垂直流人工湿地是—项适合我国国情、极具广阔应用前景的水处理技术,人工湿地的基本原理尽管已开始被人们所认识,但湿地净化主体之一——基质的研究仍处于起步阶段,不同基质对垂直流人工湿地的处理效果,及基质对湿地堵塞的影响仍需仔细研究。本实验针对不同基质的净化效率及其堵塞问题进行研究,以自建垂直流人工湿地实验系统为实验基地,以湖水与生活污水的混合水作为处理对象,通过对初选出的沸石、无烟煤、页岩、蛭石、陶瓷滤料、砾石、钢渣、生物陶粒等八种不同类型、不同质地、不同来源的基质,进行为期一年的净化实验,研究它们对于污水中各种类型污染物的去除效果,并同时进行水力学、生物学等方面的实验,比选出综合能力较好或单一去除效率突出的基质,为垂直流人工湿地设计、运行提供依据,以期通过选择合理的基质,达到理想的去除效果,并有效防止湿地的堵塞,延长人工湿地的使用寿命。主要研究结果如下:一、八种基质对原污水的处理效果1、在处理原污水中有机物方面,八种基质综合去除能力由强到弱排列依此为:无烟煤、生物陶粒、蛭石、沸石、钢渣、陶瓷滤料、砾石、页岩;2、在处理原污水中各种形态的氮方面,八种基质综合去除能力由强到弱排列依此为:沸石、陶瓷滤料、无烟煤、钢渣、蛭石、生物陶粒、砾石、页岩;3、在处理原污水中各种形态的磷方面,八种基质综合去除能力由强到弱排列依此为:钢渣、无烟煤、生物陶粒、砾石、蛭石、页岩、沸石、陶瓷滤料;4、简单综合基质对原污水中的有机物、磷、氮的去除效果,八种基质综合去除能力由强到弱排列依此为:无烟煤、钢渣、沸石、生物陶粒、蛭石、陶瓷滤料、砾石、页岩;5、在八种基质处理水的物化指标方面,无烟煤出水呈弱酸性,TDS浓度较高,离子浓度、电导率及盐度均偏高;钢渣出水呈强碱性,TDS浓度非常高,电导率、离子浓度及盐度均很高;其它基质出水正常;6、在去除原污水中细菌总数方面,八种基质均有较好的去除效果,其中钢渣最好,出水几乎检不出细菌总数,而无烟煤相对较差;7、在运行指标方面,在整个实验周期中,蛭石和砾石对各种污染物指标去除效果的波动性较大,而沸石、无烟煤、钢渣、生物陶粒对各种指标的去除效果比较稳定;8、八种基质对有机物的去除机理主要集中于物理作用和生物作用;对氮的去除机理主要集中于生物作用和物理作用;对磷的去除机理主要集中于物理作用和化学作用;但不同基质略有不同,如钢渣和无烟煤的处理机理主要集中于化学作用和物理作用;而其它六种基质基本上是物理、化学与生物反应共同作用的结果;9、根据一年多基质实验的系统运行和指标监测情况,并综合考虑湿地运行的各种影响因素,可以得出初步的结论:无烟煤、沸石、生物陶粒可作为高效的垂直流人工湿地基质;钢渣、蛭石、陶瓷滤料可作为垂直流人工湿地的辅助基质。二、八种基质组成成分定性定量分析1、在基质的组成成分方面,沸石、页岩、蛭石、砾石、陶瓷滤料的基质组成较为稳定,实验前后变化不大;无烟煤、钢渣、生物陶粒的组成成分有一定的变化;2、几种综合处理效果较好的基质中,无烟煤基质的成分组成以C和S为主;钢渣基质的成分组成以Ca和Si为主;沸石基质的成分组成以Si和Al为主;而处理效果最差的页岩基质,其成分组成虽也以Si和Al为主,但Fe和Mg的含量也较其它基质要高;3、在去除机理方面,结合基质组成成分的变化,可以发现,在去除机理是物理反应还是化学反应这个问题上:沸石、页岩、蛭石、砾石、陶瓷滤料、生物陶粒以物理作用为主,而钢渣和无烟煤以化学反应为主;4、沸石、页岩、钢渣和生物陶粒具有一定吸附有毒金属元素的作用,该特性有待进一步研究,使这些基质具有更为广泛的处理能力。三、八种基质对湿地堵塞的影响1、系统水头损失和水力停留时间可以反映湿地内的堵塞情况,八种基质中,生物陶粒、钢渣、沸石和蛭石的堵塞情况不明显,而砾石的堵塞情况较为严重;不同基质堵塞机理各有不同;2、基质自身结构特性会影响到堵塞,通过对不同基质孔隙率、渗透系数、含水率以及有机质的测定与综合分析,页岩和砾石对堵塞的影响较大;相对其较好的处理率而言,无烟煤的孔隙率和含水率较小,值得注意;3、通过对系统进出水流量的监测与分析发现,页岩和砾石基质中由于堵塞的发生,其进出水平均流速、流量与累计流量受到较大影响;而蛭石基质有较好持水度与容水度,可利用此特性提高其处理效果。