社河人工濕地水力停留時間及水質監測研究

唐大維

(撫順市水利勘測設計研究院有限公司，遼寧 撫順 113006)

人工濕地污水處理系統將生態環境修復與污水處理結合起來，能有效修復河道環境和改善河道水質。其中，人工濕地可以分為水平流、垂直流以及表面流3類。國內外學者對人工濕地水力停留時間與各個指標特性的相互關系做了大量研究，并取得了顯著的成果，但對水力停留時間監測方法缺少研究[1- 2]。張毓媛等[3]研究發現延長水力停留時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間為72 h時濕地對TP、TN和COD的平均去除率分別為80.79%、65.83%和54.04%；吳建強等[5]研究表明水力停留時間會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定的污染物凈化效果。本文以社河人工濕地為研究對象，將NaCl作為示蹤劑，對水平潛流、垂直潛流和表面流人工濕地水力停留時間和NaCl回收率進行監測，歸納總結了水力停留時間對人工濕地凈化效率的影響，以期為生態治理工程的正常運行、水資源的科學管理和高效利用提供理論指導。

1 工程概況

社河人工濕地位于撫順縣東部，大伙房水庫社河入口。出水口處設生態浮床，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個小單元，如圖 1 所示，其中每個單元長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個濕地間設有調節池來調節進、出水流量。

圖1 社河人工濕地

2 人工濕地水力停留時間監測

2.1 實驗方法

取體積約為 5 L的濕地水樣并測定初始電導率，向水樣中加入適量NaCl，拌之充分溶解，記錄水樣電導率(EC)，實驗結果如圖 2 所示。可以看出，NaCl的累計投入質量與EC的變化量二者之間存在良好的線性關系。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的關系式為[6- 7]：

y=323.07x+729.79

(1)

式中，x—水樣NaCl 的質量，g；y—水樣電導率，μs/cm。

圖2 EC與NaCl含量的關系曲線

濕地有效容積計算公式[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—濕地長度，m。選取1號垂直流濕地、2號表面流濕地、3號水平流濕地進行實驗，NaCl用量計算見表1。

表1 NaCl用量計算表

2.2 實驗操作

(1)采集水樣監測并記錄入水口、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，充分攪拌至完全溶解。

(3)將配置好的NaCl溶液倒入濕地。

(4)每間隔15min測量一次濕地出水口處水體EC值及水體進出口流量。

(5)現場監測的數據處理：

TDS=K×EC25

(4)

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

(6)繪制EC與時間的關系曲線并推算水力停留時間。

2.3 理論時間的計算

理論水力停留時間計算公式為[9]：

HRT=V/Q

(5)

式中，Q—正常流量，m3/s；V—濕地有效容積，m3。

各個濕地的理論水力停留時間見表 2 。

3 濕地水質監測數據及水力停留時間分析

3.1 濕地水力停留時間分析

3.1.11號人工濕地(垂直流)

根據 1 號人工濕地監測的數據并結合水深與流速，繪制EC及NaCl回收量與時間的關系曲線，如圖 3 所示。可以看出，濕地出口處0～36min范圍內，EC增加緩慢；36～64min，EC呈現急劇增加的趨勢。監測時間T=88min時，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際水力停留時間為1.47 h。0～88min內NaCl的回收量為75.22g，回收率為7.60%。

3.1.22號人工濕地(表面流)

根據2號人工濕地監測的數據并結合出流速與水深，繪制EC及NaCl回收量與時間的關系曲線，如圖 4 所示。可以看出，0～85min，人工濕地出口處EC緩慢增加；85～129min，EC顯著增加；監測時間T=147min時，EC最大為 817.38 μs/cm，隨后EC緩慢降低，即實際水力停留時間為 2.45 h。0～147min內NaCl的最大回收量為225.31g，NaCl的回收率為 11.38%。

表2 各個濕地理論水力停留時間計算表

圖3 1號濕地NaCl回收量及EC與時間的關系曲線

圖4 2號濕地EC及NaCl回收量與時間的關系曲線

3.1.33號人工濕地(水平流)

根據 3 號人工濕地監測數據并結合流速與水深，繪制EC及NaCl回收量與時間的關系曲線，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出現急劇增加趨勢；監測時間T=73min時，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際水力停留時間為1.22 h。0～73min內NaCl的最大回收量為 164.85g，NaCl的回收率為 16.65%。

圖5 3號濕地EC及NaCl回收量與時間的關系曲線

對比可以看出，3種濕地的實際水力停留時間均明顯小于理論水力停留時間，主要是由于死水區較多，水流情況復雜多變，導致人工濕地的有效容積明顯減小；同時，濕地運行時間較長，產生大量污泥淤積，使得濕地空隙率變小，導致理論水力停留時間與實際水力停留時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間呈負相關，水力停留時間增加使得污染物能夠較好地被植物分解和吸收，但需氧型微生物對污染物的分解速率減小，水質凈化效率明顯降低；水力停留時間太短，污染物遷移運動過快，不利于植物對污染物的吸收，人工濕地水質凈化效果不理想。因此，應該設計合理的水力停留時間，一方面保障人工濕地的正常運行，另一方面保障植物、微生物有效分解污染物。

3.2 人工濕地水質監測數據分析

3種濕地的水質監測分析結果，見表 3。1號垂直流和2號表面流人工濕地種植的植物均為蘆葦，2個濕地各類污染物去除率分別約為16.10%和15.25%。雖然1號垂直流人工濕地的水力停留時間比2號表面流人工濕地的水力停留時間短，但其凈化效果好。表明相等濕地容積條件下，潛流式人工濕地會使濕地的凈化效率顯著提高，而垂直流人工濕地的水質凈化優于表面流人工濕地。3號水平流人工濕地各類污染物去除率約為37.55%，水質凈化效果較好，其中SS的去除率達?的去除率高達78.40%；COD、BOD的去除率分別為36.51%和44.32%，凈化后均達到地表水Ι類水質級別，其水質監測結果表明，雖然水平流人工濕地水力停留時間較短，但種植了凈化效果較好的植物，其水質凈化效果仍然很好。

表3 3種濕地的水質檢測分析結果

4 結論

以社河人工濕地為依托，將NaCl作為示蹤劑，對垂直潛流、表面流、水平潛流人工濕地水力停留時間和NaCl回收率進行監測，得出以下結論：①由于濕地死水區較多，水流情況復雜多變，有效容積減小，3種濕地的實際水力停留時間均明顯小于理論水力停留時間。②3種濕地的NaCl回收率分別為7.60%、11.38%和16.65%，表明水力停留時間與NaCl回收率呈負相關。③1號垂直流和2號表面流人工濕地種植的植物均為蘆葦，各類污染物去除率分別約為16.10%和15.25%。3號水平流濕地水質凈化效果較好，各類污染物去除率約為37.55%，雖然水平流人工濕地水力停留時間較短，但種植了凈化效果較好的植物，其水質凈化效果仍然很好，為人工濕地設計提供參考依據。