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1、人工湿地&小微湿地基础知识培训（七）人工湿地填料的作用、种类及配置引言11人工湿地中填料的作用11.1填料脱氮机制与影响因素21.2填料脱磷机制与影响因素22人工湿地填料的种类32.1火山岩52.2陶粒52.3钢渣、炉灰渣62.4碎石72.5粉煤灰82.6沸石82.7蛭石92.8砾石103人工湿地填料的选择与配置103.1填料的选择113.2填料的组合配制11人工湿地填料引言人工湿地的基本组成由水生植物、填料、微生物和水体等部分构成，其中， 填料是人工湿地的重要要组成部分。填料做微生物附着的基面以及水生植物的载 体，在人工湿地水质净化过程中发挥着非常重要的作用。由于不同填料的理化性 质不同，其
2、对不同污染的去除效果差异较大。因此，选择适当的填料是保证人工 湿地具有良好水质净化能力的关键.选择填料时，不同填料对污染物的去除能力 是主要考虑因素，同时还应考虑填料的易得性以及成本等。1人工湿地中填料的作用填料是人工湿地的基质与载体，它支撑着人工湿地动植物与微生物的生命过 程，填料对污染物的成功截留为后续植物吸收创造良好条件，是出水水质的重要 保证。人工湿地填料对污染物的去除过程包括物理过滤、离子交换、专性与非专 性吸附、鳌合作用于沉降反应等。已有研究表明，污水中磷和重金属物最终吸附 或沉降在填料土体内，从而使填料土体内这些元素的含量急剧升高，几年之后即可高达污水浓度的10-10000倍以上
3、。图1-1湿地基质及微生物水质净化上的作用1.1填料脱氮机制与影响因素人工湿地中存在多种脱氮机制，其中通过微生物代谢的硝化反硝化是主要 途径，填料的存在为微生物提供附着生长的重要场所，对污水的处理效果起到 不可替代的作用。通常认为填料对氨氮的去除主要是通过填料的吸附、离子交换 作用实现的，是快速可逆过程、而许多用于湿地的填料由于松散、比表面积大， 有利于空气中的氧气进入，为附着于植物根系和填料表面的硝化细菌提供氧气， 进行硝化作用-同时，一些孔隙率大的填料由于含水率高，且湿地在运行时，填料 往往处于饱水厌氧环境、利于反硝化作用脱氮。填料的含水率、比表面积、不均匀系数、粒径大小等各种理化性质都可
4、能影 响污水的脱氮效率。其中氧化还原电位是影响脱氮的重要的影响因素之一，反映 填料发生氧化还原反应能力大小，会通过影响植物或微生物生长代谢过程间接影 响湿地的除氮效率。溶解氧条件对硝化细菌和反硝化细菌数量的影响较为显著。 刘慎坦研究了不同基质潜流式人工湿地系统内硝化细菌和反硝化细菌的空间分 布，结果表明，表层溶解氧含量高，硝化细菌密度大，低层溶解氧低，反硝化 细菌密度大，这种硝化、反硝化细菌数量的不同分布特点有利于人工湿地中形 成上、下分层的硝化与反硝化区，促进了氮的去除。除此之外、而填料的类型和 填充方式也是影响人工湿地脱氮效率的重要因素。1.2填料脱磷机制与影响因素当污水流经人工湿地时，填
5、料通过一系列物理和化学的途径去除污水中的N、 P营养元素。其中物理去除主要指填料对磷的吸附，过滤拦截而沉淀的过程-化学 除磷指填料成分与磷发生化学反应，生产沉淀去除，被认为是湿地除磷的主要机 理。影响填料除磷效果因素有很多。例如填料的类型、氧化还原电位、填料的pH、 填料本身化学特性等，其中主要取决于填料pH和填料本身化学特性。国内外 研究均发现，填料中含有大量钙、铁、铝离子对磷的去除能力较强，pH为中 性的情况下，引起磷吸附沉淀的主要元素是铁和铝；当pH较高时，引起磷沉淀 主要元素是钙；刘汤勋用石英砂、石灰、水泥和铝粉等材料自制填料，实验研 究发现自制填料在不管在磷浓度较低与较高时，吸附率都
6、很高，原因是自制填 料金属矿物成分含量高、比表面积大；Drizo等研究钙、铁、镁、铝和磷的吸附 关系，最后总结出富含钙、铁铝质的填料去除污水中磷能力较强；而硅质含量 高的填料净化能力较差；Aritas C A等研究发现沙子除磷主要决定因素是钙含量， 尤其是在偏碱性污水中，但在酸性污水中，铁、铝含量对沉淀反应更为重要； Sakadeven k等也发现基质中氧化铁铝含量与磷吸附量有显著相关关系，除此之 外填料除磷还受到污水的温度、溶解氧、磷负荷、水力条件、填料组合等众多因 素的影响。由前文可知填料的各种理化都会对污染物的去除效果产生影响。本文对粒 径大小、比表面积、含水率、孔隙率、不均匀系数等填料
7、常见理化性质对污染 物去除效果的影响进行了归纳（见下表）。为湿地填料的选择提供一定指导，当 然，除了填料的理化性质，填料的填充方式，填料的组合等众多因素都会对 湿地污染物去除产生影响。表1.1填料各理化性质对污染物去除性能的影响理化行质对污染物去除的影响粒径大小粒径大小影响污水流速与流态，粒径过小，容易造成堵塞；粒径过大 会缩短水力停留时间，影响净水效果。所以一般采用的填料粒径规格在 5-60mm范围内比表面积较大的表面积，有利于微生物的附着生长，能够保持较多的生物量，通 过微生物作用，将有利于污水的净化。含水率含水率过低，不利于微生物的附着；相对较高的含水率，会是填料处于 饱水状态，营造厌氧
8、环境，有利于填料脱氮过程的反硝化作用，但过高 的含水可能会影响填料的结构，减低其使用寿命。不均匀系数分层铺设的填料，每层填料要求均匀，颗粒间差别小，不均匀系数太大 会减小孔隙度、减少含污能力、影响进水渗透率、空气流通、容易形 成表面流或短流。孔隙率微生物在填料上的最佳生长环境为孔径为1-3mm的微孔，较高的孔隙率 也有利于微生物的生长，以及生物代谢过程中氧气和营养物质的传质过 程，使用空隙率较高的填料能有效提高湿地去污能力化学成分填料的化学成分稳定性要良好，不能对水质造成二次污染，填料中钙、 镁、铝等成分能与磷发生反应生成沉淀，提高去除效果。2人工湿地填料的种类人工湿地填料主要分为天然材料、工
9、业副产品和人造产品三大类。传统天然材料有土壤、泥炭、粗砂、砾石，后经研究发现沸石、蛭石、石灰石作为填料用 于人工湿地的处理污水能力要远远好于传统天然填料；工业副产品主要有灰渣、 高炉渣、粉煤灰、钢渣、细砖屑等；造产品主要包括陶粒、陶瓷滤料、塑料等； 随着研究的不断深入，各种新型填料不断应用于人工湿地，每种填料性能各有差 异，应结合其特点充分发挥填料作用，本章节对几种湿地中常用填料的性能研 究进展进行介绍。下表为人工湿地相关标准中推荐的采用的填料类型及要求。表2.1各个标准中推荐的填料种类及要求规范名称建议种类要求环保部规范初始空隙率在30-40%住建部石灰石、火山岩、沸石、页岩、陶 粒、炉渣、
10、无烟煤等材料，宜就近 取材较强的机械强度，较大孔隙率、比表面 积、粗糙度，良好的生物和化学稳定性北京规范初始空隙率在30-40%天津规程石灰石、沸石、页岩、陶粒、矿 渣、炉渣等，亦可加工筛选废砖瓦 和混凝土块较强的机械强度，较大孔隙率、比表面 积、粗糙度，良好的生物和化学稳定性；初始空隙率在35-40%；上海规程砾石、沸石、钢渣、石灰石、高炉 矿渣、碎石、粗砂、石英砂表面积大、机械强度高、稳定性 好、取材方便、价格低廉的填料。江苏规程石灰石、矿渣、蛭石、沸石、砂 石、高炉渣、页岩等，碎砖瓦、 混凝土块经过加工、筛选后也可作 为填料使用。填料安装后湿地孔隙率不宜低于0.3。浙江规范天然材料如碎石
11、、砾石、粗砂、火 山岩、沸石和人工材料如矿渣、炉 渣、陶粒等；加工和筛选的碎砖 瓦、混凝土块等材料较强的机械强度，较大孔隙率、比表面 积、粗糙度，良好的生物和化学稳定性；山东指南砾石、碎石、石英砂、石灰石、火 山岩、沸石、矿渣、炉渣、陶粒、塑料等天然材料和人工材料具有一定机械强度、比表面积较大、稳 定性良好、并具有合适的孔隙率及表面 粗糙度的填充物云南规范石灰石、砾石、沸石、卵石、陶粒选用多孔、表面积较大、Ca/Fe含量高宁夏规范砾石、粗砂达到DB64/T700-2011中规定的一级排 放标准的人工湿地基质中钙、铁、铝、 镁含量均不能低于20%，保证较高氮、磷去除率；潜流型人工湿地基质的 孔隙
12、率宜控制在35%40%青海规范河沙、石英砂、砾石、卵石、石灰 石、沸石、蛭石、页岩、花岗岩、具有一定的机械强度、空隙率、表面粗 糙度、尽可能大的表面积，以及良好的规范名称建议种类要求陶粒、矿渣、无烟煤、草炭等，宜 采用沙石搭配生物、化学及热力学稳定性注：填料应预先清洗干净，按照设计确定的级配要求充填。2.1火山岩火山岩为形状不规则的颗粒，颜色为红黑褐色，表面粗糙多微孔，平均孔隙 率在40%左右，具有比表面积大，生物化学稳定性好的特点，适合微生物在其表 面生长和繁殖，能够保持较多的微生物量。一般人工湿地填料选取的火山岩粒径 范围为5-50 mm。图2-1火山岩填料2.2陶粒陶粒多由黏土或页岩成型
13、经高温处理所得，表面粗糙，内部多孔，有较大的 比表面积，有利于生物的附着生长，现已被广泛用于水处理填料；丁建彤研究了 四种陶粒组合复合垂直流人工湿地在不同季节处理生活污水的运行效果，结果表 明陶粒组合人工湿地对COD、TP、NH3-N均有很好的去除效果；随着不断的研 究和改进，于制陶粒的原材料范围不断扩大，粉煤灰、底泥、污泥、高炉渣、垃 圾等各种固体废弃物用于烧制陶粒作为湿地填料，起到一个以废治废的作用；由 于陶粒比表面积大，且富含钙、铁、铝等元素；能与污水中的磷酸盐形成不溶性 沉底，有利于氮磷的去除；曹世玮选择高钙粉煤灰陶粒作为人工湿地填料，表明 高钙粉煤灰陶粒有巨大比表面积和孔隙率，有较大
14、的磷吸附容量，磷去除率可达 90%，强化除磷的机制是陶粒内部的钙元素与水中的磷发生化学反应，造成磷在 陶粒表面的沉积。图2-2陶粒填料2.3钢渣、炉灰渣高炉钢渣、炉灰渣等工业废弃物含有丰富的钙、镁成分，对污水中磷有很 好的吸附性，广泛用于人工湿地填料；郑好以铁尾矿和钢渣作为复合垂直流人工 湿地填料，对生活污水的处理效果比较理想，TP、TN、COD的去除效率可分别 达到95%、70%、95%；孙书明以钢渣为主要填料构建小型潜流湿地，结果表明， 钢渣湿地运行初期对硝氮型污水的处理能力高于氨氮型污水，钢渣可作为一种强 化反硝化基质应用于NO3-N的去除，但以钢渣作为湿地主要基质使湿地出水pH 较高，
15、不利于氮转化细菌群落的快速建立，且容易造成出水SS偏高，可与其他 种类的基质组合后应用于湿地中；煤灰渣是去除污水中耗氧有机污染物和总磷等 指标的理想基质，徐祖信模拟煤灰渣垂直潜流人工湿地研究除磷性能，表明煤灰 渣对污水中磷素的吸附平衡时间较短，吸附速率较快，但需注意煤灰渣吸附磷后 的再解析，以防二次污染。图2-3矿渣填料2.4碎石碎石是由天然岩石、卵石或矿石经机械破碎、筛分制成的，多棱角，表面粗 糙，粒径大于4.75 mm的岩石颗粒。碎石是传统的人工湿地填料，运行使用最为 广泛，通透性较好，价格相对低廉，分布很广，便于就地取材。对TP的去除效 果较好。图2-4碎石填料2.5粉煤灰粉煤灰中含有的
16、Al2O3、CaO等活性组分，能与氟形成络合物或产生对氟有 絮凝作用的胶体离子。粉煤灰具有耐磨损、生物附着力强、挂膜能力良好、水流 流态好等优点。粉煤灰对生活污水中的COD，TN，NH4+-N有较好的去除效果， 对NO3-N去除效果一般。图2-5粉煤灰填料2.6沸石沸石结构由硅氧四面体组成，构架中有一定孔径的空腔和孔道，这也决定了 其具有吸附和离子交换性能。可快速截留污水中的氨氮；沸石内部结构的松散程 度是影响沸石吸附容量的主要因素，孔径大、结构松散且分布均匀的沸石吸附量 较高；研究表明由于沸石的结构特点，对氨氮等阳离子有很好的去除效果，且吸 附饱和后的吸附位点可以通过植物和微生物的协同作用得
17、到再生，沸石对污水中 氮有很好的去除能力，且沸石价廉、易得，这些都决定了沸石被广泛用作湿地 填料。图2-6沸石填料2.7蛭石蛭石是一种自然界天然存在的多孔性含水硅铝酸盐晶体矿物，蛭石晶体内部 有很多孔穴和通道，开口的通道彼此相连，使蛭石的比表面积很大，具有良好的 吸附及离子交换性能；蛭石在高温作用下，具有很好的膨胀性，膨胀后的蛭石 具有较大的比表面积和孔隙率，研究表明其蛭石对氨氮具有选择性吸附能力； 聂发辉等研究表明，蛭石对氨氮的饱和吸附量高于沸石，蛭石的吸附效果受到 温度和pH的影响；蛭石主要是通过离子交换作用去除水中氨氮，物理吸附作用 相对很小，阳离子交换位点不能被认为是去除氨氮的长期汇，
18、其作用蛭石将水相 中的氨离子吸附交换下来，截留在蛭石固相中。图1-7麦饭石填料2.8砾石砾石指的是风化岩石经水流长期搬运而成的无棱角的天然粒料。按粒径大小， 又可把砾石细分为巨砾、粗砾和细砾三种：粗砾又叫卵石（64-256 mm）、中砾（8-64 mm）和细砾（2-8 mm）三种。常用粒径为2-60 mm。图2-8砾石填料3人工湿地填料的选择与配置目前对湿地填料的研究主要是分为两个方向，其一是对不同填料的研究与改 进，尤其是对一些固体废弃物和新型材料的使用制作填料的研究；另一方面便是 通过不同填料之间的组合配制，以提高湿地去污能力，降低湿地堵塞发生的研究。3.1填料的选择人工湿地填料的选择应该
19、遵循材料的廉价易得经济性，处理效果高效，安全 无毒等原则；在进行人工湿地的设计时，对于不同的类型的人工湿地，填料的选 择应首先筛选对主要污染物去除能力较强的当地材料！这样不仅能提高湿地的 净化能力，尽量避免破环原有生态系统平衡，同时还能较少成本投入；填料种类 多样，不同的填料对污水中不同污染物的去除能力不同，如下表所示，对不同的 污染物类型可选用不同的填料，提高湿地对不同污染物的去除能力。3.1针对不同污染物去除的填料选择污染物类型主要去除机理可选用填料注意与改进SS、有机物填料的拦截，沉降作 用，填料表面生物膜的 吸附和降解泥炭、土壤、灰 渣、陶粒通过一些填料的组合，可以在去 除SS和有机物
20、的同时达到去除 其他污染物的作用重金属填料的吸附、反应沉 淀，填料表面微生物代 谢，植物的吸收沸石、膨胀土、 粉煤灰、陶粒重金属一般无法最终去除，会以 沉淀的形式留在填料基质中，所 以对于用于处理重金属含量高 的填料要注意及时回收，防止因 重金属重新释放造成的二次污 染氮填料的吸附，填料表面 附着微生物的硝化和 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，所以在填料选择时应选择 孔隙率，比表面积大，吸附效果 好的填料进行强化除氮磷物理过程（填料对磷的 吸附、拦截沉淀过程） ；化学反应（钙、铁、 铝离子与磷反应沉淀） 填料表面微生物的新 陈代谢。页岩、陶粒、废 砖块
21、、高炉渣、 钢渣与其他填 料的组合钢渣、炉渣的使用会使水质的 pH偏高、单独使用存在环境风 险，需和其他填料组合；运用吸 附性能好的多种填料进行组合 有利于强化除磷3.2填料的组合配制很多填料在单独使用时对污染物去除能力是有限的，且往往可能只对某种特 定的污染物有较好的去除效果，但对污水整体的净化效果却不尽人意，此时我们 就需要考虑多种填料的组合使用，以增强填料床的净化能力；例如将除氮效果好 的填料和除磷效果好的填料的组合使用，发挥各填料之间的协同作用，其处理效 果往往要好于填料单独使用；王功以海绵铁、沸石、砾石和土壤为填料，形成一 个有机多孔复合组合填料，结合生物系统，适宜去除污染水中的氮磷
22、；而对于像 钢渣这样的工业废弃物，其除磷效果很好，但因其理化性质，单独使用可能存在 环境风险，通过与沙子、页岩、灰岩、陶粒等填料的组合使用就能在保证其高 效除磷的基础上，消除其不利因素，达到净化水质的目的。对于水平潜流和垂直流人工湿地这两种常见的人工湿地类型，往往由多种填 料组成，湿地运行过程中填料的堵塞影响湿地去污效果的一个重要限制因子，对 于这两类湿地，在填料的选择上除了要求填料有较高的渗透系数、高孔隙率外， 还需考虑不同粒径填料的配比组合问题。填料截留的SS，生物膜的生长和老化 脱落，以及这些物质吸附的水是造成填料淤堵的主要原因，由于填料淤堵一般发 生在上部填料层5-10mm之间，所以不同粒径填料组合使用时可以选择在表面 布水区选择粒径相对较大的填料，在表层以下的主要净化区则可铺设粒径较表层 小的填料，减缓填料淤堵问题，且表层铺设粒径较大的填料也有利于氧气的进入， 易形成硝化区，在粒径小的下层形成反硝化区，将有利于提高人工湿地的脱氮效 率。靳同霞等对水平潜流和垂直流两种人工湿地采用不同粒径的碎石组合的复合 填料床的表、中、底层对污水净化效果的研究结果相一致。由于填料淤堵主要发 生在表层填料，所以适时的更换表层填料也能在一定程度上改善填料堵塞问题。可见通过选择适宜的填料组合和配制，利用各填料之间的互补效应，在有效 提高湿地的去污效果的同时能有效避免堵塞的发生，提高运行周期。
