NaCl示踪剂测定人工湿地水力停留时间的试验研究

刘叶双，贾艾晨

（大连理工大学建设工程学部，辽宁 大连 116000）

水力停留时间（hydraulic retention time）简称HRT，是指待处理污水在反应器内的平均停留时间，也就是污水与生物反应器内微生物作用的平均反应时间。因此，如果反应器的有效容积为V（m3），流量为Q（m3/h），则：HRT=V/Q（h）。

随着河流污染的加剧，生态修复逐渐成为许多城市河道治理的主要任务，而人工湿地是河道生态治理的重要手段之一。水力停留时间作为人工湿地污水处理系统的重要设计参数之一，决定了污水与湿地的接触程度。研究指出，在某一个范围值之内，随着水力停留时间的延长，人工湿地的氨氮、总氮和总磷的去除效果呈指数提高。

目前研究人工湿地水力停留时间对其各项指标的影响已有一些成果。但多数研究学者着重在实验室模拟人工湿地水力停留时间对各项指标的影响，而忽略了实验室模拟水力停留时间与实际人工湿地水力停留时间之间的差异；而且多数研究都是通过控制人工湿地入口流量来计算水力停留时间，对水力停留时间监测方法缺少相应的研究。通过在辽宁复州河人工湿地开展试验，观察食盐（NaCl）投放后的运动状态，测定水力停留时间，研究人工湿地水力停留时间对水质净化的影响以及实际的水力停留时间的影响因素，为人工湿地的设计提供数据支持，也为人工湿地后期运行维护以及净化能力的提高提供参考依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料用量的确定

从湿地取体积约为6 L的水样，用多参数仪测得其初始电导率为726 μs/cm。用电子天平秤取适量NaCl（每次加入的NaCl小于0.1 g），记录每次加入样中的量，搅拌使之充分溶解，待仪器读数稳定后记录其电导率EC。试验结果如图1所示，EC的变化量与累计投入的NaCl呈现出很好的线性关系。

在已知EC的条件下，由图1线性关系可以反推NaCl含量，以及每提高1 μs/cm所需的NaCl质量。考虑到湿地植物生长所能承受的最大浓度为50 mmol/L，即2.925 g/L。1 m3的水理论上可以加入NaCl 2 925 g。

由图1可知，水质EC与NaCl含量之间的关系式为：

图1 EC与NaCl含量的关系曲线

式中：y为 EC ，μs/cm；x为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。

湿地有效容积计算公式：

式中：l为人工湿地的长度，m；d为人工湿地的宽度，m；h为人工湿地水深，m；n为人工湿地空隙率，基质材料碎石和砾石空隙率取40%作为参考值（国标规定Ⅰ类碎石空隙率不得大于43%，Ⅱ类碎石空隙率不得大于45%，Ⅲ类碎石空隙率不得大于47%）。

在复州河试验场选取3，4，6号这3个具有代表性的人工湿地进行试验，根据3个湿地设计的有效容积计算试验所需加NaCl的质量，见表1。

表1 实验材料NaCl用量计算表

1.2 试验方法与步骤

1）采集各个湿地进口以及出口处的水样，监测入口以及出口流量、PH，DO并做好记录；同时检测实验前各个点的EC填入记录表。

2）计算NaCl的用量，并配备成溶液。

3）将NaCl溶液倒入湿地。

4）每30 min测量进出口流量，设定仪器探头获取读数时间间隔为5 min（如果仪器读数变化较大时，可适当缩短读数间隔），在湿地出水口处监测水质EC。

5）绘制电导率-时间曲线。

6）现场监测的数据处理。

式中：TDS为溶液总盐量，ppm；K为NaCl含量与电导率对应的转换系数；EC25为经温度校正到25度的电导率，μs/cm。

试验所采取的水样的EC在300～4 000 μs/cm之间，查表2可知，水样属于苦咸水，K取0.55，即1 μs/cm=0.55 mg/L。

表2 EC与NaCl含量的关系计算表

2 理论时间的计算

湿地在运行过程中有淤积堵塞的情况，孔隙率会有所变化。但是孔隙率无法直接测量，空隙率假设还是设计值40%，再结合实测的流量、水深，计算出的水力停留时间称为理论水力停留时间。

计算公式：

式中：V为人工湿地有效容积，m3；Q为正常流量，m3/s。

2.1 3号湿地（垂直流）理论水力停留时间计算

3号垂直流湿地基质包括85 cm厚粒径10～30 mm碎石（底部是约0.2 m厚粒径20～40 mm碎石层）和5 cm厚粗砂，现场监测水深0.88 m。左侧入水口管底与水面高差为4.2 cm，水流横截面积为47.808 cm2；右侧入水口管底与水面高差为7 cm，水流横截面积为97.922 cm2。计算可知，3号垂直流湿地理论水力停留时间为2.72 h。

2.2 4号湿地（表面流）理论水力停留时间计算

4号表面流湿地从入水口到出水口选取的3个监测点水深依次是30，50，40 cm。左侧入水口管底与水面高差为6.4 cm，水流横截面积为86.602 cm2；右侧入口管底与水面高差为4.7 cm，水流横截面积为56.24 cm2。计算可知，4号垂直流湿地理论水力停留时间为4.68 h。

2.3 6号湿地（水平流）理论水力停留时间的计算

6号水平流湿地基质包括65 cm厚粒径10～30 mm碎石+5 cm厚粗砂，池子两侧各有约0.5 m宽粒径20～40 mm碎石布水区，基质高度为0.74 m。左右进水口均为满流。计算可知，6号垂直流湿地理论水力停留时间为2.65 h。

3 试验数据分析

3.1 3号人工湿地（垂直流）

根据现场监测的数据，绘制的EC与时间的关系曲线，见图2。在时间T=92 min，EC出现最大值，最大值为768 μs/cm，即该湿地的水力停留时间为1.53 h，NaCl浓度最大值为9.35 mg/L。在0～1.53 h这一时段，NaCl的回收量为79.69 g，NaCl的回收率为8.0%。

图2 EC与时间的关系曲线

将水样进行水质检测分析实验，得到的实验结果，见表3。

表3 3号湿地水质检测结果

3.2 4号湿地（表面流）

根据现场监测的数据，绘制的EC与时间的关系曲线图，见图3。在时间T=147 min，EC出现最大值为816 μs/cm，即该湿地的水力停留时间为2.45 h，NaCl浓度最大值为 36.3 mg/L。在 0～2.54 h这一时段，NaCl的回收量最大为209.29 g，NaCl的回收率为10.5%。

将水样进行水质检测分析实验，得到的实验结果，见表4。

图3 EC随时间的变化关系曲线

表4 4号湿地水质检测结果

3.3 6号湿地（水平流）

根据现场监测的数据，绘制的EC与时间的关系曲线，见图4。在人工湿地出口处，在0～30 min，EC缓慢增加；30～70 min，EC急剧增加。当时间T=75 min，EC出现最大值为817 μs/cm，即该湿地的实际水力停留时间为1.25 h，NaCl浓度最大值为37.95 mg/L。在0～1.25 h这一时段，NaCl的回收量最大为184.95 g，NaCl的回收率为18.5%。

图4 EC与时间的关系曲线

将水样进行水质检测分析实验，得到的实验结果，见表5。

4 试验结果分析

1）3号垂直流人工湿地理论停留时间为2.72 h，实际停留时间为1.53 h；4号表面流人工湿地理论停留时间为4.68 h，实际停留时间为2.45 h；6号水平流人工湿地理论停留时间为2.65 h，实际停留时间为1.25 h。由此可知，理论水力停留时间比实际水力停留时间长，原因主要有：湿地水流情况复杂多变，湿地死水区较多，有效容积变小；其次，湿地已经运行1年，产生了淤积，空隙率变小，计算理论时间时，所用的空隙率与实际孔隙率有差异。实际水力停留时间与理论水力停留时间之间存在差异，是研究湿地淤积堵塞问题的重要依据。

表5 6号湿地水质检测结果

2）3号垂直流人工湿地，NaCl回收率为8.0%；4号表面流人工湿地，NaCl回收率为10.5%；6号水平流人工湿地，NaCl回收率为18.5%。可知，水力停留时间与NaCl回收率呈一定的负相关关系。即水力停留时间越长，NaCl回收率越低。由此可知，水力停留时间太短，污染物迁移运动过快，不利于植物对污染物的吸收，人工湿地水质净化效果不理想；水力停留时间太长，植物能对污染物进行较好的分解吸收，但是人工湿地的水质净化效率大大降低，水中需氧型微生物对污染物的分解速率也会降低。所以，在人工湿地设计初期，应该设计一个合理的水力停留时间，既能保障植物微生物最大程度分解污染物，又能保障湿地的正常运行。

3）3号垂直流人工湿地，种植植物为芦苇。各类污染物去除率约为15.24%；4号表面流人工湿地，种植植物为芦苇，各类污染物去除率约为14.38%。3号垂直流人工湿地虽然比4号表面流人工湿地的水力停留时间短，但是3号湿地比4号湿地净化效果好。这个数据表明，在湿地容积相等的情况下，在相同的时间内，垂直流人工湿地比表面流人工湿地净化的水量多，约是表面流的1.6倍。与表面流人工湿地相比，建造潜流式人工湿地，能更好的提高湿地对水质的净化效率。

5 结论

通过在辽宁复州河人工湿地的试验研究，以及2个多月的观察，可知以NaCl作为示踪剂测定水力停留时间是可行的，而且不会对湿地造成二次污染，不影响湿地植物生长以及湿地正常运行，监测数据结果有效可靠。

水力停留时间是人工湿地设计的重要参数之一，选取合适的水力停留时间，对今后人工湿地污染物的迁移以及植物对污染物的分解十分重要，可以发挥人工湿地的最大效能。虽然试验的人工湿地容积较小，测出水力停留时间较短，但仍能得出理论水力停留时间与实际水力停留时间确实存在一定差异的结论，这个差异可以反映出湿地运行中的淤积堵塞程度，可作为湿地后期维护研究的依据。

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