楊萌堯，馬啟航，高　璐，何春光，盛連喜

(東北師范大學環(huán)境學院，國家環(huán)境保護濕地生態(tài)與植被恢復重點實驗室，吉林 長春 130117)

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

雖然潛流人工濕地目前在世界各地被廣泛應用，且已存在一些標準用以規(guī)范和指導人工濕地的設計和運行，[4-5]然而這些標準尚不能統(tǒng)一[6].這是由于人工濕地的設計和運行受地理位置、氣候、處理污水類型、占地面積、出水標準等因素的影響，[7]因此，對于人工濕地的設計和運行應該根據(jù)面臨的實際情況進行具體分析.

堵塞是潛流人工濕地面臨的嚴重問題，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、生物膜、化學反應產生的沉淀物、濕地構建過程中基質的碎裂.目前對于潛流濕地預防堵塞的措施主要有：(1)設立沉淀池、化糞池、厭氧消化池或污泥反應床等前處理設施；(2)對濕地植物進行定期收割與管理，防止植物枯落物在濕地基質表面形成淤泥層；(3)為濕地系統(tǒng)提供充足的氧氣，保證濕地中的有機物能夠被充分分解，避免積累在濕地基質中.主要措施包括濕地間歇運行、潮汐式運行、定期改變濕地水流方向、定期向濕地系統(tǒng)內曝氣等.

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，以及濕地對于污染物的去除表現(xiàn)為評價標準，通過改變人工濕地設計運行的重要參數(shù)——基質粒徑與水力停留時間，研究了不同條件下濕地的反應，然后對其結果進行了正交分析，以期得到基質粒徑與水力停留時間的最佳組合.

1　實驗材料與方法

圖1　實驗系統(tǒng)示意圖

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

潛流濕地中的堵塞多由基質發(fā)生的物質積累導致，而積累物質的主要來源為污水中的懸浮物，水中懸浮物進入濕地后通過基質的攔截而被去除，進而積累在基質中.根據(jù)潛流濕地基質中積累物質礦物成分的分析結果，[13]實驗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，實驗污水中的懸浮物質量濃度設定偏高，為700 mg/L.實驗共設9個系統(tǒng)，每個系統(tǒng)的水力負荷相同，均為100 mm3/(m2·d)，系統(tǒng)的基質粒徑與水力停留時間設置見表1.

表1實驗系統(tǒng)基質粒徑與水力停留時間的設定

實驗系統(tǒng)基質粒徑/mm水力停留時間/h11～2123～4135～6141～2253～4265～6271～2483～4495～64

實驗期間每3天對實驗系統(tǒng)的孔隙度和出水TSS濃度進行監(jiān)測.實驗系統(tǒng)出水中TSS濃度的測定按照國家標準《水質懸浮物的測定重量法—GB11901-89》進行，濾膜采用粒徑為0.45 μm的濾膜，每個樣品進行3次重復測定.計算公式為

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

根據(jù)入水和出水中TSS的質量濃度可計算出相應的TSS去除率.

孔隙度的計算公式為

φ=Vf/Vb.

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

2　結果與討論

2.1　TSS出水濃度、去除率及系統(tǒng)孔隙度隨時間的變化

圖2　各系統(tǒng)出水中TSS質量濃度隨時間的變化

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

在第3天的監(jiān)測中，水力停留時間為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、水力停留時間為2 h的系統(tǒng)，TSS去除率甚至低至5%.水力停留時間為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)測中，所有系統(tǒng)的TSS去除率接近，介于50%～70%.實驗系統(tǒng)的TSS去除率在實驗初始1周內同樣發(fā)生了較為劇烈的變化(見圖3)，這是由于系統(tǒng)在實驗初期尚未穩(wěn)定所導致.第6天之后，所有實驗系統(tǒng)的TSS去除率趨于穩(wěn)定，與TSS出水質量濃度的變化情況相同，在整個實驗周期內，浮動不大，均維持在50%～70%范圍內，隨著實驗進行并未呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢.同時，由圖3可以看出，在同樣水力停留時間下，基質粒徑越小，TSS的去除率越高，而相同粒徑之間，則是水力停留時間越長，TSS去除率越低.

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

與TSS出水質量濃度、去除率的變化情況不同，實驗系統(tǒng)的孔隙度在實驗初始1周內并未發(fā)生劇烈的變化(見圖4).實驗期間，所有實驗系統(tǒng)的孔隙度一直處于較為穩(wěn)定的狀態(tài).基質粒徑為1～2 mm的系統(tǒng)孔隙度在實驗期間發(fā)生了緩慢下降，其中水力停留時間為4 h的系統(tǒng)孔隙度由初始的0.341降至結束時的0.331，水力停留時間為2 h的系統(tǒng)孔隙度由初始的0.316降至結束時的0.298，水力停留時間為1 h的系統(tǒng)孔隙度由初始的0.311降至結束時的0.306.雖然粒徑1～2 mm的系統(tǒng)較之其他系統(tǒng)，孔隙度的下降趨勢更為明顯，但是整體下降幅度仍然很小，實驗過程中，孔隙度僅下降了1.6%～5.7%，因此可認為實驗過程中各系統(tǒng)的孔隙度并未發(fā)生劇烈變化.不同的實驗系統(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

各個系統(tǒng)在實驗期間，TSS出水質量濃度、TSS去除率、孔隙度隨時間的變化均不顯著，各個指標值均維持在較為穩(wěn)定的狀態(tài).然而，由于基質粒徑與水力停留時間的不同配置，各個系統(tǒng)的TSS出水質量濃度及去除率、孔隙度之間卻存在著差異.使用SPSS軟件進行正交分析，評價基質粒徑、水力停留時間對實驗系統(tǒng)TSS去除率及孔隙度的影響，以確定最佳的基質粒徑與水力停留時間配置，結果見表2、表3.

表2　正交試驗表

表3　正交試驗結果

根據(jù)正交分析的顯著性結果，對于TSS去除率來說，基質粒徑與水力停留時間對其存在極為顯著的影響，而二者相比之下，基質粒徑對于TSS去除率的影響更為重要.對于孔隙度來說，僅有基質粒徑對其產生極為顯著的影響，水力停留時間對其影響并不顯著(見表4).

表4　正交試驗方差分析結果

由圖5可知，基質粒徑越大、水力停留時間越小，系統(tǒng)的TSS出水質量濃度越高；基質粒徑越大，水力停留時間越長，系統(tǒng)的TSS去除率越低；基質粒徑為中間值，且水力停留時間較長時，系統(tǒng)的孔隙度能夠達到最大值.綜上所述，在綜合考慮TSS去除率以及系統(tǒng)孔隙度兩個指標時，若需要系統(tǒng)達到最佳表現(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，當實驗系統(tǒng)的水力停留時間為2 h，基質粒徑為3～4 mm時，系統(tǒng)有著最優(yōu)的綜合表現(xiàn).

圖5　正交分析結果

3　結論

在只考慮TSS去除率的前提下，實驗系統(tǒng)自建立開始，需要大約1周的時間來達到運行穩(wěn)定的狀態(tài).達到穩(wěn)定狀態(tài)后的系統(tǒng)，TSS出水質量濃度、TSS去除率將維持相對穩(wěn)定，并不會出現(xiàn)劇烈波動.而系統(tǒng)孔隙度短期內處于穩(wěn)定狀態(tài)，長期則處于緩慢下降的狀態(tài).

對于TSS去除率，基質粒徑與水力停留時間均對其產生極顯著影響，顯著性排序為基質粒徑>水力停留時間；對于系統(tǒng)孔隙度，水力停留時間并不對其產生顯著影響，僅有基質粒徑發(fā)揮著極顯著作用.

基質粒徑越小，越有利于系統(tǒng)對于TSS的攔截，但基質粒徑越小的系統(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際運用中對于基質粒徑的選擇應進行相應的權衡.就本實驗而言，基質粒徑取中間值3～4 mm時系統(tǒng)能夠達到較好的TSS去除效果，同時保證了系統(tǒng)在運行過程中有著較高的孔隙度.

而潛流濕地運行中水力停留時間的設定對于系統(tǒng)堵塞并不產生直接影響，僅對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、生物反應，不同污染物通過不同的反應而被去除，因此在潛流濕地的實際運用中應綜合考慮各類污染物充分反應所需要的時間，以此作為水力停留時間的設定標準.本實驗僅考慮了濕地基質對于入水中TSS的攔截作用，根據(jù)實驗結果，該物理過程并不需要太長的水力停留時間，設定的4 h停留時間反而不能達到最高的TSS去除率.

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