CN109942092A - 一种用于人工湿地除磷的模拟试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及人工湿地污水处理技术领域，特别涉及一种用于人工湿地除磷的模拟试验装置及试验方法。模拟试验装置包括污水配制装置，静态溶出装置，动态试验装置，出水装置，检测装置，还包括设置好参数后发送启动信号至动态试验装置、出水装置及污水配置装置的控制器，当出水完成后所述控制器发送检测污水中污染物含量的信号至检测装置。试验方法，包括以下步骤(一)、准备试验材料(二)、制备溶出溶液(三)、模拟污水及溶出溶液注入(四)、检测数据处理与分析(五)结论与实际应用。本发明成本低廉，操作简单，可模拟自然环境下磷的吸附率来快速得到该环境下所需的钙离子最大溶出量以最终得知实际环境中基质所需量，能精准的获得相关试验数据。

Description

一种用于人工湿地除磷的模拟试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及人工湿地污水处理技术领域，特别涉及一种用于人工湿地除磷的模拟试验装置及试验方法。

背景技术

人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，将污水、污泥有控制的投配到经人工建造的湿地上，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中，主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水、污泥进行处理的一种技术。其作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收及各类动物的作用。

人工湿地(CWs)技术，因低成本、低能耗、污染物去除效率高、易于操作和维护以及高回收率等优点，而备受国内外研究学者关注。其中，基质在人工湿地系统中起着重要的作用，它不仅为植物生长和微生物附着提供了载体，也是污水中总磷(TP)去除的最大贡献者。目前，常用基质有土壤、砾石、砂、蛭石、页岩等天然材料；活性炭、轻集料和陶粒等人工材料。粉煤灰、煤渣和钢渣等工业副产品，米糠、稻壳、植物锯末、树皮、花生壳、椰子壳、榛子壳和核桃壳等农业副产品。此外，水产养殖副产品也可作为有效的除磷基质。基质的选择对人工湿地处理污染物极为重要，许多废料和副产品都被证明可作为基质材料。

天然基质虽然有较好的通透性，但其净化能力较弱且容易饱和。工业副产品因其含有大量Fe2+、Al3+、Ca2+和Mg2+等金属离子，能与磷酸盐反应生成沉淀以及物理吸附作用，除磷能力远好于天然材料。研究表明，几种常用工业副产品对磷的去除效果顺序为：钢渣>煤渣>炉渣。但也有研究认为煤渣比钢渣更适合作为可替换的湿地基质材料。当pH较大时，磷的去除主要是由Ca2+与磷酸盐形成不溶性的Ca–P化合物。牡蛎壳等水产养殖副产品，因含有大量Ca2+而受到关注。研究表明，牡蛎壳的除磷效率优于沸石和火山岩等基质。有研究将煤渣与牡蛎壳组合使用，能达到很好的COD和TP去除效果。但是怎么能快速的将试验数据应用于实际环境中，同时，牡蛎壳与农业副产品同属于生物质原料，自身携带较多有机物质，作为基质材料是否会对水体中COD的去除造成影响却少有报道。

除基质性能外，水力停留时间(HRT)也是影响除磷效果的重要因素。HRT过短，反应不充分，不能达到很好的处理效果。延长HRT虽可以提高污染物的处理效率，但停留时间过长容易造成大量死水区，使得水质变差产生恶臭，那么水力停留时间为多久能达到最佳呢。

专利CN 108862597 A,本发明公开了一种加热恒温式人工湿地污水处理系统，包括基质层和种植于基质层上的植被层，污水从基质层的一端导入，从另一端导出，所述基质层内设置有加热装置，所述加热装置用于加热基质层内的污水至一定温度范围，以便于杂质分解。本发明在基质层内设置加热装置，保持基质层内的污水在一定的温度范围，有利于保持微生物的活性，加速对杂质的分解；并且可进一步设置振动装置，通过振动而加速杂质的分解，同时避免杂质滞留，效果好，实用性强。专利CN 104230000 A，一种富营养化水体脱氮除磷处理的方法，采用动态水流，模拟自然湿地环境，在有光照的条件下，利用沉水植物与微生物的联合作用，对富营养化水体进行连续脱氮除磷处理，从而将氮磷从水体中去除。本发明还提供一种动态流水处理装置，依次由进水装置、生物反应装置和出水装置连通而成，通过控制生物反应装置的水流流量或流速，使生物反应装置持续进出水，使生物反应装置中的水流形成缓流，在底部铺设填料，栽植沉水植物并在生物反应装置中投入微生物，使微生物富集于靠近填料的位置处，使沉水植物和微生物联合形成脱氮除磷体系。

上述专利虽能模拟自然湿地系统，使模拟人工湿地环境更接近自然湿地，能更有效地控制湖泊及景观水体的水质，但是上述专利仍然存在一些不足，其不能快速实验计算得出模拟自然环境下所需最大吸附、去除污染物基质并应用于实际环境中。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种结构简单，测试结果准确、直观、快速，可精确模拟自然环境下污染元素磷的吸附率，快速得到该环境下所需的最大溶出量的用于人工湿地除磷的模拟试验装置及试验方法。

本发明为实现上述目的采用的技术方案是：一种用于人工湿地除磷的模拟试验装置，包括根据不同环境下污水成分进行污水配制的污水配制装置，用于将试验基质中含有的物质快速溶出的静态溶出装置，用于去除污水中有害物质的动态试验装置，用于对去除完成后的污水进行收集的出水装置，以及用于检测出水装置内污水中污染物含量的检测装置，还包括设置好参数后发送启动信号至动态试验装置、出水装置及污水配置装置的控制器，当出水完成后所述控制器发送检测污水中污染物含量的信号至检测装置。

上述的用于人工湿地除磷的模拟试验装置，所述静态溶出装置包括加温箱体，在加温箱体内设有若干用于盛装溶出溶液的溶出容器和用于均匀搅拌溶出溶液以使溶出容器中溶液浓度相同的自动搅拌装置，还设有温度传感器以及温度控制单元，当温度传感器检测到静态溶出装置内温度与设置温度不同时，发送检测信号至控制器，控制器发送调控温度的信号至温度控制单元。

上述的用于人工湿地除磷的模拟试验装置，所述污水配制装置包括用于盛装配制完成形成模拟污水的污水容器，所述模拟污水通过污水通道注入动态试验装置，还包括设置于污水通道上用于控制模拟污水流速的污水电磁阀及污水流速传感器，所述控制器接收到污水流速传感器检测的信号后发送控制污水电磁阀启动或停止的信号至污水电磁阀。

上述的用于人工湿地除磷的模拟试验装置，所述动态试验装置包括用于盛装溶出溶液和模拟污水的去除容器，所述去除容器通过溶出溶液通道与溶出容器连接，以及设于溶出溶液通道上用于控制溶出溶液注入去除容器流速的溶出溶液电磁阀和溶液流速传感器，所述控制器接收到溶液流速传感器检测的信号后发送控制溶出溶液电磁阀启动或停止的信号至溶出溶液电磁阀，所述去除容器的顶端、下端分别设有进水口、排水口。

上述的用于人工湿地除磷的模拟试验装置，所述出水装置包括通过出水通道与排水口连接的用于收集试验完成后排出的模拟污水的采样容器，以及设于出水通道上用于控制模拟污水流出速度的出水电磁阀和出水流速传感器，所述控制器接收到出水流速传感器检测的信号后发送控制出水电磁阀启动或停止的信号至出水电磁阀。

上述的用于人工湿地除磷的模拟试验装置，所述自动搅拌装置包括可伸缩的搅拌棒，与搅拌棒连接的用于驱动搅拌棒转动的驱动装置，所述加温箱本体上部设有用于搅拌棒通过的搅拌孔，所述搅拌孔上设有用于密封的橡胶圈，所述驱动装置包括伺服电机，所述伺服电机接收控制器发送的控制其启动或停止的信号。

上述的用于人工湿地除磷的模拟试验装置，所述的试验模拟装置还包括用于参数设置以及显示参数信息的人机交互设备，所述控制器为PLC控制器，所述溶出容器、去除容器、污水容器以及采样容器为烧杯或锥形瓶，所述污水通道、溶出溶液通道、出水通道上均设有蠕动泵。

一种用于人工湿地除磷的试验方法，包括以下步骤：

(一)、准备试验材料

(1)、首先，准备材料为机玻璃的烧杯，在该烧杯的排水口处焊接排水管，制备去除容器；

(2)、准备试验基质，去离子水，模拟污水，溶出容器，静态溶出装置，采样容器，蠕动泵；

(二)、制备溶出溶液

(1)、首先，将试验基质放置于溶出容器，然后向溶出容器中加入去离子水；

(2)、再将步骤(1)所述的溶出容器放置于静态溶出装置中进行加热，可快速得到溶出溶液；

(三)、模拟污水及溶出溶液注入

(1)、参数设置：在人机交互设备上设置静态溶出装置的溶出温度及溶出时间，污水电磁阀、溶出溶液电磁阀注入去除容器的时间及流速，出水电磁阀的流出时间及流速；

(2)、启动：启动静态溶出装置，到设置时间后，溶出溶液电磁阀打开，溶出溶液电磁阀关闭后污水电磁阀打开，同时出水电磁阀打开，将去除完成后的模拟污水收集至采样容器；

(3)、检测：采样完成后，用检测装置对采样容器的模拟污水的成分及有害物质含量进行检测，通过相关检测方法得到检测数据；

(四)、检测数据处理与分析：

将步骤(三)中得到的检测数据采用相关方法进行分析；

(五)、结论与实际应用：

(1)、根据步骤(四)对模拟污水的检测、分析、计算得出去除率及试验基质所需最大溶出量；

(2)、根据去除率及最大溶出量得出试验中最大基质用量，最终根据最大基质用量计算得出实际环境中所需基质用量，并将得出的结论应用于实际。

上述的用于人工湿地除磷的试验方法，所述步骤(二)中可将不同试验基质放入溶出容器中研究不同试验基质溶出物质本身对污水中有害物质的去除效果；将所述试验基质的设置为不同粒径，不同粒径对污水中有害物质的去除效果；可控制模拟污染水在去除容器中的滞留时间实现模拟污水在动态试验装置中的滞留时间对污水中有害物质的去除效果。

上述的用于人工湿地除磷的试验方法，所述试验基质包括煤渣、牡蛎壳、扇贝壳，所述煤渣粒径为2-30mm，牡蛎壳包括完整牡蛎壳和破碎牡蛎壳，所述完整牡蛎壳长50-80mm，高10-30mm，所述破碎牡蛎壳长10-30mm，高5-10mm，所述扇贝壳包括完整扇贝壳和破碎扇贝壳，所述完整扇贝壳长50-30mm，宽30-60mm，所述破碎扇贝壳长10-30mm，高5-10mm，所述试验基质中含有的物质包括可溶性钙离子、有机物、磷，所述步骤(三)检测方法包括氨氮采用纳氏试剂分光光度法，硝氮采用麝香草酚分光光度法，COD采用快速密闭催化消解法、总磷采用钼锑抗分分光度法，PH值及氧化还原电位采用PH计测定。

本发明用于人工湿地除磷的模拟试验装置及试验方法的有益效果是：本发明中的用于人工湿地除磷模拟试验装置，通过增加静态溶出装置，起到快速得到试验基质的最大溶出量，节省了试验时间，降低了试验成本；在静态溶出装置中设置自动搅拌装置，以保证所取溶出溶液中的溶液浓度一致，从而保证试验数据的精确性；通过设置温度控制装置，进行温度的调节，以满足不同基质快速得到最大溶出量时所需温度，通过控制污水电磁阀、溶出溶液电磁阀注入去除容器的时间及流速，从而精确控制污水进水量，以使得计算得出的吸附率可靠精准；通过控制出水电磁阀的流出时间及流速，从而精确控制模拟污水在动态试验装置中滞留时间，既而测定达到最佳去除效果时所需水力停留时间，为人工湿地提供理论依据及实践指导。

本发明中的人工湿地除磷试验方法，通过研究不同基质溶出的溶出溶液、相同基质不同粒径、以及模拟污水在动态试验装置中的滞留时间对污染物及氮磷的去除效果的研究，可充分了解污染物去除影响因素，通过计算得出去除率及试验基质所需最大溶出量，最终根据计算得出实际环境中所需基质用量。本发明为不同地区的人工湿地能达到污染物最佳去除效果所需的基质量提供可靠的理论依据及实践指导，成本低廉，操作简单，与实际相结合，自动完成相关数据采集且获得的相关试验数据精准。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明控制模块图；

图3为本发明试验方法流程框图；

图4为基质中有机物的溶出变化曲线图；

图5为基质中磷的溶出变化曲线图；

图6为基质中可溶性钙离子溶出变化曲线图；

图7为煤渣不同粒径对COD去除率与水力滞留时间变化曲线图；

图8为煤渣不同粒径对TP去除率与水力滞留时间变化曲线图；

图9为牡蛎壳不同粒径对COD去除率与水力滞留时间变化曲线图；

图10为牡蛎壳不同粒径对TP去除率与水力滞留时间变化曲线图；

图11为扇贝壳不同粒径对COD去除率与水力滞留时间变化曲线图；

图12为扇贝壳不同粒径对TP去除率与水力滞留时间变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明；

如图1-12所示，一种用于人工湿地除磷的模拟试验装置，包括根据不同环境下污水成分进行污水配制的污水配制装置1，用于将试验基质8中含有的物质快速溶出的静态溶出装置2，用于去除污水中有害物质的动态试验装置3，用于对去除完成后的污水进行收集的出水装置4，以及用于检测出水装置内污水中污染物含量的检测装置，还包括设置好参数后发送启动信号至动态试验装置、出水装置及污水配置装置的控制器，当出水完成后所述控制器发送检测污水中污染物含量的信号至检测装置。控制器优选采用环境适应能力高的PLC控制器，延长使用寿命,检测装置为现有技术且未图示。

静态溶出装置包括加温箱体6，在加温箱体6内设有若干用于盛装溶出溶液的溶出容器7和用于均匀搅拌溶出溶液以使溶出容器7中溶液浓度相同的自动搅拌装置，还设有温度传感器以及温度控制单元，当温度传感器检测到静态溶出装置2内温度与设置温度不同时，发送检测信号至控制器，控制器发送调控温度的信号至温度控制单元。自动搅拌装置包括可伸缩的搅拌棒19，与搅拌棒18连接的用于驱动搅拌棒转动的驱动装置，加温箱本体上部设有用于搅拌棒通过的搅拌孔，搅拌孔上设有用于密封的橡胶圈，驱动装置包括伺服电机20，伺服电机接收控制器发送的控制其启动或停止的信号。

污水配制装置包括用于盛装配制完成形成模拟污水21的污水容器9，模拟污水21通过污水通道10注入动态试验装置3，还包括设置于污水通道10上用于控制模拟污水流速的污水电磁阀11及污水流速传感器，控制器接收到污水流速传感器检测的信号后发送控制污水电磁阀11启动或停止的信号至污水电磁阀11。

动态试验装置包括用于盛装溶出溶液和模拟污水的去除容器12，去除容器12通过溶出溶液通道13与溶出容器7连接，以及设于溶出溶液通道13上用于控制溶出溶液注入去除容器12流速的溶出溶液电磁阀14和溶液流速传感器，控制器接收到溶液流速传感器检测的信号后发送控制溶出溶液电磁阀14启动或停止的信号至溶出溶液电磁阀14，去除容器12的顶端、下端分别设有进水口、排水口。

出水装置包括通过出水通道16与排水口连接的用于收集试验完成后排出的模拟污水的采样容器17，以及设于出水通道16上用于控制模拟污水流出速度的出水电磁阀18和出水流速传感器，控制器接收到出水流速传感器检测的信号后发送控制出水电磁阀18启动或停止的信号至出水电磁阀18。

试验模拟装置还包括用于参数设置以及显示参数信息的人机交互设备，溶出容器、去除容器、污水容器以及采样容器为烧杯或锥形瓶，污水通道、溶出溶液通道、出水通道上均设有蠕动泵22。

一种用于人工湿地除磷的试验方法，包括以下步骤：

(一)、准备试验材料

准备试验基质，去离子水，模拟污水；

(1)、首先，准备材料为机玻璃的烧杯，在该烧杯的排水口处焊接排水管15，制备去除容器；采用的烧杯高为500mm，内直径为100mm；

(2)、准备试验基质，去离子水，模拟污水，溶出容器，静态溶出装置，采样容器，蠕动泵。

本实施例中选取含有大量Al3+、Fe2+和Ca2+的典型材料——煤渣、牡蛎壳和扇贝壳三种经济型基质模拟垂直流人工湿地。其中试验基质选用煤渣：经锅炉燃烧后产生的废弃物，呈多孔隙结构，比表面积大，具有良好的吸附过滤性能。其主要成分为SiO2(40-50％)、Al2O3(30-35％)、Fe2O3(4-20％)、CaO(1-5％)及少量Mg、S和C等元素。牡蛎壳：主要由CaCO3(约93-96％)组成。此外还含有少量SiO2、MgO、Al2O3、SrO、P2O5、Na2O和SO3等。通过释放Ca2+与可溶性磷反应，从而达到除磷的效果。其表相和多孔层两种层相的组成结构，也更有利于微生物的附着。扇贝壳：与牡蛎壳同属于水产养殖废弃物。扇贝壳中的主要物质为CaCO3，其含量在90％以上，此外还包括少量Mg、Fe、Al、Na、Sr、Si、Ba等元素。

试验使用的煤渣取自热力公司，牡蛎壳和扇贝壳均取自海鲜市场，将三种基质材料清洗晾干后破碎分选备用。选用粒径为10-30mm、5-10mm和2-5mm的煤渣，按粒径由大到小分别标记为A-1、A-2和A-3；牡蛎壳大小分别为：长50-80mm，高10-30mm(完整)和长10-30mm，高5-10mm(破碎)，分别标记为B-1和B-2；扇贝壳大小分为：长50-80mm，宽30-60mm(完整)和10-30mm(破碎)两种，分别标记为C-1和C-2。试验基质中含有的物质包括可溶性钙离子、有机物、磷。

为真实模拟实际，按工业区、生活区、自然区不同的污染物含量进行模拟污水的配制，可采用人工配制污水，也可采用自动配制污水，如表1所示，以城市自来水为配制污水水源；以葡萄糖(C6H12O6)为主要C源，模拟污水中的有机污染物；以磷酸二氢钾(KH2PO4)为主要P来源，模拟污水中含磷物质。

表1试验进水水质

试验在试验室内进行，运行期间进水方式为间歇进水，设置HRT为1～7d，每循环周期配水一次，待达反应时间后取样检测出水中COD和TP的浓度，运行期间因自然蒸发和取样损失的水量不再给予补充。

(二)、制备溶出溶液

(1)、首先，将三组粒径煤渣A-1、A-2、A-3各10g分别放入250mL溶出容器锥形瓶中，加入200mL去离子水，分别取牡蛎壳B-1和B-2，牡蛎壳C-1和C-2各20g，放入1000mL烧杯中加入500mL去离子水；

(2)、再将步骤(1)制备的溶出容器放置于静态溶出装置中进行加热，通过控制温度可快速得到溶出溶液；

(三)、模拟污水及溶出溶液注入

(1)、参数设置：在人机交互设备上设置静态溶出装置的溶出温度及溶出时间，三组粒径煤渣的溶出时间设置为0.5、1、2、3、5、7、12、24和48h；两组牡蛎壳、两组牡蛎壳的溶出时间设置为1、5、10、30、60、120、240、480和720min，静态溶出装置温度设置为25℃，污水电磁阀、溶出溶液电磁阀注入去除容器的时间及流速，出水电磁阀的流出时间及流速；

(2)、启动：启动静态溶出装置，到设置时间后，溶出溶液电磁阀打开，溶出溶液电磁阀关闭后污水电磁阀打开，同时出水电磁阀打开，将去除完成后的模拟污水收集至采样容器；启动静态溶出装置，自动搅拌装置同时启动并一直均速搅拌。

(3)、检测：采样完成后，用检测装置对采样容器的模拟污水的成分及有害物质含量进行检测，通过相关检测方法得到检测数据。

可将不同试验基质放入溶出容器中研究不同试验基质溶出物质本身对污水中有害物质的去除效果；将所述试验基质的设置为不同粒径，不同粒径对污水中有害物质的去除效果；可控制模拟污染水在去除容器中的滞留时间实现模拟污水在动态试验装置中的滞留时间对污水中有害物质的去除效果。

(四)、检测数据处理与分析：

将步骤(三)中得到的检测数据采用相关方法进行分析；

每次取样后将样品进行预处理待测，化学需氧量(COD)采用快速密闭催化消解法测定，总磷(TP)采用钼锑抗分光光度法测定，钙离子采用EDTA滴定法测定，pH采用便携式pH测定仪测定。

使用OriginPro8进行数据分析统计与处理；使用SPSS20对数据进行方差分析。对各基质在不用水力停留时间和粒径大小下对水体中COD和TP的去除效率在组间进行多重比较LSD检验。

试验可得出三种基质的COD溶出量达到平衡时时间与温度关系，以快速得到最大溶出量，同时平衡溶出量大小顺序为：牡蛎壳﹥扇贝壳﹥煤渣，分别为705.8、503.8和403.0mg·kg-1，最大溶出量分别为1311.4、1008.6和604.8mg·kg-1。由此可知，三种基质中的COD溶出是一个动态过程。扇贝壳有机物质的溶出量低于牡蛎壳，而煤渣中溶出的有机物主要是原煤在锅炉燃烧反应后残留的有机类物质。

三种基质中磷的平衡溶出量大小顺序为：牡蛎壳﹥扇贝壳和煤渣，分别为1.54、1.12和1.12mg·kg-1。煤渣有磷的溶出是因为煤渣中含有0.19-0.24％的P2O5，但也不排除原煤在锅炉中与含磷物质反应后的残留。煤渣在振荡0.5h后便达溶出平衡，牡蛎壳和扇贝壳则是呈现S型变化。可以看出，三种基质所溶出的磷含量对本试验实际运行时的影响几乎可以忽略不计。牡蛎壳与扇贝壳可溶性钙离子溶出试验分析可知，通过对两种壳类在经溶出后可溶性钙离子的溶出情况。四组粒径基质可溶性钙离子的溶出量大小为，破碎牡蛎壳(10-30mm)﹥完整牡蛎壳﹥破碎扇贝壳(10-30mm)﹥完整扇贝壳。从结果可以看出，扇贝壳在破碎前后的可溶性钙离子溶出量的差异并不是很大，牡蛎壳破碎前后的差异相对较明显。两组扇贝壳和完整牡蛎壳可溶性钙离子的溶出量差异不大，这与两种壳类的结构有关。扇贝壳属于单层结构，因此破碎前后并没有改变它的壳层结构。相反，牡蛎壳的多壳层结构在破碎后使原本没能于水充分接触的部分暴露出来，增加了水中可溶性钙离子的含量。

对三组煤渣进行组间方差分析可知，粒径越小，COD的去除率越高。对COD的去除率A-1分别与A-2和A-3具有差异性显著(P﹤0.01)，A-2与A-3没有显著差异(P﹥0.05)。分析其原因，一是随着粒径的减小，基质层空隙变小，基质的导水性变差，污水与基质不能充分接触；二是粒径减小，表面积增大，增加了煤渣中有机物质的溶出量，从而影响对COD的处理效果。对TP的去除效率，三组粒径间均有明显差异性(P﹤0.01)。基质粒径越小，污水与基质接触越充分，越有利于TP的去除。

三组粒径煤渣对COD均有很好的去除效果。HRT在1-3d时，COD去除率随HRT延长明显提高。之后随着HRT增加，COD去除率呈波动上升。由静态溶出试验可以得知，随HRT的延长，水体中COD含量会有一定增加，但煤渣本身的吸附作用还是起着主导作用。A-1、A-2和A-3组煤渣均在HRT＝7d时，达COD最大去除率，分别为83.91、88.01和90.05％。

从三组粒径煤渣对TP的去除率曲线中可知，随着HRT的延长，三组煤渣对TP去除效果变化不明显。当HRT﹥3d时，A-1和A-2对TP的去除率没有明显差异(P﹥0.05)；当HRT﹥1d时，A-3对TP的去除率均在95％以上，但没有明显差异(P﹥0.05)。A-1、A-2和A-3均在HRT＝4d时去除率达到最大，分别为90.75、94.67和96.23％。

增加HRT，有助于煤渣对COD和TP的去除。在该试验设置的HRT下并没有得出几组煤渣对COD处理的极限值，若继续增加HRT还可以进一步提升其处理效率。运行多长时间后煤渣基质对COD的吸附作用会达饱和，则需要进行进一步研究。对TP的去除而言，三组煤渣平均在HRT﹥4d后就没有明显差异，说明煤渣对TP的去除效果非常显著，且能在较短时间达最佳去除率。因此对TP的处理，HRT过长并不具有实际意义。在该试验进水pH下，煤渣中的金属离子对TP的去除并非以生成Fe-P和Al-P等络合物沉淀为主，而是以物理吸附为主。故当粒径越小时，对TP的去除速度越快。粒径及HRT对牡蛎壳去除COD和TP的影响

不同粒径的两组牡蛎壳对COD的处理效果，如图所示，随着HRT增加，水体中COD含量呈波动式上升。B-1与B-2间对COD去除效率的影响差异性明显(P﹤0.01)，牡蛎壳破碎程度越大，HRT越大，出水COD含量越高。由于对牡蛎壳除简单的清洗自然风干后，并没有再进行灭菌或煅烧等二度处理，壳上粘附的残肉以及壳层中原有的有机物质并没有被彻底清除，经浸泡后释放出有机物质使出水COD含量升高。破碎后的牡蛎壳因壳层结构被破坏，壳层内物质外逸，随着HRT的延长增加了物质与水体的接触时间，更多有机物质溶入水中，使出水COD含量高于未破碎牡蛎壳。B-1和B-2出水COD含量最高时分别为进水的1.5和2.1倍。结合静态试验分析，牡蛎壳有机物的溶出效应大于自身对有机物的吸附作用。在实际情况中，牡蛎壳的破碎是不可避免的。因此，牡蛎壳作为基质材料时应进行除清洗外的二次处理。

不同粒径的两组牡蛎壳对TP的处理效果，其组间对TP的去除效率没有明显差异性(P﹥0.05)。同时从可溶性钙离子溶出试验可知，虽然破碎后牡蛎壳溶出的可溶性钙离子量有所增加，但简单破碎后的牡蛎壳，结构形态和比表面积并没有明显变化，故对TP的去除率影响并不明显。随着HRT的延长，TP的去除率有所增加。在HRT为3d和4d时，TP去除率略有下降，但没有明显差异(P﹥0.05)。结合静态试验可知，这主要是由于牡蛎壳中磷的溶出所导致。B-1和B-2都在HRT＝7d时，对TP达到最大去除率，分别为78.87％和81.57％。由试验结果可知，HRT越长，越有利于牡蛎壳对TP的去除。但是，其最佳处理效果出水中TP含量为1.24mg·L-1和1.31mg·L-1(﹥1mg·L-1)，高于综合污水排放一级标准，与Martins等对煅烧牡蛎壳去磷效果相比较差。

与煤渣相比，在进水pH﹥7的条件下，牡蛎壳释放的Ca2+对磷酸根离子的络合优势并不显著。主要因为非粉末状的牡蛎壳释放出的Ca2+不充分，但也有研究指出Ca2+对磷的最佳去除pH为8-10，这显然不符合出水水质标准。该试验进水pH条件下，煤渣对磷的去除除以Fe2+和Al3+对磷的物理吸附作用为主，还有Ca-P化合物的生成，又因其疏松的空隙结构，和比牡蛎壳更大的比表面积，因此对TP的去除效果优于牡蛎壳。

不同粒径及HRT对扇贝壳基质去除COD和TP的影响，两组扇贝壳对COD的处理效果有明显差异性(P﹤0.01)。C-1对COD有一定物理吸附效果，但C-2随HRT延长，使出水COD含量升高。C-1在HRT为1-3d时，对COD的去除率不断提高。当HRT＝3d时，C-1对COD的去除率最大值为61.7％。继续延长HRT后，COD去除率逐渐下降，出水COD含量升高。因为扇贝壳同样为生物质原料，壳上的残肉等物质经浸泡后，随着HRT的延长，有机物的溶出效应大于其物理吸附作用，使水体中COD含量升高。而破碎后的扇贝壳COD溶出效应始终占主导优势，除此之外，扇贝壳破碎后，碎片间紧密堆积增加彼此间的挤压力，加速COD溶出，故对COD的去除呈负作用。与牡蛎壳相比其没有复杂的壳层结构，经同样预处理后有机物质的残留相对较少，因此对出水COD的影响相对较小。

不同粒径的两组扇贝壳间对TP的处理效果均没有明显差异性(P﹥0.05)。与牡蛎壳相比，其组间差异更小，这与可溶性钙离子溶出试验的结果一致。且密集堆叠的碎扇贝壳容易使透水性下降，也会影响去除效果。对TP的去除率均随HRT的增加而增加(P﹤0.05)。当HRT＝6d时，对TP均达到最大去除率，分别为78.96％和78.33％。其出水TP含量分别为2.42mg·L-1和2.49mg·L-1(﹥1mg·L-1)，同样也高于综合污水排放标准一级标准。

有研究指出有机质的存在有利于磷的吸附，相比于之下，牡蛎壳含有更多的有机物质，而对磷的去除率仅仅比扇贝壳高出2.61％，差别并不明显。主要还是由于该形态下的牡蛎壳与扇贝壳中Ca2+的释放并不充分，因此并不能看出两者间明显的差异。也有研究认为有机物会与磷竞争吸附点使磷去除率下降，这就需要结合完整的湿地系统，以及有机物种类进行详细研究分析，才能进一步证明有机物的存在与否及如何影响TP的去除。

(五)、结论与实际应用：

(1)、根据步骤(四)对模拟污水的检测、分析、计算得出去除率及试验基质所需最大溶出量；

其中各污染物(COD和TP)的去除效率R(％)计算公式为：

式中C0为各污染物进水浓度(mg·L-1)，Ci为各污染物出水浓度(mg·L-1)。

(2)、根据去除率及最大溶出量得出试验中最大基质用量，最终根据最大基质用量计算得出实际环境中所需基质用量，并将得出的结论应用于实际。可模拟自然环境下吸附率来快速得到该环境下所需的最大溶出量以最终计算得出实际环境中基质所需量。

结论：a)由静态溶出试验可知，三种基质均有有机物和TP的溶出。平衡溶出量大小顺序为：牡蛎壳﹥扇贝壳﹥煤渣，基质本身对有机物的去除效果有限，主要还要依靠微生物作用。由动态试验可得知，对TP去除率顺序为：煤渣﹥牡蛎壳﹥扇贝壳。可溶性钙离子溶出顺序为：破碎牡蛎壳﹥完整牡蛎壳﹥破碎扇贝壳﹥完整扇贝壳。对COD的去除，煤渣效果最好，牡蛎壳和扇贝壳均会对其造成一定程度的负影响。

b)HRT和粒径对三种基质处理COD和TP的影响有一定差异。对TP的处理而言，粒径越小HRT越长，越有利于三种基质TP的去除。对煤渣而言，减小粒径和延长HRT均有利于对COD的去除，但粒径过小会使基质层的通透性下降，同时还会带来堵塞问题，因此煤渣基质粒径不宜过小。而牡蛎壳和扇贝壳则是随着粒径的减小以及HRT的延长，出水COD含量升高，且HRT过长容易使水体产生恶臭，不宜作为单一基质使用。

本发明通过静态溶出装置，讨论三种基质有机物和TP的溶出情况。通过动态试验装置，讨论三种单一基质在不同粒径和HRT条件下对处理COD和TP效果的影响，并通过采集试验数据计算去除率及试验基质所需最大溶出量，再根据去除率及最大溶出量得出试验中最大基质用量，最终根据最大基质用量计算得出实际环境中所需基质用量，为合理选择人工湿地基质提供理论依据和实践指导。

本发明通过模拟自然环境下对污染元素磷的吸附率，来快速得到该环境下所需的钙离子最大溶出量，从而计算出所需牡蛎壳或扇贝壳的用量，并将该用量应用于实际环境中。通过设置静态溶出装置，进行调节控制温度可快速将牡蛎壳或扇贝壳中的钙离子快速溶出，节省试验时间，通过设置自动搅拌装置，可使得注入动态试验装置内的溶液浓度与剩余在溶出容器溶液浓度相同，可保证试验准确率，通过控制溶出溶液电磁阀以控制溶出溶液注入动态试验装置内的流速和时间，来实现控制注入量，注入溶液量小于溶出容器中的总溶液量，以避免当溶出容器中溶液不能全部注入动态试验装置时影响钙离子注入量，从而影响试验准确性；当检测到出水容器中模拟污染水还存在未吸附完的磷时，并根据计算得出的吸附率，大概计算得出还需加入动态试验装置内钙离子量，打开第二个溶出容器电磁阀，将溶出溶液注入动态试验装置，在通过检测收集模拟污染水中磷含量以及吸附率，当吸附率小于100％时，重复以上，直至检测不到磷为止，最终得出吸附一定量的磷时所需的牡蛎壳或扇贝壳的用量，并应用于实际中，为实际提供理论依据。

我国每年会排放大量的煤渣、牡蛎壳和扇贝壳。虽然目前国内已有相关的处理加工技术使其变废为宝，以减小对环境的污染，但因运输和处理成本较高，商业竞争力小，得不到充分合适利用，长期暴露在外部环境或进行填埋处理，在经过外界作用后，大量有机物质和磷渗入土壤和水体中，严重威胁人类健康，引发生态环境问题。将这些废弃物进行简单处理后用作人工湿地基质，是一种资源再利用的选择。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于人工湿地除磷的模拟试验装置，其特征在于：包括根据不同环境下污水成分进行污水配制的污水配制装置，用于将试验基质中含有的物质快速溶出的静态溶出装置，用于去除污水中有害物质的动态试验装置，用于对去除完成后的污水进行收集的出水装置，以及用于检测出水装置内污水中污染物含量的检测装置，还包括设置好参数后发送启动信号至动态试验装置、出水装置及污水配置装置的控制器，当出水完成后所述控制器发送检测污水中污染物含量的信号至检测装置。

2.根据要求1所述的用于人工湿地除磷的模拟试验装置，其特征是：所述静态溶出装置包括加温箱体，在加温箱体内设有若干用于盛装溶出溶液的溶出容器和用于均匀搅拌溶出溶液以使溶出容器中溶液浓度相同的自动搅拌装置，还设有温度传感器以及温度控制单元，当温度传感器检测到静态溶出装置内温度与设置温度不同时，发送检测信号至控制器，控制器发送调控温度的信号至温度控制单元。

3.根据要求1所述的用于人工湿地除磷的模拟试验装置，其特征是：所述污水配制装置包括用于盛装配制完成形成模拟污水的污水容器，所述模拟污水通过污水通道注入动态试验装置，还包括设置于污水通道上用于控制模拟污水流速的污水电磁阀及污水流速传感器，所述控制器接收到污水流速传感器检测的信号后发送控制污水电磁阀启动或停止的信号至污水电磁阀。

4.根据要求1所述的用于人工湿地除磷的模拟试验装置，其特征是：所述动态试验装置包括用于盛装溶出溶液和模拟污水的去除容器，所述去除容器通过溶出溶液通道与溶出容器连接，以及设于溶出溶液通道上用于控制溶出溶液注入去除容器流速的溶出溶液电磁阀和溶液流速传感器，所述控制器接收到溶液流速传感器检测的信号后发送控制溶出溶液电磁阀启动或停止的信号至溶出溶液电磁阀，所述去除容器的顶端、下端分别设有进水口、排水口。

5.根据要求1所述的用于人工湿地除磷的模拟试验装置，其特征是：所述出水装置包括通过出水通道与排水口连接的用于收集试验完成后排出的模拟污水的采样容器，以及设于出水通道上用于控制模拟污水流出速度的出水电磁阀和出水流速传感器，所述控制器接收到出水流速传感器检测的信号后发送控制出水电磁阀启动或停止的信号至出水电磁阀。

6.根据要求2所述的用于人工湿地除磷的模拟试验装置，其特征是：所述自动搅拌装置包括可伸缩的搅拌棒，与搅拌棒连接的用于驱动搅拌棒转动的驱动装置，所述加温箱本体上部设有用于搅拌棒通过的搅拌孔，所述搅拌孔上设有用于密封的橡胶圈，所述驱动装置包括伺服电机，所述伺服电机接收控制器发送的控制其启动或停止的信号。

7.根据要求6所述的用于人工湿地除磷的模拟试验装置，其特征是：所述的试验模拟装置还包括用于参数设置以及显示参数信息的人机交互设备，所述控制器为PLC控制器。

8.一种采用如权利要求1-7任一项所述的用于人工湿地除磷的模拟试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

(一)、准备试验材料

(1)、首先，准备材料为机玻璃的烧杯，在该烧杯的排水口处焊接排水管，制备去除容器；

(2)、准备试验基质，去离子水，模拟污水，基质溶出容器，静态溶出装置，采样容器，蠕动泵；

(二)、制备溶出溶液

(1)、首先，将试验基质放置于溶出容器，然后向溶出容器中加入去离子水；

(2)、再将步骤(1)所述的溶出容器放置于静态溶出装置中进行加热，可快速得到溶出溶液；

(三)、模拟污水及溶出溶液注入

(1)、参数设置：在人机交互设备上设置静态溶出装置的溶出温度及溶出时间，污水电磁阀、溶出溶液电磁阀注入去除容器的时间及流速，出水电磁阀的流出时间及流速；

(2)、启动：启动静态溶出装置，到设置时间后，溶出溶液电磁阀打开，溶出溶液电磁阀关闭后污水电磁阀打开，同时出水电磁阀打开，将去除完成后的模拟污水收集至采样容器；

(3)、检测：采样完成后，用检测装置对采样容器的模拟污水的成分及有害物质含量进行检测，得到检测数据；

(四)、检测数据处理与分析：

将步骤(三)中得到的检测数据采用相关方法进行分析；

(五)、结论与实际应用：

(1)、根据步骤(四)对模拟污水的检测、分析、计算得出去除率及试验基质所需最大溶出量；

(2)、根据去除率及最大溶出量得出试验中最大基质用量，最终根据最大基质用量计算得出实际环境中所需基质用量，并将得出的结论应用于实际。

9.根据要求8所述的用于人工湿地除磷的试验方法，其特征是：所述步骤(二)中可将不同试验基质放入溶出容器中研究不同试验基质溶出物质本身对污水中有害物质的去除效果；将所述试验基质的设置为不同粒径，不同粒径对污水中有害物质的去除效果；可控制模拟污染水在去除容器中的滞留时间实现模拟污水在动态试验装置中的滞留时间对污水中有害物质的去除效果。

10.根据要求9所述的用于人工湿地除磷的试验方法，其特征是：所述试验基质包括煤渣、牡蛎壳、扇贝壳，所述煤渣粒径为2-30mm，牡蛎壳包括完整牡蛎壳和破碎牡蛎壳，所述完整牡蛎壳长50-80mm，高10-30mm，所述破碎牡蛎壳长10-30mm，高5-10mm，所述扇贝壳包括完整扇贝壳和破碎扇贝壳，所述完整扇贝壳长50-30mm，宽30-60mm，所述破碎扇贝壳长10-30mm，高5-10mm，所述试验基质中含有的物质包括可溶性钙离子、有机物、磷。