人工湿地是指对天然湿地进行模拟后形成的湿地系统，可实现对污水的有效净化。净化过程既涉及物化反应，也离不开生物作用，具有成本低、易于管理等特点，在农村生活污水综合处理中十分适用。在人工湿地系统中，填料为重要组成部分之一，它不仅是人工湿地系统当中的植物，还是微生物正常生长发育的场所，它本身也具备净化污水的功能。可见，选择适宜的填料是保证人工湿地发挥应有效果的关键。目前，以碎石填料最为常用，但它的污染物去除效果已经无法满足要求，需要对填料的类型加以更新和改良。由此就产生了新型模块化填料，有必要通过实验和分析验证模块化填料度对污水的处理效果。
一、实验材料和方法
1.1材料与试剂
实验植物采用美人蕉，其植株大小大体相同，高度在56~65cm范围内，重量在40g左右，根系体积相当，同时是健康没有病虫害侵袭的幼苗。实验用模块化材料将花岗岩作为主要粗骨料，将粉煤灰与水泥作为胶结料。最优配合比条件下的骨料级配是10~16mm。采用以上原材料制成的试件，其规格为10cm伊10cm伊10cm，需在试件上留设两个贯穿孔，孔径2cm。实验所用污水的氨氮实际浓度在11~47mg•L-1的范围内变化、TP实际浓度在1.4~4.7mg•L-1的范围内变化、COD的实际浓度在270~360mg•L-1的范围内变化。
1.2装置
实验装置以小型反应器为主，所有反应器当中都放置6个模块化填料，共分成两层，模块化填料和碎石填料的质量完全相等。为了对比实验植物对系统造成的影响，建立两个系统，其中一个有实验植物，另外一个没有。为了对比污水总量对有实验植物的系统的实际处理效果造成的影响，也建立了两个系统，其污水总量分别是45L与65L。其中，污水总量为45L的被记作模块化填料-有实验植物-45L，而污水总量为60L的被记作模块化填料-有实验植物-60L有实验植物，但填料为碎石的系统被记作碎石填料-有实验植物-45L。
容器体积可以达到100L左右，使用模块化填料的，要在反应器当中放好3层模块化填料上数第一层和第二层的贯通孔向上，第三层中的贯通孔朝向两侧，不同层位中的模块化填料按照排列式进行放置碎石填料的堆高按照21cm控制，各系统当中的实验植物均为6株。成型后的实验装置如图1所示。
图1中，MS-C-S表示模块化填料-有实验植物-45L系统，MS-U-S表示模块化填料-无实验植物-45L系统，GS-C-S表示碎石填料-有实验植物-45L系统。
二、实验结果和分析
在6d的时间范围内，污水处理效果和填料之间的关系为：当填料为模块化填料时，氨氮进、出水浓度分别为40.18±10.04mg•L-1和17.05±1.90mg•L-1，去除率为55.30%±6.12%当填料为碎石填料时，氨氮进、出水浓度分别为40.18±10.04mg•L-1和23.19±4.26mg•L-1，去除率为41.52%±5.21%。当填料为模块化填料时，总磷进、出水浓度分别为5.23±1.39mg•L-1和0.86±0.29mg•L-1，去除率为83.47%±5.53%;当填料为碎石填料时，总磷进、出水浓度分别为5.23±1.39mg•L-1和3.25±0.61mg•L-1，去除率为28.98%±21.32%。当填料为模块化填料时，COD进、出水浓度分别为326.57±41.36mg•L-1和76.13±9.94mg•L-1，去除率为76.57%±2.64%当填料为碎石填料时，COD进、出水浓度分别为326.57±41.36mg•L-1和70.45±5.274mg•L-1，去除率为78.18%±3.10%。氨氮、总磷和COD浓度随时间的变化如图2所示。
由以上结果可知，模块化填料对污水中氨氮去除效果比碎石填料好。其原因为模块化填料孔隙率相对较高，可以为硝化与反硝化细菌创造良好条件与此同时，模块化填料较为松散，便于系统中的水和气体相互传递，使溶解氧浓度明显增加，增强微生物活性。对于硝化细菌，其最佳pH为8.0~8.5，通过实验，模块化填料pH为8.3，而碎石填料为7.9。可见，模块化填料可以为细菌创造良好反应条件。
模块化填料对污水中总磷去除效果比碎石填料好很多，不仅去除效果保持稳定，而且出水浓度可以满足一级标准。由于从第四天开始总磷溶度开始升高，所以末尾时产生了解吸。由此可得，填料自身吸附总磷是填料去除污水中总磷的基本机理。相关研究表明，微碱性环境下，判断填料去除总磷的能力最常用的指标即为钙含量。本次研究中，填料所处环境均为微碱性，而且模块化填料的pH比碎石填料大。除此之外，无论是将粉煤灰与水泥作为胶结料，还是采用粉煤灰砖块，都对填料自身吸附总磷有利。
两种填料都能有效去除污水中COD，整个降解过程表现出先快后慢，其原因为系统中有很多不同的微生物，且数量很多，营养充足，微生物在早期活性最强，随着营养逐渐消耗与溶解氧不断减少，COD去除率降低，到趋于平衡为止。然而，相比之下模块化填料实际去除率相对较高，其原因为这种填料中设置了贯穿孔，可以为微生物正常生长创造更多空间。
实验植物对污染物去除会造成一定程度的影响，特别是在前期，能有效去除有机物和含氮化合物。其原因为前期实验植物正在生长发育，可大量去除污染物。但随着植物不断成熟，对污染物实际去除效果逐渐减缓，甚至在后期出现了明显反差。含氮化合物实际去除效果主要和微生物与填料有关，总磷的去除机理为填料吸附。
采用模块化填料时，总磷去除效果十分显著，但在处理时会发生解吸。运行过程中，模块化填料和碎石填料的COD及氨氮实际去除效果无明显差异，这说明对这两种污染物的实际去除效果可以保持在相对稳定的状态。
由于实际水体当中的污水总量有所不同，所以在实验中加入数量不同的污水来确认系统去除COD、氨氮和TP的实际效果。当污水总量为45L时，填料高度比污水表面高度低，而当污水总量为60L时，填料被污水完全淹没。根据实验结果，在增加污水总量以后，系统污水处理效果无明显影响，而且两个系统的实际去除效果基本上保持相同。
三、结论
通过以上实验和对实验结果的分析论述，可得出下列几条结论：
(1)人工湿地是处理农村生活污水最有效的方式之一。从氨氮与总磷处理效果看，模块化填料由于碎石，在人工湿地中采用模块化填料能有效去除污水当中的各类污染物。
(2)模块化填料中设置了贯穿孔，这种特殊结构能提高填料整体孔隙率，为水中各类微生物的生长创造良好条件，有效截留不同的污染物，避免产生堵塞等问题。
(3)实验植物实际生长时，会从污水当中吸收大量营养物质，这对氮磷类化合物实际去除是十分有利的。然而，伴随实验植物不断生长和成熟，它对各类污染物的实际去除效果开始不断减缓。（>
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