社河人工湿地水力停留时间及水质监测研究

唐大维

(抚顺市水利勘测设计研究院有限公司，辽宁 抚顺 113006)

人工湿地污水处理系统将生态环境修复与污水处理结合起来，能有效修复河道环境和改善河道水质。其中，人工湿地可以分为水平流、垂直流以及表面流3类。国内外学者对人工湿地水力停留时间与各个指标特性的相互关系做了大量研究，并取得了显著的成果，但对水力停留时间监测方法缺少研究[1- 2]。张毓媛等[3]研究发现延长水力停留时间能够显著提高污水净化效果；徐丽等[4]研究表明水力停留时间为72 h时湿地对TP、TN和COD的平均去除率分别为80.79%、65.83%和54.04%；吴建强等[5]研究表明水力停留时间会显著影响湿地污染物净化的效果，其中垂直流人工湿地具有更稳定的污染物净化效果。本文以社河人工湿地为研究对象，将NaCl作为示踪剂，对水平潜流、垂直潜流和表面流人工湿地水力停留时间和NaCl回收率进行监测，归纳总结了水力停留时间对人工湿地净化效率的影响，以期为生态治理工程的正常运行、水资源的科学管理和高效利用提供理论指导。

1 工程概况

社河人工湿地位于抚顺县东部，大伙房水库社河入口。出水口处设生态浮床，种植植物为美人蕉，湿地植物以黄首蒲和芦苇为主。社河湿地共分为12个小单元，如图 1 所示，其中每个单元长15m，宽5m，水平潜流、垂直潜流和表面流人工湿地间隔分布。潜流湿地坡降均为1.0%，表面流湿地坡降0.5%。潜流湿地填料为碎石和砾石，厚度约为1.2m。每一列2个湿地间设有调节池来调节进、出水流量。

图1 社河人工湿地

2 人工湿地水力停留时间监测

2.1 实验方法

取体积约为 5 L的湿地水样并测定初始电导率，向水样中加入适量NaCl，拌之充分溶解，记录水样电导率(EC)，实验结果如图 2 所示。可以看出，NaCl的累计投入质量与EC的变化量二者之间存在良好的线性关系。因此，在EC已知的条件下，可以推算水样中NaCl的含量，水样中NaCl 含量与EC的关系式为[6- 7]：

y=323.07x+729.79

(1)

式中，x—水样NaCl 的质量，g；y—水样电导率，μs/cm。

图2 EC与NaCl含量的关系曲线

湿地有效容积计算公式[8]：

表面流湿地：V=l×h×d

(2)

潜流湿地：V=l×h×d×n

(3)

式中，n—湿地空隙率，取值为40%；h—湿地水深，m；d—湿地宽度，m；l—湿地长度，m。选取1号垂直流湿地、2号表面流湿地、3号水平流湿地进行实验，NaCl用量计算见表1。

表1 NaCl用量计算表

2.2 实验操作

(1)采集水样监测并记录入水口、出水口处的EC、DO、pH、水深及流速。

(2)将NaCl倒入容器中加入适量的水，充分搅拌至完全溶解。

(3)将配置好的NaCl溶液倒入湿地。

(4)每间隔15min测量一次湿地出水口处水体EC值及水体进出口流量。

(5)现场监测的数据处理：

TDS=K×EC25

(4)

式中，EC25—25C°下的EC，μs/cm；K—EC与NaCl含量转换系数，取值为0.55；TDS—溶液总盐量，ppm。

(6)绘制EC与时间的关系曲线并推算水力停留时间。

2.3 理论时间的计算

理论水力停留时间计算公式为[9]：

HRT=V/Q

(5)

式中，Q—正常流量，m3/s；V—湿地有效容积，m3。

各个湿地的理论水力停留时间见表 2 。

3 湿地水质监测数据及水力停留时间分析

3.1 湿地水力停留时间分析

3.1.11号人工湿地(垂直流)

根据 1 号人工湿地监测的数据并结合水深与流速，绘制EC及NaCl回收量与时间的关系曲线，如图 3 所示。可以看出，湿地出口处0～36min范围内，EC增加缓慢；36～64min，EC呈现急剧增加的趋势。监测时间T=88min时，EC最大为768.67 μs/cm，随后EC缓慢降低，表明垂直流人工湿地的实际水力停留时间为1.47 h。0～88min内NaCl的回收量为75.22g，回收率为7.60%。

3.1.22号人工湿地(表面流)

根据2号人工湿地监测的数据并结合出流速与水深，绘制EC及NaCl回收量与时间的关系曲线，如图 4 所示。可以看出，0～85min，人工湿地出口处EC缓慢增加；85～129min，EC显著增加；监测时间T=147min时，EC最大为 817.38 μs/cm，随后EC缓慢降低，即实际水力停留时间为 2.45 h。0～147min内NaCl的最大回收量为225.31g，NaCl的回收率为 11.38%。

表2 各个湿地理论水力停留时间计算表

图3 1号湿地NaCl回收量及EC与时间的关系曲线

图4 2号湿地EC及NaCl回收量与时间的关系曲线

3.1.33号人工湿地(水平流)

根据 3 号人工湿地监测数据并结合流速与水深，绘制EC及NaCl回收量与时间的关系曲线，如图 5 所示。由图可知，0～29min，人工湿地出口处EC缓慢增加；29～64min，EC出现急剧增加趋势；监测时间T=73min时，EC最大为817.58 μs/cm，随后EC缓慢降低，即水平流人工湿地的实际水力停留时间为1.22 h。0～73min内NaCl的最大回收量为 164.85g，NaCl的回收率为 16.65%。

图5 3号湿地EC及NaCl回收量与时间的关系曲线

对比可以看出，3种湿地的实际水力停留时间均明显小于理论水力停留时间，主要是由于死水区较多，水流情况复杂多变，导致人工湿地的有效容积明显减小；同时，湿地运行时间较长，产生大量污泥淤积，使得湿地空隙率变小，导致理论水力停留时间与实际水力停留时间二者之间存在显著差异。3种湿地的NaCl回收率分别为7.60%、11.38%、16.65%，表明NaCl回收率与水力停留时间呈负相关，水力停留时间增加使得污染物能够较好地被植物分解和吸收，但需氧型微生物对污染物的分解速率减小，水质净化效率明显降低；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。因此，应该设计合理的水力停留时间，一方面保障人工湿地的正常运行，另一方面保障植物、微生物有效分解污染物。

3.2 人工湿地水质监测数据分析

3种湿地的水质监测分析结果，见表 3。1号垂直流和2号表面流人工湿地种植的植物均为芦苇，2个湿地各类污染物去除率分别约为16.10%和15.25%。虽然1号垂直流人工湿地的水力停留时间比2号表面流人工湿地的水力停留时间短，但其净化效果好。表明相等湿地容积条件下，潜流式人工湿地会使湿地的净化效率显著提高，而垂直流人工湿地的水质净化优于表面流人工湿地。3号水平流人工湿地各类污染物去除率约为37.55%，水质净化效果较好，其中SS的去除率达꿙的去除率高达78.40%；COD、BOD的去除率分别为36.51%和44.32%，净化后均达到地表水Ι类水质级别，其水质监测结果表明，虽然水平流人工湿地水力停留时间较短，但种植了净化效果较好的植物，其水质净化效果仍然很好。

表3 3种湿地的水质检测分析结果

4 结论

以社河人工湿地为依托，将NaCl作为示踪剂，对垂直潜流、表面流、水平潜流人工湿地水力停留时间和NaCl回收率进行监测，得出以下结论：①由于湿地死水区较多，水流情况复杂多变，有效容积减小，3种湿地的实际水力停留时间均明显小于理论水力停留时间。②3种湿地的NaCl回收率分别为7.60%、11.38%和16.65%，表明水力停留时间与NaCl回收率呈负相关。③1号垂直流和2号表面流人工湿地种植的植物均为芦苇，各类污染物去除率分别约为16.10%和15.25%。3号水平流湿地水质净化效果较好，各类污染物去除率约为37.55%，虽然水平流人工湿地水力停留时间较短，但种植了净化效果较好的植物，其水质净化效果仍然很好，为人工湿地设计提供参考依据。