運行參數對徑流人工濕地有機物去除的影響

肖海文，陳 妮，柳登發(fā)，翟 俊

（重慶大學 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶400045）

隨著點源污染控制水平的提高，面源污染對我國水環(huán)境的威脅日益突出.人工濕地作為一種新興的污水生態(tài)處理技術，在農業(yè)徑流及城市徑流污染控制中的應用日益受到關注，現已成為面源污染控制的重要對策之一［1－4］.然而，雖然自20世紀初第1個人工濕地建成運行至今人工濕地技術研究取得了重大進展［5］，但這些研究絕大多數都建立在連續(xù)流進水、水質水量相對恒定的常規(guī)穩(wěn)態(tài)運行基礎之上，這與徑流處理隨機間歇進水、水質水量波動的運行條件有本質的差別.而在實際運行中，由于特殊的運行條件，徑流處理人工濕地往往表現出與常規(guī)污水處理人工濕地明顯相異的污染物去除規(guī)律［6－7］.目前，針對徑流處理人工濕地實際運行條件對處理效果影響的研究十分鮮見，而徑流處理人工濕地在隨機間歇運行條件下的除污規(guī)律和特點尚不明確，使得人工濕地在面源污染控制領域的進一步應用受到限制.

本文以水平潛流人工濕地為例，模擬設有前置調蓄設施的徑流處理人工濕地的運行條件，通過影響因素正交試驗，考察隨機間歇進水、進水水量負荷恒定的運行條件下表觀水力停留時間（hydraulic retention time，HRT，即濕地孔隙容積與流量的比值）、水深及運行前間隔天數（antecedent resting days，ARD）3個主要運行控制參數對人工濕地內有機物去除的影響，以期為雨水徑流處理人工濕地的進一步研究及運行管理提供一定的理論依據和技術參數.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

采用的水平潛流人工濕地裝置位于重慶大學實驗室溫室大棚內，如圖1所示.圖中DN和i分別代表管徑和人工濕地坡度.

圖1 試驗人工濕地裝置平剖面Fig.1 Plan and profile of the experimental constructed wetland

試驗人工濕地分為并列對稱布置的2組，每組15.3m2.主體濕地床為廊道折流式，每組共3個溝槽式廊道，廊道總長21.0m，寬0.8m，坡度2%.濕地床內填料采用本地石灰?guī)r（以方解石為主要成分的碳酸鹽巖）礫石，粒徑為10～15 mm，填充高度0.6m.2 組濕地床內的植物均為本地風車草（Cyperusalternifolius） 和 菖 蒲 （Iris pseudoacorus），栽種方式為混種，平均種植密度分別為20～25株·m－2和40～45株·m－2.進水井通過閥門控制進水流量.出水井通過水位調節(jié)閥可將濕地水位控制在0.2，0.4和0.6m.

1.2 試驗方法

試驗模擬徑流處理人工濕地的隨機間歇進水的運行條件，進水由校園生活污水、自來水及葡萄糖等配制而成，水質（CODCr、氨氮、總磷等指標）模擬實測城市住宅區(qū)徑流［8］.

試驗分為正交試驗和單因素工況試驗.正交試驗采用三因素六水平L18（61×32）的正交表（表1）設計試驗工況，考察HRT，ARD 和濕地床水深3個運行參數對有機物去除效果的影響程度和影響機制.每組工況試驗進行2次，分別在并列的2組濕地中同時進行，進水運行時間為7～10d，ARD 按工況安排為1，3或8d.試驗期間平均水溫為26.3℃，最低水溫為23.5℃，從而保證各組工況試驗在基本相同的氣溫條件下進行.

表1 正交試驗水平和因素Tab.1 Parameters of experimental factors in orthogonal experiment plan

1.3 采樣及水質分析方法

在各工況運行過程中，每日10：00和15：00在2組濕地的進、出水井各采集水樣1次作為進、出水水樣進行測試.考察濕地沿程有機物情況時，采樣點為進、出水井和各穿孔管（圖1），共9個取樣點.穿孔管內用軟管和洗耳球虹吸采樣.水樣用45μm 濾膜抽濾后測CODCr質量濃度，測試方法見文獻［9］.DO（dissolved oxygen）質量濃度用HACH sension1溶氧儀在穿孔管內現場測定；254nm 紫外吸光度（UV254，單位cm－1）采用45μm 濾膜將水樣抽濾后用紫外分光光度計測定.文中有機物的芳構化程度［10］，即UV254與CODCr質量濃度的比值為A，L·mg－1·cm－1.

2 結果

正交試驗結果見表2.由表2可見，在不同運行參數的工況下有機物去除率大小差異顯著.

表2 正交試驗運行參數、CODCr平均進、出水質量濃度與去除率Tab.2 CODCrconcentration and removal rate under different running conditions

3 分析與討論

3.1 運行參數的影響程度比較

以CODCr去除率為評價指標，根據正交試驗極差分析法［11］對HRT、水深和ARD 對有機物去除的影響程度進行統(tǒng)計分析，結果見表3，表中K1～K6為水平1～6的平均得分，ΔK為極差.

由表3可知，3個運行參數對CODCr去除率影響的重要程度由大到小依次為HRT、水深、ARD，其中HRT 為關鍵影響因素，對去除效果的影響程度遠大于水深和ARD.

表3 運行參數對有機物去除影響程度極差分析Tab.3 Maximum difference analysis of runningparameters affecting removal performance of CODCr

3.2 運行參數對有機物去除效果的影響

3.2.1 表觀水力停留時間

由圖2可知，有機物去除效果隨著HRT 增加而增加.當HRT 小于36h 時，CODCr去除率隨HRT的變化劇烈，表明在這一水力負荷范圍內有機物去除效果并不穩(wěn)定，去除率受HRT 影響變化明顯.當HRT 大 于36h 后，隨 著HRT 的 增 長，CODCr去 除率的增加已趨于平緩，表明此時有機物去除隨水力負荷的變化已逐漸平穩(wěn)，因此可認為本試驗條件下最佳HRT 為36h.

圖2 表觀水力停留時間對CODCr去除率的影響Fig.2 Effect of HTR on CODCrremoval rate

3.2.2 水深

由圖3可看出，在HRT 和運行間隔天數相等的情況下，隨著水深的增加，CODCr去除率基本呈下降趨勢，但0.2m 和0.4m 水深的CODCr去除率差異并不明顯.0.6m 水深時，CODCr去除率變化相對于0.2m 和0.4m 來講降低趨勢非常顯著，而且HRT越短CODCr去除率下降的幅度越大.

圖3 水深對CODCr去除率的影響Fig.3 Effect of water depth on CODCrremoval rate

一般來說，不同水深條件下濕地內水力學狀態(tài)差別明顯.Holland等［12］研究表明，在水力負荷相同條件下，水深較大的人工濕地系統(tǒng)內部存在更多的短流和死區(qū)，系統(tǒng)水力效率明顯劣于其水深較淺的工況，從而導致污染物在濕地內接觸反應時間的縮短.另外，試驗發(fā)現在水深0.6m 運行，當HRT 小于30h時，流速增大導致水頭損失增加，使?jié)竦卮睬? m 段出現了表面漫流現象.表面漫流減少了污染物與基質的接觸，不論是填料的物理截濾作用還是微生物的降解作用均大大降低，成為水深增加CODCr去除率下降的重要原因.

人工濕地內有機物的去除還與系統(tǒng)內氧的傳質情況密切相關.圖4為不同水深時在沿程穿孔管內測得的濕地水相內溶解氧沿垂直高度的分布情況.由圖4 可知在不同水深下濕地床內溶解氧（dissolved oxygen，DO）的質量濃度均隨著垂直高度的增加而增加，不同水層之間存在明顯的質量濃度梯度.濕地床內水深的增加導致了氣水兩相傳質的難度的增加，使床體內水深越大溶解氧越低.由圖4可知，在HRT 為36h的情況下，水深0.2，0.4和0.6 m工況下人工濕地床體內DO平均為1.60，1.30和0.75mg·L－1，可見由于水深增加而導致氧氣傳質能力的降低應該是有機物去除效率降低的另一個重要原因.

圖4 濕地床水相內溶解氧質量濃度沿垂直高度的分布Fig.4 Vertical distribution of dissolved oxygen in wetland bed

3.2.3 運行前間隔天數

由圖5可知，當HRT 較長時，ARD 對CODCr去除率的影響并不明顯；隨著HRT 的減小，CODCr去除率隨著ARD 的增加而增加的趨勢變得明顯，說明HRT 越短，ARD 對處理效果影響越大.

圖5 運行前間隔天數對CODCr去除率的影響Fig.5 Effect of ARD on CODCrremoval rate

在人工濕地用于處理雨水徑流的實際工程中ARD是由2次降雨間隔時間和調蓄池容積共同決定的運行參數.在停止進水期間雖然無外來有機污染物輸入，但滯留于人工濕地系統(tǒng)內的有機物仍然繼續(xù)進行著一系列的轉移和轉化過程.沉淀、截留在基質表面的有機物在微生物的作用下繼續(xù)降解，同時植物、微生物通過死亡、分解或代謝分泌活動又能向水中釋放有機物質，濕地內部有機物濃度即為這2種過程綜合作用結果［13－14］，而這一結果必將通過人工濕地接下來的運行體現在后續(xù)出水水質上.另外，ARD 的重要影響還表現在對濕地持有水分的減少上.如果2 次降雨間隔時間過長，調蓄池容積又過小，人工濕地長時間處于干旱狀態(tài)，蒸發(fā)、蒸騰作用導致水分流失將危及植物的生長以及整個人工濕地的生態(tài)功能，這是徑流處理人工濕地設計必須考慮的問題.

3.3 停止進水期間水相中有機物的轉移和轉化

濕地內通過植物及微生物死亡分解或代謝分泌活動向水中釋放有機物質，這部分有機質主要由含sp2共軛雙鍵的酚類、不飽和醛或酮、腐殖酸、木質素等組成［13－15］，因此，可用UV254作為這部分有機物在水中含量的間接表征.為了考察徑流處理人工濕地在停止進水期間系統(tǒng)內有機物的轉移轉化規(guī)律，測定了2個8d的停進水期內濕地系統(tǒng)內部CODCr質量濃度和UV254的變化，如圖6所示.圖中有機物相關指標為2個濕地中沿程9個取樣點取樣測定的平均值，取樣深度為水深0.2m.

圖6 停運行期間濕地水相內有機物參數的變化Fig.6 Varaition of organic parameters during resting period

由圖6可看出，在停止進水期間，人工濕地水相內有機物在量和組成上均發(fā)生了改變.

在停止運行期間，濕地床水相中CODCr質量濃度持續(xù)下降（圖6a），下降趨勢隨停運行天數的增加由快逐漸減慢，表明停止進水后，滯留在濕地系統(tǒng)中的有機物仍然繼續(xù)在各種物理、化學和生化過程的協同作用下從水中去除，其去除速率大于系統(tǒng)內植物根系分泌、植物及微生物新陳代謝產生有機物的速率.在停止進水期間，雖然有機物水平總體呈下降趨勢，然而UV254水平卻處于小幅增長的狀態(tài)（圖6b）.10月25日至11月1日以及6月1日至6月8日閑置期UV254值增幅分別為4%和21%.高紫外吸收通常意味著水中含共軛雙鍵的大分子（分子量500～3 000）不飽和醛、酮以及芳香族有機物的增加［12］，這部分有機物雖處于溶解態(tài)，但可生化性較差.因此由圖6a，6b可推斷停止進水后3dCODCr質量濃度下降速率較大，這段時間主要以易生化有機物在微生物作用下的降解作用為主，此后隨著根系分泌、植物及微生物新陳代謝或殘體的分解作用，水中不易生化降解有機物增加，導致總有機物降解速率降低，表現在CODCr質量濃度下降速率逐漸減緩.濕地內根系分泌、植物及微生物新陳代謝作用導致了系統(tǒng)內不飽和醛、酮、芳香族有機物的累積，累積速率隨溫度的增加和植物生長作用的加強而增加.由圖6a還可知，在溫度較高、植物生長旺盛的夏季（6 月）UV254與CODCr質量濃度比值的增長高于溫度低、植物長勢弱的秋季（10月）.

A值可從側面反應水中具共軛雙鍵結構有機物的組成比例，或稱芳構化程度［10］.由圖6b和6c可看出，在停止進水期間，雖然濕地系統(tǒng)內254nm 紫外吸光度UV254值增長幅度較小，但A值增長卻十分明顯，10月25日至11月1日以及6月1日至6月8日的停進水期間A值增幅分別達182%和221%，說明在停運行期間濕地水相內有機物組成發(fā)生了改變，停止運行時間越長，溫度越高，有機物組成的芳構化程度就越大.值得注意的是，在5～8月試驗中，目視觀測到停運行期間濕地內所取水樣的色度較進水時明顯增高，其顏色與天然水體的黃綠色較接近.由于沒有外來有色污染源輸入，因此可認為色度的增加主要為系統(tǒng)內部根系分泌、植物及微生物代謝、分解釋放入水中的分子量較大的成色有機物造成.

綜上所述，在停止進水期間，濕地系統(tǒng)內總有機物呈現下降趨勢，并且濕地內有機物的組成發(fā)生了改變.根系分泌、植物及微生物代謝、分解作用導致水中有機物芳構化程度增加.

4 結論

（1）在恒定負荷、間歇運行條件下人工濕地HRT、濕地床水深和ARD 3個主要運行控制參數對CODCr去除率影響程度由大到小依次為HRT、水深、ARD，其中HRT 為關鍵影響因素，對有機物去除的影響程度遠大于水深和ARD.

（2）有機物去除效果隨HRT 的增加而增加，但當HRT 大于36h后，HRT 對CODCr去除效果的影響明顯降低.

（3）隨著水深的增加，CODCr去除率基本呈下降趨勢，但0.2m 和0.4m 水深的CODCr去除率差異并不明顯；0.6 m 水深時，CODCr去除率相對于0.2 m 和0.4m 來講降低程度顯著.

（4）HRT 越短，ARD 對CODCr去除效率的影響越大.

（5）在停止進水期間人工濕地水相CODCr隨停進水天數的增加而下降，但UV254與CODCr質量分數的比值上升表明濕地水相內由根系分泌、植物及微生物代謝產生的內源有機物的組分增加.

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