粉煤灰-矿渣基质人工湿地净化畜禽养殖废水效果的研究

粉煤灰－矿渣基质人工湿地净化畜禽养殖废水效果

的研究

许艳广，王丽华，郑连臣

辽宁工程技术大学资源与环境工程学院，辽宁阜新（123000）

Email：xumai514@

摘要：利用粉煤灰－矿渣基质与水生植物复合构成一种新型人工湿地系统，实验研究了其对养殖废水的净化功能，并与传统基质人工湿地进行了对比。结果表明:系统对COD, SS, NH4-N, T-P均具有良好的去除效果，且优于传统基质人工湿地系统。该系统的建立提供了一种低成本、多效益的废水良性生态处理系统，并为处理N、P含量高的废水开辟了一条新途径。

关键词：粉煤灰－矿渣基质；人工湿地；污水处理

中图分类号：X703 文献标识码：B

1. 引言

人工湿地是指依据土地处理系统及水生植物处理污水的原理，由人工建立的具有湿地性质的污水处理生态系统。它是本世纪70年代提出，在80年代得到迅速发展的一种污水处理新技术。人工湿地能有效地去除悬浮物和有机物.但是，考虑到营养物质的累积，人工湿地的运行并不很好，因为只有30%的N和P被去除[1]，而且通常在几年内基质吸P能力就会饱和，并开始释放过剩的P[2]。因此推广和应用新的基质具有节省能源，减少投资及运行费用，保护生态环境，治理污水污染的现时意义。

传统的湿地基质采用土壤、砂、砾石等，完全利用粉煤灰－矿渣构造湿地系统尚未见

报导。本文依据环境系统工程的原理，将粉煤灰－矿渣与水生植物复合构成煤渣－矿渣基

质人工湿地生态系统，并进行了模拟实验研究，试图实现以废治废，探索一种适合我国国情的低成本、多效益的污水处理新技术，并为粉煤灰、矿渣的大量应用开辟新途径。

2. 粉煤灰－矿渣基质湿地模拟系统的建立

2.1水生植物的选择

水生植物是人工湿地的的主要组成部分和主要特征，它为降解有机物、去除N, P的微生物提供栖息场所，并改善氧化还原条件。国内外目前最常用的是芦苇。

从图1可以看出，芦苇在不同生长发育阶段对氮和磷的吸收量是不同的，氮磷吸收量5-8月逐月升高，并在8月份吸收量达到最高值，然后随着植物的衰老呈下降趋势，在11月芦苇枯萎期植物体内的氮磷达到一个较低的值，这是由于植物地上部的氮磷元素发生了迁移，有可能会转移到根部贮存，或释放到环境中供其它生物吸收利用。另外，植物吸收氮的量普遍高于吸磷量。这与辽滨地区芦苇吸收氮磷的研究结论是一致的[3]。

2.2实验装置

采用4个PVC管作容器，分别编号1#, 2#, 3#, 4#,其中1#, 2#为煤灰－钢渣床，内填充某电厂贮灰场原状粉煤灰和某集团矿渣，依次装填粉煤灰与土壤的混合物，矿渣层，大砾石。底部以尼龙网支撑，上部种植芦苇。3#,4#为传统床，内填细沙和土壤混合物，中砾石，大砾石。底部以尼龙网支撑。

图1 不同月份芦苇吸收氮、磷总量

Fig.1 Total amount of nitrogen and phosphorous absorbed by reep in different months

2.3养殖废水来源

取自阜新市清河门养殖区，监测的平均水质如表1所示。

表1 养猪场污水的污染物浓度

Table1-1 The contamination concentration of piggery wastewater

养殖 CODcr NH3-N TN TP PH

种类 (mg/L) (mg/L) (mg/L) (mg/L)

猪3×103 234～248 317～423 34.7～52.4 6.3～7.5

3. 实验内容和方法

自2007年4月开始进行了3个月的实验，按每天5m3/d的流量分别向粉煤灰－矿渣床和传统床系统提供污水，使系统进行连续运行处理，每周对其净化污水的各项指标进行一次综合监测，测定指标包括COD, NH4+-N, T-P。测定方法均为标准方法[4,11]。

4. 实验结果及讨论

4.1实验结果

实验于2007年4-6月进行，主要污染物的总去除效果列于表2。实验结果表明，该系统的出水水质相当于常规二级处理出水水质，并具有较好的脱N除P效果。图1为COD, NH4+-N, T-P的去除规律。

表2 模拟系统总去除效果

Table3-1 The total eliminate effect of simulation system

项目 进水浓度 出水浓度(mg/L)去除率(%)

(mg/L)煤灰－钢渣床 传统床 煤灰－钢渣床 传统床

COD2910.6256.13 555.92 91.2 80.9

NH4-N243 36.94 210.92 84.8 13.2

TP 47.5 4.37 32.5490.8 31.5

图2 模拟系统中进出水COD、NH4-N、TP的浓度

Fig.2 Concentration of COD、NH4-N and TP of input and output waterin the simulation system

4.2讨论

4.2.1有机物的去除

从图中可看出，粉煤灰－矿渣床对COD的去除效果好于传统床，出水COD分别为256.13 mg/L和555.92mg/L,平均去除率分别为91.2%和80.9%。主要原因是芦苇能通过茎杆和根状茎向根区输氧，从而使根区附近变为好氧环境，有利于废水中有机物的好氧分解，提高了COD 去除率[5,6,7]。基质中，矿查层的比表面积较大，利于生物附着，形成生物膜的面积大，降解强度高。此外，土壤的吸附也起到很大的作用。

4.2.2 NH4+-N的去除

粉煤灰－矿渣床和传统床NH4+-N的平均去除率分别为84.8%和13.2%，传统床去除效果明显差于粉煤灰－矿渣床，粉煤灰－矿渣床去除效果好的主要原因是通过废固体物的沉积作用和填料的吸附作用而去除的，去除率是进水氮量的57. 6%。；其次是反硝化作用，约占40. 9%

[6]。粉煤灰和钢渣的存在增加了表层的孔隙率，使输氧量增多，产生大量的NO

3－、NO

2

－，为

反硝化作用提供充足的反应底物。另外基质的碱性环境条件有利于反硝化细菌的生存；其中芦苇对氮的吸收也对氮的去除起到了一定的作用。芦苇为空心微管束植物，恰似无数精妙而廉价的微气泡曝气器，而且，在靠近根区处形成好氧环境，远离处形成缺氧、厌氧环境，使床体中呈现连续的好、缺、厌氧交替状态，这相当于许多个串联或并联的A/A/O法处理单元，使硝化、反硝化连续进行，因此极有利于N的去除[5,8,9].

4.2.3 T-P的去除

T-P的平均去除率分别为90.8%和31.5%，很明显粉煤灰－矿渣床的去除效果好。在湿地系统中，粉煤灰和矿渣基质对P的吸附是一个很重要的去除机制[10]，废水中磷的去除与基质中CaO的含量有关，粉煤灰和矿渣基质，由于其是原煤燃烧和炼钢过程的产物，在高温条件下，其本身所含的钙素和填料中所含的钙素，极易在高温条件下形成氧化钙（粉煤灰和矿渣的氧化钙含量分别为6.55%和42.35%），并导致基质PH值的升高，这种条件下氧化钙极易和磷素形成矿磷酸钙盐沉淀，钙和氧化钙的含量是煤灰和矿渣吸附磷素的主要原因。此外芦苇对P的吸收及贮存，以及芦苇对根区周围氧化还原气氛的改善促进了P的去除[12,13,14,15]。

5. 结论

(1)实验验证了粉煤灰－矿渣作人工湿地基质的可行性。用煤灰－矿渣构建的湿地系统对