肖海文，陳 妮，柳登發(fā)，翟 俊

（重慶大學(xué) 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400045）

隨著點(diǎn)源污染控制水平的提高，面源污染對我國水環(huán)境的威脅日益突出.人工濕地作為一種新興的污水生態(tài)處理技術(shù)，在農(nóng)業(yè)徑流及城市徑流污染控制中的應(yīng)用日益受到關(guān)注，現(xiàn)已成為面源污染控制的重要對策之一［1－4］.然而，雖然自20世紀(jì)初第1個(gè)人工濕地建成運(yùn)行至今人工濕地技術(shù)研究取得了重大進(jìn)展［5］，但這些研究絕大多數(shù)都建立在連續(xù)流進(jìn)水、水質(zhì)水量相對恒定的常規(guī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行基礎(chǔ)之上，這與徑流處理隨機(jī)間歇進(jìn)水、水質(zhì)水量波動(dòng)的運(yùn)行條件有本質(zhì)的差別.而在實(shí)際運(yùn)行中，由于特殊的運(yùn)行條件，徑流處理人工濕地往往表現(xiàn)出與常規(guī)污水處理人工濕地明顯相異的污染物去除規(guī)律［6－7］.目前，針對徑流處理人工濕地實(shí)際運(yùn)行條件對處理效果影響的研究十分鮮見，而徑流處理人工濕地在隨機(jī)間歇運(yùn)行條件下的除污規(guī)律和特點(diǎn)尚不明確，使得人工濕地在面源污染控制領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用受到限制.

本文以水平潛流人工濕地為例，模擬設(shè)有前置調(diào)蓄設(shè)施的徑流處理人工濕地的運(yùn)行條件，通過影響因素正交試驗(yàn)，考察隨機(jī)間歇進(jìn)水、進(jìn)水水量負(fù)荷恒定的運(yùn)行條件下表觀水力停留時(shí)間（hydraulic retention time，HRT，即濕地孔隙容積與流量的比值）、水深及運(yùn)行前間隔天數(shù)（antecedent resting days，ARD）3個(gè)主要運(yùn)行控制參數(shù)對人工濕地內(nèi)有機(jī)物去除的影響，以期為雨水徑流處理人工濕地的進(jìn)一步研究及運(yùn)行管理提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)參數(shù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

采用的水平潛流人工濕地裝置位于重慶大學(xué)實(shí)驗(yàn)室溫室大棚內(nèi)，如圖1所示.圖中DN和i分別代表管徑和人工濕地坡度.

圖1 試驗(yàn)人工濕地裝置平剖面Fig.1 Plan and profile of the experimental constructed wetland

試驗(yàn)人工濕地分為并列對稱布置的2組，每組15.3m2.主體濕地床為廊道折流式，每組共3個(gè)溝槽式廊道，廊道總長21.0m，寬0.8m，坡度2%.濕地床內(nèi)填料采用本地石灰?guī)r（以方解石為主要成分的碳酸鹽巖）礫石，粒徑為10～15 mm，填充高度0.6m.2 組濕地床內(nèi)的植物均為本地風(fēng)車草（Cyperusalternifolius） 和 菖 蒲 （Iris pseudoacorus），栽種方式為混種，平均種植密度分別為20～25株·m－2和40～45株·m－2.進(jìn)水井通過閥門控制進(jìn)水流量.出水井通過水位調(diào)節(jié)閥可將濕地水位控制在0.2，0.4和0.6m.

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)?zāi)M徑流處理人工濕地的隨機(jī)間歇進(jìn)水的運(yùn)行條件，進(jìn)水由校園生活污水、自來水及葡萄糖等配制而成，水質(zhì)（CODCr、氨氮、總磷等指標(biāo)）模擬實(shí)測城市住宅區(qū)徑流［8］.

試驗(yàn)分為正交試驗(yàn)和單因素工況試驗(yàn).正交試驗(yàn)采用三因素六水平L18（61×32）的正交表（表1）設(shè)計(jì)試驗(yàn)工況，考察HRT，ARD 和濕地床水深3個(gè)運(yùn)行參數(shù)對有機(jī)物去除效果的影響程度和影響機(jī)制.每組工況試驗(yàn)進(jìn)行2次，分別在并列的2組濕地中同時(shí)進(jìn)行，進(jìn)水運(yùn)行時(shí)間為7～10d，ARD 按工況安排為1，3或8d.試驗(yàn)期間平均水溫為26.3℃，最低水溫為23.5℃，從而保證各組工況試驗(yàn)在基本相同的氣溫條件下進(jìn)行.

表1 正交試驗(yàn)水平和因素Tab.1 Parameters of experimental factors in orthogonal experiment plan

1.3 采樣及水質(zhì)分析方法

在各工況運(yùn)行過程中，每日10：00和15：00在2組濕地的進(jìn)、出水井各采集水樣1次作為進(jìn)、出水水樣進(jìn)行測試.考察濕地沿程有機(jī)物情況時(shí)，采樣點(diǎn)為進(jìn)、出水井和各穿孔管（圖1），共9個(gè)取樣點(diǎn).穿孔管內(nèi)用軟管和洗耳球虹吸采樣.水樣用45μm 濾膜抽濾后測CODCr質(zhì)量濃度，測試方法見文獻(xiàn)［9］.DO（dissolved oxygen）質(zhì)量濃度用HACH sension1溶氧儀在穿孔管內(nèi)現(xiàn)場測定；254nm 紫外吸光度（UV254，單位cm－1）采用45μm 濾膜將水樣抽濾后用紫外分光光度計(jì)測定.文中有機(jī)物的芳構(gòu)化程度［10］，即UV254與CODCr質(zhì)量濃度的比值為A，L·mg－1·cm－1.

2 結(jié)果

正交試驗(yàn)結(jié)果見表2.由表2可見，在不同運(yùn)行參數(shù)的工況下有機(jī)物去除率大小差異顯著.

表2 正交試驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)、CODCr平均進(jìn)、出水質(zhì)量濃度與去除率Tab.2 CODCrconcentration and removal rate under different running conditions

3 分析與討論

3.1 運(yùn)行參數(shù)的影響程度比較

以CODCr去除率為評價(jià)指標(biāo)，根據(jù)正交試驗(yàn)極差分析法［11］對HRT、水深和ARD 對有機(jī)物去除的影響程度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表3，表中K1～K6為水平1～6的平均得分，ΔK為極差.

由表3可知，3個(gè)運(yùn)行參數(shù)對CODCr去除率影響的重要程度由大到小依次為HRT、水深、ARD，其中HRT 為關(guān)鍵影響因素，對去除效果的影響程度遠(yuǎn)大于水深和ARD.

表3 運(yùn)行參數(shù)對有機(jī)物去除影響程度極差分析Tab.3 Maximum difference analysis of runningparameters affecting removal performance of CODCr

3.2 運(yùn)行參數(shù)對有機(jī)物去除效果的影響

3.2.1 表觀水力停留時(shí)間

由圖2可知，有機(jī)物去除效果隨著HRT 增加而增加.當(dāng)HRT 小于36h 時(shí)，CODCr去除率隨HRT的變化劇烈，表明在這一水力負(fù)荷范圍內(nèi)有機(jī)物去除效果并不穩(wěn)定，去除率受HRT 影響變化明顯.當(dāng)HRT 大 于36h 后，隨 著HRT 的 增 長，CODCr去 除率的增加已趨于平緩，表明此時(shí)有機(jī)物去除隨水力負(fù)荷的變化已逐漸平穩(wěn)，因此可認(rèn)為本試驗(yàn)條件下最佳HRT 為36h.

圖2 表觀水力停留時(shí)間對CODCr去除率的影響Fig.2 Effect of HTR on CODCrremoval rate

3.2.2 水深

由圖3可看出，在HRT 和運(yùn)行間隔天數(shù)相等的情況下，隨著水深的增加，CODCr去除率基本呈下降趨勢，但0.2m 和0.4m 水深的CODCr去除率差異并不明顯.0.6m 水深時(shí)，CODCr去除率變化相對于0.2m 和0.4m 來講降低趨勢非常顯著，而且HRT越短CODCr去除率下降的幅度越大.

圖3 水深對CODCr去除率的影響Fig.3 Effect of water depth on CODCrremoval rate

一般來說，不同水深條件下濕地內(nèi)水力學(xué)狀態(tài)差別明顯.Holland等［12］研究表明，在水力負(fù)荷相同條件下，水深較大的人工濕地系統(tǒng)內(nèi)部存在更多的短流和死區(qū)，系統(tǒng)水力效率明顯劣于其水深較淺的工況，從而導(dǎo)致污染物在濕地內(nèi)接觸反應(yīng)時(shí)間的縮短.另外，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在水深0.6m 運(yùn)行，當(dāng)HRT 小于30h時(shí)，流速增大導(dǎo)致水頭損失增加，使?jié)竦卮睬? m 段出現(xiàn)了表面漫流現(xiàn)象.表面漫流減少了污染物與基質(zhì)的接觸，不論是填料的物理截濾作用還是微生物的降解作用均大大降低，成為水深增加CODCr去除率下降的重要原因.

人工濕地內(nèi)有機(jī)物的去除還與系統(tǒng)內(nèi)氧的傳質(zhì)情況密切相關(guān).圖4為不同水深時(shí)在沿程穿孔管內(nèi)測得的濕地水相內(nèi)溶解氧沿垂直高度的分布情況.由圖4 可知在不同水深下濕地床內(nèi)溶解氧（dissolved oxygen，DO）的質(zhì)量濃度均隨著垂直高度的增加而增加，不同水層之間存在明顯的質(zhì)量濃度梯度.濕地床內(nèi)水深的增加導(dǎo)致了氣水兩相傳質(zhì)的難度的增加，使床體內(nèi)水深越大溶解氧越低.由圖4可知，在HRT 為36h的情況下，水深0.2，0.4和0.6 m工況下人工濕地床體內(nèi)DO平均為1.60，1.30和0.75mg·L－1，可見由于水深增加而導(dǎo)致氧氣傳質(zhì)能力的降低應(yīng)該是有機(jī)物去除效率降低的另一個(gè)重要原因.

圖4 濕地床水相內(nèi)溶解氧質(zhì)量濃度沿垂直高度的分布Fig.4 Vertical distribution of dissolved oxygen in wetland bed

3.2.3 運(yùn)行前間隔天數(shù)

由圖5可知，當(dāng)HRT 較長時(shí)，ARD 對CODCr去除率的影響并不明顯；隨著HRT 的減小，CODCr去除率隨著ARD 的增加而增加的趨勢變得明顯，說明HRT 越短，ARD 對處理效果影響越大.

圖5 運(yùn)行前間隔天數(shù)對CODCr去除率的影響Fig.5 Effect of ARD on CODCrremoval rate

在人工濕地用于處理雨水徑流的實(shí)際工程中ARD是由2次降雨間隔時(shí)間和調(diào)蓄池容積共同決定的運(yùn)行參數(shù).在停止進(jìn)水期間雖然無外來有機(jī)污染物輸入，但滯留于人工濕地系統(tǒng)內(nèi)的有機(jī)物仍然繼續(xù)進(jìn)行著一系列的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化過程.沉淀、截留在基質(zhì)表面的有機(jī)物在微生物的作用下繼續(xù)降解，同時(shí)植物、微生物通過死亡、分解或代謝分泌活動(dòng)又能向水中釋放有機(jī)物質(zhì)，濕地內(nèi)部有機(jī)物濃度即為這2種過程綜合作用結(jié)果［13－14］，而這一結(jié)果必將通過人工濕地接下來的運(yùn)行體現(xiàn)在后續(xù)出水水質(zhì)上.另外，ARD 的重要影響還表現(xiàn)在對濕地持有水分的減少上.如果2 次降雨間隔時(shí)間過長，調(diào)蓄池容積又過小，人工濕地長時(shí)間處于干旱狀態(tài)，蒸發(fā)、蒸騰作用導(dǎo)致水分流失將危及植物的生長以及整個(gè)人工濕地的生態(tài)功能，這是徑流處理人工濕地設(shè)計(jì)必須考慮的問題.

3.3 停止進(jìn)水期間水相中有機(jī)物的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化

濕地內(nèi)通過植物及微生物死亡分解或代謝分泌活動(dòng)向水中釋放有機(jī)物質(zhì)，這部分有機(jī)質(zhì)主要由含sp2共軛雙鍵的酚類、不飽和醛或酮、腐殖酸、木質(zhì)素等組成［13－15］，因此，可用UV254作為這部分有機(jī)物在水中含量的間接表征.為了考察徑流處理人工濕地在停止進(jìn)水期間系統(tǒng)內(nèi)有機(jī)物的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化規(guī)律，測定了2個(gè)8d的停進(jìn)水期內(nèi)濕地系統(tǒng)內(nèi)部CODCr質(zhì)量濃度和UV254的變化，如圖6所示.圖中有機(jī)物相關(guān)指標(biāo)為2個(gè)濕地中沿程9個(gè)取樣點(diǎn)取樣測定的平均值，取樣深度為水深0.2m.

圖6 停運(yùn)行期間濕地水相內(nèi)有機(jī)物參數(shù)的變化Fig.6 Varaition of organic parameters during resting period

由圖6可看出，在停止進(jìn)水期間，人工濕地水相內(nèi)有機(jī)物在量和組成上均發(fā)生了改變.

在停止運(yùn)行期間，濕地床水相中CODCr質(zhì)量濃度持續(xù)下降（圖6a），下降趨勢隨停運(yùn)行天數(shù)的增加由快逐漸減慢，表明停止進(jìn)水后，滯留在濕地系統(tǒng)中的有機(jī)物仍然繼續(xù)在各種物理、化學(xué)和生化過程的協(xié)同作用下從水中去除，其去除速率大于系統(tǒng)內(nèi)植物根系分泌、植物及微生物新陳代謝產(chǎn)生有機(jī)物的速率.在停止進(jìn)水期間，雖然有機(jī)物水平總體呈下降趨勢，然而UV254水平卻處于小幅增長的狀態(tài)（圖6b）.10月25日至11月1日以及6月1日至6月8日閑置期UV254值增幅分別為4%和21%.高紫外吸收通常意味著水中含共軛雙鍵的大分子（分子量500～3 000）不飽和醛、酮以及芳香族有機(jī)物的增加［12］，這部分有機(jī)物雖處于溶解態(tài)，但可生化性較差.因此由圖6a，6b可推斷停止進(jìn)水后3dCODCr質(zhì)量濃度下降速率較大，這段時(shí)間主要以易生化有機(jī)物在微生物作用下的降解作用為主，此后隨著根系分泌、植物及微生物新陳代謝或殘?bào)w的分解作用，水中不易生化降解有機(jī)物增加，導(dǎo)致總有機(jī)物降解速率降低，表現(xiàn)在CODCr質(zhì)量濃度下降速率逐漸減緩.濕地內(nèi)根系分泌、植物及微生物新陳代謝作用導(dǎo)致了系統(tǒng)內(nèi)不飽和醛、酮、芳香族有機(jī)物的累積，累積速率隨溫度的增加和植物生長作用的加強(qiáng)而增加.由圖6a還可知，在溫度較高、植物生長旺盛的夏季（6 月）UV254與CODCr質(zhì)量濃度比值的增長高于溫度低、植物長勢弱的秋季（10月）.

A值可從側(cè)面反應(yīng)水中具共軛雙鍵結(jié)構(gòu)有機(jī)物的組成比例，或稱芳構(gòu)化程度［10］.由圖6b和6c可看出，在停止進(jìn)水期間，雖然濕地系統(tǒng)內(nèi)254nm 紫外吸光度UV254值增長幅度較小，但A值增長卻十分明顯，10月25日至11月1日以及6月1日至6月8日的停進(jìn)水期間A值增幅分別達(dá)182%和221%，說明在停運(yùn)行期間濕地水相內(nèi)有機(jī)物組成發(fā)生了改變，停止運(yùn)行時(shí)間越長，溫度越高，有機(jī)物組成的芳構(gòu)化程度就越大.值得注意的是，在5～8月試驗(yàn)中，目視觀測到停運(yùn)行期間濕地內(nèi)所取水樣的色度較進(jìn)水時(shí)明顯增高，其顏色與天然水體的黃綠色較接近.由于沒有外來有色污染源輸入，因此可認(rèn)為色度的增加主要為系統(tǒng)內(nèi)部根系分泌、植物及微生物代謝、分解釋放入水中的分子量較大的成色有機(jī)物造成.

綜上所述，在停止進(jìn)水期間，濕地系統(tǒng)內(nèi)總有機(jī)物呈現(xiàn)下降趨勢，并且濕地內(nèi)有機(jī)物的組成發(fā)生了改變.根系分泌、植物及微生物代謝、分解作用導(dǎo)致水中有機(jī)物芳構(gòu)化程度增加.

4 結(jié)論

（1）在恒定負(fù)荷、間歇運(yùn)行條件下人工濕地HRT、濕地床水深和ARD 3個(gè)主要運(yùn)行控制參數(shù)對CODCr去除率影響程度由大到小依次為HRT、水深、ARD，其中HRT 為關(guān)鍵影響因素，對有機(jī)物去除的影響程度遠(yuǎn)大于水深和ARD.

（2）有機(jī)物去除效果隨HRT 的增加而增加，但當(dāng)HRT 大于36h后，HRT 對CODCr去除效果的影響明顯降低.

（3）隨著水深的增加，CODCr去除率基本呈下降趨勢，但0.2m 和0.4m 水深的CODCr去除率差異并不明顯；0.6 m 水深時(shí)，CODCr去除率相對于0.2 m 和0.4m 來講降低程度顯著.

（4）HRT 越短，ARD 對CODCr去除效率的影響越大.

（5）在停止進(jìn)水期間人工濕地水相CODCr隨停進(jìn)水天數(shù)的增加而下降，但UV254與CODCr質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值上升表明濕地水相內(nèi)由根系分泌、植物及微生物代謝產(chǎn)生的內(nèi)源有機(jī)物的組分增加.

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