不同水力负荷对潜流人工湿地内DO迁移转化影响

焦玉恩，刘瑞，张荣新，梁伦彰



不同水力负荷对潜流人工湿地内DO迁移转化影响

焦玉恩，刘瑞，张荣新，梁伦彰

（沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168）

受人工湿地基质复杂结构特性的制约，目前对人工湿地填料层内部溶解氧迁移转化状况及规律的研究尚较少。本试验通过四种进水水力负荷(HLR)潜流湿地填料层内部不同区域溶解氧浓度(DO)进行检测分析，研究DO在潜流人工湿地填料层中的迁移转化规律及特性。本试验结果表明：在一定范围内随着HLR的增大，系统内部DO浓度在HLR为0.35 m3/(m2·d)情况下最高。

潜流人工湿地；水力负荷；溶解氧

目前，人工湿地已在国内外大量生态治理和污水处理项目中得到广泛应用[[1]，研究多集中于新型填料的研发、种植植物的筛选、运行参数的优化等方面[2]。由于人工湿地内部的结构较为复杂，因此对人工湿地填料基质间溶解氧降解及迁移转化规律的研究相对较少。本文通过对不同水力负荷（HLR）下人工湿地内部不同位置处溶解氧（DO）变化的研究，得出人工湿地内部最优改进溶解氧HLR值。

1 实验部分

1.1 实验装置

本试验装置为4组垂直潜流人工湿地。试验装置长宽高为0.8×0.6×1.2 m。从上到下依次填充10 cm的种植土层、粒径为5~8 mm的砾石30 cm、粒径10~16 mm的砾石40 cm和粒径20~30 mm的砾石20 cm，有效高度1.0 m，湿地表层种植芦苇，芦苇种植密度为12株/m2。试验过程中采用高位平衡水箱和转子流量计来调控进水流量，使其进水流量保持稳定。如图所示1，装置有效取样口为16个，取样口间隔为200 mm，用于监测不同位置DO的浓度。

1.2 进水水质

试验用水为稀释后的校园生活污水，水质指标为COD 121±10 mg/L、NH3-N 26±4.5 mg/L、DO 3.8±0.2 mg/L。

1.3 试验方法

对稀释后的校园污水进行曝气，曝气强度为0.86 m3/d，使进水DO浓度保持在3.8 mg/L左右。分别控制人工湿地系统的HLR为0.15 m3/(m2·d)、0.35 m3/(m2·d)、0.55 m3/(m2·d)和0.8 m3/(m2·d)，采用重力流进水方式对装置进水，每个阶段运行2个月，每5天测一次数据，分析人工湿地内DO浓度沿程变化情况。采用美国哈希HQ40D 溶解氧测定仪测定，利用suffer软件中的Kriging插值方法绘制人工湿地内部DO浓度等值线图。

图1 试验装置示意图

2 结果与分析

人工湿地系统的氧来源主要是进水携带、植物根系输氧好氧区域和大气复氧等形式[3-4]，溶解氧直接影响人工湿地内有机污染物、氮类污染物去除[5]。图2为4种HLR人工湿地内部不同深度处DO浓度变化情况图。如图所示，由试验装置表层至底部，沿垂直方向，随着装置进水HLR的增大，湿地20 cm深度处的DO平均浓度依次为2.4、2.8、2.0、1.8 mg/L，此处系统处于好氧状态；40 cm深度各装置的DO平均浓度为1.0、1.2、0.95、0.8 mg/L，在HLR为0.55 m3/(m2·d)和0.8 m3/(m2·d)条件下人工湿地DO值较低；60 cm深处的DO含量已经分别衰减至0.56、0.6、0.5、0.47 mg/L，在此HLR条件下系统开始有好氧状态向缺氧的状态过渡；至80 cm深处以下区域DO水平分别为0.4、0.4、0.3、0.31 mg/L左右，此处系统处于缺氧状态。沿水平方向由试验装置进水端至出水端，对各装置DO浓度变化进行对比分析：随着HLR的增加，各装置水平20 cm深处水平方向DO衰减值分别为0.6、1.1、1.05、0.7 mg/L；40 cm深处水平方向DO衰减值分别为0.2、0.43、0.5、0.4 mg/L；60 cm深处水平方向DO衰减值分别为0.3、0.3、0.22、0.23 mg/L；80 cm深处水平方向DO衰减值分别为0.23、0.25、0.15、0.17 mg/L。在系统20 cm深处水平方向DO衰减最快，其次是在系统40 cm深处，在60 cm至装置底部DO衰减速率最慢，此时系统内部DO水平较低，处于缺氧状态。

图2 不同HLR下湿地系统内部DO浓度分布

通过分析可以得出，随着HLR的增加，在同一HLR条件下，人工湿地内部DO沿垂直方向呈递减趋势，且在进水端垂直方向递减速率最大，出水端衰减最慢；沿水平方向在深度为20 cm处衰减最快，随着深度的增加，递减速率呈递减趋势；在不同HLR条件下，随着进水HLR的增加，各装置内DO浓度呈现先增加后下降的趋势。由图可知，距进水端10 cm、深度80 cm处，DO值几乎保持0.4 mg/L左右，这主要是因为此区域处于死水区，此区域水无法保持循环状态，DO供给不足。

综上所述，不同HLR条件下DO值垂直方向呈递减趋势，水平方向衰减主要发生在系统40 cm深处以上。分析原因：当HLR较小时，进入湿地系统的污染负荷较低，湿地内部DO主要集中在植物根系密集区[6]，此时系统内部的DO比较充足，水体中DO含量足以满足好氧微生物降解污染物和自身代谢所需要的DO含量，即适宜的HLR能够引起DO的“累积”，改善人工湿地内部的溶解氧环境。而在HLR为0.35 m3/(m2·d)情况下，系统内部DO值明显比其他HLR条件下高，且主要衰减区域面积比其他HLR条件下要大，但是随着HLR的再次增大，好氧区域严重缩小，系统内部DO值有下降较快，这主要是随着HLR的增加，进入系统的污染负荷增加，微生物降解有机物等污染物消耗所需的氧量较大，此时系统内耗氧速率大于复氧速率，因此会出现DO下降的现象[7]。其中，垂直方向表层至系统60 cm深处，水平方向进水端至出水端，DO值在HLR为0.35 m3/(m2·d)条件下在各个断面较其他HLR高，但是至系统80 cm深处，DO值不再有所增加，基本保持在0.4 mg/L左右，即HLR对底层DO值的影响较小，这主要是因为湿地中上层好氧微生物对污染物降解的作用几乎将DO消耗殆尽。其中在HLR为0.35 m3/(m2·d)条件下，湿地系统对溶解氧环境得到了改善。

3 结论

本实验中潜流湿地填料层内DO沿垂直方向、水平方向均呈现递减规律，随着HLR的增加，填料层内各处DO浓度呈现先增后降的趋势，其中当HLR为0.35 m3/(m2·d)时，潜流湿地表层至60 cm深度DO浓度最高，为0.6 mg/L，此HLR条件下DO值最高。

［1］刘晓鹏.人工湿地堵塞成因及解决措施初探[J]. 资源节约与环保，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, 刘润龙, 陈培，等. 阶段曝气和植物对人工湿地处理城镇污水厂尾水的影响[J/OL]. 环境工程学报, 2016,10 (09): 4761-4767.

［6］宫志杰, 宋新山, 赵志淼，等. 微曝气技术在强化人工湿地脱氮中的应用[J]. 环境科学与技术, 2017, 40 (04): 132-135.

［7］付融冰, 朱宜平, 杨海真，等. 连续流湿地中DO、ORP 状况及与植物根系分布的关系[J]. 环境科学报, 2008, 28 (10): 2036-2041.

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

,,,

（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

国家水专项-浑河流域沈抚段水生态建设与功能修复技术集成与示范课题（2014ZX07202-011）;沈阳建筑大学科学研究项目: 潜流湿地微曝气+固体碳源处理污水厂尾水脱氮集成技术研究 （2017024）。

2017-10-18

焦玉恩（1992-），男，硕士研究生，河南新乡人，沈阳建筑大学环境工程在读，研究方向：人工湿地堵塞研究

TU 992.3

A

1004-0935（2017）12-1154-03