人工濕地填料主要分為天然材料、工業副產品和人造產品三大類,傳統天然材料有土壤、泥炭、粗砂、礫石,后經研究發現沸石、蛭石、石灰石作為填料用于人工濕地的處理污水能力要遠遠好于傳統天然填料。工業副產品主要有灰渣、高爐渣、粉煤灰、鋼渣、細磚屑等人造產品主要包括陶粒、陶瓷濾料、塑料等,隨著研究的不斷深人,各種新型填料不斷應用于人工濕地。每種填料性能各有差異,應結合其特點充分發揮填料作用,本文對幾種濕地中常用填料的性能研究進展進行介紹。
一、沸石
沸石結構由硅氧四面體組成,構架中有一定孔徑的空腔和孔道,這也決定了其具有吸附和離子交換性能,可快速截留污水中的氨氮。沸石內部結構的松散程度是影響沸石吸附容量的主要因素,孔徑大,結構松散且分布均勻的沸石吸附量較高。研究表明,由于沸石的結構特點,對氨氮等陽離子有很好的去除效果,且吸附飽和后的吸附位點可以通過植物和微生物的協同作用得到再生,沸石對污水中氮有很好的去除能力,且沸石價廉、易得,這些都決定了沸石被廣泛用作濕地填料。
二、蛭石
蛭石是一種自然界天然存在的多孔性含水硅鋁酸鹽晶體礦物,蛭石晶體內部有很多孔穴和通道,開口的通道彼此相連,使蛭石的比表面積很大,具有良好的吸附及離子交換性能,蛭石在高溫作用下,具有很好的膨脹性,膨脹后的蛭石具有較大的比表面積和孔隙率。研究表明其蛭石對氨氮具有選擇性吸附能力,聶發輝等研究表明,蛭石對氨氮的飽和吸附量高于沸石,蛭石的吸附效果受到溫度和的影響。蛭石主要是通過離子交換作用去除水中氨氮,物理吸附作用相對很小,陽離子交換位點不能被認為是去除氨氮的長期匯,其作用蛭石將水相中的氨離子吸附交換下來,截留在蛭石固相中。
三、鋼渣、爐渣等工業廢棄物
高爐鋼渣、爐灰渣等工業廢棄物,含有豐富的鈣、鎂成分,對污水中磷有很好的吸附性,廣泛用于人工濕地填料。以鐵尾礦和鋼渣作為復合垂直流人工濕地填料,對生活污水的處理效果比較理想,TP、TN、COD的去除效率可分別達到95%、70%、95%,以鋼渣為主要填料構建小型潛流濕地,結果表明,鋼渣濕地運行初期對硝氮型污水的處理能力高于氨氮型污水,鋼渣可作為一種強化反硝化基質應用于一的去除,但以鋼渣作為濕地主要基質使濕地出水較高,不利于氮轉化細菌群落的快速建立,且容易造成出水偏高,可與其他種類的基質組合后應用于濕地中。煤灰渣是去除污水中耗氧有機污染物和總磷等指標的理想基質,模擬煤灰渣垂直潛流人工濕地研究除磷性能,表明煤灰渣對污水中磷素的吸附平衡時間較短,吸附速率較快,但需注意煤灰渣吸附磷后的再解析,以防二次污染。
四、陶粒
陶粒多由載土或頁巖成型經高溫處理所得,表面粗糙,內部多孔,有較大的比表面積,有利于生物的附著生長,現已被廣泛用于水處理填料。研究了四種陶粒組合復合垂直流人工濕地在不同季節處理生活污水的運行效果,結果表明陶粒組合人工濕地對COD、TP、NH3-N均有很好的去除效果。隨著不斷的研究和改進,用于制陶粒的原材料范圍不斷擴大,粉煤灰、底泥、污泥、高爐渣、垃圾等各種固體廢棄物用于燒制陶粒作為濕地填料,起到一個以廢治廢的作用。由于陶粒比表面積大,且富含鈣、鐵、鋁等元素,能與污水中的磷酸鹽形成不溶性沉底,有利于氮磷的去除。選擇高鈣粉煤灰陶粒作為人工濕地填料,表明高鈣粉煤灰陶粒有巨大比表面積和孔隙率,有較大的磷吸附容量,磷去除率可達90%,強化除磷的機制是陶粒內部的鈣元素與水中的磷發生化學反應,造成磷在陶粒表面的沉積。五種填料的比較通過前文對種常用填料特點和去污機理的介紹,結合實際應用報道和相關市場調查,本文對這四種填料作為水處理填料常用物理性質和目前市場價格做了統計。
各填料的物理性質差異較大,鋼渣作為工業廢棄物,其密度最大,比表面積最小,粒徑變化范圍也最寬蛭石的密度相對最小,這與其經高溫處理后,強膨脹性有關,同時蛭石的膨脹性還影響到其比表面積和孔隙率均較大,容重較小等性質,從表中我們也能看到蛭石的價格也是相對最低,這些都決定了蛭石能作為濕地水處理填料被應用。雖然沸石的價格也相對較低,但比表面積和孔隙率較蛭石和陶粒填料小很多,這也使沸石在凈化水質過程中效果略差于其他填料。相較之下,雖然陶粒的價格是這幾種填料中最貴的,但是由于作為人工填料,陶粒的粒徑范圍廣,比表面積和孔隙率都較大,所以陶粒作為濕地填料的適用范圍較廣,可以用于不同粒徑大小的組合填料使用。