1 引言
人工濕地工程化應用過(guò)程中普遍存在溝流、短流、“死區”的現象，降低了人工濕地基質(zhì)內部的水力特性，造成基質(zhì)利用率低下，進(jìn)而限制了人工濕地的推廣應.為了提高人工濕地基質(zhì)內部的水力特性，很多學(xué)者在人工濕地床體的長(cháng)寬比、基質(zhì)厚度、基質(zhì)粒徑、布水方式及出水位置與水力特性的相關(guān)性方面做了大量研究.課題組在前期研究中，依據填料滲透系數對基質(zhì)結構進(jìn)行優(yōu)化，顯著(zhù)提升了系統水力性能.然而，植物是人工濕地重要的組成部分，其發(fā)達的根系同樣會(huì )對系統水力特性造成影響，而有關(guān)這方面的研究卻鮮有報道.因此，本研究分別以水力性能較好的多層結構人工濕地及水力性能欠佳的單層結構人工濕地為對象，在植物栽種前及成熟后開(kāi)展示蹤實(shí)驗，研究植物根系對不同基質(zhì)結構人工濕地水力學(xué)特性的影響，以期為人工濕地設計水平的提高提供科學(xué)依據.
2 材料與方法
2.1 實(shí)體模型的構建
構建對比人工濕地實(shí)體模型，池體尺寸相同，均為2 m×1.2 m×0.7 m(長(cháng)×寬×高)，基質(zhì)填充厚度0.6 m，左端為進(jìn)水口，右端為出水口，布水區和集水區長(cháng)度均為20 cm，選取滲透系數為500 m · d-1的鵝卵石進(jìn)行填充，池體一側設置12個(gè)監測口.兩個(gè)人工濕地系統主體填料填充同一來(lái)源的石英砂，其中一個(gè)對照人工濕地小試系統主體填料區分3層進(jìn)行填充(分層填充人工濕地)，基質(zhì)滲透系數從上到下依次為26、36和64 m · d-1(圖 1);另一個(gè)主體填料區內填充粒徑混合均勻的石英砂(單層填充人工濕地)，基質(zhì)滲透系數為65 m · d-1.兩模型進(jìn)水由同一配水罐提供，配水罐體積2.5 m3.床體種植美人蕉，種植密度均為20株· m-2.
圖 1 分層人工濕地結構示意圖
2.2 示蹤實(shí)驗
以均一混合的人工配水為原水，電導率背景值均為115 μS · cm-1，選取NaCl為示蹤劑對人工濕地系統開(kāi)展脈沖法示蹤實(shí)驗.在系統進(jìn)水區瞬時(shí)一次性投加NaCl溶液，根據氯化鈉濃度與電導率值的標準曲線(xiàn)，計算出投加NaCl質(zhì)量為386 g，理論上為使整個(gè)池體內水質(zhì)電導率上升到背景值10倍的投加量.采用蠕動(dòng)泵(型號BT300-2J)控制進(jìn)水量，水力停留時(shí)間(HRT)設置為12 h，水力負荷為0.6 m3 · m-2 · d-1，每隔10 min監測1次出口水流電導率，直至電導率恢復到接近背景值且趨于穩定為止.每次進(jìn)行3次示蹤試驗，選取示蹤劑回收率最高的一次進(jìn)行對比分析，試驗時(shí)間分別在2012年12月植物栽種前與2013年7月植株成熟后進(jìn)行.
2.3 水力特性參數計算的基本公式
示蹤實(shí)驗是常用來(lái)研究人工濕地基質(zhì)流場(chǎng)分布的有效方法，其相關(guān)的水力特性參數是根據流體反應器理論得出，脈沖示蹤劑試驗中測得的濃度相當于水力停留時(shí)間分布密度.對測得的電導率按照公式(1)進(jìn)行標準化的處理.
式中，N(t)為標準化的停留時(shí)間分布密度(h-1)，E為電導率(mS · m-1)，MNaCl為NaCl摩爾質(zhì)量(g · mol-1)，Ew為進(jìn)水背景電導率(mS · m-1)，λNa為Na+離子的摩爾電導率(S · m2 · mol-1)，t為從示蹤實(shí)驗開(kāi)始的時(shí)間(h)，λCl為Cl-離子的摩爾電導率(S · m-2 · mol-1)，Q為流量(m3 · h-1)，m為加入的示蹤劑總量(g).
理論上潛流人工濕地水流以活塞流形式通過(guò)人工濕地主體填料，水流質(zhì)點(diǎn)具有相同的停留時(shí)間，能夠在相同時(shí)間內到達濕地出水口，即為表觀(guān)停留時(shí)間tn，計算如式(2)所示，停留時(shí)間分布曲線(xiàn)的重心位置定義為平均水力停留時(shí)間tm(式(3)).氯化鈉示蹤劑最高濃度出現的時(shí)間定義為示蹤劑峰值的停留時(shí)間tp.
式中，V是濕地體積(m3)，Q為流量(m3 · h-1)，其余符號同公式(1).由于人工濕地水力停留時(shí)間分布曲線(xiàn)是一條拖尾的曲線(xiàn)，而表觀(guān)停留時(shí)間一般大于平均停留時(shí)間，所以，一般順序為tp 通過(guò)研究提出了人工濕地有效體積比的概念，計算方法如下： 式中，Vtotal為總體積(m3)，Veff為通過(guò)示蹤劑的有效體積(m3). 短流值S是衡量不同類(lèi)型人工濕地水力效率的參數值，其計算如式(5)所示.一般情況下，S值越大，表明水力停留時(shí)間密度曲線(xiàn)的出峰越陡，反之，出峰則比較平緩. 有效體積比在有些情況下不能完全反映濕地系統內部的水力性能特征.所以，結合人工濕地水力效率λ能更全面反映基質(zhì)內部水力性能，其計算公式如下： 示蹤劑的回收率在一定程度上能夠反映人工濕地系統內部“死區”的體積大小及流場(chǎng)分布的情況，因為出水口的示蹤劑濃度呈曲線(xiàn)形狀，回收率F(t)是對停留時(shí)間分布密度函數的積分得出，其計算公式如下： 3 結果與討論 3.1 植物栽種前的示蹤試驗 模型建立起來(lái)后，栽種植物之前進(jìn)行第一次示蹤試驗，監測記錄潛流人工濕地系統出水的電導率變化情況，試驗結果如圖 2所示.由圖可知，無(wú)植物時(shí)分層填充與單一填充人工濕地系統示蹤劑電導率峰值分別為1029 μS · cm-1和233 μS · cm-1，相應的峰值出現時(shí)間為450 min和310 min，即單層填充結構系統峰值出現略早，說(shuō)明存在短流通道較分層基質(zhì)池體多.單層基質(zhì)池體的出水電導率峰值較小，證明“死區”體積占有較大比例，導致示蹤劑滯留在池體內，其基質(zhì)內部水力特性較差;分層基質(zhì)池體的電導率峰值較高，表明池體內部流態(tài)呈推流式，流場(chǎng)分布相對均勻.到實(shí)驗結束時(shí)(5300 min)，兩系統出水電導率基本恢復到背景值115 μS · cm-1.然而值得注意的是，兩池體出水電導率值在恢復至背景值一段時(shí)間之后，又略有反彈，由此推測，兩個(gè)池體均存在不同程度的“死區”. 圖 2 兩種基質(zhì)結構人工濕地(無(wú)植物)的出水示蹤劑曲線(xiàn)對比圖 3.2 植物成熟后的示蹤試驗 在2013年7月進(jìn)行第2次示蹤試驗，種植的美人蕉平均高度為1.5 m，有2/3植株已經(jīng)進(jìn)入花期.示蹤試驗操作條件如2.2節所述，試驗結果如圖 3所示.由圖中可知，植物成熟后分層填充與單層填充人工濕地系統示蹤劑峰值分別為672.5 μS · cm-1和286.8 μS · cm-1，相應的峰值出現時(shí)間為390 min和510 min.本次示蹤試驗分層填充結構峰值出現較早，植物的根系生長(cháng)加劇了分層基質(zhì)結構的短流現象，對單層基質(zhì)結構的床體有所改善.到實(shí)驗結束時(shí)(6500 min)，分層與單層基質(zhì)結構的兩系統出水中電導率分別為134.8 μS · cm-1與159.3 μS · cm-1，未恢復到背景值(115 μS · cm-1)，證明植物根系對基質(zhì)結構的影響較顯著(zhù). 圖 3 兩種基質(zhì)結構人工濕地(有植物)出水示蹤劑曲線(xiàn)對比圖 3.3 討論 利用經(jīng)驗公式計算兩系統水力特性的參數，結果如表 1所示.對于有效體積比(e)來(lái)說(shuō)，一般情況下e值越大，表示基質(zhì)有效體積越大.當e<1時(shí)，說(shuō)明人工濕地基質(zhì)中存在“滯水區”或“死區”;當e>1時(shí)，說(shuō)明人工濕地基質(zhì)中有“短路”存在，且示蹤劑密度曲線(xiàn)出峰較早.植物栽種前，兩個(gè)系統的e值均小于1，分層與單層填充系統的e值分別為0.87和0.49，表示這兩個(gè)濕地系統中都存在一定的“死區”，但分層基質(zhì)結構人工濕地系統的“死區”范圍明顯小于單層填充系統.植物成熟后分層與單層填充人工濕地系統的有效體積比e值分別為0.82與0.53.通過(guò)對植物栽種前后水力特性參數的比較分析，發(fā)現植物根系提高了單一填充系統的有效體積比，分層填充系統的有效體積比卻略有降低，表明植物根系對系統基質(zhì)有效利用率的影響顯著(zhù). 表1 兩種基質(zhì)結構人工濕地(無(wú)植物與有植物)水力特性參數對比 如2.3節所述，短路值S是表示池體內部短流通道多少的參數值，植物成熟后兩系統短路值均減小，說(shuō)明植物的存在能有效緩解短流現象的發(fā)生，且這對于單層基質(zhì)結構的影響尤為顯著(zhù)，其S值從0.60下降到0.41，比較而言，對分層填充系統影響有限，僅降低0.04.此外，對于水力效率λ來(lái)說(shuō)，植物發(fā)達的根系對兩對比系統的水力效率均有明顯提高作用，其中，單層結構及分層結構系統的水力效率分別提高了16%和19%，由此可見(jiàn)，植物的存在能有效改善系統的水力效率. 然而，植物的存在使單層結構及分層結構系統的示蹤劑回收率有所降低，且植物成熟后，出水電導率接近背景值并趨于穩定的時(shí)間與植物栽種前相比延長(cháng)了1200 min，也說(shuō)明了植物根系對示蹤劑回收具有延遲作用.分析其原因主要在于植物根系及其上生物膜對示蹤劑的吸附攔截作用，而這其中單層基質(zhì)結構系統的水流主要集中在表層基質(zhì)，因此，回收率受植物根系的影響更為顯著(zhù)，回收率降低10%.分層結構濕地由于水流分布相對均勻，因而受到的影響較小，回收率僅降低2%. 綜上所述，植物栽種前分層填充的人工濕地水力特性顯著(zhù)優(yōu)于單層填充系統，植物成熟后，發(fā)達的根系會(huì )填充部分填料孔隙，影響床體水力傳導率，從而對兩個(gè)系統的水力特性及示蹤劑回收率均產(chǎn)生一定影響.因此，在設計潛流人工濕地時(shí)應考慮因植物根系對系統水力性能產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)影響.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。 4 結論 1)栽種植物前后，兩種基質(zhì)結構人工濕地系統中的示蹤試驗對比發(fā)現，分層填充結構的潛流人工濕地系統能夠提高水力特性，有效減少短流通道及“死區”的存在，改善系統水力效率;單層填充結構人工濕地系統的存在較多的短流通道和“死區”，基質(zhì)利用率低下，無(wú)植物時(shí)其有效體積比為49%，遠低于合理級配分層填充方式的有效體積比87%. 2)優(yōu)化基質(zhì)結構過(guò)程中需要考慮植物根系的影響，植物根系能夠改變部分基質(zhì)的滲透系數，相應改變整個(gè)池體內部的水力特性.總體上來(lái)看，植物根系對分層基質(zhì)結構系統的水力特性有負面影響，如何優(yōu)化分層基質(zhì)結構抵消植物根系生長(cháng)帶來(lái)的影響還有待進(jìn)一步研究.
