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1米深的水平潜流湿地不同深度的处理和垂直混合
摘要：
本课题的目的是研究在种植有帕拉水葱的1m深的水平潜流人工湿地（HSSF-CW）并处理澳大利亚南部亚热带新南威尔士城市污水，三个不同深度处理性能的变化和垂直混合程度。水样沿8.8㎡的双实验床纵轴的五个等间隔点从深度为上层（0.17m），中层（0.5m），下层（0.83m）中的采集。协方差分析（ANCOVA）表明，三个深度上的污染物（p＞0.05）各测量参数（溶解氧（DO）、氢电极电位（Eh）、5日生化需氧量（））总氮（TN），TKN和浓度的降低速率无明显差别。因此，可以得出结论，当污水流过水平潜流人工湿地（HSSF-CW）时，污染物的分解应该是均匀分布在1.0m的纵剖面上。大量的垂直混合很大程度上可以解释为缺少深度效应，通过观察锂示踪剂的脉冲注入到中间的第一中间采样点的实验。示踪剂迅速垂直迁移到上层和下层的水中并随其通过试验床，当其到达最后的中间采样点时，三个深度之间几乎是完全混合。
大部分的去除发生在试验床植被覆盖较少的前三分之一。从实验1到实验2试验床的性能随时间下降可能是因为由于1.0m深度的基质内通过根渗透或扩散到气水界面的方式的氧转移的限制造成的基质内的有机物的累积聚集。根渗透发生在基质的上部0.4m,大量的地下生物量在基质上形成0.2m厚的致密垫。在与相同区域的0.4m-0.6m深的水平潜流人工湿地获得的双参数(K–C*)一阶体积速率常数（）比较表明，湿润深度增加一倍，的去除率并没有增加，单位面积上总氮的去除率下降。进一步的调查是必要的，比较复制床一系列深度范围内的性能（如0.25、0.5和1m），以定量确定水平潜流人工湿地处理生活污水的最佳深度
关键词：；深度；水平潜流人工湿地；氮；水葱；垂直混合
- 简介
在水平潜流人工湿地中，污水或多或少的水平的通过种植有一种或多种挺水植物的多孔介质或基质从而得到处理，如砾石。悬浮或溶解于水流中的污染物通过试验床时，经过各种物理、化学和生物的过程使它们的浓度得到降低。大量的研究表明，生活污水经过水平潜流人工湿地的处理得到初步处理后，负荷中耐热大肠杆菌减少达2-3个对数单位，总悬浮固体物含量减少达90%，五日生化需氧量的减少达95%，总氮减少达70%。任何一个参数的实际处理效果（通常表示为负荷降低的百分比）都与取决于（a）该水平潜流人工湿地自身相关的多种因素和（b）污水及其被应用到试验床的方式。与系统相关的因素包括基质尺寸，床的深度，水生植物的种类，床的成熟度和气候。与应用相关的因素包括水力负荷率和停留时间，进水浓度和各种污染物的比例，是否进行了预处理及预处理的程度和方法。一般情况下，高负荷的床会表现出比低负荷床的更高去除率 (国际水协,2000)。
在澳大利亚，地方法规强制限制排放到环境中总氮负荷，水平潜流人工湿地在澳大利亚部分区域和分散的污水系统中正成为一种流行二级处理方式。这是因为在水平潜流人工湿地中发生的各种氧化还原状态形成一种环境，使总氮的去除不需要经过污水的再循环。因此，即使在一个相对平坦的场所，也可以通过由化粪池和水平潜流人工湿地组成的被动线性系统（限制BOD5 lt; 20 mg/L 和TSS lt; 30 mg/L）实现使二级处理后的污水的总氮负荷产生明显的降低（大约50%）。在北部新南威尔士州的利斯莫尔地区的经验表明，5-7d的停留时间一般足以实现二级处理和50%~60%的总氮去除率。分析来自海德里等人（2003年）在利斯莫尔
图1. 剩余污染物百分比——名义水力停留时间 在0.4—0.6m深的被一阶塞流模型在 20℃环境下预测的水平潜流人工湿地（出自海德里和戴维森，2003）。
地区的13个水平潜流人工湿地的28项研究的性能数据，得到和TN浓度作为名义水力停留时间的一次函数的预测的双参数（Kv-C*）一阶模型，如图1所示。在研究中使用的床主要在0.4m—0.6m之间，并充满直径为10mm的碎石。然而，在一些其他系统相关和应用相关的要素上仍然存在相当大的可变性（上述），而这可能影响系统的性能。
现在，监管机构开始使用这些模型去改变水平潜流人工湿地的大小以达到特定的性能目标，出现这种情况的地区的设计者正在寻求简单和廉价的方式来提高预期性能。一种显著的方法是通过增加水平潜流人工湿地的表面积或深度来提高名义水力停留时间（nHRT）。在许多情况下，特别是在有限的空间中，通过超过模型产生的深度范围数据（0.6m）加深床的深度，将会产生压力，从而增加了停留时间。因此，出现了一个问题：“到什么程度我们可以将现有的模型应用到到更深的床上？”
在许多的文献中都提出，在水平潜流人工湿地中污染物的去除水平随床的深度变化而降低，在根区以下的深度可忽略不计。这个假设似乎是基于根部形成的含氧微位点在氧化还原条件下产生的可变性对污染物的衰减过程至关重要，如硝化—反硝化(Brix, 1993, 1997, 2003)。国际水协（2000）报道：常用的大型植物的扎根深度不超过80cm，这表明超过这个这个深度构建生物床，处理效果将不会增加或者增加很小。加西亚等人比较0.27m深和0.5m深的试验床的研究表明，床的不同深度上的污染物的转变存在差异。
作为调查深度对处理性能影响的第一步，贝利等人在种植有芦苇的0.5m深的水平潜流人工湿地中沿中轴线设置了5个取样井并匹配经过初沉的市政污水。假定水在床的三个水层的任何一层移动都是相对独立的，没有垂直混合，取样井可以使样本从床的代表上层、中层和底层三个垂直深度回收。研究发现，或者TN浓度随深度没有显著变化。在这种情况下，观察到芦苇的根延伸到整个床的深度。因此，下一步是构造一个1m的湿润深度和类似采样装置的床（即五个等间距取样孔沿着床的长度方向到达水柱的上层、下层和底层的中点。试验床在2003年6月种植，取样制度在2004年1-2月和2004年9月进行，以确定任何可能存在的深度对5日生化需氧量和氮物种的影响。2004年11月进行了一个示踪研究以确定各水层之间的垂直混合程度。这项研究的另一个附加目标是确定试验床上任何给定点的大型植物的根部存在或者缺失对处理水平的影响。
2 方法
2.1 1m深的水平潜流人工湿地
该水平潜流人工湿地（板块1和图2所示）位于南十字星大学生物研究机构在亚热带新南威尔士州北部的南利斯莫尔污水处理厂中。该8.8平方米（5.5mtimes;1.6m）的表面积和湿砂深度为1.0m的水平潜流人工湿地于2003年8月建成；深度是常规水平潜流人工湿地的两倍。种植有帕拉水葱的试验床衬有两层之间有一根塑料衬管的土工织物并且充满了玄武岩砾石（40%空隙率），粗砂砾（大于50毫米）放置在入口区（开始的0.5m），以尽量减少堵塞。
图2 1.0m深的人工湿地采样点（A-E）平面图，不按比例
采样井（A-E）分别安装在沿水平潜流人工湿地的中心轴的五个等间距的中心点，同时在水平潜流人工湿地的出口设置了取样接头（图2）。每个中间取样点有三根直径为50mm的聚氯乙烯管（图3），将管的底端封堵并设有100mm长的穿孔部分使其能从床的上层、中层和下层取样（中点分别约为0.17m,0.5m,0.83m）。每个采样井的名义停留时间被认为是正比于进水口和出水口之间的部分距离。
在HSSF-CW的进水口和出水口分别设置翻斗式流量计测量进水和出水的流量并用Etech 6可扩展数据记录器记录下来。该人工湿地通过两个2300L的计量罐主要解决来自污水处理厂初沉池的城市污水。通过定时控制潜水泵每天给水平潜流人工湿地补充一定次数规定量的污水。
图3 其中一个中间采样孔剖面图，使能从上中下三层的水柱中取样，不按比例
2.2 实验1
实验1在2004年4月1月-2月进行。开始这个实验时，该水平潜流人工湿地以及建成7个月了。每天以40mm/d的平均水力负荷率为该试验床提供4次一级处理后的城市污水，相当于平均10.1d的名义停留时间。水样每周从水平潜流人工湿地的进水、出水以及中间五个取样孔的上层、中层和下层获取。对水样中的BOD5、总氮、氨氮、硝态氮、pH和氧化还原电位进行了分析、
2.3 实验2
实验2在2004年的9-10月进行。实验开始时，该HSSF-CW以及建成15个月了。每天以25mm/d的平均水力负荷率为该试验床提供4次一级处理后的城市污水，相当于16.1d的平均名义停留时间。水样的获取与实验1相同，并且对水样中的BOD5、TN、氨氮、硝态氮、氧化还原电位和溶解氧浓度进行分析。
2.4 取样和分析过程
水样被收集到1L的容器中，密封并置于冰上立即运到利斯莫尔的南十字星大学的环境分析研究所。来自中间采样孔的深层水样用12V的小流量泵收集。每个取样口中的在预定的深度从基质中深入到取样井中的水样被泵出后立即进行样品采集以保证样品代表新鲜污水。采样时同时进行水温的测定。其他参数的测定包括pH和氧化还原电位采用Hanna HI 8424微型计测得。氧化还原电位的测定用铂电极和Ag/AgCl电极参比系统测得（精度：plusmn;10mV）。在进行氧化还原电位测量前，电极需要用制造商提供的标准溶液测验（25℃为 186mV）。测得的氧化还原电位通过增加 244mV转换成标准氢电极电位（25℃）。每个水样的溶解氧浓度用YSI 5000型溶氧计测定。水样中、TN、、的分析程序按照美国公共卫生协会标准方法（1998）。用Lachat QuickChem 8000型流动注射分析仪进行氮的分析。
2.5 统计分析
为了确定三个不同采样深度的污染物的减少速率是否不同，协方差分析过程描述被Zar用于对比线性回归方程。对于每种污染物，导出了三个采样深度的表示浓度与沿床长度方向的部分距离（表现在名义停留时间上）关系的线性回归方程。这些回归方程本质上是描述每个深度上污染物的去除速率。因为有些污染物（如）表示的不是同名义水力停留时间的线性关系，而是指数关系，所以对该浓度数据进行对数转换以优化出合适的线性回归关系。未产生统计学的线性回归关系(alpha; = 0.05)的数据被排除在分析之外。
协方差分析过程的第一步是确定每个深度的回归线的斜率之间差异是否显著(alpha; = 0.05)。如果发现斜率有统计学的不同，然后采用图基多重比较法确定哪个深度存在不同。对于给定的污染物，如果两个深度具有不同的斜率，那么描述描述污染物浓度和名义水力停留时间之间关系的回归方程式也必然不同。如果发现两个或者两个以上深度产生相近的统计学斜率，那么进一步测试以确定线性回归方程y轴的截距之间的差别是否明显。当两个（或者更多）深度具有相近的统计学斜率和Y轴截距，那么可以得出结论：对于两种（或者更多）深度，给定的污染物浓度和名义水体停留时间之间的关系基本相同。换句话说，这将意味着，一个回归方程可以用于描述所讨论的不同的深度污染物浓度的降低速率。用SPSS（v.10.1版）软件导出初始线性回归方程。通过把各种方程概述键入到均方Excelreg;电子表格进行协方差分析和Tukey多重比较测试。
2.6 示踪研究
在实验中2（nHRT=16.1d）用氯化锂进行示踪研究来确定水平潜流人工湿地的上、中、下层之间的垂直混合的程度。Schmid等人指出LiCl的浓度在污水浓度的2%以内，以减少密度效应，示踪剂的用量取决于制备的LiCl溶液，同时提供足够的高于背景锂浓度和分析检测限制的分辨率。初步采样并用原子吸收光谱法分析表明，背景锂浓度标称为0.019mg/L。2004年10月，将30.5g的氯化锂溶解于2L的水中（比环境溶液重1.5%）并用加压喷雾包注入到采样点“A”的中间深度。抽样的目的是抽取通过每个采样井的大部分的示踪剂，每天在每个采样井中采集的样品为期大约为任何一个预期名义水力停留时间的两倍。 使用ICP-OES仪器测定每个样品的锂浓度。
由于间歇的给药制度，Werner和 Kadlec利用概述技术为非稳定流情况绘制了标准化的停留时间分布。这涉及到绘制无量纲的RTD函数， ：
（1）
这里的C(t)是自加入示踪剂后t时刻时的示踪剂的浓度，是指示踪研究中湿地水的体积，M的指加入到湿地中的示踪剂的总质量。无量纲的加权时间在数值上等于名义水力停留时间，定义为：
（2）
这里是加入示踪剂后湿地的出水累计体积。
3. 结果与讨论
3.1 扎根的深度和茎的高度
花叶水葱茎达到最大高度在实验1和实验2的后期，分别大约为0.9m和1.9m。根据在床的中间挖到基质的洞，观察到花叶水葱的根系量在上层25cm基质上很密集。这与Gersberg等人在1986报道的花叶水葱根的渗透深度大于60cm的发现形成对比。根的密度随深度的增加迅速减少并且深度超过离地面40cm后观察到很少的根。这验证了Tanner在1994年报道的水葱根系量在深度超过25-30cm后大幅度减少的发现。在一些其他的大型水生植物也报道过相同的观察结果。
3.2 处理性能
在实验1和实验2
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