水力條件對蘆葦濕地系統(tǒng)DO質(zhì)量濃度的影響

程康睿，朱 偉，2，董 嬋，湯蘇晨

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210098;2.水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，江蘇南京 210098)

水力條件對蘆葦濕地系統(tǒng)DO質(zhì)量濃度的影響

程康睿1，朱 偉1，2，董 嬋1，湯蘇晨1

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210098;2.水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，江蘇南京 210098)

就水位及水力負荷對濕地系統(tǒng)中DO質(zhì)量濃度的影響進行實驗。結(jié)果表明:隨著水位的不斷提高，蘆葦濕地系統(tǒng)中的DO質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出不斷升高的趨勢，且在300～550 mm水位區(qū)間增加趨勢比較明顯，隨著水位的再度升高，在550～650 mm水位區(qū)間DO質(zhì)量濃度增加趨勢趨于平穩(wěn);隨著水力負荷的不斷增加，蘆葦濕地系統(tǒng)中的DO質(zhì)量濃度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，本實驗中最適合的水力負荷在0.8968～1.2230 m3/(m2·d)之間。

人工濕地;蘆葦;DO;水位;水力負荷

作為污水處理廠尾水和分散型農(nóng)村生活污水的處理方法之一，人工濕地倍受關(guān)注［1］。一些研究表明，相對于去除有機物和磷而言，人工濕地的脫氮效率經(jīng)常偏低，例如，在伊朗一用于處理市政污水的蘆葦潛流濕地床中，COD、BOD、TSS的去除率分別達到86%、90%和89%，然而 TN的去除率只有34%［2］。脫氮過程需要利用人工濕地中的缺氧環(huán)境、厭氧環(huán)境和好氧環(huán)境，促進微生物的硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)，達到脫氮的目的［3-5］。Sun 等［6］通過實驗發(fā)現(xiàn)濕地系統(tǒng)中氧氣的消耗主要是有機物的去除消耗和硝化作用消耗兩個部分。高敏等［7］發(fā)現(xiàn)濕地中 COD、NH4

+-N、TN質(zhì)量濃度的變化趨勢與DO質(zhì)量濃度顯著相關(guān)，DO質(zhì)量濃度越高，越有利于有機物和氮的去除。可見，人工濕地中DO的質(zhì)量濃度是影響污染物去除的主要因素之一。

人工濕地中氧的來源之一是植物的釋氧。植物釋氧受到光強、溫度、濕度以及營養(yǎng)鹽水平等因素的影響。此外，水的動力學(xué)條件可能也對植物的釋氧產(chǎn)生較大的影響，從而影響人工濕地系統(tǒng)中DO的質(zhì)量濃度。Sasikala等［8］研究了水文條件對根系釋氧的影響，以垂直潛流濕地為對象實測了水位起伏對植物根系釋氧的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)靜水時根系的釋氧量遠遠大于水位波動時的數(shù)值，從而認為水位波動會引起根系釋氧量降低。王世和等［9］研究水力條件對人工濕地去除污染物的影響，認為水深、水力負荷、水力停留時間是影響人工濕地運行的3個要素，對某一人工濕地而言，實際的運行中均存在一個水力條件最佳值。但水位及水力負荷的變化怎樣影響人工濕地中的DO質(zhì)量濃度，仍然是一個尚待明確的問題。

本文就水動力條件如何影響人工濕地中植物釋氧的問題，使用柱狀人工濕地模型，通過不同水位及水力負荷下濕地系統(tǒng)中DO質(zhì)量濃度的變化研究不同動力條件對人工濕地中DO質(zhì)量濃度的影響。

1 材料和方法

1.1 實驗裝置

采用自制PVC材料人工濕地模擬單元柱，實驗柱高1000 mm，直徑150 mm，柱中填料采用平均孔隙率為0.46的火山渣，基質(zhì)上方涂加30 mm厚凡士林以隔絕空氣中的氧。在濕地單元沿程布置的進水口、出水口見圖1。實驗用水采用自配無氧水，利用Na2SO3粉末去除水中的DO。

圖1 實驗裝置示意圖

1.2 采樣及檢測方法

實驗共分為兩個部分，兩個部分共用一套裝置。

a.5種不同水位條件的實驗。實驗時間段為2013年4—6月，實驗所用蘆葦種植于半年前。在濕地系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，在滯水條件下設(shè)置5種不同水位，從下到上5種水位的高度分別為150 mm(1號)、300 mm(2 號)、450 mm(3 號)、550 mm(4 號)、650 mm(5號)，實驗水位均淹沒植物根系(圖1)。每個水位實驗周期為16h，從凌晨5:00到晚上21:00，其中每隔2h取一次樣。

b.6種不同水力負荷條件的實驗。實驗時間段為2013年9—11月，實驗所用蘆葦種植于2013年6月。在濕地系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，在水位保持在650 mm的條件下，采用間歇流運行(其中裝置先運行1.5 h，采樣時停止運行，0.5 h內(nèi)完成采樣)。6種水力負荷分別為0、0.2446m3/(m2·d)、0.4076 m3/(m2·d)、0.7338 m3/(m2·d)、0.896 8 m3/(m2·d)、1.223 0 m3/(m2·d)，試驗周期為16 h，從凌晨5:00到晚上21:00。

為了保證濕地中的氧氣全部由植物供給，采樣時先用真空泵將飽和缸抽吸成真空，利用飽和缸中的負壓，抽吸人工濕地柱中液體，抽吸完后迅速取樣，并測量其中的DO質(zhì)量濃度值，同時測量液體總體積。抽吸完柱中液體后，立刻向柱中加入無氧水，進行下一時段的實驗。DO質(zhì)量濃度的測定方法為碘量法，方法來自《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)［10］。光強測量方法采用便攜式光強儀(MODELZDS-10F-2D)，單位為Lux。本文中以PAR(光合有效輻射)計，其中1Lux=0.019μmol·m-2·s-1。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 不同水位條件下濕地系統(tǒng)中DO質(zhì)量濃度變化規(guī)律

2.1.1 不同水位下濕地系統(tǒng)中DO質(zhì)量濃度的日變化曲線

在不同水位下對濕地內(nèi)部DO質(zhì)量濃度進行晝夜連續(xù)實測，用飽和缸中測量的DO質(zhì)量濃度值表示濕地系統(tǒng)中總DO質(zhì)量濃度，并進行比較，結(jié)果見圖2。

由于天氣原因，進行不同水位試驗時，光強條件會發(fā)生變化，因此在圖2中將DO質(zhì)量濃度和光強同時進行了對比。從實測數(shù)據(jù)可以看出，濕地系統(tǒng)中的DO質(zhì)量濃度隨著光強的變化而出現(xiàn)明顯的日周期性變化。上午，隨光強的增加濕地系統(tǒng)中的DO質(zhì)量濃度逐漸增大。下午，濕地系統(tǒng)中的DO質(zhì)量濃度隨光強的減弱而降低，在凌晨5:00之前以及晚上8:00以后光強為零的情況下，由于本實驗中濕地系統(tǒng)中唯一的氧源(植物光合作用產(chǎn)生的植物根系釋氧)消失，濕地系統(tǒng)中的DO質(zhì)量濃度接近于0，蘆葦濕地系統(tǒng)中DO質(zhì)量濃度的峰值較光強的峰值滯后2 h左右，這一規(guī)律與Dong［11］的實測結(jié)果是相同的。由于植物釋氧量與光強存在密切的關(guān)系，試驗又難以避免每天光強所出現(xiàn)的差異，因此無法對水位變化引起的DO質(zhì)量濃度變化直接用實測數(shù)據(jù)來比較。

圖2 不同水位下PAR值日變化規(guī)律

2.1.2 不同水位下濕地系統(tǒng)中DO質(zhì)量濃度的比較

Dong等［11］利用高斯函數(shù)擬合光強以及在相應(yīng)光強條件下的植物根系釋氧速率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)植物根系釋氧速率受到光強的影響非常顯著，且釋氧速率隨著光強的增加呈指數(shù)增長趨勢(式(1))。同時本實驗濕地中的DO質(zhì)量濃度(ρDO)和植物根系釋氧也存在一定的關(guān)系(式(2))。

式中:V0為植物根系釋氧量，μmol/(g·h);a和b為濕地系統(tǒng)中DO質(zhì)量濃度參數(shù);P為PAR值;ΔO2為氧氣的增加量，mg，因為注入的是無氧水，此處的ΔO2就是當(dāng)時濕地系統(tǒng)的氧氣總量;n為一次實驗經(jīng)歷的時間，本次n=16 h;r為實驗所用蘆葦?shù)母兀琯;V為每次實驗時系統(tǒng)中溶液體積，L;A為實驗所用實驗柱的底面積，dm2;h為每次實驗時水位高度，dm;d為濕地系統(tǒng)中DO質(zhì)量濃度參數(shù)。

由于實驗所用蘆葦根重r在整個實驗過程中變化相對較小，將式(2)和式(3)合并得到式(4)，發(fā)現(xiàn)V0和ρDO及h呈線性關(guān)系。結(jié)合式(1)和(4)得到式(5)。在同樣光強條件下，d和b這兩個參數(shù)的大小決定植物釋氧量的大小，在參數(shù)b相差不大的情況下，參數(shù)d將主要影響濕地系統(tǒng)中的DO質(zhì)量濃度。

將本次試驗中得到的各組試驗的光強和DO質(zhì)量濃度用式(5)進行擬合得到圖3及表1。由此可以看出，隨著水位越高，參數(shù)d越大，也就是植物釋氧量越大，水中DO有增加的趨勢。如果使用擬合得到的公式對光強相同時濕地中DO質(zhì)量濃度進行計算，可以得到圖4。從圖4中可以明顯看出，隨著水位的上升，植物釋氧量增加，濕地系統(tǒng)中DO質(zhì)量濃度上升。

圖3不同水位條件下PAR值和DO質(zhì)量濃度擬合曲線

表1 各水位下擬合曲線的參數(shù)值比較

圖4 不同光強條件下各水位的系統(tǒng)DO質(zhì)量濃度

2.2 不同水力負荷下植物根系的釋氧規(guī)律

2.2.1 不同水力負荷下濕地系統(tǒng)中DO質(zhì)量濃度的日變化曲線

與不同水位下對濕地內(nèi)部DO質(zhì)量濃度的測量方式相同，用飽和缸中測量的DO質(zhì)量濃度值表示濕地系統(tǒng)中總DO質(zhì)量濃度，并進行比較，得到不同水力負荷下濕地系統(tǒng)的DO質(zhì)量濃度日變化規(guī)律，見圖5。

圖5顯示出不同水力負荷條件下，蘆葦濕地系統(tǒng)中DO質(zhì)量濃度的日變化規(guī)律。與不同水位條件下濕地系統(tǒng)中的DO質(zhì)量濃度相同的是，濕地系統(tǒng)中的DO質(zhì)量濃度在上午時刻隨著光強的增加而增加，下午時隨光強的減弱而降低，在凌晨5:00之前以及20:00以后光強為零的情況下，濕地系統(tǒng)中的DO接近于0。且各個水力負荷條件下當(dāng)天光強的最高點都在11:00左右，蘆葦濕地系統(tǒng)中的DO質(zhì)量濃度的最高點集中在13:00左右。蘆葦濕地系統(tǒng)中DO質(zhì)量濃度峰值較光強峰值滯后2 h左右。

圖5 各水力負荷下濕地系統(tǒng)的DO質(zhì)量濃度的日變化規(guī)律

2.2.2 不同水力負荷下濕地系統(tǒng)中DO質(zhì)量濃度的比較

為了平衡光強的因素，對上述實驗數(shù)據(jù)進行指數(shù)擬合處理，得到圖6以及表2。由式(5)得知系統(tǒng)中DO質(zhì)量濃度隨著光強呈指數(shù)增加，其中參數(shù)d影響指數(shù)方程的起始值，參數(shù)b影響曲線的增長率。所以不同水力負荷條件下在參數(shù)b相同的條件下(b=0.013)，系統(tǒng)中的DO質(zhì)量濃度曲線是隨著水力負荷的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。雖然在水力負荷為0.244 6 m3/(m2·d)時，參數(shù)d并沒有隨著水力負荷的增加而增加，但是此時參數(shù)b卻相對較大，表明曲線隨后的增加趨勢相對較大，以至于在此水力負荷下，系統(tǒng)中DO質(zhì)量濃度曲線在圖示的光強范圍內(nèi)是介于0曲線和0.4076 m3/(m2·d)曲線之間的。在水力負荷為1.223 0 m3/(m2·d)時，由于參數(shù)d相對太小，導(dǎo)致在一定光強范圍內(nèi)其系統(tǒng)的DO質(zhì)量濃度一直很低。雖然在不同水力負荷條件下得到的參數(shù)不盡相同，但是最終得到的結(jié)果是，隨著水力負荷的增加，系統(tǒng)中DO質(zhì)量濃度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。

圖6 不同水力負荷條件下PAR值和DO質(zhì)量濃度擬合曲線

表2 各水力負荷下擬合曲線的參數(shù)值比較

同樣，使用擬合得到的公式對光強相同時濕地中DO質(zhì)量濃度進行計算，可以得到圖7。由圖7可以觀察出，濕地系統(tǒng)中的DO質(zhì)量濃度隨著光強的增加是呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。隨著水力負荷的不斷增加，DO質(zhì)量濃度先是隨著水力負荷的增加而增加，當(dāng)水力負荷再度增加時，濕地系統(tǒng)中的DO質(zhì)量濃度開始逐漸下降。

圖7不同PAR值下各水力負荷的系統(tǒng)DO質(zhì)量濃度

3 討論

隨著水位的不斷增加，水中DO質(zhì)量濃度有所增加。分析這一現(xiàn)象發(fā)生的原因，可以認為，在水位較低的條件下，植物的一部分根莖處于非飽和的濾料介質(zhì)中，這一部分植物釋放的氧氣沒有直接進入水中。而隨著水位的上升，以前在包氣帶中的根莖逐漸淹沒在水中，原先根莖釋放到空氣中的氧氣轉(zhuǎn)為向水中釋放并且溶解，導(dǎo)致隨著水位的增加人工濕地系統(tǒng)中的DO質(zhì)量濃度上升。本次使用的濕生植物蘆葦出現(xiàn)水下根須發(fā)育茂盛的現(xiàn)象。在試驗結(jié)束后，把整株植物從濕地系統(tǒng)中拿出來觀察，發(fā)現(xiàn)被水淹沒的莖稈節(jié)點以下部分開始逐漸生長出新的須根。可見，隨著水位的上升，濕地系統(tǒng)中被水淹沒的生物量也有隨之增加的趨勢，這也是引起濕地系統(tǒng)中DO質(zhì)量濃度上升的原因之一。

對于濕生植物而言，水深通常是影響其生存狀態(tài)的主要因子。植物通過多年的繁殖演變逐漸適應(yīng)了某種特定的水位環(huán)境。隨著地下水位的不斷上升，蘆葦濕地系統(tǒng)中的DO質(zhì)量濃度逐漸增加，當(dāng)水位到達550～650 mm時，DO質(zhì)量濃度增加趨勢趨于平穩(wěn)。這主要是蘆葦經(jīng)過多年的進化演變適應(yīng)了這種生境的結(jié)果。彭玉蘭等［12］研究了九寨溝蘆葦濕地床中4種不同水位下的生物量和生物繁殖能力，發(fā)現(xiàn)在-150 mm(水在土層表面下150 mm)的生境中，葉生物量百分比(葉生物量占單株總生物量的百分比，46.1%)最大，這與本實驗中水位在650 mm時，蘆葦離基質(zhì)的距離200 mm相近。

植物通過光合作用產(chǎn)生的氧氣，一部分由葉片釋放到空氣中，一部分通過莖的傳輸最終通過植物的根系釋放到整個濕地系統(tǒng)中，因為莖起到傳輸氧氣的作用，大部分的氧氣通過植物的根系釋放，使得在水流不動的狀態(tài)下，釋放的氧氣主要集中在根系周圍［13］。

當(dāng)水力負荷較低時，濕地系統(tǒng)中的水流動相對比較緩慢，植物根系釋放氧氣到植物根系周圍，而不是其他部位，導(dǎo)致植物根系內(nèi)外氧氣濃度差下降，進而導(dǎo)致植物根系釋放的氧氣量下降，系統(tǒng)中的DO質(zhì)量濃度相對較低。隨著水力負荷的逐步增大，系統(tǒng)中的水流動相對頻繁，植物根系釋放的氧氣能很快被水流帶走，增加了氧氣在濕地單元中的流動，同時增加了植物系統(tǒng)內(nèi)外的氧氣濃度差，并促進了植物根系的氧氣釋放。水流的擾動也加速了氧氣溶解到水中的速度。

圖8所示為每2h時從5號出水口取樣測量所得的5號出水口處的DO質(zhì)量濃度。由圖8可以看出，當(dāng)水力負荷為0.896 8 m3/(m2·d)時，水流流速相對過大，濕地系統(tǒng)中部分的氧氣還沒來得及利用就被水流帶出系統(tǒng)外;當(dāng)水力負荷再次增大到1.2230 m3/(m2·d)時，被水流帶出的氧氣更多，出現(xiàn)水力負荷過大的情況下濕地系統(tǒng)中DO質(zhì)量濃度下降的現(xiàn)象。

圖8 5號出水口不同水力負荷下不同時刻出水中DO質(zhì)量濃度

4 結(jié)語

本實驗研究表明，水位和水力負荷都會影響濕地系統(tǒng)中DO的質(zhì)量濃度。隨著水位的不斷增加，濕地系統(tǒng)中的DO質(zhì)量濃度增加，且在水位為550～650 mm時趨于平穩(wěn);在水位為650 mm的固定條件下，給予不同的水力負荷會影響濕地系統(tǒng)中的DO質(zhì)量濃度，在實際的運行過程中存在一最佳水力負荷值，大于或者小于該水力負荷值都會使?jié)竦叵到y(tǒng)中的DO質(zhì)量濃度下降。

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Effects of different hydraulic conditions on DO concentration in Phragmites australis wetland

CHENG Kangrui1，ZHU Wei1，2，DONG Chan1，TANG Suchen1
(1.College of Environment，Hohai University，Nanjing 210098，China;2.National Engineering Research Center of Water Resources Efficient Utilization and Engineering Safety，Hohai University，Nanjing 210098，China)

In this study，the concentrations of dissolved oxygen at different water levels and different hydraulic loads were investigated through an experiment.The results show that the dissolved oxygen concentration in thePhragmites australiswetland increased with the water level，and the increasing trend was significant when the water level ranged from 300 mm to 550 mm.When the water level ranged from 550 mm to 650 mm，the dissolved oxygen concentration showed a steadily increasing trend.As the hydraulic loads increased，the dissolved oxygen concentration in thePhragmites australiswetland increase initially，and then decreased.In this experiment，the suitable hydraulic loads were between 0.896 8 and 1.223 0 m3/(m2·d).

constructed wetland;Phragmites australis;DO;water level;hydraulic loads

X832

A

1004-6933(2014)03-0076-05

10.3969/j.issn.1004-6933.2014.03.015

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)(2012CB719804);江蘇省重點基金(BK2011025);國家自然科學(xué)基金(51278165)

程康睿(1989—)，男，碩士研究生，研究方向為人工濕地污水處理。E-mail:chengkangrui@126.com

朱偉，教授。E-mail:zhuweiteam.hhu@gmail.com

(收稿日期:2013-11-22 編輯:彭桃英)