刘叶双，贾艾晨
（大连理工大学建设工程学部，辽宁大连116000）
［摘要］为研究人工湿地理论水力停留时间与实际水力停留时间之间的差异与原因，以及水力停留时间与人工湿地其它指标之间的相互影响关系，文章以辽宁复州河人工湿地为研究对象，用NaCl作示踪剂，通过对人工湿地出水口电导率进行监测，从而测定人工湿地的水力停留时间。监测结果表明，人工湿地理论水力停留时间比实际水力停留时间要长。原因主要为湿地运行过程中出现了淤积堵塞的情况，湿地实际孔隙率变小；人工湿地水力停留时间与湿地孔隙率、湿地类型以及湿地堵塞情况息息相关。研究所取得的数据可以为湿地的设计及湿地后期维护提供技术支持。 ［关键词］NaCl；水力停留时间；人工湿地；水质净化；试验研究
［中图分类号］X171［文献标识码］B
［文章编号］1002—0624（2018）03—0053—04
水力停留时间（hydraulic retention time）简称HRT，是指待处理污水在反应器内的平均停留时间，也就是污水与生物反应器内微生物作用的平均反应时间。因此，如果反应器的有效容积为V （m3），流量为Q（m3/h），则：HRT=V/Q（h）。
随着河流污染的加剧，生态修复逐渐成为许多城市河道治理的主要任务，而人工湿地是河道生态治理的重要手段之一。水力停留时间作为人工湿地污水处理系统的重要设计参数之一，决定了污水与湿地的接触程度。研究指出，在某一个范围值之内，随着水力停留时间的延长，人工湿地的氨氮、总氮和总磷的去除效果呈指数提高。
目前研究人工湿地水力停留时间对其各项指标的影响已有一些成果。但多数研究学者着重在实验室模拟人工湿地水力停留时间对各项指标的影响，而忽略了实验室模拟水力停留时间与实际人工湿地水力停留时间之间的差异；而且多数研究都是通过控制人工湿地入口流量来计算水力停留时间，对水力停留时间监测方法缺少相应的研究。通过在辽宁复州河人工湿地开展试验，观察食盐（NaCl）投放后的运动状态，测定水力停留时间，研究人工湿地水力停留时间对水质净化的影响以及实际的水力停留时间的影响因素，为人工湿地的设计提供数据支持，也为人工湿地后期运行维护以及净化能力的提高提供参考依据。
1试验材料与方法
1.1试验材料用量的确定
从湿地取体积约为6L的水样，用多参数仪测得其初始电导率为726μs/cm。用电子天平秤取适量NaCl（每次加入的NaCl小于0.1g），记录每次加入样中的量，搅拌使之充分溶解，待仪器读数稳定后记录其电导率EC。试验结果如图1所示，EC的变化量与累计投入的NaCl呈现出很好的线性关系。
在已知EC的条件下，由图1线性关系可以反推NaCl含量，以及每提高1μs/cm所需的NaCl质量。考虑到湿地植物生长所能承受的最大浓度为50mmol/L，即2.925g/L。1m3的水理论上可以加入NaCl2925g。
由图1可知，水质EC与NaCl含量之间的关系式为：
y =323.07x +729.79
（1）
生态石笼网箱式中：y 为EC ，μs/cm ；x 为NaCl 含量，mg/L 。6L 的水要提高1μs/cm 的EC 需要3.095mg 的NaCl ，1m 3的水提高100μs/cm 的EC 需要NaCl 51.588g 。
湿地有效容积计算公式：潜流湿地V =l ·d ·h ·n （2）表面流湿地V =l ·h ·d
（3）
式中：l 为人工湿地的长度，m ；d 为人工湿地的宽度，m ；h 为人工湿地水深，m ；
n 为人工湿地空隙率，基质材料碎石和砾石空隙率取40%作为参考值（国标规定Ⅰ类碎石空隙率不得大于43%，Ⅱ类碎石空隙率不得大于45%，Ⅲ类碎石空隙率不得大于47%）。
在复州河试验场选取3，4，6号这3个具有代表性的人工湿地进行试验，根据3个湿地设计的有效容积计算试验所需加NaCl 的质量，见表1。
表1实验材料NaCl 用量计算表
1.2试验方法与步骤
1）采集各个湿地进口以及出口处的水样，监测入口以及出口流量、PH ，DO 并做好记录；同时检测实验前各个点的EC 填入记录表。
2）计算NaCl 的用量，并配备成溶液。3）将NaCl 溶液倒入湿地。
4）每30min 测量进出口流量，设定仪器探头获取读数时间间隔为5min （如果仪器读数变化较大时，可适当缩短读数间隔），在湿地出水口处监测水质EC 。
5）绘制电导率-时间曲线。6）现场监测的数据处理。
TDS =K ·EC 25
（4）
式中：TDS 为溶液总盐量，ppm ；K 为NaCl 含量与
电导率对应的转换系数；EC 25为经温度校正到25度的电导率，μs/cm 。
试验所采取的水样的EC 在300～4000μs/cm 之间，查表2可知，水样属于苦咸水，K 取0.55，即1μs/cm=0.55mg/L 。
表2EC 与NaCl 含量的关系计算表
2理论时间的计算
湿地在运行过程中有淤积堵塞的情况，孔隙率会有所变化。但是孔隙率无法直接测量，空隙率假设还是设计值40%，再结合实测的流量、水深，计算出的水力停留时间称为理论水力停留时间。
计算公式：
理论水力停留时间：
HRT =V /Q （5）
式中：V 为人工湿地有效容积，m 3；
Q 为正常流量，m 3/s 。聚氨酯生产工艺
2.13号湿地（垂直流）理论水力停留时间计算
3号垂直流湿地基质包括85cm 厚粒径10～30mm 碎石（底部是约0.2m 厚粒径20～40mm 碎石层）和5cm 厚粗砂，现场监测水深0.88m 。左侧入水口管底与水面高差为4.2cm ，水流横截面积为47.808cm 2；右侧入水口管底与水面高差为7cm ，水流横截面积为97.922cm 2。计算可知，3号垂直流湿地理论水力停留时间为2.72h 。2.24号湿地（表面流）理论水力停留时间计算
4号表面流湿地从入水口到出水口选取的3个监测点水深依次是30，50，40cm 。左侧入水口管底与水面高差为6.4cm ，水流横截面积为86.602cm 2；右侧入口管底与水面高差为4.7cm ，水流横截面积为56.24cm 2。计算可知，4号垂直流湿地理论水力停留时间为4.68h 。
2.36号湿地（水平流）理论水力停留时间的计算
6号水平流湿地基质包括65cm 厚粒径10～30
图1EC 与NaCl
含量的关系曲线
2112NaCl/（mg·L -1）
E C
/（μs ·c m -1）
湿地3号垂直流4号表面流6号水平流
有效容积
/m 3
2737.521
理论NaCl 用量
/g 1400.761945.501089.48
实际NaCl 用量
/g
100020001000
溶液产水苦咸水苦咸水海水浓水
电导率EC 25
/（μs·cm -1）0~300300~40004000~2000040000~6000060000~85000
K
0.50.550.670.700.75
mm 碎石+5cm 厚粗砂，池子两侧各有约0.5m 宽粒径20～40mm 碎石布水区，基质高度为0.74m 。左右进水口均为满流。计算可知，6号垂直流湿地理论水力停留时间为2.65h 。
3试验数据分析
3.13号人工湿地（垂直流）
根据现场监测的数据，绘制的EC 与时间的关系曲线，见图2。在时间T =92min ，EC 出现最大值，最大值为768μs/cm ，即该湿地的水力停留时间为1.53h ，NaCl 浓度最大值为9.35mg/L 。在0～1.53h 这一时段，NaCl 的回收量为79.69g ，NaCl 的回收率为8.0%。
图2EC 与时间的关系曲线
将水样进行水质检测分析实验，得到的实验结果，见表3。
表33号湿地水质检测结果
3.24号湿地（表面流）
根据现场监测的数据，绘制的EC 与时间的关系曲线图，见图3。在时间T =147min ，EC 出现最大值
为816μs/cm ，即该湿地的水力停留时间为2.45h ，NaCl 浓度最大值为36.3mg/L 。在0～2.54h 这一时段，NaCl 的回收量最大为209.29g ，NaCl 的回收率为10.5%。
将水样进行水质检测分析实验，得到的实验结果，见表4。
3.36号湿地（水平流）
根据现场监测的数据，绘制的EC 与时间的关系曲线，见图4。在人工湿地出口处，在0～30min ，EC 缓慢增加；30～70min ，EC 急剧增加。当时间T =75min ，EC 出现最大值为817μs/cm ，即该湿地的实际水力停留时间为1.25h ，NaCl 浓度最大值为37.95mg/L 。在0～1.25h 这一时段，NaCl 的回收量最大为184.95g ，NaCl 的回收率为18.5%。
图4EC 与时间的关系曲线
将水样进行水质检测分析实验，得到的实验结果，见表5。4试验结果分析
1）3号垂直流人工湿地理论停留时间为2.72h ，实际停留时间为1.53h ；4号表面流人工湿地理论停留时间为4.68h ，实际停留时间为2.45h ；6号水平流人工湿地理论停留时间为2.65h ，实际停留
770
768766764762760758756754752750180
160
140
120
100
8060
40
20
0T /min
E C
/（μs ·c m -1）
761765767768766
762760759757756
755751756
节能玻璃贴膜820800780740400
350300250200150
10050
0T /min流(H)
E C
/（μs ·c m -1）
810770760750792769
774
777779791
810
816809796
787778768757750830
820
810
800790780770760750740180
160140120100
80
6040200T /min
E C
/
（μs ·c m -1）
776
782
789
798
809
817807791752750748项目SS BOD 5CODcr TN TP NH 4-N NO 3-N NO 2-N
进水口
/（mg·L -1）
8.95.819.714.20.886.406.980.79
出水口
/
（mg·L -1）
8.85.316.912.20.785.266.250.44
去除率
/%1.128.6214.2114.0811.3617.8110.4644.30
乙基氯化物图3EC 随时间的变化关系曲线项目SS BOD 5CODcr TN TP NH 4-N NO 3-N
NO 2-N
进水口/（mg·L -1）
8.95.819.714.20.886.406.980.79
出水口
/（mg·L -1）
5.65.61
6.413.10.665.376.530.77
幼猪
去除率
/%37.083.4516.757.7525.0016.096.452.53
表44号湿地水质检测结果
时间为1.25h。由此可知，理论水力停留时间比实际水力停留时间长，原因主要有：湿地水流情况复杂多变，湿地死水区较多，有效容积变小；其次，湿地已经运行1年，产生了淤积，空隙率变小，计算理论时间时，所用的空隙率与实际孔隙率有差异。实际水力停留时间与理论水力停留时间之间存在差异，是研究湿地淤积堵塞问题的重要依据。
2）3号垂直流人工湿地，NaCl回收率为8.0%；4号表面流人工湿地，NaCl回收率为10.5%；6号水平流人工湿地，NaCl回收率为18.5%。可知，水力停留时间与NaCl回收率呈一定的负相关关系。即水力停留时间越长，NaCl回收率越低。由此可知，水力停留时间太短，污染物迁移运动过快，不利于植物对污染物的吸收，人工湿地水质净化效果不理想；水力停留时间太长，植物能对污染物进行较好的分解吸收，但是人工湿地的水质净化效率大大降低，水中需氧型微生物对污染物的分解速率也会降低。所以，在人工湿地设计初期，应该设计一个合理的水力停留时间，既能保障植物微生物最大程度分解污染物，又能保障湿地的正常运行。
3）3号垂直流人工湿地，种植植物为芦苇。各类污染物去除率约为15.24%；4号表面流人工湿地，种植植物为芦苇，各类污染物去除率约为14.38%。3号垂直流人工湿地虽然比4号表面流人工湿地的水力停留时间短，但是3号湿地比4号湿地净化效果好。这个数据表明，在湿地容积相
等的情况下，在相同的时间内，垂直流人工湿地比表面流人工湿地净化的水量多，约是表面流的1.6倍。与表面流人工湿地相比，建造潜流式人工湿地，能更好的提高湿地对水质的净化效率。
5结论
通过在辽宁复州河人工湿地的试验研究，以及2个多月的观察，可知以NaCl作为示踪剂测定水力停留时间是可行的，而且不会对湿地造成二次污染，不影响湿地植物生长以及湿地正常运行，监测数据结果有效可靠。
水力停留时间是人工湿地设计的重要参数之一，选取合适的水力停留时间，对今后人工湿地污染物的迁移以及植物对污染物的分解十分重要，可以发挥人工湿地的最大效能。虽然试验的人工湿地容积较小，测出水力停留时间较短，但仍能得出理论水力停留时间与实际水力停留时间确实存在一定差异的结论，这个差异可以反映出湿地运行中的淤积堵塞程度，可作为湿地后期维护研究的依据。
［参考文献］
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［收稿日期]2017-05-24
表56号湿地水质检测结果
项目
SS BOD5 CODcr TN TP NH4-N NO3-N NO2-N
进水口
/（mg·L-1）
8.5
4.8
19.8
13.0
0.70
5.06
7.19
0.55
出水口
/（mg·L-1）
5.2
2.7
12.7
10.0
0.56
3.16
5.89
0.12
去除率
/
%
38.82
43.75
35.86
23.08
20.00
37.55
18.08
78.18
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