據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部調(diào)查顯示，我國(guó)約96% 的村莊沒(méi)有排水渠道和污水處理系統(tǒng)。未經(jīng)處理的農(nóng)村生活污水將各類污染物帶入河湖，導(dǎo)致河湖出現(xiàn)了諸多生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。有資料顯示，湖泊污染負(fù)荷的50% 以上來(lái)自于農(nóng)村非點(diǎn)源污染。人工濕地是一種模擬自然濕地功能來(lái)改善水質(zhì)的污水處理生態(tài)工程技術(shù)，具有投資省、能耗低、管理操作方便等優(yōu)勢(shì)，在小城鎮(zhèn)和農(nóng)村地區(qū)的污水處理中具有很好的適用性和應(yīng)用前景。普通垂直流人工濕地雖然能有效地處理生活污水，但也存在一些不足，如單位面積水力負(fù)荷和有機(jī)負(fù)荷較低、抗沖擊能力弱。

　　微電解法利用新型鐵碳填料引起的電化學(xué)反應(yīng)達(dá)到提高水中污染物去除率的效果，在工業(yè)廢水處理中已有較多應(yīng)用，具有抗負(fù)荷能力強(qiáng)、投資省、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。楊曉明[5]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鐵碳質(zhì)量比為1∶1、焙燒溫度1000 ℃、焙燒時(shí)間2h、廢水pH3～4、反應(yīng)時(shí)間2h 時(shí)，鐵碳微電解法處理酸性品紅的效果很好，COD 去除率為36.0%，色度去除率可達(dá)85% 以上。賈雪雷等采用微電解法處理含磷廢水時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng) pH=4、進(jìn)水總磷質(zhì)量濃度為16 mg/L、水力停留時(shí)間(HRT)為60 min、廢鐵屑和活性炭體積比為2∶1、運(yùn)行時(shí)間為20 min 時(shí)，總磷去除率達(dá)到88%。孫廣芳等將微電解法與水生植物進(jìn)行組合來(lái)凈化水質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)，對(duì) COD 和總磷去除效果均較好。因此，本研究提出微電解法和垂直流人工濕地進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)了上升垂直流微電解耦合人工濕地和復(fù)合垂直流微電解耦合人工濕地，以強(qiáng)化生活污水 COD、總磷和氨氮的處理效果，為農(nóng)村生活污水的處理提供可行解決方案。

　　1 材料和方法

　　1.1 人工濕地裝置

　　圖1(a)是普通垂直流人工濕地裝置，裝置直徑為20cm，基石(粒徑2～3cm)層厚5cm、礫石(粒徑0.5～1.0cm)層厚30cm、細(xì)砂(粒徑3～5 mm)層厚30cm，總高度為65cm。圖1(b)是上升垂直流微電解耦合人工濕地裝置，把普通垂直流人工濕地裝置中的礫石層更換為鐵碳(粒徑1.0～2.0cm)層即可得到。圖1(c)是由兩個(gè)上升垂直流微電解耦合人工濕地裝置串聯(lián)而成的復(fù)合垂直流微電解耦合人工濕地。植物均種植美人蕉(Cannas)，由植物生長(zhǎng)補(bǔ)光燈控制每天光照時(shí)間為10h。鐵碳材料由鐵粉、活性炭粉末、高嶺土和氯化銨按照質(zhì)量比3.00∶3.00∶4.00∶0.05 充分混合后加水調(diào)勻，手工捏制成球形，在400 ℃下焙燒10 min，然后升溫至1150℃焙燒15 min，自然冷卻至室溫后得到。

　　1.2 人工濕地運(yùn)行條件

　　2016年12 月1 日開始，用桂林某城市污水處理廠出水啟動(dòng)人工濕地，采用連續(xù)進(jìn)水方式，HRT設(shè)置為 ，待污染物去除率穩(wěn)定運(yùn)行至少 個(gè)月后認(rèn)為啟動(dòng)完成，開始進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

　　實(shí)驗(yàn)污水由葡萄糖 (400 mg/L)、乙 酸鈉 (54mg/L)、磷 酸 二 氫 鉀 (15 mg/L)、硫 酸 銨 (108mg/L)、碳酸氫鈉(111 mg/L)和氯化鈣(30 mg/L)人工配置而成，污水水質(zhì)情況如表1 所示。采用連續(xù)進(jìn)水的方式，分別設(shè)置HRT為1、2、3d，考察COD、

圖１  人工濕地裝置示意圖

表１  實(shí)驗(yàn)污水水質(zhì)

　　總磷和氨氮的去除效果。實(shí)驗(yàn)期間濕地植物生長(zhǎng)良好，沒(méi)有出現(xiàn)凍害和病蟲害。

　　1.3 測(cè)定方法

　　定時(shí)采集濕地系統(tǒng)出水，采用重鉻酸鹽法測(cè)定COD，采用連續(xù)流動(dòng)-鉬酸銨分光光度法測(cè)定總磷，采用納氏試劑分光光度法測(cè)定氨氮，用 PHS-3C 數(shù)字酸度計(jì)測(cè)定pH。

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 啟動(dòng)過(guò)程分析

　　啟動(dòng)階段，僅考慮 COD 和總磷，由圖2 可知，3種人工濕地啟動(dòng)階段前期 COD 和總磷的去除率波動(dòng)較大，兩種垂直流微電解耦合人工濕地在30d 后基本趨于穩(wěn)定，濕地植物生長(zhǎng)正常，而普通垂直流人工濕地56d后才趨于穩(wěn)定，并且兩種垂直流微電解耦合人工濕地的 COD 和總磷去除率始終大于普通垂直流人工濕地，其中復(fù)合垂直流微電解耦合人工濕地的去除率相對(duì)更高。啟動(dòng)階段前期由于濕地系統(tǒng)中微生物群落和微生物膜未穩(wěn)定形成，且植物根際仍處于初期生長(zhǎng)階段，故去除率相對(duì)較低且不穩(wěn)定;而后期系統(tǒng)生物膜和植物根際生長(zhǎng)已穩(wěn)定，故去除率逐漸升高且趨于穩(wěn)定。兩種垂直流微電解耦合

圖２ 啟動(dòng)過(guò)程中人工濕地對(duì) ＣＯＤ 和總磷的去除率

　　人工濕地的去除率高于普通垂直流人工濕地，且啟動(dòng)時(shí)間縮短了近一半，這可能是微電解耦合人工濕地中，鐵碳層的鐵和碳反應(yīng)產(chǎn)生了具有較強(qiáng)還原能力的 Fe2+ ，使有機(jī)物開環(huán)裂解，大分子有機(jī)物分解為小分子物質(zhì)，并被植物吸收，達(dá)到明顯、快速、高效、穩(wěn)定啟動(dòng)的效果，與文獻(xiàn)[11]的研究結(jié)果基本一致。具體聯(lián)系污水寶或參見(jiàn)http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　2.2 處理效果

　　2.2.1 氨 氮

　　圖3為3 種人工濕地在不同 HRT 條件下對(duì)氨氮的處理效果。在 HRT 為1d時(shí)，普通垂直流人工濕地、上升垂直流微電解耦合人工濕地和復(fù)合垂直流微電解耦合人工濕地的氨氮平均去除率分別為22.52%、23.54%、23.72%，統(tǒng) 計(jì)學(xué)上無(wú)顯著差異(P=0.15>0.05)。在 HRT 為2d時(shí)，上述3 個(gè)人工濕地的氨氮平均去除率分別為40.55%、42.10%、42.31%，統(tǒng)計(jì)學(xué)上無(wú)顯著差異(P =0.09>0.05)。在 HRT 為3d時(shí)，上述3個(gè)人工濕地的氨氮平均去除率分別為51.35%、52.38%、52.94%，統(tǒng)計(jì)學(xué)上亦無(wú)顯著差異(P=0.09>0.05)。綜上可知，兩種垂直流微電解耦合人工濕地對(duì)氨氮的去除率與普通垂直流人工濕地?zé)o顯著差異。

　　2.2.2 COD

　　圖4 為 3 種人工濕地在不同 HRT 條件下對(duì)COD 的處理效果。在不同 HRT 條件下，3 種人工濕地穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，COD 去除效果穩(wěn)定，去除率大小均表現(xiàn)為：復(fù)合垂直流微電解耦合人工濕地> 上升垂直流微電解耦合人工濕地> 普通垂直流人工濕地。隨著 HRT 的延長(zhǎng)，COD 去除率升高。HRT為1d時(shí)，普通垂直流人工濕地、上升垂直流微電解耦合人工濕地和復(fù)合垂直流微電解耦合人工濕地的COD 平均去除率分別為64.51%、75.50%、81.50%，出水 COD 平均質(zhì)量濃度分別為 128.62、86.74、65.57 mg/L，均未達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的 一級(jí) A 排放要求 (50mg/L)。HRT 為2d時(shí)，上述3個(gè)人工濕地的COD平均去除率分別為81.07%、88.60%、92.18%，出水COD 平 均 質(zhì) 量 濃 度 分 別 為 67.47、40.58、27.89mg/L。HRT 為3d時(shí)，上述3 個(gè)人工濕地的 COD平均去除率分別為83.50%、92.00%、95.00%，出水COD 平 均 質(zhì) 量 濃 度 分 別 為 58.54、29.06、19.86mg/L。當(dāng) HRT≥2d時(shí)，兩種微電解耦合人工濕地出水 COD 平均濃度均能達(dá)到 GB18918—2002 的一級(jí) A 排放要求。

圖３  氨氮的處理效果

　　兩種微電解耦合人工濕地對(duì) COD 的處理效果優(yōu)于普通垂直流人工濕地主要因?yàn)檫@兩種人工濕地除依靠填料對(duì)污染物的吸附、微生物和植物根系降解、吸收外，可能還與鐵碳填料的高比表面積及微電解作用有關(guān)。通過(guò)植物根系滲透進(jìn)入人工濕地的溶解氧，通過(guò) Fe2+ 催化，在水中產(chǎn)生具有較高氧化還原電位的羥基自由基，使難降解的有機(jī)物的碳鏈斷

圖４  ＣＯＤ 的處理效果

　　裂，分解為小分子物質(zhì)。

　　2.2.3 總 磷

　　圖5為3 種人工濕地在不同 HRT 條件下對(duì)總磷的處理效果。與 COD 類似，在 不同 HRT 條件下，3 種人工濕地穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)總磷去除效果穩(wěn)定，去除率大小均表現(xiàn)為：復(fù)合垂直流微電解耦合人工濕地>上升垂直流微電解耦合人工濕地>普通垂直流

圖５  總磷的處理效果

　　人工濕地。HRT 為1d 時(shí)，普通垂直流人工濕地、上升垂直流微電解耦合人工濕地和復(fù)合垂直流微電解耦合人工濕地的總磷平均去除率分別為20.21%、49.14%、54.04%，出 水總磷平均質(zhì)量濃度分別為2.51、1.79、1.61 mg/L，均未達(dá)到 GB18918—2002的一級(jí)A 排放要求(0.5mg/L)。HRT 為2d時(shí)，上述3個(gè)人工濕地的總磷平均去除率分別為27.21%、69.14%、74.04%，出水總磷平均質(zhì)量濃度分別2.49、1.09、0.87 mg/L，仍未達(dá)到 GB18918—2002的一級(jí)A 排放要求。HRT 為3d時(shí)，上述3 個(gè)人工濕地的總磷平均去除率分別為72.15%、87.10%、89.04%，出水總磷平均質(zhì)量濃度分別為0.99、0.46、0.39mg/L，兩 種 微 電 解 耦 合 人 工 濕 地 達(dá) 到 了 GB18918—2002 的一級(jí) A 排放要求。常邦等研究表明，鐵碳填料的加入可以使生活污水的磷的去除率達(dá)到90% 以上。Fe2+ 持續(xù)穩(wěn)定地溶出是鐵碳填料除磷的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，填料表面與污水直接接觸，鐵碳填料形成原 電池，在 陽(yáng)極生成 Fe2+ ，4Fe2+ 又會(huì)被氧化成 Fe3+ ;Fe3+ 與 OH- 、PO3- 反應(yīng)生成沉淀。

　　3 總 結(jié)

　　(1)兩種微電解耦合人工濕地啟動(dòng)時(shí)間比普通垂直流人工濕地縮短近一半。長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，微電解耦合人工濕地均未出現(xiàn)鐵屑表面鈍化、板結(jié)、堵塞等現(xiàn)象。

　　(2)3種人工濕地對(duì)氨氮的去除率無(wú)顯著差異。對(duì) COD 和總磷的去除率大小均表現(xiàn)為：復(fù)合垂直流微電解耦合人工濕地>上升垂直流微電解耦合人工濕地>普通垂直流人工濕地。

　　(3)3 種人工濕地對(duì) COD 和總磷的去除率隨HRT 的延長(zhǎng)而升高。HRT 為3d 時(shí)，上升垂直流微電解耦合人工濕地和復(fù)合垂直流微電解耦合人工濕地的出水 COD 平均質(zhì)量濃度分別為29.06、19.86mg/L，總磷分別為0.46、0.39 mg/L，均達(dá)到了 GB18918—2002的一級(jí) A 排放要求。

　　(4)由于復(fù)合流垂直流微電解耦合人工濕地相對(duì)于上升垂直流微電解耦合人工濕地構(gòu)造復(fù)雜，工程建設(shè)費(fèi)用要高，而對(duì) COD 和總磷去除率的提高又不是很明顯，因此推薦使用上升垂直流微電解耦合人工濕地。(來(lái)源：廣西師范大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院)