楊萌堯，馬啟航，高　璐，何春光，盛連喜

(東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，國(guó)家環(huán)境保護(hù)濕地生態(tài)與植被恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130117)

由基質(zhì)、植物、微生物三要素構(gòu)成的人工濕地系統(tǒng)，可使污水中的污染物通過系統(tǒng)中發(fā)生的物理、化學(xué)和生物反應(yīng)而被攔截、吸附、降解或吸收，從而達(dá)到處理或凈化污水的目的.由于人工濕地系統(tǒng)類自然的設(shè)計(jì)、低能耗的運(yùn)行、低廉的維護(hù)成本以及對(duì)污水具有良好的處理效果，在世界各地被廣泛應(yīng)用.[1-2]潛流濕地與表流濕地相比，具有占地面積小、對(duì)污染物處理效果好的優(yōu)點(diǎn)，因此在土地資源緊張的地區(qū)被更為廣泛的應(yīng)用.[3]

雖然潛流人工濕地目前在世界各地被廣泛應(yīng)用，且已存在一些標(biāo)準(zhǔn)用以規(guī)范和指導(dǎo)人工濕地的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，[4-5]然而這些標(biāo)準(zhǔn)尚不能統(tǒng)一[6].這是由于人工濕地的設(shè)計(jì)和運(yùn)行受地理位置、氣候、處理污水類型、占地面積、出水標(biāo)準(zhǔn)等因素的影響，[7]因此，對(duì)于人工濕地的設(shè)計(jì)和運(yùn)行應(yīng)該根據(jù)面臨的實(shí)際情況進(jìn)行具體分析.

堵塞是潛流人工濕地面臨的嚴(yán)重問題，制約著人工濕地的發(fā)展.[8-11]引起堵塞的原因主要有以下幾類[12]：懸浮物(TSS)積累、植物根系生長(zhǎng)、生物膜、化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的沉淀物、濕地構(gòu)建過程中基質(zhì)的碎裂.目前對(duì)于潛流濕地預(yù)防堵塞的措施主要有：(1)設(shè)立沉淀池、化糞池、厭氧消化池或污泥反應(yīng)床等前處理設(shè)施；(2)對(duì)濕地植物進(jìn)行定期收割與管理，防止植物枯落物在濕地基質(zhì)表面形成淤泥層；(3)為濕地系統(tǒng)提供充足的氧氣，保證濕地中的有機(jī)物能夠被充分分解，避免積累在濕地基質(zhì)中.主要措施包括濕地間歇運(yùn)行、潮汐式運(yùn)行、定期改變濕地水流方向、定期向濕地系統(tǒng)內(nèi)曝氣等.

本文從減緩潛流人工濕地堵塞的角度出發(fā)，以常用于衡量濕地堵塞程度的孔隙度，以及濕地對(duì)于污染物的去除表現(xiàn)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過改變?nèi)斯竦卦O(shè)計(jì)運(yùn)行的重要參數(shù)——基質(zhì)粒徑與水力停留時(shí)間，研究了不同條件下濕地的反應(yīng)，然后對(duì)其結(jié)果進(jìn)行了正交分析，以期得到基質(zhì)粒徑與水力停留時(shí)間的最佳組合.

1　實(shí)驗(yàn)材料與方法

圖1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用直徑5 cm、高15 cm的圓柱狀有機(jī)玻璃容器模擬垂直潛流人工濕地系統(tǒng)(見圖1).向系統(tǒng)內(nèi)填充高度為10 cm的基質(zhì)，實(shí)驗(yàn)選用了人工濕地系統(tǒng)常用的礫石作為研究基質(zhì).使用蠕動(dòng)泵將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配置的污水自上而下地泵入系統(tǒng)，在容器底部設(shè)有出口，以相同型號(hào)、同樣轉(zhuǎn)速的蠕動(dòng)泵在系統(tǒng)出水口將出水泵出，以維持系統(tǒng)以恒定的飽和狀態(tài)運(yùn)行.

潛流濕地中的堵塞多由基質(zhì)發(fā)生的物質(zhì)積累導(dǎo)致，而積累物質(zhì)的主要來(lái)源為污水中的懸浮物，水中懸浮物進(jìn)入濕地后通過基質(zhì)的攔截而被去除，進(jìn)而積累在基質(zhì)中.根據(jù)潛流濕地基質(zhì)中積累物質(zhì)礦物成分的分析結(jié)果，[13]實(shí)驗(yàn)選用了不溶于水的粉末狀沸石模擬污水中的懸浮物.為了加快模擬系統(tǒng)的堵塞，實(shí)驗(yàn)污水中的懸浮物質(zhì)量濃度設(shè)定偏高，為700 mg/L.實(shí)驗(yàn)共設(shè)9個(gè)系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)的水力負(fù)荷相同，均為100 mm3/(m2·d)，系統(tǒng)的基質(zhì)粒徑與水力停留時(shí)間設(shè)置見表1.

表1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基質(zhì)粒徑與水力停留時(shí)間的設(shè)定

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基質(zhì)粒徑/mm水力停留時(shí)間/h11～2123～4135～6141～2253～4265～6271～2483～4495～64

實(shí)驗(yàn)期間每3天對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的孔隙度和出水TSS濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè).實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)出水中TSS濃度的測(cè)定按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《水質(zhì)懸浮物的測(cè)定重量法—GB11901-89》進(jìn)行，濾膜采用粒徑為0.45 μm的濾膜，每個(gè)樣品進(jìn)行3次重復(fù)測(cè)定.計(jì)算公式為

式中：C為水中懸浮物質(zhì)量濃度(mg/L)，A為懸浮物+濾膜+稱量瓶的質(zhì)量(g)，B為濾膜+稱量瓶的質(zhì)量(g)，V為試樣體積(mL).

根據(jù)入水和出水中TSS的質(zhì)量濃度可計(jì)算出相應(yīng)的TSS去除率.

孔隙度的計(jì)算公式為

φ=Vf/Vb.

式中：φ為孔隙度，Vf為可流動(dòng)的孔隙體積(mL)，Vb為多孔基質(zhì)外表體積(mL).

2　結(jié)果與討論

2.1　TSS出水濃度、去除率及系統(tǒng)孔隙度隨時(shí)間的變化

圖2　各系統(tǒng)出水中TSS質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化

在第3天的監(jiān)測(cè)中水力停留時(shí)間為1 h和2 h的系統(tǒng)，TSS出水質(zhì)量濃度為800～1 200 mg/L，高于入水TSS的質(zhì)量濃度.導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因可能是模擬系統(tǒng)所填充的基質(zhì)并未完全清洗干凈，水力停留時(shí)間為1 h和2 h的系統(tǒng)由于系統(tǒng)內(nèi)部水流速度較高，將基質(zhì)填充過程中由礫石破碎產(chǎn)生或礫石表面攜帶的細(xì)小顆粒物一并沖洗出，造成實(shí)驗(yàn)初期系統(tǒng)出水中TSS質(zhì)量濃度高于入水濃度這一結(jié)果，而水力停留時(shí)間為4 h的系統(tǒng)TSS出水質(zhì)量濃度則為300 mg/L左右.在第6天的監(jiān)測(cè)中，所有系統(tǒng)的TSS出水質(zhì)量濃度接近，均為300 mg/L左右，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的TSS出水質(zhì)量濃度值在實(shí)驗(yàn)初始1周內(nèi)發(fā)生了較為劇烈的變化(見圖2)，這是由于系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)初期尚未穩(wěn)定所導(dǎo)致.第6天之后，所有實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的TSS出水質(zhì)量濃度趨于穩(wěn)定，整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)浮動(dòng)不大，均維持在200～400 mg/L范圍內(nèi)，隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行并未呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢(shì).同時(shí)，由圖2可以看出，在同樣的水力停留時(shí)間下，基質(zhì)粒徑越小，TSS的出水質(zhì)量濃度越低，而相同粒徑之間，水力停留時(shí)間越長(zhǎng)，出水質(zhì)量濃度越低，但是相互之間的差異并不明顯.

在第3天的監(jiān)測(cè)中，水力停留時(shí)間為1 h和2 h的系統(tǒng)TSS去除率很低，介于15%～20%，而粒徑為3～4 mm、水力停留時(shí)間為2 h的系統(tǒng)，TSS去除率甚至低至5%.水力停留時(shí)間為4 h的系統(tǒng)則保持著較高的TSS去除率，約為50%.在第6天的監(jiān)測(cè)中，所有系統(tǒng)的TSS去除率接近，介于50%～70%.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的TSS去除率在實(shí)驗(yàn)初始1周內(nèi)同樣發(fā)生了較為劇烈的變化(見圖3)，這是由于系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)初期尚未穩(wěn)定所導(dǎo)致.第6天之后，所有實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的TSS去除率趨于穩(wěn)定，與TSS出水質(zhì)量濃度的變化情況相同，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，浮動(dòng)不大，均維持在50%～70%范圍內(nèi)，隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行并未呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢(shì).同時(shí)，由圖3可以看出，在同樣水力停留時(shí)間下，基質(zhì)粒徑越小，TSS的去除率越高，而相同粒徑之間，則是水力停留時(shí)間越長(zhǎng)，TSS去除率越低.

圖3　各系統(tǒng)出水TSS去除率隨時(shí)間變化　　圖4　各系統(tǒng)孔隙度隨時(shí)間變化

與TSS出水質(zhì)量濃度、去除率的變化情況不同，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的孔隙度在實(shí)驗(yàn)初始1周內(nèi)并未發(fā)生劇烈的變化(見圖4).實(shí)驗(yàn)期間，所有實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的孔隙度一直處于較為穩(wěn)定的狀態(tài).基質(zhì)粒徑為1～2 mm的系統(tǒng)孔隙度在實(shí)驗(yàn)期間發(fā)生了緩慢下降，其中水力停留時(shí)間為4 h的系統(tǒng)孔隙度由初始的0.341降至結(jié)束時(shí)的0.331，水力停留時(shí)間為2 h的系統(tǒng)孔隙度由初始的0.316降至結(jié)束時(shí)的0.298，水力停留時(shí)間為1 h的系統(tǒng)孔隙度由初始的0.311降至結(jié)束時(shí)的0.306.雖然粒徑1～2 mm的系統(tǒng)較之其他系統(tǒng)，孔隙度的下降趨勢(shì)更為明顯，但是整體下降幅度仍然很小，實(shí)驗(yàn)過程中，孔隙度僅下降了1.6%～5.7%，因此可認(rèn)為實(shí)驗(yàn)過程中各系統(tǒng)的孔隙度并未發(fā)生劇烈變化.不同的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，孔隙度存在著較為明顯的差距.其中粒徑為1～2 mm 的系統(tǒng)孔隙度最低，介于0.3～0.34之間；粒徑為3～4，5～6 mm的系統(tǒng)孔隙度較高，介于0.35～0.38.

2.2　正交分析

各個(gè)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)期間，TSS出水質(zhì)量濃度、TSS去除率、孔隙度隨時(shí)間的變化均不顯著，各個(gè)指標(biāo)值均維持在較為穩(wěn)定的狀態(tài).然而，由于基質(zhì)粒徑與水力停留時(shí)間的不同配置，各個(gè)系統(tǒng)的TSS出水質(zhì)量濃度及去除率、孔隙度之間卻存在著差異.使用SPSS軟件進(jìn)行正交分析，評(píng)價(jià)基質(zhì)粒徑、水力停留時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)TSS去除率及孔隙度的影響，以確定最佳的基質(zhì)粒徑與水力停留時(shí)間配置，結(jié)果見表2、表3.

表2　正交試驗(yàn)表

表3　正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)正交分析的顯著性結(jié)果，對(duì)于TSS去除率來(lái)說(shuō)，基質(zhì)粒徑與水力停留時(shí)間對(duì)其存在極為顯著的影響，而二者相比之下，基質(zhì)粒徑對(duì)于TSS去除率的影響更為重要.對(duì)于孔隙度來(lái)說(shuō)，僅有基質(zhì)粒徑對(duì)其產(chǎn)生極為顯著的影響，水力停留時(shí)間對(duì)其影響并不顯著(見表4).

表4　正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果

由圖5可知，基質(zhì)粒徑越大、水力停留時(shí)間越小，系統(tǒng)的TSS出水質(zhì)量濃度越高；基質(zhì)粒徑越大，水力停留時(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)的TSS去除率越低；基質(zhì)粒徑為中間值，且水力停留時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，系統(tǒng)的孔隙度能夠達(dá)到最大值.綜上所述，在綜合考慮TSS去除率以及系統(tǒng)孔隙度兩個(gè)指標(biāo)時(shí)，若需要系統(tǒng)達(dá)到最佳表現(xiàn)，需要保證系統(tǒng)有著較高的TSS去除率，以及較高的系統(tǒng)孔隙度，因此，當(dāng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的水力停留時(shí)間為2 h，基質(zhì)粒徑為3～4 mm時(shí)，系統(tǒng)有著最優(yōu)的綜合表現(xiàn).

圖5　正交分析結(jié)果

3　結(jié)論

在只考慮TSS去除率的前提下，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)自建立開始，需要大約1周的時(shí)間來(lái)達(dá)到運(yùn)行穩(wěn)定的狀態(tài).達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后的系統(tǒng)，TSS出水質(zhì)量濃度、TSS去除率將維持相對(duì)穩(wěn)定，并不會(huì)出現(xiàn)劇烈波動(dòng).而系統(tǒng)孔隙度短期內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)，長(zhǎng)期則處于緩慢下降的狀態(tài).

對(duì)于TSS去除率，基質(zhì)粒徑與水力停留時(shí)間均對(duì)其產(chǎn)生極顯著影響，顯著性排序?yàn)榛|(zhì)粒徑>水力停留時(shí)間；對(duì)于系統(tǒng)孔隙度，水力停留時(shí)間并不對(duì)其產(chǎn)生顯著影響，僅有基質(zhì)粒徑發(fā)揮著極顯著作用.

基質(zhì)粒徑越小，越有利于系統(tǒng)對(duì)于TSS的攔截，但基質(zhì)粒徑越小的系統(tǒng)孔隙度下降速率越高，更易發(fā)生堵塞，因此在潛流濕地的實(shí)際運(yùn)用中對(duì)于基質(zhì)粒徑的選擇應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的權(quán)衡.就本實(shí)驗(yàn)而言，基質(zhì)粒徑取中間值3～4 mm時(shí)系統(tǒng)能夠達(dá)到較好的TSS去除效果，同時(shí)保證了系統(tǒng)在運(yùn)行過程中有著較高的孔隙度.

而潛流濕地運(yùn)行中水力停留時(shí)間的設(shè)定對(duì)于系統(tǒng)堵塞并不產(chǎn)生直接影響，僅對(duì)污染物的去除率存在顯著影響.由于濕地中發(fā)生著多種物理、化學(xué)、生物反應(yīng)，不同污染物通過不同的反應(yīng)而被去除，因此在潛流濕地的實(shí)際運(yùn)用中應(yīng)綜合考慮各類污染物充分反應(yīng)所需要的時(shí)間，以此作為水力停留時(shí)間的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn).本實(shí)驗(yàn)僅考慮了濕地基質(zhì)對(duì)于入水中TSS的攔截作用，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該物理過程并不需要太長(zhǎng)的水力停留時(shí)間，設(shè)定的4 h停留時(shí)間反而不能達(dá)到最高的TSS去除率.

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