垂直流人工湿地水力学特点对污水净化效果的影响(1).pdf

'第22卷第5期环境科学Vol.22,No.52001年9月Sept.,2001ENVIRONMENTALSCIENCE垂直流人工湿地水力学特点对污水净化效果的影响113112吴振斌,任明迅,付贵萍,贺锋,AlexPressl((1.中国科学院水生生物研究所淡水生态与生物技术国家重点实验室,武汉430072,E2mail:wuzb@ihb.ac.cn;2.奥地利维也纳农业大学,维也纳)摘要:通过在污水中加入示踪剂,研究了人工湿地的水力学特点及其对污水净化效果的影响规律.结果表明,影响水力学各特点的主要原因是湿地植物根系所造成的物理学和生物学上的效应.水力学各特点与污水净化效果之间存在着密切关系:出水快、出水量大的系统具有较好的净化效果;除无植物系统外,停留时间较长的系统有较好的净化效果;容水体积大的系统净化效果也较好;水力负荷则主要通过影响其他各水力学特点而影响净化效果.结果表明,对水力学特点的优化将极大地促进污水净化效果的提高.关键词:垂直流人工湿地;示踪剂;水力学特点;污水净化效果中图分类号:703.1文献标识码:A文章编号:025023301(2001)0520520045TheInfluenceofHydraulicCharacteristicsonWastewaterPurifyingEf2ficiencyinVerticalFlowConstructedWetlands11112WuZhenbin,RenMingxun,FuGuiping,HeFeng,AlexPressl(1.StateKeyLaboratoryofFresh2waterEcologyandBiotechnology,InstituteofHydrobiology,ChineseAcademyofSciences,Wuhan430072,ChinaE2mail:wuzb@ihb.ac.cn;2.AgricultureUniversityofVienna,Vienna,Austria)Abstract:Thehydrauliccharacteristicsofverticalflowconstructedwetlandswasinvestigated,andtheinfluenceofthesecharacteristicsonwastewaterpurifyingefficiencywasstudiedasanemphasis.Theresultsoftheexperimentsinsmallscaleplotsandmediumscaleplotsshowedtheplantroots,withthephysicalandbiologicaleffects,playasignificantroleinhydraulicsandthewastewaterpurifyingefficiency.Theothercharacteristicssuchasretentiontime,effluentve2locityandinfluentloadalsodirectlyaffectthewastewaterpurifyingefficiencyofconstructedwetland.Togetabetterunderstandingofthehydraulicswillbecrucialtotheimprovementofpurifyingefficiencyandfacilitatethepracticaluseofconstructedwetland.Keywords:verticalflowconstructedwetland;tracer;hydrauliccharacteristics;wastewaterpurifyingefficiency垂直流人工湿地是应用于生活污水和工业污水净本实验对垂直流人工湿地的水力学特点,包括水化处理的新型技术.它通过人工建立的半自然湿地生力负荷、湿地容水体积(湿地孔隙度)、出水速率和出水态系统中基质、湿地植物和基质内微生物3者的共同量、停留时间,及其对污水净化效果的影响关系进行了作用达到净化污水的目的,显示出了较好的净化效研究,以期揭示水力学特点对污水净化效果的影响规果[1～5].但由于湿地“黑箱效应”,对污水进入湿地系统律,为全面了解人工湿地内部的污水净化机制,提高这后的流动转移过程,即水力学特点缺乏深入的了解,成一人工生态系统的污水净化效果及其推广使用提供理为限制污水净化效果显著提高的主要原因.目前只有论依据和实践经验.少数工作对湿地运行中和建造设计时的水力学问题有[6～11]所注意,且未得到规律性结论.由于水力学特点基金项目:国家杰出青年科学基金项目(39925007);欧盟国际涉及到湿地生态系统中污水流动特征及由此引起的污科技合作项目(ContractNo.IC182CT9620059)作者简介:吴振斌(1956～),男,湖北黄梅人.研究员,博导.主染物质转移,直接影响着污水净化效果,对这一方面研要从事环境生物学、净化与恢复生态学、环境工程究上的欠缺使得净化效果的提高及该技术的推广应用等方向的研究.收稿日期:2000212229受到极大限制.3通信联系人 46环境科学22卷1实验与方法111垂直流人工湿地系统的结构人工湿地有小试(SmallScalePlots,SSPs)和中试(MediumScalePlot,MSP).小试由底部相通的2个大小为1m×1m的池子串联而成;中试由底部相通的2个大小为9m×9m的池子串联而成(图1).湿地2池底部均铺较大的砂石,上面依次覆以逐渐变小的沙粒.I图1人工湿地系统结构示意图池的沙粒面高出II池10cm.2池栽以不同的水生或湿Fig.1Structurepatternofconstructedwetlands生植物.I池通过表层的布水管使得进水从表层流到底部,通过相通的底部流到II池底部,在水的压力下再流点差别,在4个具代表性的小试系统开展相应实验.此至II池表面,而后被表层的收集管收集排出.进水方式外,在中试进行不同水力负荷的实验以探索水力负荷采用间歇式进水,1天进水4次,每次间隔约6h,以满对各水力学特点的影响.各湿地系统的植物组合与水足各种微生物的需氧要求.力负荷详见表1.为研究有无植物和不同植物的人工湿地水力学特1.2水力学实验表1小试和中试系统中的植物组合与负荷Table1ThecomposesofmacrophytesandhydraulicloadinginSSPaandMSP小试湿地系统中试1号2号3号4号(对照)I池植物宽叶香蒲狭叶香蒲草无植物菰(Typhalatifolia)(Typhaangustifolia)(ScirpustriqueterLinn)(Zezanialatifolia)II池植物菖蒲灯心草苔草无植物菖蒲(IrispeseudacorusL)(Juncuseffusus)(Carexsp.)(Irispeseudacorus)每次进水量/L20020020020016200/24300-1800800800800800/1200水力负荷/mm·dCODCr单位面积负荷37.3637136371363713637136/561042-1/g·(m·d)(1)出水速率、出水量的测定实验在4月～5月同时以多个水质指标研究比较了不同湿地系统对的夏季进行.抽取东湖湖水,经蓄水池初步沉淀和定量污水的净化效果.水质测量方法参见文献[12].污水直后作为湿地的进水.在一次进水(进水量200L)后测量接取自武汉东湖湖水,各项指标显示湖水已经高于国湿地系统的单位时间出水量及最终出水总量.由此可家地面水质量标准V类水标准,属于污染水.其水质各初步了解水体在湿地系统中的流动快慢和湿地内部空指标详见表2.间状况及其容水体积.表2人工湿地进水(东湖湖水)水质情况/mg·L-1(2)水体停留时间的测定加入示踪剂(本实验采Table2Influentqaulityofconstructedwetlands用NaCl)到进水中,使水体电导值上升到一定值后进水参数CODCrBOD5TSSKNTPIP到湿地中,之后进行正常的间歇式进水.利用水质分析平均值461771891018413701297011086仪跟踪测定各湿地出水电导值的变化情况.仪器可每标准差(SD)1912411851721801169011015min记录一次数据.至电导值恢复到背景值时停止实验.通过计算可得到水体在湿地内的停留时间及系统对小试4系统净化效果的比较(见表3)可以看出:对示踪剂的吸附、吸收能力.人工湿地小试和中试系统对污染物质的去除率都达到了50%～60%以上,有的甚至达到了80%～90%.经2结果与讨论过净化处理后的出水水质达到了国家地表水质量标准211污水净化效果的比较测定III类水质,部分指标还达到了II类水标准.其中,小试 5期环境科学47系统中3号对污水中的BOD、TSS、TP和IP等多项指同时可以看出无植物的对照系统4号与1号、2标具有最好的净化效果,1号系统对COD、BOD有着较号、3号的出水速率差别十分显著.不仅出水速率最小,佳的去除效果;2号则显示出了最佳的KN净化效果,单位时间出水量也相差甚远.据此可知,植物根系可以无植物的4号对各个指标的净化效果都很差.中试系促进水体在湿地中的流动,是影响出水状况的主要因统对IP、KN、TP、COD均具有较好的去除率,而对素.此外,植株根系的存在还通过影响湿地容水体积也BOD、TSS的去除效果不太理想.间接地影响到了出水状况.1)出水速率和净化效果之间的关系在4个系统中十表3人工湿地各系统对污染物的去除率分吻合:具有最大出水速率的湿地系统3号具有最好(平均值)/%的净化效果.原因在于具有较大出水速率的湿地系统Table3Removalratesoftheconstructedwetlands往往有着发达的根系,而发达的根系给湿地系统内部underahydrologicalloadof800mm/d(averagevalue)带来了丰足氧气,增强了微生物的活性.由于须根系较系统CODCrBOD5TSSKNTPIP1号66168910801250135717-1914根状茎和地下茎更能起到疏导水流和输导氧气的功2号65108719781051115417-3119能,3号系统比1号具有更佳的污水净化效果.无植物3号62139018841449155911-710系统4号出水速率最慢,净化效果也最差.出水量与净4号62168717791241102715-1143化效果之间的关系也基本一致:有着最大出水量的1中试661176177214631376177116号和3号具有最好的净化效果,出水量小的系统净化1)水力负荷800mm/d效果也较差.2.2出水速率、出水量与污水净化效果在中试2个不同水力负荷的试验中出现了特殊现小试的4个系统中,1号的初始出水量最大,其次象:水力负荷增大,出水速率却呈现变小的趋势(图3).是3号、2号,无植物系统4号出水最慢(见图2).在出其原因可能是湿地植物生长过于旺盛,其根系过度伸水后15min以前,1号比2号、3号的出水量都要大.其长和交错使得湿地内部孔隙度下降,沙粒板结而水流原因很可能是1号的植物宽叶香蒲和菖蒲均具有深扎不畅导致出水速率变慢.考虑到“出水速率慢的湿地系的根状茎,起到水流通道的作用促进了水体在湿地系统净化效果较差”这小试系统中的规律,此现象反映出统中的垂直流动与水平迁移.此外,粗大根状茎减小了根系在湿地系统中的一个消极作用.湿地的孔隙度,降低容水体积而使出水量增大.2号中Ι池植物狭叶香蒲根系也很发达,但Ⅱ池植物灯心草根系为入土不深的小须根,没有达到沟通湿地上下层的程度,所以出水较1号慢.3号的植物均为须根系植物,比1号植物粗大的根状茎更有效地增加了水流通道,且不易侵占湿地自身的孔隙,故出水畅快,出水伊始便达到了最大值.图3中试不同力水力负荷的2次实验出水速率比较Fig.3ComparisonoftheeffluentvelocityoftwoexperimentsinMSPunderdifferenthydraulicload2.3停留时间与污水净化效果根据小试的孔隙体积及进水负荷,由公式:孔隙体积(L)图2小试4系统出水速率与出水量的比较停留时间(d)=每天进水负荷(L/d)Fig.2Comparisonoftheeffluentvelocityand可以算出停留时间理论值为0166d.小试4系统停留时effluentquantityoffourSSPssystems间测量值(具体计算程序与公式另文发表)分别是1号 48环境科学22卷为1133d;2号为1125d;3号为1132d和4号为1130d.2.6示踪剂洗脱速率与净化效果很明显,4系统的实测停留时间比理论值都要大1倍左出水电导值的大小表明出水所含示踪剂量的多右.究其原因,是植物根系和基质微生物对示踪剂的吸少,从它的变化可以看出示踪剂每次洗出的量的多少.收作用,以及系统基质的吸附作用延迟了示踪剂的洗同时这也反映了植物、微生物及湿地基质对示踪剂的出.吸收、吸附能力.从图4可以看出:4号、2号的出水电对有植物的系统而言,停留时间长的系统(1号和导值在加入示踪剂后的第一次进水的冲洗下就出现了3号)由于污水可在湿地系统内部经历更长时间的停留一个较高值,而3号和1号此时并无显著的升高,存在净化,有着更好的净化效果;而无植物的对照系统4号一个明显的滞后现象.这说明虽然系统有着相同构造其较长的停留时间是由于缺少植物根系的水流疏导作和相同的基质,但由于不同植物根系的不同吸收能力用所造成的,没有这一对应关系.造成了示踪剂洗出速率的不同.而无植物系统4号在中试的2次实验的停留时间分别为理论值0156第1次进水后洗出示踪剂最多也正是缺乏植物根系和d,0137d;测量值0181d,0169d.变化规律同小试系统湿地内微生物的吸收.从结果来看,3号、1号比2号、4类似.同时,可以发现进水负荷增大时停留时间减小,号吸收能力更强.这也从一个方面解释了为什么3号、根据在小试系统中所得结论,这不利于污水的净化.但1号具有较2号、4号更好的净化效果.进水负荷太小,又可能未充分发挥湿地系统的净化功中试系统2次实验的出水电导变化趋势与小试系能,所以进水负荷的大小有必要开展进一步的研究确统基本相似.定,以找到一个较佳进水负荷.2.4水力负荷与污水净化效果中试进行的不同水力负荷的实验结果表明,水力负荷不同,出水速率表现出极大差异.反常的是,有着更大水力负荷的第2次实验的出水速率及其单位时间出水量最大值却比第一次的小(见图3).这一结果可能的原因是:实验时植物正处旺盛生长期,其过于密集的根系不仅没有了导流作用,反而使沙粒板结,流水不畅.而且根系生长过长将侵占湿地下层的较大空间,延图4小试4系统的出水电导值变化缓了水从前池到后池的时间.Fig.4Thevariationofeffluentconductivity从图中也可看出,系统在大的进水负荷(1200mm/valuesin4plotsofSSPsd)比小进水负荷800mm/d下具有较小的停留时间和降低的出水速率与出水量.可见,系统在1200mm/d负3结论荷下不及800mm/d下的净化效果好.2.5湿地容水体积与污水净化效果(1)植物根系是除湿地基质外影响水力学特点的人工湿地的容水体积也即其孔隙度,主要由人工主要因素.其对水力学特点造成的物理效应一是减小湿地建造所用的基质大小决定,但也受湿地植物根系了湿地容水体积(孔隙体积),提高了出水量、出水速和沉积物的影响.一般地,较大的容水体积能容纳更多率;二是增加了表层砂土的水流通道并沟通基质上下的水量,水体污染物在湿地内部受到较长时间的吸附层,使污水流动迅速,出水畅快,缩短了停留时间.虽然与吸收转化,因此对污染物质有着更好的净化效果.根系所造成的这种物理效应不利于污水在系统内的长由于4个小试系统的基质与进水水源完全一致,期停留和微生物的缓慢降解作用,但根系还具有吸收、各系统容水体积主要受其中生长的植物根系影响.植转化污染物质的显著功能,再加上根系周围的富氧环物根系降低了容水体积(某些植物发达的地下茎甚至境对好氧微生物活动的促进作用,这种生物学效应又堵住湿地系统的下层大孔隙区,出现滞流现象),减少使其净化效果得到了很大程度的弥补.从这2个效应了能长期停留在湿地内部的水量,不利于污水的净化;来考虑,须根系比根状茎、匍匐茎等具有更好的污水净但另一方面,根系的吸收功能及其对好氧微生物的促化效果.进作用加强了净化能力.因此,本实验中湿地容水体积(2)对于有植物系统,停留时间较长的系统有较好与污水净化效果之间缺乏对应的线性关系.的净化效果.无植物系统由于没有植物根系的导流,停 5期环境科学49留时间也较长但无良好净化效果.在相同的停留时间duringmaturationofagravel2bedconstructedwetlandstreat2条件下,无植物系统比有植物系统的污水净化效果要ingfarmdairywastewaters.WaterResearch,1998,32差.(10):3046～3054.(3)由于人工湿地中植物根系和微生物的吸收与6MachateTetal.Degradationofphenanthreneandhydrauliccharacteristicsinaconstructedwetland.WaterResearch,分解作用以及系统基质的吸附作用,示踪剂在系统中1999,31(31):554～560.的实际停留时间(即示踪剂的洗脱时间)比理论值要长7TorresJJetal.Studyoftheinternalhydrodynamicsinthree得多,尤其是在小试系统中.可见人工湿地对NaCl等facultativepondsoftwomunicipalWSPsinSpain.Water离子型污染物质具有较强的吸收功能,这方面湿地基Research,1999,33(11):1133～1140.质显示出比植物根系更主要的作用.8NamecheTH,VaselJL,Hydrodynamicstudiesandmod2(4)中试实验结果表明,进水负荷增大引起停留elizationforaeratedlagoonandwastestabilizationponds.时间、出水速率和出水量的下降,不利于污水的净化处WaterResearch,1998,32(10):3039～3045理.但另一方面,进水负荷太小又不能充分发挥湿地的9胡康萍.人工湿地设计中的水力学问题研究.环境科学研净化潜力.因此湿地系统都存在一个较佳进水负荷.由究,1991,4(5):8～12.于湿地较佳进水负荷对提高湿地系统净化效果,准确10王久贤.白泥坑人工湿地水力学计算研究.广东水力水开展实际应用有着重大意义,有必要在今后的工作中电,1997,(6):50～52.11WilliamJM,KarenMW.Waterquality,fateofmetals,对较佳进水负荷进行研究确定.andpredictivemodelvalidationofaconstructedwetlands致谢实验及论文写作过程中得到夏宜、邱东treatingacidminedrainage.WaterResearch,1998,32(6):茹、成水平、况琪军等人的帮助.1888～1900.参考文献:12国家环保局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法(第三版).北京:中国环境科学出版社,1SherwoodCRetal.Subsurfaceflowwetlands———Aperfor21989.manceevaluation.WaterEnviron.Res.,1995,67(3):24413WilliamJM,KarenMWise.Waterquality,fateofmetals,～248.andpredictivemodelvalidationofaconstructedwetlands2SakadevanK,BavorHJ.Phosphateadsorptioncharacteris2treatingacidminedrainage.WaterResearch,1998,32(6):ticsofsoils,slagsandzeolitetobeusedassubstratesincon21888～1900.structedwetlandsystems.WaterResearch,1998,18(2):14LantzkeIR,HeritageADetal.Phosphorusremovalrates393～399.inbucketsizeplantedwetlandswithaverticalhydraulic3EdwardL,Marsteineretal.Theinfluenceofmacrophytesflow.WaterResearch,1998,32(34):1280～1286.thonsubsurfaceflowwetland(SSFW)hydraulics.5interna215ChrisCT,JohnSCetal.Effectofloadingrateandplant2tionalconferenceonwetlandsystemsforwaterpollutioncon2ingontreatmentofdairyfarmwaste-watersinconstructedtrol.Vienna:ConferencePreprintBook1,1996.II/221～wetlands.WaterResearch,1995,29(1):17～26.II/227.16BreenPF.Amassbalancemethodforassessingthepoten24BrixH.Domacrophytesplayaroleinconstructedtreatmenttialofartificialwetlandforwastewatertreatment.Waterwetlands.WaterscienceandTechnology,1997,35(6):11Research,1990,24(6):689～697.～17.17张甲耀,夏盛临等.潜流型人工湿地污水处理系统的研5ChrisCT,JamesPSSukias.Organicmatteraccumulation究.环境科学,1998,19(4):36～39.'