0 80.0 60.0
800级粘土陶粒 800级页岩陶粒 400级粘土陶粒 200级粘土陶粒 石灰石
780
32.7
14.0
灰黑色，粒径 5～10mm
石灰石碎石
2700
1.2
－
粒径一般 20～30mm
800 级页岩陶粒 800 级粘土陶粒 400 级粘土陶粒 200 级粘土陶粒
SiO2 63.58 61.14 70.40 53.11
表 3 填料的元素组成（以氧化物计％）
CaO MgO 2.08 2.4
随着时间的延长，生物膜量逐渐增加，最终趋于稳定。不同填料附着生长的生物膜量存 在差异，800 级粘土陶粒附着生长的生物膜量最大，为 0.0485g/cm3；石灰石碎石生长的生 物膜量最小，为 0.0035g/ cm3；200 级粘土陶粒、800 级页岩陶粒和 400 级粘土陶粒上生长 的生物膜量介于 800 级粘土陶粒和石灰石碎石之间，分别为 0.0135 g/ cm3、0.0102 g/ cm3、 0.0082g/ cm3。本试验用 800 级粘土陶粒生物膜量远高于其它填料，且陶粒的平均粒径较大， 有利于湿地的透水性；而且其具有良好的多孔结构，内比表面积最大，利于微生物的附着生 长，因而其生物膜附着量最大。
由图 4～图 7 及表 5 可知， 800 级粘土陶粒对 COD、TN、NH3-N 的去除率最高；200 级粘土陶粒对 TP 的去除率最高；粘土陶粒对 COD、TP 的去除效果优于页岩陶粒，对 N 的 去除率除 800 级粘土陶粒高于页岩陶粒外，400 级和 200 级粘土陶粒与页岩陶粒基本相当； 陶粒对污染物质的去除率均高于石灰石碎石。综合去除效果最好的是 800 级粘土陶粒。
-2-

达到饱和溶解氧，再加入 10.0g 填料，持续磁力搅拌，每隔 30 min 记录溶解氧浓度的变化， 作溶解氧浓度随时间的变化曲线，其斜率即为填料的耗氧速率。
3. 结果与讨论
3.1 填料的性能分析
对填料的物理、化学特性进行了测试，结果见表 2、表 3。表 2 中填料的内比表面积采
1. 前言
人工湿地中有机物的吸附、降解和转化主要由生物膜完成，生物膜的特性直接影响湿地 系统的处理效率[1]。填料为微生物的附着、生长提供了载体，较好的生物学特性是填料作为 微生物载体所应具备的主要性能[2]。陶粒作为填料广泛地应用于其它污水处理系统，并取得 了满意的处理效果[3,4]，但是将陶粒用于人工湿地的还比较少。陶粒内部多孔、有较大比表 面积，可提供较大的生物栖息空间，有利于增强系统对污染物的去除能力。因此，本文研究 不同种多孔陶粒对附着微生物特性的影响，以及对污水的处理效果，并与普通石灰石碎石比 较，为陶粒推广应用于人工湿地系统提供依据。
40.0
800级粘土陶粒
20.0 0.0
800级页岩陶粒 400级粘土陶粒 200级粘土陶粒 石灰石
1
2
3
4
5
6
7
取样序号
图 7 不同填料对 NH3-N 的去除率
800 级页岩陶粒 800 级粘土陶粒 400 级粘土陶粒 200 级粘土陶粒