社河人工濕地水力停留時(shí)間及水質(zhì)監(jiān)測(cè)研究

唐大維

(撫順市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 撫順 113006)

人工濕地污水處理系統(tǒng)將生態(tài)環(huán)境修復(fù)與污水處理結(jié)合起來(lái)，能有效修復(fù)河道環(huán)境和改善河道水質(zhì)。其中，人工濕地可以分為水平流、垂直流以及表面流3類(lèi)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)人工濕地水力停留時(shí)間與各個(gè)指標(biāo)特性的相互關(guān)系做了大量研究，并取得了顯著的成果，但對(duì)水力停留時(shí)間監(jiān)測(cè)方法缺少研究[1- 2]。張毓媛等[3]研究發(fā)現(xiàn)延長(zhǎng)水力停留時(shí)間能夠顯著提高污水凈化效果；徐麗等[4]研究表明水力停留時(shí)間為72 h時(shí)濕地對(duì)TP、TN和COD的平均去除率分別為80.79%、65.83%和54.04%；吳建強(qiáng)等[5]研究表明水力停留時(shí)間會(huì)顯著影響濕地污染物凈化的效果，其中垂直流人工濕地具有更穩(wěn)定的污染物凈化效果。本文以社河人工濕地為研究對(duì)象，將NaCl作為示蹤劑，對(duì)水平潛流、垂直潛流和表面流人工濕地水力停留時(shí)間和NaCl回收率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，歸納總結(jié)了水力停留時(shí)間對(duì)人工濕地凈化效率的影響，以期為生態(tài)治理工程的正常運(yùn)行、水資源的科學(xué)管理和高效利用提供理論指導(dǎo)。

1 工程概況

社河人工濕地位于撫順縣東部，大伙房水庫(kù)社河入口。出水口處設(shè)生態(tài)浮床，種植植物為美人蕉，濕地植物以黃首蒲和蘆葦為主。社河濕地共分為12個(gè)小單元，如圖 1 所示，其中每個(gè)單元長(zhǎng)15m，寬5m，水平潛流、垂直潛流和表面流人工濕地間隔分布。潛流濕地坡降均為1.0%，表面流濕地坡降0.5%。潛流濕地填料為碎石和礫石，厚度約為1.2m。每一列2個(gè)濕地間設(shè)有調(diào)節(jié)池來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)、出水流量。

圖1 社河人工濕地

2 人工濕地水力停留時(shí)間監(jiān)測(cè)

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

取體積約為 5 L的濕地水樣并測(cè)定初始電導(dǎo)率，向水樣中加入適量NaCl，拌之充分溶解，記錄水樣電導(dǎo)率(EC)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 2 所示。可以看出，NaCl的累計(jì)投入質(zhì)量與EC的變化量二者之間存在良好的線性關(guān)系。因此，在EC已知的條件下，可以推算水樣中NaCl的含量，水樣中NaCl 含量與EC的關(guān)系式為[6- 7]：

y=323.07x+729.79

(1)

式中，x—水樣NaCl 的質(zhì)量，g；y—水樣電導(dǎo)率，μs/cm。

圖2 EC與NaCl含量的關(guān)系曲線

濕地有效容積計(jì)算公式[8]：

表面流濕地：V=l×h×d

(2)

潛流濕地：V=l×h×d×n

(3)

式中，n—濕地空隙率，取值為40%；h—濕地水深，m；d—濕地寬度，m；l—濕地長(zhǎng)度，m。選取1號(hào)垂直流濕地、2號(hào)表面流濕地、3號(hào)水平流濕地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，NaCl用量計(jì)算見(jiàn)表1。

表1 NaCl用量計(jì)算表

2.2 實(shí)驗(yàn)操作

(1)采集水樣監(jiān)測(cè)并記錄入水口、出水口處的EC、DO、pH、水深及流速。

(2)將NaCl倒入容器中加入適量的水，充分?jǐn)嚢柚镣耆芙狻?/p>

(3)將配置好的NaCl溶液倒入濕地。

(4)每間隔15min測(cè)量一次濕地出水口處水體EC值及水體進(jìn)出口流量。

(5)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)處理：

TDS=K×EC25

(4)

式中，EC25—25C°下的EC，μs/cm；K—EC與NaCl含量轉(zhuǎn)換系數(shù)，取值為0.55；TDS—溶液總鹽量，ppm。

(6)繪制EC與時(shí)間的關(guān)系曲線并推算水力停留時(shí)間。

2.3 理論時(shí)間的計(jì)算

理論水力停留時(shí)間計(jì)算公式為[9]：

HRT=V/Q

(5)

式中，Q—正常流量，m3/s；V—濕地有效容積，m3。

各個(gè)濕地的理論水力停留時(shí)間見(jiàn)表 2 。

3 濕地水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及水力停留時(shí)間分析

3.1 濕地水力停留時(shí)間分析

3.1.11號(hào)人工濕地(垂直流)

根據(jù) 1 號(hào)人工濕地監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)并結(jié)合水深與流速，繪制EC及NaCl回收量與時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖 3 所示。可以看出，濕地出口處0～36min范圍內(nèi)，EC增加緩慢；36～64min，EC呈現(xiàn)急劇增加的趨勢(shì)。監(jiān)測(cè)時(shí)間T=88min時(shí)，EC最大為768.67 μs/cm，隨后EC緩慢降低，表明垂直流人工濕地的實(shí)際水力停留時(shí)間為1.47 h。0～88min內(nèi)NaCl的回收量為75.22g，回收率為7.60%。

3.1.22號(hào)人工濕地(表面流)

根據(jù)2號(hào)人工濕地監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)并結(jié)合出流速與水深，繪制EC及NaCl回收量與時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖 4 所示?？梢钥闯觯?～85min，人工濕地出口處EC緩慢增加；85～129min，EC顯著增加；監(jiān)測(cè)時(shí)間T=147min時(shí)，EC最大為 817.38 μs/cm，隨后EC緩慢降低，即實(shí)際水力停留時(shí)間為 2.45 h。0～147min內(nèi)NaCl的最大回收量為225.31g，NaCl的回收率為 11.38%。

表2 各個(gè)濕地理論水力停留時(shí)間計(jì)算表

圖3 1號(hào)濕地NaCl回收量及EC與時(shí)間的關(guān)系曲線

圖4 2號(hào)濕地EC及NaCl回收量與時(shí)間的關(guān)系曲線

3.1.33號(hào)人工濕地(水平流)

根據(jù) 3 號(hào)人工濕地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并結(jié)合流速與水深，繪制EC及NaCl回收量與時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖 5 所示。由圖可知，0～29min，人工濕地出口處EC緩慢增加；29～64min，EC出現(xiàn)急劇增加趨勢(shì)；監(jiān)測(cè)時(shí)間T=73min時(shí)，EC最大為817.58 μs/cm，隨后EC緩慢降低，即水平流人工濕地的實(shí)際水力停留時(shí)間為1.22 h。0～73min內(nèi)NaCl的最大回收量為 164.85g，NaCl的回收率為 16.65%。

圖5 3號(hào)濕地EC及NaCl回收量與時(shí)間的關(guān)系曲線

對(duì)比可以看出，3種濕地的實(shí)際水力停留時(shí)間均明顯小于理論水力停留時(shí)間，主要是由于死水區(qū)較多，水流情況復(fù)雜多變，導(dǎo)致人工濕地的有效容積明顯減??；同時(shí)，濕地運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，產(chǎn)生大量污泥淤積，使得濕地空隙率變小，導(dǎo)致理論水力停留時(shí)間與實(shí)際水力停留時(shí)間二者之間存在顯著差異。3種濕地的NaCl回收率分別為7.60%、11.38%、16.65%，表明NaCl回收率與水力停留時(shí)間呈負(fù)相關(guān)，水力停留時(shí)間增加使得污染物能夠較好地被植物分解和吸收，但需氧型微生物對(duì)污染物的分解速率減小，水質(zhì)凈化效率明顯降低；水力停留時(shí)間太短，污染物遷移運(yùn)動(dòng)過(guò)快，不利于植物對(duì)污染物的吸收，人工濕地水質(zhì)凈化效果不理想。因此，應(yīng)該設(shè)計(jì)合理的水力停留時(shí)間，一方面保障人工濕地的正常運(yùn)行，另一方面保障植物、微生物有效分解污染物。

3.2 人工濕地水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3種濕地的水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析結(jié)果，見(jiàn)表 3。1號(hào)垂直流和2號(hào)表面流人工濕地種植的植物均為蘆葦，2個(gè)濕地各類(lèi)污染物去除率分別約為16.10%和15.25%。雖然1號(hào)垂直流人工濕地的水力停留時(shí)間比2號(hào)表面流人工濕地的水力停留時(shí)間短，但其凈化效果好。表明相等濕地容積條件下，潛流式人工濕地會(huì)使?jié)竦氐膬艋曙@著提高，而垂直流人工濕地的水質(zhì)凈化優(yōu)于表面流人工濕地。3號(hào)水平流人工濕地各類(lèi)污染物去除率約為37.55%，水質(zhì)凈化效果較好，其中SS的去除率達(dá)?的去除率高達(dá)78.40%；COD、BOD的去除率分別為36.51%和44.32%，凈化后均達(dá)到地表水Ι類(lèi)水質(zhì)級(jí)別，其水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，雖然水平流人工濕地水力停留時(shí)間較短，但種植了凈化效果較好的植物，其水質(zhì)凈化效果仍然很好。

表3 3種濕地的水質(zhì)檢測(cè)分析結(jié)果

4 結(jié)論

以社河人工濕地為依托，將NaCl作為示蹤劑，對(duì)垂直潛流、表面流、水平潛流人工濕地水力停留時(shí)間和NaCl回收率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得出以下結(jié)論：①由于濕地死水區(qū)較多，水流情況復(fù)雜多變，有效容積減小，3種濕地的實(shí)際水力停留時(shí)間均明顯小于理論水力停留時(shí)間。②3種濕地的NaCl回收率分別為7.60%、11.38%和16.65%，表明水力停留時(shí)間與NaCl回收率呈負(fù)相關(guān)。③1號(hào)垂直流和2號(hào)表面流人工濕地種植的植物均為蘆葦，各類(lèi)污染物去除率分別約為16.10%和15.25%。3號(hào)水平流濕地水質(zhì)凈化效果較好，各類(lèi)污染物去除率約為37.55%，雖然水平流人工濕地水力停留時(shí)間較短，但種植了凈化效果較好的植物，其水質(zhì)凈化效果仍然很好，為人工濕地設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。