劉葉雙，賈艾晨

（大連理工大學建設工程學部，遼寧 大連 116000）

水力停留時間（hydraulic retention time）簡稱HRT，是指待處理污水在反應器內的平均停留時間，也就是污水與生物反應器內微生物作用的平均反應時間。因此，如果反應器的有效容積為V（m3），流量為Q（m3/h），則：HRT=V/Q（h）。

隨著河流污染的加劇，生態(tài)修復逐漸成為許多城市河道治理的主要任務，而人工濕地是河道生態(tài)治理的重要手段之一。水力停留時間作為人工濕地污水處理系統(tǒng)的重要設計參數(shù)之一，決定了污水與濕地的接觸程度。研究指出，在某一個范圍值之內，隨著水力停留時間的延長，人工濕地的氨氮、總氮和總磷的去除效果呈指數(shù)提高。

目前研究人工濕地水力停留時間對其各項指標的影響已有一些成果。但多數(shù)研究學者著重在實驗室模擬人工濕地水力停留時間對各項指標的影響，而忽略了實驗室模擬水力停留時間與實際人工濕地水力停留時間之間的差異；而且多數(shù)研究都是通過控制人工濕地入口流量來計算水力停留時間，對水力停留時間監(jiān)測方法缺少相應的研究。通過在遼寧復州河人工濕地開展試驗，觀察食鹽（NaCl）投放后的運動狀態(tài)，測定水力停留時間，研究人工濕地水力停留時間對水質凈化的影響以及實際的水力停留時間的影響因素，為人工濕地的設計提供數(shù)據(jù)支持，也為人工濕地后期運行維護以及凈化能力的提高提供參考依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料用量的確定

從濕地取體積約為6 L的水樣，用多參數(shù)儀測得其初始電導率為726 μs/cm。用電子天平秤取適量NaCl（每次加入的NaCl小于0.1 g），記錄每次加入樣中的量，攪拌使之充分溶解，待儀器讀數(shù)穩(wěn)定后記錄其電導率EC。試驗結果如圖1所示，EC的變化量與累計投入的NaCl呈現(xiàn)出很好的線性關系。

在已知EC的條件下，由圖1線性關系可以反推NaCl含量，以及每提高1 μs/cm所需的NaCl質量?？紤]到濕地植物生長所能承受的最大濃度為50 mmol/L，即2.925 g/L。1 m3的水理論上可以加入NaCl 2 925 g。

由圖1可知，水質EC與NaCl含量之間的關系式為：

圖1 EC與NaCl含量的關系曲線

式中：y為 EC ，μs/cm；x為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。

濕地有效容積計算公式：

式中：l為人工濕地的長度，m；d為人工濕地的寬度，m；h為人工濕地水深，m；n為人工濕地空隙率，基質材料碎石和礫石空隙率取40%作為參考值（國標規(guī)定Ⅰ類碎石空隙率不得大于43%，Ⅱ類碎石空隙率不得大于45%，Ⅲ類碎石空隙率不得大于47%）。

在復州河試驗場選取3，4，6號這3個具有代表性的人工濕地進行試驗，根據(jù)3個濕地設計的有效容積計算試驗所需加NaCl的質量，見表1。

表1 實驗材料NaCl用量計算表

1.2 試驗方法與步驟

1）采集各個濕地進口以及出口處的水樣，監(jiān)測入口以及出口流量、PH，DO并做好記錄；同時檢測實驗前各個點的EC填入記錄表。

2）計算NaCl的用量，并配備成溶液。

3）將NaCl溶液倒入濕地。

4）每30 min測量進出口流量，設定儀器探頭獲取讀數(shù)時間間隔為5 min（如果儀器讀數(shù)變化較大時，可適當縮短讀數(shù)間隔），在濕地出水口處監(jiān)測水質EC。

5）繪制電導率-時間曲線。

6）現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)處理。

式中：TDS為溶液總鹽量，ppm；K為NaCl含量與電導率對應的轉換系數(shù)；EC25為經(jīng)溫度校正到25度的電導率，μs/cm。

試驗所采取的水樣的EC在300～4 000 μs/cm之間，查表2可知，水樣屬于苦咸水，K取0.55，即1 μs/cm=0.55 mg/L。

表2 EC與NaCl含量的關系計算表

2 理論時間的計算

濕地在運行過程中有淤積堵塞的情況，孔隙率會有所變化。但是孔隙率無法直接測量，空隙率假設還是設計值40%，再結合實測的流量、水深，計算出的水力停留時間稱為理論水力停留時間。

計算公式：

式中：V為人工濕地有效容積，m3；Q為正常流量，m3/s。

2.1 3號濕地（垂直流）理論水力停留時間計算

3號垂直流濕地基質包括85 cm厚粒徑10～30 mm碎石（底部是約0.2 m厚粒徑20～40 mm碎石層）和5 cm厚粗砂，現(xiàn)場監(jiān)測水深0.88 m。左側入水口管底與水面高差為4.2 cm，水流橫截面積為47.808 cm2；右側入水口管底與水面高差為7 cm，水流橫截面積為97.922 cm2。計算可知，3號垂直流濕地理論水力停留時間為2.72 h。

2.2 4號濕地（表面流）理論水力停留時間計算

4號表面流濕地從入水口到出水口選取的3個監(jiān)測點水深依次是30，50，40 cm。左側入水口管底與水面高差為6.4 cm，水流橫截面積為86.602 cm2；右側入口管底與水面高差為4.7 cm，水流橫截面積為56.24 cm2。計算可知，4號垂直流濕地理論水力停留時間為4.68 h。

2.3 6號濕地（水平流）理論水力停留時間的計算

6號水平流濕地基質包括65 cm厚粒徑10～30 mm碎石+5 cm厚粗砂，池子兩側各有約0.5 m寬粒徑20～40 mm碎石布水區(qū)，基質高度為0.74 m。左右進水口均為滿流。計算可知，6號垂直流濕地理論水力停留時間為2.65 h。

3 試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 3號人工濕地（垂直流）

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)，繪制的EC與時間的關系曲線，見圖2。在時間T=92 min，EC出現(xiàn)最大值，最大值為768 μs/cm，即該濕地的水力停留時間為1.53 h，NaCl濃度最大值為9.35 mg/L。在0～1.53 h這一時段，NaCl的回收量為79.69 g，NaCl的回收率為8.0%。

圖2 EC與時間的關系曲線

將水樣進行水質檢測分析實驗，得到的實驗結果，見表3。

表3 3號濕地水質檢測結果

3.2 4號濕地（表面流）

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)，繪制的EC與時間的關系曲線圖，見圖3。在時間T=147 min，EC出現(xiàn)最大值為816 μs/cm，即該濕地的水力停留時間為2.45 h，NaCl濃度最大值為 36.3 mg/L。在 0～2.54 h這一時段，NaCl的回收量最大為209.29 g，NaCl的回收率為10.5%。

將水樣進行水質檢測分析實驗，得到的實驗結果，見表4。

圖3 EC隨時間的變化關系曲線

表4 4號濕地水質檢測結果

3.3 6號濕地（水平流）

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)，繪制的EC與時間的關系曲線，見圖4。在人工濕地出口處，在0～30 min，EC緩慢增加；30～70 min，EC急劇增加。當時間T=75 min，EC出現(xiàn)最大值為817 μs/cm，即該濕地的實際水力停留時間為1.25 h，NaCl濃度最大值為37.95 mg/L。在0～1.25 h這一時段，NaCl的回收量最大為184.95 g，NaCl的回收率為18.5%。

圖4 EC與時間的關系曲線

將水樣進行水質檢測分析實驗，得到的實驗結果，見表5。

4 試驗結果分析

1）3號垂直流人工濕地理論停留時間為2.72 h，實際停留時間為1.53 h；4號表面流人工濕地理論停留時間為4.68 h，實際停留時間為2.45 h；6號水平流人工濕地理論停留時間為2.65 h，實際停留時間為1.25 h。由此可知，理論水力停留時間比實際水力停留時間長，原因主要有：濕地水流情況復雜多變，濕地死水區(qū)較多，有效容積變??；其次，濕地已經(jīng)運行1年，產(chǎn)生了淤積，空隙率變小，計算理論時間時，所用的空隙率與實際孔隙率有差異。實際水力停留時間與理論水力停留時間之間存在差異，是研究濕地淤積堵塞問題的重要依據(jù)。

表5 6號濕地水質檢測結果

2）3號垂直流人工濕地，NaCl回收率為8.0%；4號表面流人工濕地，NaCl回收率為10.5%；6號水平流人工濕地，NaCl回收率為18.5%。可知，水力停留時間與NaCl回收率呈一定的負相關關系。即水力停留時間越長，NaCl回收率越低。由此可知，水力停留時間太短，污染物遷移運動過快，不利于植物對污染物的吸收，人工濕地水質凈化效果不理想；水力停留時間太長，植物能對污染物進行較好的分解吸收，但是人工濕地的水質凈化效率大大降低，水中需氧型微生物對污染物的分解速率也會降低。所以，在人工濕地設計初期，應該設計一個合理的水力停留時間，既能保障植物微生物最大程度分解污染物，又能保障濕地的正常運行。

3）3號垂直流人工濕地，種植植物為蘆葦。各類污染物去除率約為15.24%；4號表面流人工濕地，種植植物為蘆葦，各類污染物去除率約為14.38%。3號垂直流人工濕地雖然比4號表面流人工濕地的水力停留時間短，但是3號濕地比4號濕地凈化效果好。這個數(shù)據(jù)表明，在濕地容積相等的情況下，在相同的時間內，垂直流人工濕地比表面流人工濕地凈化的水量多，約是表面流的1.6倍。與表面流人工濕地相比，建造潛流式人工濕地，能更好的提高濕地對水質的凈化效率。

5 結論

通過在遼寧復州河人工濕地的試驗研究，以及2個多月的觀察，可知以NaCl作為示蹤劑測定水力停留時間是可行的，而且不會對濕地造成二次污染，不影響濕地植物生長以及濕地正常運行，監(jiān)測數(shù)據(jù)結果有效可靠。

水力停留時間是人工濕地設計的重要參數(shù)之一，選取合適的水力停留時間，對今后人工濕地污染物的遷移以及植物對污染物的分解十分重要，可以發(fā)揮人工濕地的最大效能。雖然試驗的人工濕地容積較小，測出水力停留時間較短，但仍能得出理論水力停留時間與實際水力停留時間確實存在一定差異的結論，這個差異可以反映出濕地運行中的淤積堵塞程度，可作為濕地后期維護研究的依據(jù)。

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