潜流湿地填料的研究进展

徐 坤，吴轶辉，何嘉辉，黄龙翔，黄海宇

(广州市水之道生态环境修复有限公司，广州市新之地环保产业股份有限公司，广东 广州 510380)

随着社会的不断发展以及城镇化的不断加快，大量的生活污水、工业废水及农业污水流入湖泊、河流等地表水体中，这些污水中的营养物质及污染物质导致河流、湖泊的富营养化，易导致藻类爆发，破坏水生态系统，甚至还会威胁人类身体健康[1]。因此，要想保证社会经济的可持续发展，就必须控制地表水体富营养化氮磷超标，消灭黑臭水体。

人工湿地作为一种较为生态的污水处理和水环境修复技术，具有以下优点：①污染物去除效率高；②单位吨水处理成本低，运营维护简单方便；③抗冲击能力强，针对不同工况选择不同结构；④湿地植物不仅能净化水质，还能美化环境。正是因为这些优点，人工湿地技术已经成为城镇污水和农村污水处理系统中重要组成部分，近年来已经得到了广泛的应用。人工湿地污水处理系统主要由湿地墙体，湿地填料，湿地植物等组成，湿地填料通过吸附截留污水污染物、湿地植物通过根系的吸收沉淀以及微生物和动物的吸收降解等作用可以有效的去除污水中大量的营养物质、悬浮物、重金属、油脂及病原微生物等[2]。

目前国内外对于潜流湿地处理污水的工艺研究比较多，国外专家及学者主要研究潜流湿地墙体及填料的结构设计，湿地内水动力及水质模拟，湿地填料组合及配比、深度、孔隙率，湿地植物的选择，污染物的去除效率及微生物的驯化，而国内主要对流湿地墙体及填料的结构设计，湿地植物的选择，去除污水中污染物的效率，填料的组成及配比方面进行研究。潜流湿地只要通过湿地填料和湿地植物作用净化水质，湿地填料有着不可替代的作用，一方面，湿地填料在潜流湿地污水处理系统的结构中占最大体积[3]，另一方面，填料在湿地中为湿地植物的生长提供扎根处，为微生物的附着提供载体，同时，填料本身可以吸收污水中氮磷等污染物，除此之外，填料自身的理化性质对水体中污染物质的去除和整个湿地系统的运行都有一定的影响，填料的组成对污水有机负荷的大小，进水水库流速以及湿地系统的占地面积等因素有着较大的影响，因此，填料可以直接影响整个潜流湿地污水处理工艺的处理效果[4-5]。以下论文从潜流湿地污水处理系统填料的组合及配比，去除污染物的效率以及填料粒径对污染物去除效率等方面展开综述。

1 潜流湿地污水处理工艺中填料的组合及配比

对于潜流湿地而言，湿地填料的设计关乎到整个湿地系统的运行效果，因此，填料的设计尤为重要。在设计过程中，需要根据项目所在地的不同情况，设计不同的填料类型，这取决于不同地方的水质特点，进入湿地系统的污水的理化性质，项目所在地的地质条件和土壤类型以及填料的生产产地等各个因素。在选择填料的过程中，我们应综合考虑以下几点：(1)填料的水力渗透系数；(2)对污染物的去除效果；(3)填料的产地及运输。目前，潜流湿地污水处理工艺中常见的填料主要分为以下三大类：天然矿物、工业副产物以及人工合成填料。表1是国内外经过研究后推荐在潜流湿地污水处理工艺中推荐使用的填料[6]。

表1 潜流湿地污水处理工艺填料种类

在潜流湿地刚刚投入使用的时候，考虑到植物种植的问题，湿地填料大多选用渗透率较高的天然土壤，例如壤土(最小吸水率为13mm/h)、砂质壤土(最小吸水率为25mm/h)、壤质砂土(最小吸水率为51mm/h)等，且当时设计的是单一的填料形式[7]，但是这种填料形式在使用一段时间后发现有很大的弊端，既达不到对单一污染物的去除要求，又不能对多种不同的污染物同时发挥作用，而且由于天壤土壤粒径较小，孔隙率达不到规范要求，经常会发生湿地堵塞无法运行的现象。因此，根据具体项目的进水污水的性质特点以及污染物的种类及含量，专家提出针对性的对不同污染物的种类及含量进行分析配比，通过配比组合出一种复合式填料，这种除了发挥各自对污染物的去除能力之外，还能通过各个填料之间的协同作用，从而达到更好水质效果。研究表明[2]：利用废砖块和废陶配比而成的混合填料体系和传统的填料形式相比，对COD的作用较为明显；利用沸石和石灰石配比而成的混合填料体系对总氮、总磷的去除效果均优于单一的填料形式，在研究过程中发现，石灰石在潜流湿地系统中存在不利于微生物的生长，但是与沸石配比后，沸石起吸附氨氮作用，石灰石有利于促进硝化作用，这两种填料的配比后，发生协同作用，对总氮的去除效果较好。目前，对于潜流湿地填料应用上没有统一和标准的配比规范及用法，在设计过程中只能按照之前的案例及经验判断使用填料的种类及配比，依据经验，推荐使用以土壤基质为基底，增加沸石，碎石，石灰石，砾石，陶粒等孔隙率符合设计规范要求，渗透系数较好，性质稳定，对污染物的去除能力较强且常见的几种填料相互配比，形成新的复合填料形式。表2为近年来国内外一些案例及研究经验推荐使用的填料组成及配比。

表2 近年来国内外一些案例及研究经验推荐使用的填料组成及配比

2 潜流湿地污水处理工艺中填料对去除污染物效率的影响

因此，填料的类型，理化性质、搭配方式及配比都会对湿地系统中的污染物去除效果产生显著的影响。

3 潜流湿地处理工艺中填料粒径对污染物去除效率的影响

填料的渗透系数是指在潜流湿地处理系统中，单位时间内水在介质中运行的距离，是湿地污水处理系统中渗透性能的影响因素之一，整个湿地系统的渗透性对污水处理系统的水文效应和去除污染物的能力有较大影响。 研究表明：潜流湿地中填料的粒径直接影响到水力的传导性能和孔隙率的大小，进而直接影响整个湿地的水力停留时间(HRT)以及对污染物的去除效率。

对于湿地填料而言，在湿地中除自身对水质净化起作用外，还需要为微生物的附着提供载体，所以，需要选择孔隙率和比表面积较大的填料介质从而增加微生物的附着面积，增加微生物的附着面积，进而提高湿地系统对污染物的去除效率。在湿地运行的过程中，微生物不断在填料上附着，填料间就会生成许多微小的不溶物质，易造成湿地堵塞，导致湿地发生雍水状况，在填料设计过程中，这也是不可忽视的一个因素。

综上所述，湿地系统的填料粒径越小，各系统对污染物的处理效果越好，但随着粒径的减小，系统水头损失变大，容易发生堵塞[11]。合理的填料粒径可以保证湿地的正常运行以及运行效果，赵文喜等研究表明[12]：砾石填料的常用尺寸为3～6、5～10、6～12mm，当潜流湿地的上、下行流分别设置0～4mm(300mm厚)、4～8mm(100厚)、4～8mm(500mm厚)、8～16mm(350mm厚)的碎石填料时，可以有效防止潜流湿地发生堵塞问题，同时也能保证湿地的去污效果。

4 总结与建议

综上所述，目前国内外对于填料的研究主要需要从三个方面进行：

(1)研究填料本身及填料间对于污水污染物的去除效果，特别对于单一填料的特异性功能及各填料间的协同作用对于污染物的影响，优化不同填料间的组合和配比。

(2)对具体的填料通过物理、化学和生物的方式进行改造，目的是通过人工的方式增加填料本身的吸附能力，增大填料的比表面积以及孔隙率等，使其在去除污水污染过程中发挥更好的作用。

(3)在设计过程中，根据具体的地质条件、污水的理化性质、水流方式进行具体的分层设计，在湿地进水端和集水端设计粒径较大的填料，主要处理区设计有利于污染物去除的填料，亦可以上下分层，多层填料设计有利于控制湿地填料的渗透系数，降低湿地堵塞的风险，增加湿地的去污效果。