不同水力負荷對潛流人工濕地內DO遷移轉化影響

焦玉恩，劉瑞，張榮新，梁倫彰

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不同水力負荷對潛流人工濕地內DO遷移轉化影響

焦玉恩，劉瑞，張榮新，梁倫彰

（沈陽建筑大學市政與環境工程學院，遼寧 沈陽 110168）

受人工濕地基質復雜結構特性的制約，目前對人工濕地填料層內部溶解氧遷移轉化狀況及規律的研究尚較少。本試驗通過四種進水水力負荷(HLR)潛流濕地填料層內部不同區域溶解氧濃度(DO)進行檢測分析，研究DO在潛流人工濕地填料層中的遷移轉化規律及特性。本試驗結果表明：在一定范圍內隨著HLR的增大，系統內部DO濃度在HLR為0.35 m3/(m2·d)情況下最高。

潛流人工濕地；水力負荷；溶解氧

目前，人工濕地已在國內外大量生態治理和污水處理項目中得到廣泛應用[[1]，研究多集中于新型填料的研發、種植植物的篩選、運行參數的優化等方面[2]。由于人工濕地內部的結構較為復雜，因此對人工濕地填料基質間溶解氧降解及遷移轉化規律的研究相對較少。本文通過對不同水力負荷（HLR）下人工濕地內部不同位置處溶解氧（DO）變化的研究，得出人工濕地內部最優改進溶解氧HLR值。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

本試驗裝置為4組垂直潛流人工濕地。試驗裝置長寬高為0.8×0.6×1.2 m。從上到下依次填充10 cm的種植土層、粒徑為5~8 mm的礫石30 cm、粒徑10~16 mm的礫石40 cm和粒徑20~30 mm的礫石20 cm，有效高度1.0 m，濕地表層種植蘆葦，蘆葦種植密度為12株/m2。試驗過程中采用高位平衡水箱和轉子流量計來調控進水流量，使其進水流量保持穩定。如圖所示1，裝置有效取樣口為16個，取樣口間隔為200 mm，用于監測不同位置DO的濃度。

1.2 進水水質

試驗用水為稀釋后的校園生活污水，水質指標為COD 121±10 mg/L、NH3-N 26±4.5 mg/L、DO 3.8±0.2 mg/L。

1.3 試驗方法

對稀釋后的校園污水進行曝氣，曝氣強度為0.86 m3/d，使進水DO濃度保持在3.8 mg/L左右。分別控制人工濕地系統的HLR為0.15 m3/(m2·d)、0.35 m3/(m2·d)、0.55 m3/(m2·d)和0.8 m3/(m2·d)，采用重力流進水方式對裝置進水，每個階段運行2個月，每5天測一次數據，分析人工濕地內DO濃度沿程變化情況。采用美國哈希HQ40D 溶解氧測定儀測定，利用suffer軟件中的Kriging插值方法繪制人工濕地內部DO濃度等值線圖。

圖1 試驗裝置示意圖

2 結果與分析

人工濕地系統的氧來源主要是進水攜帶、植物根系輸氧好氧區域和大氣復氧等形式[3-4]，溶解氧直接影響人工濕地內有機污染物、氮類污染物去除[5]。圖2為4種HLR人工濕地內部不同深度處DO濃度變化情況圖。如圖所示，由試驗裝置表層至底部，沿垂直方向，隨著裝置進水HLR的增大，濕地20 cm深度處的DO平均濃度依次為2.4、2.8、2.0、1.8 mg/L，此處系統處于好氧狀態；40 cm深度各裝置的DO平均濃度為1.0、1.2、0.95、0.8 mg/L，在HLR為0.55 m3/(m2·d)和0.8 m3/(m2·d)條件下人工濕地DO值較低；60 cm深處的DO含量已經分別衰減至0.56、0.6、0.5、0.47 mg/L，在此HLR條件下系統開始有好氧狀態向缺氧的狀態過渡；至80 cm深處以下區域DO水平分別為0.4、0.4、0.3、0.31 mg/L左右，此處系統處于缺氧狀態。沿水平方向由試驗裝置進水端至出水端，對各裝置DO濃度變化進行對比分析：隨著HLR的增加，各裝置水平20 cm深處水平方向DO衰減值分別為0.6、1.1、1.05、0.7 mg/L；40 cm深處水平方向DO衰減值分別為0.2、0.43、0.5、0.4 mg/L；60 cm深處水平方向DO衰減值分別為0.3、0.3、0.22、0.23 mg/L；80 cm深處水平方向DO衰減值分別為0.23、0.25、0.15、0.17 mg/L。在系統20 cm深處水平方向DO衰減最快，其次是在系統40 cm深處，在60 cm至裝置底部DO衰減速率最慢，此時系統內部DO水平較低，處于缺氧狀態。

圖2 不同HLR下濕地系統內部DO濃度分布

通過分析可以得出，隨著HLR的增加，在同一HLR條件下，人工濕地內部DO沿垂直方向呈遞減趨勢，且在進水端垂直方向遞減速率最大，出水端衰減最慢；沿水平方向在深度為20 cm處衰減最快，隨著深度的增加，遞減速率呈遞減趨勢；在不同HLR條件下，隨著進水HLR的增加，各裝置內DO濃度呈現先增加后下降的趨勢。由圖可知，距進水端10 cm、深度80 cm處，DO值幾乎保持0.4 mg/L左右，這主要是因為此區域處于死水區，此區域水無法保持循環狀態，DO供給不足。

綜上所述，不同HLR條件下DO值垂直方向呈遞減趨勢，水平方向衰減主要發生在系統40 cm深處以上。分析原因：當HLR較小時，進入濕地系統的污染負荷較低，濕地內部DO主要集中在植物根系密集區[6]，此時系統內部的DO比較充足，水體中DO含量足以滿足好氧微生物降解污染物和自身代謝所需要的DO含量，即適宜的HLR能夠引起DO的“累積”，改善人工濕地內部的溶解氧環境。而在HLR為0.35 m3/(m2·d)情況下，系統內部DO值明顯比其他HLR條件下高，且主要衰減區域面積比其他HLR條件下要大，但是隨著HLR的再次增大，好氧區域嚴重縮小，系統內部DO值有下降較快，這主要是隨著HLR的增加，進入系統的污染負荷增加，微生物降解有機物等污染物消耗所需的氧量較大，此時系統內耗氧速率大于復氧速率，因此會出現DO下降的現象[7]。其中，垂直方向表層至系統60 cm深處，水平方向進水端至出水端，DO值在HLR為0.35 m3/(m2·d)條件下在各個斷面較其他HLR高，但是至系統80 cm深處，DO值不再有所增加，基本保持在0.4 mg/L左右，即HLR對底層DO值的影響較小，這主要是因為濕地中上層好氧微生物對污染物降解的作用幾乎將DO消耗殆盡。其中在HLR為0.35 m3/(m2·d)條件下，濕地系統對溶解氧環境得到了改善。

3 結論

本實驗中潛流濕地填料層內DO沿垂直方向、水平方向均呈現遞減規律，隨著HLR的增加，填料層內各處DO濃度呈現先增后降的趨勢，其中當HLR為0.35 m3/(m2·d)時，潛流濕地表層至60 cm深度DO濃度最高，為0.6 mg/L，此HLR條件下DO值最高。

［1］劉曉鵬.人工濕地堵塞成因及解決措施初探[J]. 資源節約與環保，2013（02）: 18-20.

［2］Zurita F, De Anda J, Belmont M A. Treatment of domestic waste water and production of commercial flowers in vertical and horizontal subsurface-flow constructed wetlands[J]. Ecological Engineering, 2010, 36：861-869.

［3］Tanner C C, Kadlec R H.Oxygen flux implications of observed nitrogen removal rates in subsurface-flow treatment wetlands [J]. Water Science & Technology, 2003 (5):191-198.

［4］Piotr M, PrzemyslawW, Piotr C. Study of hydraulic parameters in heterogeneous gravel beds: Constructed wetland in NowaSlupia (Poland) [J]. Journal of Hydrology, 2006, 331: 630-642.

［5］江林, 劉潤龍, 陳培，等. 階段曝氣和植物對人工濕地處理城鎮污水廠尾水的影響[J/OL]. 環境工程學報, 2016,10 (09): 4761-4767.

［6］宮志杰, 宋新山, 趙志淼，等. 微曝氣技術在強化人工濕地脫氮中的應用[J]. 環境科學與技術, 2017, 40 (04): 132-135.

［7］付融冰, 朱宜平, 楊海真，等. 連續流濕地中DO、ORP 狀況及與植物根系分布的關系[J]. 環境科學報, 2008, 28 (10): 2036-2041.

Effect of Different Hydraulic Loading Rate on Migration and Transformation of DO in Subsurface Flow Constructed Wetlands

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（Shenyang Jianzhu University, Liaoning Shenyang 110168, China）

At present, there are few studies on the transformation and transformation of pollutants in the artificial wetland packing layer due to complex structure characteristics of constructed wetland matrix.In this experiment, the dissolved oxygen(DO) concentration in different areas of the subsurface flow wetland was detected and analyzed by four kinds of influent hydraulic loads, and the migration and transformation rules of DO in the subsurface constructed wetland filling layer were studied. The test results showed that the DO concentration in the system was the highest when the hydraulic loading rate (HLR) was 0.35 m3/ (m2·d) with the increase of hydraulic load in a certain range.

subsurface flow constructed wetland; hydraulic loading rate; DO

國家水專項-渾河流域沈撫段水生態建設與功能修復技術集成與示范課題（2014ZX07202-011）;沈陽建筑大學科學研究項目: 潛流濕地微曝氣+固體碳源處理污水廠尾水脫氮集成技術研究 （2017024）。

2017-10-18

焦玉恩（1992-），男，碩士研究生，河南新鄉人，沈陽建筑大學環境工程在讀，研究方向：人工濕地堵塞研究

TU 992.3

A

1004-0935（2017）12-1154-03