NaCl示蹤劑測(cè)定人工濕地水力停留時(shí)間的試驗(yàn)研究

劉葉雙，賈艾晨

（大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116000）

水力停留時(shí)間（hydraulic retention time）簡(jiǎn)稱HRT，是指待處理污水在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時(shí)間，也就是污水與生物反應(yīng)器內(nèi)微生物作用的平均反應(yīng)時(shí)間。因此，如果反應(yīng)器的有效容積為V（m3），流量為Q（m3/h），則：HRT=V/Q（h）。

隨著河流污染的加劇，生態(tài)修復(fù)逐漸成為許多城市河道治理的主要任務(wù)，而人工濕地是河道生態(tài)治理的重要手段之一。水力停留時(shí)間作為人工濕地污水處理系統(tǒng)的重要設(shè)計(jì)參數(shù)之一，決定了污水與濕地的接觸程度。研究指出，在某一個(gè)范圍值之內(nèi)，隨著水力停留時(shí)間的延長(zhǎng)，人工濕地的氨氮、總氮和總磷的去除效果呈指數(shù)提高。

目前研究人工濕地水力停留時(shí)間對(duì)其各項(xiàng)指標(biāo)的影響已有一些成果。但多數(shù)研究學(xué)者著重在實(shí)驗(yàn)室模擬人工濕地水力停留時(shí)間對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的影響，而忽略了實(shí)驗(yàn)室模擬水力停留時(shí)間與實(shí)際人工濕地水力停留時(shí)間之間的差異；而且多數(shù)研究都是通過控制人工濕地入口流量來(lái)計(jì)算水力停留時(shí)間，對(duì)水力停留時(shí)間監(jiān)測(cè)方法缺少相應(yīng)的研究。通過在遼寧復(fù)州河人工濕地開展試驗(yàn)，觀察食鹽（NaCl）投放后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，測(cè)定水力停留時(shí)間，研究人工濕地水力停留時(shí)間對(duì)水質(zhì)凈化的影響以及實(shí)際的水力停留時(shí)間的影響因素，為人工濕地的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持，也為人工濕地后期運(yùn)行維護(hù)以及凈化能力的提高提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料用量的確定

從濕地取體積約為6 L的水樣，用多參數(shù)儀測(cè)得其初始電導(dǎo)率為726 μs/cm。用電子天平秤取適量NaCl（每次加入的NaCl小于0.1 g），記錄每次加入樣中的量，攪拌使之充分溶解，待儀器讀數(shù)穩(wěn)定后記錄其電導(dǎo)率EC。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，EC的變化量與累計(jì)投入的NaCl呈現(xiàn)出很好的線性關(guān)系。

在已知EC的條件下，由圖1線性關(guān)系可以反推NaCl含量，以及每提高1 μs/cm所需的NaCl質(zhì)量?？紤]到濕地植物生長(zhǎng)所能承受的最大濃度為50 mmol/L，即2.925 g/L。1 m3的水理論上可以加入NaCl 2 925 g。

由圖1可知，水質(zhì)EC與NaCl含量之間的關(guān)系式為：

圖1 EC與NaCl含量的關(guān)系曲線

式中：y為 EC ，μs/cm；x為NaCl含量，mg/L。6 L的水要提高1 μs/cm的EC需要3.095 mg的NaCl，1 m3的水提高100 μs/cm的EC需要NaCl 51.588 g。

濕地有效容積計(jì)算公式：

式中：l為人工濕地的長(zhǎng)度，m；d為人工濕地的寬度，m；h為人工濕地水深，m；n為人工濕地空隙率，基質(zhì)材料碎石和礫石空隙率取40%作為參考值（國(guó)標(biāo)規(guī)定Ⅰ類碎石空隙率不得大于43%，Ⅱ類碎石空隙率不得大于45%，Ⅲ類碎石空隙率不得大于47%）。

在復(fù)州河試驗(yàn)場(chǎng)選取3，4，6號(hào)這3個(gè)具有代表性的人工濕地進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)3個(gè)濕地設(shè)計(jì)的有效容積計(jì)算試驗(yàn)所需加NaCl的質(zhì)量，見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)材料NaCl用量計(jì)算表

1.2 試驗(yàn)方法與步驟

1）采集各個(gè)濕地進(jìn)口以及出口處的水樣，監(jiān)測(cè)入口以及出口流量、PH，DO并做好記錄；同時(shí)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)前各個(gè)點(diǎn)的EC填入記錄表。

2）計(jì)算NaCl的用量，并配備成溶液。

3）將NaCl溶液倒入濕地。

4）每30 min測(cè)量進(jìn)出口流量，設(shè)定儀器探頭獲取讀數(shù)時(shí)間間隔為5 min（如果儀器讀數(shù)變化較大時(shí)，可適當(dāng)縮短讀數(shù)間隔），在濕地出水口處監(jiān)測(cè)水質(zhì)EC。

5）繪制電導(dǎo)率-時(shí)間曲線。

6）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)處理。

式中：TDS為溶液總鹽量，ppm；K為NaCl含量與電導(dǎo)率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)；EC25為經(jīng)溫度校正到25度的電導(dǎo)率，μs/cm。

試驗(yàn)所采取的水樣的EC在300～4 000 μs/cm之間，查表2可知，水樣屬于苦咸水，K取0.55，即1 μs/cm=0.55 mg/L。

表2 EC與NaCl含量的關(guān)系計(jì)算表

2 理論時(shí)間的計(jì)算

濕地在運(yùn)行過程中有淤積堵塞的情況，孔隙率會(huì)有所變化。但是孔隙率無(wú)法直接測(cè)量，空隙率假設(shè)還是設(shè)計(jì)值40%，再結(jié)合實(shí)測(cè)的流量、水深，計(jì)算出的水力停留時(shí)間稱為理論水力停留時(shí)間。

計(jì)算公式：

式中：V為人工濕地有效容積，m3；Q為正常流量，m3/s。

2.1 3號(hào)濕地（垂直流）理論水力停留時(shí)間計(jì)算

3號(hào)垂直流濕地基質(zhì)包括85 cm厚粒徑10～30 mm碎石（底部是約0.2 m厚粒徑20～40 mm碎石層）和5 cm厚粗砂，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)水深0.88 m。左側(cè)入水口管底與水面高差為4.2 cm，水流橫截面積為47.808 cm2；右側(cè)入水口管底與水面高差為7 cm，水流橫截面積為97.922 cm2。計(jì)算可知，3號(hào)垂直流濕地理論水力停留時(shí)間為2.72 h。

2.2 4號(hào)濕地（表面流）理論水力停留時(shí)間計(jì)算

4號(hào)表面流濕地從入水口到出水口選取的3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水深依次是30，50，40 cm。左側(cè)入水口管底與水面高差為6.4 cm，水流橫截面積為86.602 cm2；右側(cè)入口管底與水面高差為4.7 cm，水流橫截面積為56.24 cm2。計(jì)算可知，4號(hào)垂直流濕地理論水力停留時(shí)間為4.68 h。

2.3 6號(hào)濕地（水平流）理論水力停留時(shí)間的計(jì)算

6號(hào)水平流濕地基質(zhì)包括65 cm厚粒徑10～30 mm碎石+5 cm厚粗砂，池子兩側(cè)各有約0.5 m寬粒徑20～40 mm碎石布水區(qū)，基質(zhì)高度為0.74 m。左右進(jìn)水口均為滿流。計(jì)算可知，6號(hào)垂直流濕地理論水力停留時(shí)間為2.65 h。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 3號(hào)人工濕地（垂直流）

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，繪制的EC與時(shí)間的關(guān)系曲線，見圖2。在時(shí)間T=92 min，EC出現(xiàn)最大值，最大值為768 μs/cm，即該濕地的水力停留時(shí)間為1.53 h，NaCl濃度最大值為9.35 mg/L。在0～1.53 h這一時(shí)段，NaCl的回收量為79.69 g，NaCl的回收率為8.0%。

圖2 EC與時(shí)間的關(guān)系曲線

將水樣進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)分析實(shí)驗(yàn)，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見表3。

表3 3號(hào)濕地水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

3.2 4號(hào)濕地（表面流）

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，繪制的EC與時(shí)間的關(guān)系曲線圖，見圖3。在時(shí)間T=147 min，EC出現(xiàn)最大值為816 μs/cm，即該濕地的水力停留時(shí)間為2.45 h，NaCl濃度最大值為 36.3 mg/L。在 0～2.54 h這一時(shí)段，NaCl的回收量最大為209.29 g，NaCl的回收率為10.5%。

將水樣進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)分析實(shí)驗(yàn)，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見表4。

圖3 EC隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線

表4 4號(hào)濕地水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

3.3 6號(hào)濕地（水平流）

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，繪制的EC與時(shí)間的關(guān)系曲線，見圖4。在人工濕地出口處，在0～30 min，EC緩慢增加；30～70 min，EC急劇增加。當(dāng)時(shí)間T=75 min，EC出現(xiàn)最大值為817 μs/cm，即該濕地的實(shí)際水力停留時(shí)間為1.25 h，NaCl濃度最大值為37.95 mg/L。在0～1.25 h這一時(shí)段，NaCl的回收量最大為184.95 g，NaCl的回收率為18.5%。

圖4 EC與時(shí)間的關(guān)系曲線

將水樣進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)分析實(shí)驗(yàn)，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見表5。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

1）3號(hào)垂直流人工濕地理論停留時(shí)間為2.72 h，實(shí)際停留時(shí)間為1.53 h；4號(hào)表面流人工濕地理論停留時(shí)間為4.68 h，實(shí)際停留時(shí)間為2.45 h；6號(hào)水平流人工濕地理論停留時(shí)間為2.65 h，實(shí)際停留時(shí)間為1.25 h。由此可知，理論水力停留時(shí)間比實(shí)際水力停留時(shí)間長(zhǎng)，原因主要有：濕地水流情況復(fù)雜多變，濕地死水區(qū)較多，有效容積變??；其次，濕地已經(jīng)運(yùn)行1年，產(chǎn)生了淤積，空隙率變小，計(jì)算理論時(shí)間時(shí)，所用的空隙率與實(shí)際孔隙率有差異。實(shí)際水力停留時(shí)間與理論水力停留時(shí)間之間存在差異，是研究濕地淤積堵塞問題的重要依據(jù)。

表5 6號(hào)濕地水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

2）3號(hào)垂直流人工濕地，NaCl回收率為8.0%；4號(hào)表面流人工濕地，NaCl回收率為10.5%；6號(hào)水平流人工濕地，NaCl回收率為18.5%?？芍νＡ魰r(shí)間與NaCl回收率呈一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系。即水力停留時(shí)間越長(zhǎng)，NaCl回收率越低。由此可知，水力停留時(shí)間太短，污染物遷移運(yùn)動(dòng)過快，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；水力停留時(shí)間太長(zhǎng)，植物能對(duì)污染物進(jìn)行較好的分解吸收，但是人工濕地的水質(zhì)凈化效率大大降低，水中需氧型微生物對(duì)污染物的分解速率也會(huì)降低。所以，在人工濕地設(shè)計(jì)初期，應(yīng)該設(shè)計(jì)一個(gè)合理的水力停留時(shí)間，既能保障植物微生物最大程度分解污染物，又能保障濕地的正常運(yùn)行。

3）3號(hào)垂直流人工濕地，種植植物為蘆葦。各類污染物去除率約為15.24%；4號(hào)表面流人工濕地，種植植物為蘆葦，各類污染物去除率約為14.38%。3號(hào)垂直流人工濕地雖然比4號(hào)表面流人工濕地的水力停留時(shí)間短，但是3號(hào)濕地比4號(hào)濕地凈化效果好。這個(gè)數(shù)據(jù)表明，在濕地容積相等的情況下，在相同的時(shí)間內(nèi)，垂直流人工濕地比表面流人工濕地凈化的水量多，約是表面流的1.6倍。與表面流人工濕地相比，建造潛流式人工濕地，能更好的提高濕地對(duì)水質(zhì)的凈化效率。

5 結(jié)論

通過在遼寧復(fù)州河人工濕地的試驗(yàn)研究，以及2個(gè)多月的觀察，可知以NaCl作為示蹤劑測(cè)定水力停留時(shí)間是可行的，而且不會(huì)對(duì)濕地造成二次污染，不影響濕地植物生長(zhǎng)以及濕地正常運(yùn)行，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果有效可靠。

水力停留時(shí)間是人工濕地設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一，選取合適的水力停留時(shí)間，對(duì)今后人工濕地污染物的遷移以及植物對(duì)污染物的分解十分重要，可以發(fā)揮人工濕地的最大效能。雖然試驗(yàn)的人工濕地容積較小，測(cè)出水力停留時(shí)間較短，但仍能得出理論水力停留時(shí)間與實(shí)際水力停留時(shí)間確實(shí)存在一定差異的結(jié)論，這個(gè)差異可以反映出濕地運(yùn)行中的淤積堵塞程度，可作為濕地后期維護(hù)研究的依據(jù)。

［1］彭麗媛，董斌，MARK W，等.水塘濕地示蹤試驗(yàn)測(cè)定水力停留時(shí)間［J］.灌溉排水學(xué)報(bào)，2009，28（06）：30-34.

［2］蒲思川，馮啟明.我國(guó)水體污染的現(xiàn)狀及防治對(duì)策［J］.中國(guó)資源綜合利用,，2008（05）：31-34.

［3］張清.人工濕地的構(gòu)建與應(yīng)用［J］.濕地科學(xué)，2011，09（4）：373-379.

［4］吳建強(qiáng)，周訓(xùn)華，王敏，等.水力停留時(shí)間變化對(duì)2種人工濕地凈化效果的影響V.環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2012，6（10）：3537-3542.

［5］張迎穎，丁為民，錢瑋燕，等.人工濕地污水處理技術(shù)的工藝與設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)用水與廢水，2009，40（1）：5-10.

［6］徐麗，葛大兵，謝小魁.水力停留時(shí)間對(duì)人工濕地運(yùn)行的影響［J］.中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2014，30（31）：219-223.

［7］崔芳，袁博.水力停留時(shí)間對(duì)人工濕地凈化城市湖泊水體影響［J］.江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2011，23（11）：171-174.