高水資源條件下不同基質(zhì)對(duì)垂直流人工濕地運(yùn)行的水力學(xué)響應(yīng)

高水資源條件下不同基質(zhì)對(duì)垂直流人工濕地運(yùn)行的水力學(xué)響應(yīng)

濕地建設(shè)是一項(xiàng)有效的土壤處理技術(shù)。其堵塞問(wèn)題是影響濕地建設(shè)的主要因素之一?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中最早關(guān)于人工濕地出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象的報(bào)道源于20世紀(jì)60年代由Seidel等人建成的Krefield濕地存在的堵塞和積水現(xiàn)象。此后,歐洲、北美地區(qū)和中國(guó)等國(guó)家的科研工作者都相繼研究了人工濕地的堵塞現(xiàn)象。堵塞是在所有高負(fù)荷污水過(guò)濾系統(tǒng)中常見(jiàn)的自然效應(yīng)。濕地中堵塞層的形成是有機(jī)和無(wú)機(jī)固體物在基質(zhì)內(nèi)部顆粒間隙的沉積、基質(zhì)間隙間生物量生長(zhǎng)和分解以及基質(zhì)本身所含物質(zhì)的化學(xué)沉淀反應(yīng)等產(chǎn)生的。垂直流人工濕地系統(tǒng)較水平流系統(tǒng)具有較高的好氧處理能力,其硝化能力高于水平潛流人工濕地,可用于處理氨氮含量較高的污水。由于垂直流人工濕地獨(dú)特的水流方式和去污特點(diǎn),它更容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。而且發(fā)生堵塞后,濕地的凈化能力會(huì)受到嚴(yán)重影響。同時(shí),由于堵塞導(dǎo)致基質(zhì)表面積水,使得蚊蠅更容易滋生,濕地的環(huán)境友好度降低。已有的研究表明,不同基質(zhì)種類對(duì)垂直流濕地系統(tǒng)中空隙大小及其變化和水容量起到?jīng)Q定性的影響。因此,需要選擇高效、不易堵塞的填料作為濕地的基質(zhì),使之最大程度發(fā)揮垂直流人工濕地的凈化效果,提高濕地的使用壽命,同時(shí)能在較高的水力負(fù)荷條件下,單位濕地面積處理更多的污水,達(dá)到減小人工濕地占地面積的目的。以前期研究成果為基礎(chǔ),選取沸石、無(wú)煙煤、頁(yè)巖、蛭石、礫石、陶瓷濾料、高爐鋼渣、生物陶粒等8種基質(zhì)為研究對(duì)象,在為期1年的高負(fù)荷運(yùn)行條件下(1000—2500mm/d),研究它們?cè)诖怪绷魅斯竦啬M柱中水力學(xué)特性的變化及其對(duì)濕地堵塞的影響,為選擇具有優(yōu)良水力學(xué)特性和持久耐用性的基質(zhì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。1測(cè)試1.1帶著基基質(zhì)試柱內(nèi)的流量設(shè)計(jì)將東湖湖水與生活小區(qū)化糞池出水通過(guò)不同管道系統(tǒng)按一定比例引入到本系統(tǒng)混合池內(nèi),經(jīng)過(guò)充分?jǐn)嚢杌旌虾?由蠕動(dòng)計(jì)量泵按預(yù)先設(shè)定的流量提升到每個(gè)基質(zhì)試驗(yàn)柱中。在每個(gè)基質(zhì)試驗(yàn)柱前均安裝有一個(gè)轉(zhuǎn)子流量計(jì),確保進(jìn)入到每個(gè)柱子中的流量保持一致。1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)1柱身厚度和長(zhǎng)度基質(zhì)試驗(yàn)柱采用8根內(nèi)徑為25cm的PVC管,高度均為1.1m。其中基質(zhì)高度為1.0m,基質(zhì)表面以上留有100mm的布水區(qū)和超高。柱身每隔15cm設(shè)有一個(gè)取樣口,一共有7個(gè)取樣口,對(duì)應(yīng)水平位置的柱身背面接有7根測(cè)壓管,分別用橡膠軟管連接至測(cè)壓板上,用以反映各取水口的測(cè)壓管水頭值?；旌衔鬯萌鋭?dòng)泵提升,通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)精確計(jì)量控制后,由基質(zhì)表面的環(huán)形穿孔布水管進(jìn)入基質(zhì)層,并由基質(zhì)試驗(yàn)柱底的出水管出水?；|(zhì)試驗(yàn)柱實(shí)物圖見(jiàn)圖1。2爐鋼渣、生物陶粒供試基質(zhì)共有8種,依次裝填沸石、無(wú)煙煤、頁(yè)巖、蛭石、陶瓷濾料、礫石、高爐鋼渣、生物陶粒。其中礫石取自武漢,沸石和無(wú)煙煤來(lái)自河南鞏義,頁(yè)巖來(lái)自湖北宜昌,蛭石來(lái)自遼寧大連,陶瓷濾料來(lái)自山東淄博,高爐鋼渣取自武漢鋼鐵公司,生物陶粒來(lái)自江西。所有基質(zhì)均為球形顆粒狀,粒徑約在8—12mm左右。1.3第2天的運(yùn)行基質(zhì)試驗(yàn)柱的運(yùn)行方式為:以4d的配水周期為1個(gè)階段,其中每隔1d連續(xù)運(yùn)行1次,每次連續(xù)運(yùn)行8h。連續(xù)運(yùn)行后的第2天為間歇運(yùn)行,每隔12h運(yùn)行2h,其主要目的在于維持柱中微生物的活性。連續(xù)運(yùn)行時(shí)通過(guò)每根試驗(yàn)柱前的轉(zhuǎn)子流量計(jì)將流量控制在5—7L/h左右,水力負(fù)荷控制在1000—2500mm/d之間。試驗(yàn)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間從2006年4月1日至2007年3月30日,共歷時(shí)1年。1.4力學(xué)特性試驗(yàn)的內(nèi)容和方法1試驗(yàn)系統(tǒng)正常運(yùn)行后10d測(cè)定每個(gè)基質(zhì)試驗(yàn)柱中的水力停留時(shí)間。在系統(tǒng)進(jìn)水中瞬時(shí)一次性投加KCl,使其電導(dǎo)率上升到背景值的10倍以上,然后維持系統(tǒng)正常運(yùn)行,在試驗(yàn)柱底部出水口每隔5min監(jiān)測(cè)1次出水電導(dǎo)率的變化并記錄,至電導(dǎo)率恢復(fù)到背景值時(shí)終止試驗(yàn)。由于示蹤劑會(huì)受到進(jìn)水水質(zhì)、基質(zhì)特性、堵塞程度等因素的影響,因此在每階段的試驗(yàn)中,每個(gè)試驗(yàn)柱均進(jìn)行3次示蹤劑試驗(yàn),并選取示蹤劑回收率最高的一次結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。2不同基質(zhì)運(yùn)行中的水頭損失在為期1年的試驗(yàn)中,分別測(cè)定每根試驗(yàn)柱柱身所接7個(gè)測(cè)壓管水位值,對(duì)不同基質(zhì)在1年運(yùn)行中的水頭損失進(jìn)行分析。記錄每個(gè)基質(zhì)試驗(yàn)柱中不同高度的測(cè)壓管讀數(shù),利用同一基質(zhì)試驗(yàn)柱中不同高度測(cè)壓管讀數(shù)之差,求出由于基質(zhì)堵塞所造成同一試驗(yàn)柱內(nèi)不同基質(zhì)深度位置的水頭損失值。3填料基質(zhì)的填料及含水率測(cè)定分別測(cè)定8種基質(zhì)在1年試驗(yàn)周期前后孔隙率、含水率的變化?？紫堵蕼y(cè)定:將基質(zhì)試驗(yàn)柱填充基質(zhì)后通入清水,量取充滿水(水面剛好沒(méi)到基質(zhì)表面)時(shí)的填料高度H,測(cè)定實(shí)驗(yàn)柱內(nèi)徑D;再把水放空,測(cè)得放出水的體積V,通過(guò)公式a=4V/πD2H算出孔隙率。含水率測(cè)定:標(biāo)準(zhǔn)烘干法測(cè)定。將試驗(yàn)柱中采集的基質(zhì)進(jìn)行稱重m,然后在溫度為100—105℃的烘箱中烘至恒重。含水率w=(m/ms-1)×100%,其中,m為濕基質(zhì)質(zhì)量,g;ms為烘干后基質(zhì)質(zhì)量,g。2結(jié)果與分析2.1高爐鋼渣和礫石出水中電導(dǎo)率的日變化8種基質(zhì)投加示蹤劑KCl后開始計(jì)時(shí),在出水處測(cè)定電導(dǎo)率,分別記錄下不同基質(zhì)試驗(yàn)柱出現(xiàn)最大電導(dǎo)率和電導(dǎo)率復(fù)原到背景值時(shí)的時(shí)間。表1中數(shù)據(jù)是在試驗(yàn)柱正常穩(wěn)定運(yùn)行10個(gè)月后的試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥吹?高爐鋼渣出水中出現(xiàn)電導(dǎo)率峰值的時(shí)間最短,而礫石出水中出現(xiàn)電導(dǎo)率峰值的時(shí)間最長(zhǎng)。其出水中電導(dǎo)率出現(xiàn)峰值及復(fù)原時(shí)間的長(zhǎng)短間接反映了不同基質(zhì)試驗(yàn)柱在運(yùn)行一段時(shí)間后基質(zhì)的堵塞程度。2.2濾料和基質(zhì)的堵塞將數(shù)次試驗(yàn)中每個(gè)基質(zhì)試驗(yàn)柱沿豎向水流方向不同位置的測(cè)壓管讀數(shù)進(jìn)行平均,得到8種基質(zhì)試驗(yàn)柱中各測(cè)壓管水位平均值,如圖2所示(圖2中測(cè)壓管后括號(hào)內(nèi)數(shù)字表示該測(cè)壓管距離水面高度)。在沸石基質(zhì)試驗(yàn)柱中,測(cè)壓管2—測(cè)壓管6之間的水頭損失值不大,而測(cè)壓管7的水頭值與其它幾個(gè)測(cè)壓管相差較大,水頭損失達(dá)到了0.5cm左右;在無(wú)煙煤基質(zhì)中,前4個(gè)測(cè)壓管水頭值依次下降,而后3個(gè)水頭值基本上保持恒定,同時(shí)中間一個(gè)測(cè)壓管(測(cè)壓管4)的水頭值比上部和下部的測(cè)壓管值都要低;頁(yè)巖基質(zhì)中測(cè)壓管的水頭損失較大值主要集中于上層0—15cm及基質(zhì)底層處;蛭石與沸石類似,測(cè)壓管1—測(cè)壓管6之間的水頭損失值不大,而測(cè)壓管7的水頭值與其它幾個(gè)測(cè)壓管水頭相差較大,水頭損失達(dá)到了1.5cm左右;在陶瓷濾料試驗(yàn)柱中,堵塞主要發(fā)生在基質(zhì)的上層(0—15cm)以及基質(zhì)的中層(45—60cm)處;礫石基質(zhì)試驗(yàn)柱在表層即發(fā)生了較為嚴(yán)重的堵塞現(xiàn)象,而基質(zhì)的上、中、下層相對(duì)較好。這也與實(shí)際觀測(cè)的試驗(yàn)柱表層情況相符;鋼渣基質(zhì)試驗(yàn)柱的堵塞主要發(fā)生在基質(zhì)的中上部(測(cè)壓管1—測(cè)壓管3)0—30cm的位置,但水頭損失值較小;生物陶粒試驗(yàn)柱各個(gè)測(cè)壓管的水頭值數(shù)據(jù)波動(dòng)很小。2.3基質(zhì)的孔隙率分別在整個(gè)試驗(yàn)周期前與周期后測(cè)定8種基質(zhì)的孔隙率,如表2所示。在整個(gè)周期試驗(yàn)運(yùn)行之前,8種基質(zhì)中無(wú)煙煤的孔隙率最小,僅為35.3%,而頁(yè)巖的孔隙率最大,達(dá)到了53.6%,其它基質(zhì)的孔隙率介于38.9%—47.8%之間;在系統(tǒng)運(yùn)行了1年后,8種基質(zhì)中無(wú)煙煤的孔隙率依然最小,頁(yè)巖孔隙率最大,其它基質(zhì)的孔隙率介于36.2%—41.8%之間,整體上比試驗(yàn)前都有所下降。而蛭石是試驗(yàn)前后孔隙率下降幅度最大的基質(zhì)。2.4保水分別在試驗(yàn)周期前與周期后測(cè)定8種基質(zhì)的孔隙率,如表3所示。3討論3.1基質(zhì)間水力停留時(shí)間水力停留時(shí)間是指待處理污水在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時(shí)間,即污水與生物反應(yīng)器內(nèi)微生物作用的平均反應(yīng)時(shí)間。在垂直流人工濕地中,污水中的無(wú)機(jī)物和難降解有機(jī)物積累在濕地中,堵塞基質(zhì)間的空隙,改變系統(tǒng)內(nèi)部水流的混合、短流以及回混,從而改變和延長(zhǎng)系統(tǒng)的實(shí)際水力停留時(shí)間。通過(guò)對(duì)8種基質(zhì)水力停留時(shí)間的測(cè)定(表1)發(fā)現(xiàn),在垂直流人工濕地模擬試驗(yàn)柱穩(wěn)定運(yùn)行10個(gè)月后,基質(zhì)的不同特性導(dǎo)致系統(tǒng)水力停留時(shí)間發(fā)生較大變化:高爐鋼渣試驗(yàn)柱中的水力停留時(shí)間最短,而礫石試驗(yàn)柱中的水力停留時(shí)間最長(zhǎng)。相對(duì)而言,高爐鋼渣、沸石和生物陶?；|(zhì)試驗(yàn)柱的水力停留時(shí)間較短,堵塞情況不甚明顯;而礫石、陶瓷濾料和蛭石基質(zhì)試驗(yàn)柱的水力停留時(shí)間較長(zhǎng),堵塞情況較為明顯。3.2基質(zhì)主要堵塞現(xiàn)象水頭損失是由水流阻力做負(fù)功所引起的測(cè)壓管水頭下降,它反映了水在流動(dòng)過(guò)程中由于受到阻礙而引起的能量損失。通過(guò)對(duì)8個(gè)垂直流人工濕地基質(zhì)試驗(yàn)柱豎向流程上各不同高度位置水頭值的測(cè)定,計(jì)算其水頭損失,可以間接判斷出基質(zhì)中堵塞發(fā)生的部位。通過(guò)對(duì)圖2中8種基質(zhì)試驗(yàn)柱中各測(cè)壓管水位平均值的分析,可以發(fā)現(xiàn):沸石基質(zhì)中,主要的堵塞現(xiàn)象發(fā)生在基質(zhì)的下層,總的說(shuō)來(lái)堵塞現(xiàn)象不明顯;無(wú)煙煤基質(zhì)中截留的雜質(zhì)主要在基質(zhì)試驗(yàn)柱中層發(fā)生了累積,部分污染物隨水流截留于基質(zhì)中層;蛭石基質(zhì)中,主要的堵塞現(xiàn)象發(fā)生在基質(zhì)的下層,上層基質(zhì)沒(méi)有明顯的堵塞現(xiàn)象;礫石和頁(yè)巖基質(zhì)試驗(yàn)柱均在表層即發(fā)生了較為嚴(yán)重的堵塞現(xiàn)象,不同的是,礫石基質(zhì)的上、中、下層水頭損失較為平均,而頁(yè)巖基質(zhì)底層也有一定程度的水頭損失,這也與其具有較高的孔隙率,使得部分雜質(zhì)能夠到達(dá)基質(zhì)底層有關(guān);陶瓷濾料的堵塞情況較嚴(yán)重,其中層水頭損失值較大,污染物有可能聚集于基質(zhì)的中部;鋼渣基質(zhì)試驗(yàn)柱的堵塞情況不明顯,中上層略有堵塞,而下層情況良好,且底層沒(méi)有水頭損失;生物陶?；|(zhì)中基本上沒(méi)有發(fā)生堵塞現(xiàn)象,其在水頭損失這一指標(biāo)上是8種基質(zhì)中情況最好的。3.3基質(zhì)孔隙率變化通過(guò)表2中孔隙率相對(duì)下降速率的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),8種基質(zhì)孔隙率的變化規(guī)律各有不同。在為期1年的試驗(yàn)前后,沸石、鋼渣和陶瓷濾料孔隙率的下降速率最小;無(wú)煙煤、頁(yè)巖、礫石和生物陶?？紫堵实南陆邓俾式橛?%—10%之間;蛭石孔隙率的下降幅度最大,達(dá)到了21.3%。蛭石由于其特殊的組成結(jié)構(gòu),試驗(yàn)前后孔隙率變化巨大,在實(shí)際使用時(shí)應(yīng)充分考慮此因素對(duì)濕地堵塞的影響;沸石、鋼渣和陶瓷濾料的孔隙率幾乎不變,對(duì)由于孔隙率變化所導(dǎo)致的堵塞影響不大;其它4種基質(zhì)孔隙率有所變化,但變化較小,有可能會(huì)對(duì)堵塞造成一定影響。其中還有2種基質(zhì)值得注意:1)無(wú)煙煤,它對(duì)污染物凈化效果很好,且試驗(yàn)前后孔隙率變化不大,但其孔隙率較小是在實(shí)際使用時(shí)應(yīng)充分考慮的影響因素之一;2)頁(yè)巖基質(zhì),試驗(yàn)前和試驗(yàn)后孔隙率均較大,但對(duì)污染物凈化效果不佳,說(shuō)明在基質(zhì)選擇時(shí),不能僅僅依據(jù)孔隙率的大小進(jìn)行判斷選擇。3.4基質(zhì)結(jié)構(gòu)與含水率由表3可知,試驗(yàn)之前的陶瓷濾料、礫石和生物陶?；|(zhì)含水率均很低,這與基質(zhì)制作過(guò)程中的燒制工藝有關(guān),同時(shí)也說(shuō)明這幾種基質(zhì)在運(yùn)輸、存放過(guò)程中不具有吸潮性;鋼渣的含水率也很低,原本其孔隙結(jié)構(gòu)應(yīng)該有利于水份的進(jìn)入,但基質(zhì)表面的強(qiáng)堿性保證了基質(zhì)的干燥;頁(yè)巖和無(wú)煙煤基質(zhì)含水率相對(duì)較高,其裂隙與孔隙結(jié)構(gòu)導(dǎo)致基質(zhì)內(nèi)部有部分水份附著;而沸石和蛭石則是8種原始基質(zhì)中含水率最高的,其基質(zhì)結(jié)構(gòu)中孔隙較大,附著水、薄膜水、毛細(xì)水的含量較高,導(dǎo)致了這2種基質(zhì)含水率偏高?？傮w來(lái)說(shuō),8種基質(zhì)在試驗(yàn)前含水率均不高。而在系統(tǒng)運(yùn)行1年以后的含水率試驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn),蛭石由于其結(jié)構(gòu)上巨大的空隙,導(dǎo)致含水率上升到67.04%,在其結(jié)構(gòu)中,附著水、薄膜水、毛細(xì)水和重力水均存在,大量的重力水存在也導(dǎo)致了濕地在運(yùn)行和落干時(shí),蛭石基質(zhì)體積會(huì)發(fā)生很大變化,這一點(diǎn)是在蛭石實(shí)際使用過(guò)程中應(yīng)特別加以注意的;沸石、生物陶粒、頁(yè)巖和陶瓷濾料含水率也有較大幅度的上升,這些均與它們結(jié)構(gòu)中存在較多孔隙與裂隙有關(guān)。特別是無(wú)煙煤,其孔隙率較低,而含水率較高,說(shuō)明其結(jié)構(gòu)內(nèi)部有大量附著水、薄膜水和毛細(xì)水存在;鋼渣依然保持較低的含水率;礫石和陶瓷濾料含水率較低,其結(jié)構(gòu)密實(shí),各種形態(tài)的水不易進(jìn)入其中;生物陶粒是試驗(yàn)前后含水率變化最大的基質(zhì),從結(jié)構(gòu)上分析,其基質(zhì)內(nèi)部有很多細(xì)小的孔隙,有利于毛細(xì)水進(jìn)入,而其較好的顆粒表面性質(zhì),使薄膜水和附著水較多,因此增大了基質(zhì)的含水率,同時(shí)它的這一特性也使得微生物易于在其基質(zhì)表面掛膜、繁殖。4基質(zhì)對(duì)人工濕地堵塞的影響a.垂直流人工濕地系統(tǒng)基質(zhì)的水力停留時(shí)間可間接反映濕地堵塞狀況,系統(tǒng)內(nèi)部不同位置的水頭損失可以反映濕地內(nèi)不同垂直位置的堵塞程度;生物陶粒、鋼渣和沸石3種基質(zhì)分別填充的系統(tǒng)內(nèi)部水頭損失較小、水力停留時(shí)間短、堵塞不明顯,而礫石、蛭石的情況則相反,堵塞較為嚴(yán)重;b.基質(zhì)的孔隙率及其孔隙變化率會(huì)影響垂直流人工濕地系統(tǒng)的堵塞,通過(guò)對(duì)不同基質(zhì)試驗(yàn)前后孔隙率的測(cè)定與綜合分析發(fā)現(xiàn),基質(zhì)的高孔隙變化率(如頁(yè)巖和礫石)對(duì)堵塞的影響較大;孔隙率的變化可作為衡量垂直流人工濕地堵塞的重要指標(biāo),其對(duì)垂直流人工濕地的凈化能力也有顯著影響;c.不同基質(zhì)的含水