水力负荷对生物滞留系统渗流性能及孔隙率的影响

王亚军, 耿冲冲, 蔡文娟, 李金守

(兰州理工大学 土木工程学院, 甘肃 兰州 730050)

近年来，国内洪涝灾害频发，城镇化进程的加快和基础设施的不完善、不合理是当今城市建设中面临的主要矛盾，已开发区域生态环境的改变对居民的生产生活产生了不可忽视的影响. 2014年国家颁布了《海绵城市建设技术指南》，旨在推进“自然积存、自然渗透、自然净化”的海绵城市建设，从而缓解当下的雨洪灾害以及生态环境破坏的问题[1]. 海绵城市建设的重要一步是选择适当的海绵体，生物滞留池是一种拦截径流污染、储蓄径流雨水的结构型雨水控制系统[2],在实际应用中不仅能够减少径流、削减洪峰，同时还能净化径流雨水.设有淹没区的生物滞留池能兼具一定的脱氮除磷功能[3]. 由于良好的处理效果以及环境的可接受性高，其应用范围也正在不断拓展.

水力负荷是所有水处理反应器(构筑物)的最基本参数之一，它既决定了反应器的处理效率，也影响着反应器的处理能力和水处理设施的运营成本[4]. 生物滞留池的工作效率也与水力负荷有关，同时渗透系数与孔隙率也是限制生物滞留池使用寿命的关键因素.王荣等[5]研究了人工湿地的渗透性能，周期为45 d的运行过程中，渗透系数表现为先上升后下降，而有效孔隙率平均下降了9%；对于填料粒径大于5 mm的人工湿地系统，其渗透系数随运行时间有急剧减小的趋势，小于5 mm的填料系统渗透系数则是缓慢减小[6].利用NaCl作为示踪剂对雨水花园的渗流性能的研究表明，若清水连续渗流，系统变化大致有4个阶段：第1阶段中渗透系数逐渐下降；第2阶段中渗透系数急剧上升；第3阶段中渗透系数稍微下降；第4阶段中渗透系数较平稳，不再发生大的波动变化[7].生物滞留系统的渗透性还与系统中的生物类型有关，为了防止反应器堵塞，有学者[8]提出在湿地系统中加入一些原生动物利用其生命活动来缓解堵塞;也有研究指出，不同植物种类以及植物自身木质素含量的不同也会通过分解作用的速率变化来影响渗透系数的变化，以美人蕉、芦苇和菖蒲的对比实验为例，美人蕉对系统的渗透系数影响最小，芦苇与菖蒲对渗透系数影响相对较大，因此设计生物滞留系统时也应选取适宜的植物[9]. 在水处理过程中，使用单一的填料时污染物的降解主要发生在系统的表层，而使用复合填料时系统降解氮磷的区域也会有所扩大[10]. 对于底部自然渗流的生物滞留系统来说，渗透系数与孔隙率也决定着系统对地下水的自然补给量[11].因此,无论是从水质或水文领域来看，研究生物滞留系统对水力负荷的适应性都是必要且有意义的.

1 实验方法

1.1 渗透系数

渗透系数测定实验采用JTGE 40—2007《公路土工试验规程》[12]中规定的渗透系数测定方法,按如下公式计算：

1.2 平均孔隙率

孔隙率可采用饱和含水量来代替计算[13]，饱和含水量使用容重法进行测定.计算公式如下：

式中：ρd为干密度(容重)，g/cm3；ρs为颗粒密度(比重)，g/cm3.

2 实验材料与步骤

2.1 实验材料

实验装置采用PVC管热熔粘接制成，设有上中下3个测压管接入口.测压管为有机玻璃材质，孔径为8 mm，通过橡胶软管与反应柱接口相连. 实验采用常水头法测定，使用蠕动泵配水. 具体装置图见图1，反应器填料配比见表1.

表1 实验反应器各层的填料配比

2.2 实验步骤

2.2.1反应器装填

将表1所列的砂子分别洗净晾干，过筛之后按照粒径范围进行混合，由下到上依次进行装填.这种装填顺序可有效提高系统的水力效率，避免短流以及死区[14];且按照渗透系数分布装填反应柱，得到的装置流场分布更加均匀[15].每装填完一层进行夯实操作，可有效降低反应器初始渗透系数，提高装置的稳定性[16].

2.2.2进水过程

实验开始时由进水口开始进水，此时关闭出水口处的止水开关，水流自上而下缓慢流入装置内，调节蠕动泵流速保持反应器处于满水状态. 测定前装置内可能含有残余空气，故应该先进行排气操作(即一直放水待测压管内无气泡).排气完之后再进行读数，待各测压管读数稳定且无气泡时，视为排气结束. 打开出水口处的止水开关，待水流稳定后调节流速大小至恒定.读取测压管水位，打开秒表计时，一定时间后停止读数，记录测压管水位与量筒内渗透水量.

2.2.3参数测定

每次实验测定结束之后应将水排净，容器处于湿润时称量相对质量，测定比重，此时得到的饱和含水率小于实际值.通过误差实验(利用浸湿的砂子与烘干的砂子进行容重测试对比)得到误差率约为20%.由于本实验主要侧重于组间实验对比，探究渗透系数与平均孔隙率随时间的沿程变化，因此误差对实验结果影响不大.

实验装置每天运行2 h，每运行3 d测定1次渗透系数与平均孔隙率，运行时长为2017-07-10～2017-08-10，共1个月.实际测得9组实验数据.

3 结果分析与讨论

3.1 渗透系数与孔隙率实验结果

由图2可知，相同水力条件下随着运行时间的增加，装置的渗透系数整体趋势为缓慢降低，并逐渐趋于稳定，但在1.0 m3/(m2·d)的工况下实验装置产生了渗透系数变大的现象，而整体趋势仍为趋于稳定，分析因为装填时夯实不均匀导致；在满流测定渗透系数时，有填料从测压管处流出，由于测压管处有少量的填料损失，因此导致了整体的渗透系数变大. 其中0.5、1.0、2.0 m3/(m2·d)条件下，渗透系数变化较为稳定，并最终稳定在870 mm/h左右；4.0 m3/(m2·d)运行条件下，渗透系数波动较为频繁.4.0 m3/(m2·d)条件下水流的冲刷效应对装置内部结构产生了较大影响.从4组实验装置整体来看，各组渗透系数变化的速率都是越来越缓慢.李曼[17]对人工湿地的渗透系数研究表明，水流状态的扰动是影响渗透系数变化速率的原因.最终反映组渗透系数都趋于稳定，稳定期发生在实验的第8次测定即反应器运行25 d左右时.渗透系数的稳定范围在810～880 mm/h之间.

图3为孔隙率的变化情况，在水力负荷为0.5、2.0 m3/(m2·d)条件下孔隙率变化最为规律，1.0 m3/(m2·d)条件下的实验组在实验的第18～21天时发生了波动.因为实验组的过滤层发生了砂子流失的情况，导致了这一情况的发生，同时渗透系数也有所上升，但系统在运行3 d之后又趋于稳定，稳定期也发生在25 d左右；4.0 m3/(m2·d)条件下孔隙率波动较大，这与渗透系数的变化情况是一致的. 孔隙率在下降到一定区域时，系统的持水性也发生变化，理论的水力停留时间也降低[18].水力负荷为4.0 m3/(m2·d)时平均孔隙率变化几乎无规律，其原因在于水力负荷较大时，每一次运行都对反应器内部结构产生了改变;冲刷效应对填料的冲击较大，改变了内部的混合填料结构而不能趋于稳定，导致填料部分流失而部分淤滞，造成孔隙率变化也较大.

3.2 渗透系数与平均孔隙率的变化关系

由图4知，水力负荷在0.5～2.0 m3/(m2·d)时，渗透系数与平均孔隙率均呈现出小范围的波动，渗透系数刚开始降低，接下来有些许升高，接着降低并且趋于稳定；2.0 m3/(m2·d)条件下,由渗透系数的变化可知有大概率其表层(0～30 cm)发生了轻微的堵塞，导致了渗透系数的升高[19].因无机物的大量积累，基质堵塞效应多发生在表层，会影响系统对颗粒物以及氨氮的去除[20].孔隙率随着运行时间的增加也减小，在到达34%以后时就开始发生小范围的波动并且趋于稳定.渗透系数与平均孔隙率整体变化呈正相关，这与砂土及砂石砾石的研究结果是一致的[21]；水力负荷在4.0 m3/(m2·d)时，渗透系数与平均孔隙率波动较大，互相之间变化规律也不明显.

用IBM SPSS软件分析得知水力负荷为0.5 m3/(m2·d)和2.0 m3/(m2·d)条件下，渗透系数与平均孔隙率有显著相关性(P<0.01)；水力负荷为1.0 m3/(m2·d)和4.0 m3/(m2·d)条件下渗透系数与平均孔隙率无显著相关性(P>0.05);即随着水力负荷的增加，渗透系数与平均孔隙率的相关性愈不明显.

4 结论

实验主要研究不同水力负荷条件下渗透系数与平均孔隙率的变化情况，并且分析平均孔隙率与渗透系数变化之间的相关性.由实验得出以下结论.

1) 生物滞留池在缓慢进水时，内部结构随运行时间增长逐渐趋于稳定，运行25 d左右即能达到稳定.

2) 实验固定填料级配下的反应装置稳定时渗透系数约为870 mm/h，平均孔隙率约为33.7%.

3) 生物滞留池的渗透系数与平均孔隙率在进水负荷较小,即0.5～2.0 m3/(m2·d)时，有极显著的相关性;在进水负荷大于等于4.0 m3/(m2·d)时，渗透系数与平均孔隙率相关性不显著.

4) 设计生物滞留池用于水处理时，水力负荷小于4.0 m3/(m2·d)，系统受水力条件影响较低.

实验也存在一些缺点和不足，如测定的渗透系数并非整体的实验装置，而是测压管1至测压管3之间的渗透系数；装填实验装置时手动压实的紧密度难以控制；平均孔隙率最终反映不了实验装置的内部结构层的具体变化.这些问题尚需研究者进一步改进解决.