第３０卷第７期
２００８年７月武汉理工大学学报Ｊ伽ＲＮＡＬｏＦｗＵＨＡＮＵＮＩ、，ＥＲＳＩＴＹｏＦ删ｏＩ麒；Ｙｖ０１．３０Ｎｏ．７Ｊｕｌ．２００８
不同基质高负荷垂直流人工湿地水力特性研究
张翔凌１，吴振斌２，武俊梅２，王蓉２，贺锋２
（１．武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉４３００７０；
２．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）
摘要：以沸石、无烟煤、页岩、蛭石、砾石、陶瓷滤料、高炉钢渣、生物陶粒等８种基质为材料，在１０００卜２５００ｍｍ／ｄ的高水力负荷条件下，研究了不同基质在垂直流人工湿地模拟柱中运行１年的水力学特性和系统堵塞动态。结果表明：基质系统的水力停留时间和水头损失可间接反映湿地堵塞状况；基质自身结构与其水力学特征密切相关。生物陶粒、高炉钢渣和沸石３种基质分别填充的系统内部水头损失较小、水力停留时间短、堵塞不明显；砾石、蛭石堵塞较为严重。通过对不同基质的含水率和孔隙率的分析发现，基质的高含水率（如蛭石）有利于垂直流人工湿地对污染物的去除，但却不利于湿地的运行管理；基质的高孔隙变化率（如页岩和砾石）是湿地系统发生堵塞的重要驱动因素。因此，如何根据不同结构特性和水力学特征选择基质对垂直流人工湿地的设计和运行管理非常关键。
关键词：垂直流人工湿地；
中图分类号：Ｘ７０３．１高负荷；堵塞；基质；水力特性文献标识码：Ａ文章编号：１６７１．４４３１（２００８）０７—００７９一０５
ＲｓｅａｒｃｈｏｎＨｙｄｒａｕｌｉｃｓＰｅｒｆｏ珊ａｎｃｅ
ＷｅｔｌａｎｄｓｏｆＤｉｆｆｅｒｅｎｔＦｉｌｔｅｒＭｅｄｉａｉｎＶｅｒｔｉｃａｌＦｌｏｗＣｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄＵｎｄｅｒＨｉｇｈＨｙｄｒａｕｌｉｃＬｏａｄｉｎｇ
Ｚ凇ＮＧ‰孵Ｚｉ增１，Ｗ【，２７ｚ册一６锄２，ＷＵ＾咒一研矗２，ＷＡＮＧＲＤ甥２，艘Ｒ嘲‘２
（１．Ｓｃｈ∞ｌｏｆＣｉ、，ｉｌＥｎ舀ｎｅｅｄｎｇ
２．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂａｒｌｄｍｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒＳｉｔｙｏｆＴｅｃｈｌｌｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７０，（赫ｍ；ｏｆＦｒｅＳｈ、ｖａｔｅｒＥ。０ｋ堰ｙａｎｄＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌ０粤ｙ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＨｙｄｒｏｂｉ０１曜ｙ，
ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄ锄ｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，Ｗｕｈａｎ４３００７２，Ｃｈｉｍ）
ｓｙｓｔｅｎｌｓｔｏＡｂｓｔｍｃｔ：Ｓｅｖｅｍｌ
ｏｎｋｎｄＳｏｆｆｉｌｔｅｒｍｅｄｉａｗｅｒｅｕｔｉｌｉｚｅｄｉｎｅｉｇｈｔＳｉｍｕｌａｔｉｖｅｖｅｎｉｃａｌｎｏｗ００ｎｓｔｒｕｃｔｅｄｗｅｔｌａｎｄｌｏａｄｉｎｇｒａｔｅｒｅｓｅａｒｃｈｈ）ｄｍｕｌｉｃ！；ｃｈａｒａｃｔ甜ｓｔｉｃａｔｈｙｄｒａ“ｉｃｏｆ１０００一２５００ｍｍ／ｄ，ｉｎｄｕｄｉｎｇｚｅＣｄｉｔｅ，ａｎｔｈｒａｃｉｔｅ，ｓｈａｌｅ，ｖｅ衄ｉｃｕｌｉｔｅ，ｇｒａｖｅｌ，ｃｅｒ锄ｉｃｆｉｌｔｅｒ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓＯｆｅａｃｈｍｅｄｉａ，ｂｌａｓｔｆｕｍａｃｅｓｔｅｅｌＳｌａ曙ａｎｄｂｂｃｅｒａｍｓｉｔｅ．Ｄｕ—ｎｇｏｎｅｙｅａｒ’ｓｅ１１ｔｉｒｅｅｘｐｅｒｉｎｌｅｌｌｔａｌｃｙｃｌｅ，ｔｈｅｒ皤ｕｌｔｓｈｙｄｒａｕｌｉｃｒｅｔｅｎｔｉｏｎｔｉｍｅｃｏｕｌｄｉｎｄｉｒｅｃｄｙｒｅｎｅｃｔｔｈｅｅｘｔｅｎｔ§ｈｏｗｅｄｔｈａｔｈｅａｄ１０ｓｓａ１１ｄｏｆｔｈｅ、代ｔｌａｎｄｓｃｌｏｇｇｉｎｇ．Ｔｈｅｓｔｌｍｃｔｕｒａｌｍｅｄｉａ∞ｕｌｄｉｎｎｕｅｎｃｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｃｈａｒａｃｔ日ｉＳｔｉｃ．ＬｉｔｔｌｅｃｌｏｇｇｉｎｇⅥ伦ｒｅｆｏ叽ｄｉｎｂｉＤｃｅｒａｍｓｉｔｅ，ｚ印ｌｉｔｅｓａｎｄｂｌａＳｔｆｕｍａｃｅｓｔｅｄｓｌａｇｓｙＳｔｅｍｓ，ａｎｄｈｅａｄ１０６ｓｗｅｒｅｌｅａｓｔｉｎｔｈｅｔｈｅｉｒｓｙｓｔｅｎｌｓ．ＢｕｔｉｎｔｈｅｇｒａｖｅＩａｎｄｖｅ咖ｉｃｕｌｉｔｅｓ），ｓｔｅｍｓｔｈｅｐｒｏｂｌ锄ｓ、＾憎．ｅｓｅｒｉｏｕｓｒｅｌａｔｉｖｄｙ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｅｘｐ商ｍｅｎｔｓｏｆｐｏ∞ｓｉｔｙａｒｌｄｗａｔｅｒ（Ⅻ１ｔｅｎｔｓ，、＾，ｅｏｏｕｌｄｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｖｅｎＩｌｉｃｕｌｉｔｅｍｅｄｉａ｝ｌａｄｂｅｔｔｅｒｐｅｒｆｏｎｍｎｃｅｆｏｒｒｅｎｌｏｖａｌｏｆｐｏｌｌｕｔａｎｔｓｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｇｏｏｄ、Ｖａｔｅｒ－ｈｏｌｄｉｎｇｃａｐ｛ｉｃｉｔｙａｎｄｔｈｅｄｅｇｒｅｅ０ｆ、张ｔｅｒｃａｐａｃ—ｉｔｙ，ｂｕｔｉｔｗａＬｓｄｉＳａｄｖａｎｔａｇｅｏｕＳ
ｔｅｆｌｔｒａｔｅｔｏｔｈｅｗｅｔｌａＪｌｄ’ｓｍｏｖｅｍｅｎｔａｎｄｍａｍｇ锄朗ｔｂｅｃａｕｓｅｏｆｖｅｒｒＩｌｉｃｕｌｉｔｅｍｅｄｉａ’ｓｂｉｇｇ口ｗａｔｅｒｏ∞一ｄｃｈａｎｇｅ．Ａｎｄｔｈｅｓｈａｌｅａｎｄｇｒａｖｄｍｅｄｉａｉｎｎｕ朗ｃｅｄｃｌＯｇｇｉｎｇｇｒｅａｄｙｂｅｃａｕｓｅｏｆｂｉｇｃｈａｎｇｅｆｏｒｔｈｅｉｒｐ∞Ｄｓｉｔｙ．ｓｏｔｈｅ
ｏｎｃｈｏｉｃｅ
ｔｈｅｏｆｍｅｄｉａｂａＳｅｓｐｅｃｉａｌｓ廿ｕｃｔｕｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｃｈａｒａｃｔｅ五ｓｔｉｃｍ谵ｈｔｂｅｔｒ龅ｔｅｄａｓｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｔａ工ｇｅｔｆｏｒｄ商ｇｎａｎｄｒｕｎｎｉｎｇｆｏｆｔｈｅｖｅｎｉｃａｌｆｌｏｗ。Ｏｎｓｔｍｃｔｅｄｗｅｔｌａｎｄ．
ｈｉｇｈＫｅｙｗｏｒｄｓ：
ｉｓｔｉｃｖ日ｔｉｃａｌｆｌｏｗｏ。碰舡ｕｃｔｅｄｗｅｄａｎｄｓ；ｈｙｄｒａｕｉｉｃｌｏａｄｉｎｇ；ｃＩｏｇｇｉｎｇ；ｆｉｌｔｅｒｍｅｄｉａ；ｈｙ妇ｌｉ龉ｃｋ衄ｃｔ既・
收稿日期：２００８—０４—０２．
基金项目：国家杰出青年基金（３９９２５００７），国家“十五”重大科技专项（２００２ＡＡ６０１０２１）和武汉理工大学博士科研启动基金
（４７ｌ一３８６５０３４８）．作者简介：张翔凌（１９７６一），男，博士，讲师．Ｅ＿Ｈ】ａｉｌ：ｚ）（ＩＣＩ，＠１２６．∞ｍ
８０武汉理工大学学报２００８年７月人工湿地系统是一种有效的污水土地处理技术，其堵塞问题是影响人工湿地系统应用和推广的主要因素之一。现有文献中最早关于人工湿地ｍ现堵塞现象的报道源于２０世纪６０年代由Ｓｅｉｄｅｌ等人建成的Ｋｒｅ—ｆｉｅｌｄ湿地存在的堵塞和积水现象…。此后，欧洲、北美地区和中国等国家的科研工作者都相继研究了人工湿地的堵塞现象【２－５ｊ。堵塞是在所有高负荷污水过滤系统中常见的自然效应№Ｊ。湿地中堵塞层的形成是有机和无机固体物在基质内部颗粒间隙的沉积、基质问隙间生物量生长和分解以及基质本身所含物质的化学沉淀反应等产生的【６圳。垂直流人工湿地系统较水平流系统具有较高的好氧处理能力，其硝化能力高于水平潜流人Ｔ湿地，可用于处理氨氮含量较高的污水。由于垂直流人工湿地独特的水流方式和去污特点，它更容易发生堵塞现象。而且发生堵塞后，湿地的净化能力会受到严重影响。同时，由于堵塞导致基质表面积水，使得蚊蝇更容易滋生，湿地的环境友好度降低。已有的研究表明，不同基质种类对垂直流湿地系统中空隙大小及其变化和水容量起到决定性的影响［４９］。因此，需要选择高效、不易堵塞的填料作为湿地的基质，使之最大程度发挥垂直流人工湿地的净化效果，提高湿地的使用寿命，同时能在较高的水力负荷条件下，单位湿地面积处理更多的污水，达到减小人工湿地占地面积的目的。以前期研究成果为基础，选取沸石、无烟煤、页岩、蛭石、砾石、陶瓷滤料、高炉钢渣、生物陶粒等８种基质为研究对象，在为期１年的高负荷运行条件下（１０００—２５００ｍｍ／ｄ），研究它们在垂直流人工湿地模拟桂中水力学特性的变化及其对湿地堵塞的影响，为选择具有优良水力学特性和持久耐用性的基质提供基础数据和理论依据。
１试验
１．１工艺流程
将东湖湖水与生活小区化粪池出水通过不同管道系统按一定比例引入到本系统混合池内，经过充分搅拌混合后，由蠕动计量泵按预先设定的流量提升到每个基质试验柱中。在每个基质试验柱前均安装有一个转子流量计，确保进入到每个柱子中的流量保持一致。
１．２试验设计
１）基质试验柱基质试验柱采用８根内径为２５ｃｍ的ＰＶＣ管，高度均
为１．１ｍ。其中基质高度为１．０ｍ，基质表面以上留有１００ｍｍ的布水区和
超高。柱身每隔１５ｃｍ设有一个取样口，一共有７个取样口，对应水平位置
的柱身背面接有７根测压管，分别用橡胶软管连接至测压板上，用以反映各
取水ＬＪ的测压管水头值。混合污水利用蠕动泵提升，通过转子流量计精确计
量控制后，巾基质表面的环形穿孔布水管进入基质层，并由基质试验柱底的
出水管出水。基质试验柱实物图见图１。
２）基质种类及来源供试基质共有８种，依次装填沸石、无烟煤、页岩、
蛭石、陶瓷滤料、砾石、高炉钢渣、生物陶粒。其中砾石取自武汉，沸石和无烟煤来自河南巩义，页岩来自湖北宜昌，蛭石来自辽宁大连，陶瓷滤料来自山东淄博，高炉钢渣取自武汉钢铁公司，生物陶粒来自江西。所有基质均为球形颗粒状，粒径约在８—１２ｍｍ左右。
１．３运行管理方式
基质试验柱的运行方式为：以４ｄ的配水周期为１个阶段，其中每隔１ｄ连续运行１次，每次连续运行８ｈ。连续运行后的第２天为间歇运行，每隔１２ｈ运行２ｈ，其主要目的在于维持柱中微生物的活性。连续运图１基质试验柱实物图行时通过每根试验柱前的转子流量计将流量控制在５—７Ｌ／ｈ左右，水力负荷控制在ｌ０００—２
间。试验连续运行时间从２００６年４月１日至２００７年３月３０日，共历时１年。
１．４水力学特性试验内容及方法５００ｍｍ／ｄ之
１）水力停留时间测定每个基质试验柱中的水力停留时间。在系统进水中瞬时一次性投加ＫＣｌ，使其电导率上升到背景值的１０倍以上，然后维持系统正常运行，在试验柱底部出水口每隔５ｍｉｎ监测１次出水电导率的变化并记录，至电导率恢复到背景值时终止试验¨ｊ。由于示踪剂会受到进水水质、基质特性、堵塞程度等凶素的影响，因此在每阶段的试验中，每个试验柱均进行３次示踪剂试验，并选取示踪剂回收率最高的一次结果进行对比分析。
２）水头值及水头损失在为期１年的试验中，分别测定每根试验柱柱身所接７个测压管水位值，对不同
第３０卷第７期张翔凌，等：不同基质高负荷垂直流人工湿地水力特性研究８１基质在１年运行中的水头损失进行分析。记录每个基质试验柱中不同高度的测压管读数，利用同一基质试验柱巾不同高度测压管读数之差，求出由于基质堵塞所造成同一试验柱内不同基质深度位置的水头损失值。
３）基质孔隙率与含水率分别测定８种基质在１年试验周期前后孔隙率、含水率的变化。孔隙率测定：将基质试验柱填充基质后通入清水，量取充满水（水面刚好没到基质表面）时的填料高度Ｈ，测定实验柱内径Ｄ；再把水放空，测得放出水的体积Ｖ，通过公式ｎ＝４Ｖ／兀Ｄ２Ｈ算出孔隙率ｌｌｏ】。含水率测定：标准烘干法测定。将试验柱中采集的基质进行称重优，然后在温度为１００一１０５℃的烘箱中烘至恒重。．含水率硼＝（ｍ／研。一１）×１００％，其中，优为湿基质质量，ｇ；优。为烘干后基质质量，ｇ。
２结果与分析
２．１水力停留时间
８种基质投加示踪剂Ｋａ后开始计时，在出水处测定电导率，分别记录下不同基质试验柱出现最大电导率和电导率复原到背景值ｆＩ寸的时间。表１中数据是在试验柱正常稳定运行１０个月后的试验结果。可以看到，高炉钢渣出水中出现电导率峰值的时间最短，而砾石出水中出现电导率峰值的时间最长。其出水中电导率出现峰值及复原时间的长短间接反映了不同基质试验柱在运行一段时间后基质的堵塞程度。
表１８种基质出水电导率峰值时间及复原时间偷ｎ
２．２水头损失
将数次试验中每个基质试验柱沿竖向水流方向不同位置的测压管渎数进行平均，得到８种基质试验柱中各测压管水位平均值，如图２所示（图２中测压管后括号内数字表示该测压管距离水面高度）。
在沸石基质试验柱中，测压管２一测压
管６之问的水头损失值不大，而测压管７的
水头值与其它几个测压管相差较大，水头损
失达到＿ｒ０．５ｃｍ左右；在无烟煤基质中，前
４个测压管水头值依次下降，而后３个水头
值基本上保持恒定，同时中间一个测压管
（测压管４）的水头值比上部和下部的测压管
值都要低；页岩基质巾测压管的水头损失较
大值主要集巾于上层０—１５ｃｍ及基质底层
处；蛭石与沸石类似，测压管ｌ一测压管６之
间的水头损失值／ｆ：大，而测压管７的水头值
与其它几个测压管水头相差较大，水头损失
达到了１．５ｃｍ左右；在陶瓷滤料试验柱中，
堵塞主要发生在基质的上层（０—１５ｃｍ）以及图２８种基质试验柱中各测压管水位平均值
基质的中层（４５—６０ｃｍ）处；砾石基质试验柱在表层即发生了较为严重的堵塞现象，而基质的上、中、下层相对较好。这也与实际观测的试验柱表层情况相符；钢渣基质试验柱的堵塞主要发生在基质的中ｊ：部（测压管１一测压管３）０—３０ｃｍ的位置，但水头损失值较小；生物陶粒试验柱各个测压管的水头值数据波动很小。２．３孔隙率
分别在整个试验周期前与周期后测定８种基质的孔隙率，如表２所示。在整个周期试验运行之前，８种基质中无烟煤的孔隙率最小，仅为３５．３％，而页岩的孔隙率最大，达到了５３．６％，其它基质的孔隙率介于３８．９％一４７．８％之间；在系统运行了１年后，８种基质中无烟煤的孑Ｌ隙率依然最小，页岩孔隙率最大，其它基质的孔隙率介于３６．２％一４１．８％之间，整体七比试验前都有所下降。而蛭石是试验前后孔隙率下降幅度最
大的基质。
８２武汉理工大学学报
表２试验前后各基质孔隙率２００８年７月／％
注：“试验后基质含水率”测定的对象为运行１年后试验柱上层表面１０ｃｍ处基质。
３讨论
３．１基质水力停留时间与堵塞的相关性分析
水力停留时间是指待处理污水在反应器内的平均停留时间，即污水与生物反应器内微生物作用的平均反应时间。在垂直流人工湿地中，污水中的无机物和难降解有机物积累在湿地中，堵塞基质问的空隙，改变系统内部水流的混合、短流以及回混，从而改变和延长系统的实际水力停留时间。
通过对８种基质水力停留时问的测定（表１）发现，在垂直流人工湿地模拟试验柱稳定运行１０个月后，基质的不同特性导致系统水力停留时间发生较大变化：高炉钢渣试验柱中的水力停留时间最短，而砾石试验柱中的水力停留时间最长。相对而言，高炉钢渣、沸石和生物陶粒基质试验柱的水力停留时间较短，堵塞情况不甚明显；而砾石、陶瓷滤料和蛭石基质试验柱的水力停留时问较长，堵塞情况较为明显。
３．２基质水头损失与堵塞发生部位的分析
水头损失是由水流阻力做负功所引起的测压管水头下降，它反映了水在流动过程中由于受到阻碍而引起的能量损失。通过对８个垂直流人工湿地基质试验柱竖向流程上各不同高度位置水头值的测定，计算其水头损失，可以间接判断出基质中堵塞发生的部位。通过对图２中８种基质试验柱中各测压管水位平均值的分析，可以发现：沸石基质中，主要的堵塞现象发生在基质的下层，总的说来堵塞现象不明显；无烟煤基质中截留的杂质主要在基质试验柱中层发生了累积，部分污染物随水流截留于基质中层；蛭石基质中，主要的堵塞现象发牛在基质的下层，上层基质没有明显的堵塞现象；砾石和页岩基质试验柱均在表层即发生了较为严重的堵塞现象，不同的是，砾石基质的上、中、下层水头损失较为平均，而页岩基质底层也有一定程度的水头损失，这也’Ｊ其具有较高的孔隙率，使得部分杂质能够到达基质底层有关；陶瓷滤料的堵塞情况较严重，其中层水头损失值较大，污染物有可能聚集于基质的中部；钢渣基质试验柱的堵塞情况不明显，中上层略有堵塞，而下层情况良好，且底层没有水头损失；生物陶粒基质中基本上没有发生堵塞现象，其在水头损失这一指标上是８种基质中情况最好的。
３．３基质孔隙率与堵塞的相关性分析
通过表２中孔隙率相对下降速率的对比可以发现，８种基质孔隙率的变化规律各有不同。在为期１年的试验前后，沸石、钢渣和陶瓷滤料孔隙率的下降速率最小；无烟煤、页岩、砾石和生物陶粒孑Ｌ隙率的下降速率介于５％一１０％之间；蛭石孑Ｌ隙率的下降幅度最大，达到了２１．３％。蛭石由于其特殊的组成结构，试验前后孔隙率变化巨大，在实际使用时应充分考虑此因素对湿地堵塞的影响；沸石、钢渣和陶瓷滤料的孔隙率几乎不变，对由于孑Ｌ隙率变化所导致的堵塞影响不大；其它４种基质孔隙率有所变化，但变化较小，有可能会对堵塞造成一定影响。其中还有２种基质值得注意：１）无烟煤，它对污染物净化效果很好［１１Ｉ，且试验前后孔隙率变化不大，但其孔隙率较小是在实际使用时应充分考虑的影响因素之一；２）页岩基质，试验前和试验后孔隙率均较大，但对污染物净化效果不佳Ｈ１１，说明在基质选择时，不能仅仅依据孔隙率的大小进行判断选择。３．４基质含水率与孔隙率的关联性及机制分析由表３可知，试验之前的陶瓷滤料、砾石和生物陶粒基质含水率均很低，这与基质制作过程中的烧制工
第３０卷第７期张翔凌，等：不同基质高负荷垂直流人工湿地水力特性研究８３艺有关，同时也说明这几种基质在运输、存放过程中不具有吸潮性；钢渣的含水率也很低，原本其孔隙结构应该有利于水份的进人，但基质表面的强碱性保证了基质的干燥；页岩和无烟煤基质含水率相对较高，其裂隙与孔隙结构导致基质内部有部分水份附着；而沸石和蛭石则是８种原始基质中含水率最高的，其基质结构中孔隙较大，附着水、薄膜水、毛细水的含量较高，导致了这２种基质含水率偏高。总体来说，８种基质在试验前含水率均不高。
而在系统运行１年以后的含水率试验中可以发现，蛭石由于其结构上巨大的空隙，导致含水率上升到６７．０４％，在其结构中，附着水、薄膜水、毛细水和重力水均存在，大量的重力水存在也导致了湿地在运行和落干时，蛭石基质体积会发生很大变化，这一点是在蛭石实际使用过程中应特别加以注意的；沸石、生物陶粒、页岩和陶瓷滤料含水率也有较大幅度的上升，这些均与它们结构中存在较多孔隙与裂隙有关。特别是无烟煤，其孔隙率较低，而含水率较高，说明其结构内部有大量附着水、薄膜水和毛细水存在；钢渣依然保持较低的含水率；砾石和陶瓷滤料含水率较低，其结构密实，各种形态的水不易进入其中；生物陶粒是试验前后含水率变化最大的基质，从结构上分析，其基质内部有很多细小的孔隙，有利于毛细水进入，而其较好的颗粒表面性质，使薄膜水和附着水较多，因此增大了基质的含水率，同时它的这一特性也使得微生物易于在其基质表面挂膜、繁殖。
４结论
ａ．垂直流人工湿地系统基质的水力停留时间可间接反映湿地堵塞状况，系统内部不同位置的水头损失可以反映湿地内不同垂直位置的堵塞程度；生物陶粒、钢渣和沸石３种基质分别填充的系统内部水头损失较小、水力停留时间短、堵塞不明显，而砾石、蛭石的情况则相反，堵塞较为严重；
ｂ．基质的孔隙率及其孔隙变化率会影响垂直流人工湿地系统的堵塞，通过对不同基质试验前后孑Ｌ隙率的测定与综合分析发现，基质的高孑Ｌ隙变化率（如页岩和砾石）对堵塞的影响较大；孔隙率的变化可作为衡量垂直流人工湿地堵塞的重要指标，其对垂直流人工湿地的净化能力也有显著影响；
ｃ．不同基质的含水率各有不同，试验前后含水率的变化率也各异；基质的高含水率（如蛭石）有利于垂直流人工湿地对污染物的处理，但较大的含水率变化易造成湿地堵塞，且不利于湿地的运行管理；蛭石基质有较好持水度与容水度，可利用此特性提高其处理效果；
ｄ．基质自身结构与其水力学特征密切相关，其水力学特征又直接影响到垂直流人工湿地系统的堵塞。根据基质不同结构特性和水力学特征选择基质，对垂直流人工湿地的设计和运行管理非常关键。该研究中，具有短水力停留时问（如高炉钢渣）、小水头损失（如生物陶粒）、低孔隙变化率和含水变化率（如沸石）等特性的基质能适当延缓垂直流人工湿地的堵塞。
参考文献
［１］
［２］
［３］
［４］
［５］ＫａｄｌｅｃＲＨ，ＫｎｉｇｈｔＲＬＴｒｅａ廿ｎｅｎｔＷｅｔ啪ｓ［Ｍ］．ＮｅｗＹｏｒｋ：ｋ、＾，ｉｓＰｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，１９９６．胡康萍．人工湿地设计的水力学问题研究［Ｊ］．环境科学研究，１９９１，４（５）：８—１２．付贵萍，吴振斌．构建湿地堵塞ｆ目题的研究［Ｊ］．环境科学，２００４，２５（３）：１４４．１４９．詹德昊，吴振斌，张晟，等．堵塞对复合垂直流湿地水力特征的影响［Ｊ］．中国给水排水，２００３，１９（２）：１．４ＲｉｓｔｏｐｈＰｌａｔａｅｒ，ＫｌａｕｓＭａｕｃｈ．ＳｏｉｌａｏｇｇｉｎｇｉｎＶｅｒｔｉｃａｌＦｌｏｗＲｅｅｄＢｅｄＳＭｅｃｈａｍｓｒｒ】ｓ，ＰａｒａｍｅｔｅｒＳ，ＣＣ娜ｅｑｕ叽ｃ酉ａｎｄＳ０ｌｕ—
ｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ｗａｔＳｃｉＴｅｃｈｎｏｌ，１９９７，３５（５）：１７５．１８１．
［６］ＥｌｌｉｓＫＶ，ＡｙｄｉｎＭ
２９（５）：１３３３—１３４１．Ｅ．Ｐｅｌｌｅ恤ｔｉ∞０ｆ蹦ｉｄｓａＪｌｄ
ｏｆＢｉｏｌｏｇｉｃａｌＡｃｔｉ、，ｉｔｙＩ哟ＳｌｏｗＳａｎｄＦｉｌｔｅｒｓ［Ｊ］．Ⅵ厂ａｔｅｒ№ｈ，１９９５，Ｆｅｄ，［７］ＤｅＶＨ鹤Ｊ．Ｓ０ｉｌＦｉｌｔｒａｔｉｏｎＷａｓｔｅＷａｔｅｒＥｍｕ∞ｔａ１１ｄｔｈｅＭ如ｉ锄ｏｆｐ０忧ａ啷ｉｎｇ［Ｊ］．ＷａｔｅｒＰｌｏｌｌｕｔｉ∞Ｃ∞ｔｒｏｌ
【８］Ｔ｝舢Ｒ
［Ｊ］．Ｓ０ｉｌ
【９］１９７２．４４：５６５—５７３．Ｅ，ＳｃｈｗａｒｔａＷＡ，Ｂｅ：ｎｄｉｘｅｎＴＷ．Ｓ０ｉｌＣｈ删ｃａｌＣｈａｎｇｅｓａｎｄＩｎ矗ｌ仃ａｔ硫ＲａｔｅＲｅｄｕｃｔｉｏｎＵｎｄ盯Ｓｅ、ｊｌ，ａｇｅｓｐｒｅａｄ吨ＳｃｉＳ。ｃＡｍＰｒＤｃ，１９６６，３０：６４１—６４６．ＡｖｎｉｍｅｌｅｃｈＹ，Ｎｅ、，ｏｚ．ＢｂｂｇｉｃａｌｃｌｏｇｇｉｎｇｏｆＳａｎｄｓ［ｊ］．蹦ｌｓｄｅｎｃｅ，１９６４，９８：２２２．２２６．
［１０］李燕城．水处理实验技术［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００１．
［１１］张翔凌，张晟，贺峰，等．不同填料在高负荷垂直流人工湿地系统中净化能力的研究［Ｊ］．农业环境科学学报，２００７，２６（５）：１９０５—１９ｌＯ．
不同基质高负荷垂直流人工湿地水力特性研究
作者：
作者单位：
刊名：
英文刊名：
年，卷(期)：
引用次数：张翔凌， 吴振斌， 武俊梅， 王蓉， 贺锋张翔凌(武汉理工大学土木工程与建筑学院,武汉,430070)， 吴振斌,武俊梅,王蓉,贺锋(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)武汉理工大学学报JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY2008，30(7)1次
参考文献(11条)
1.Kadlec R H,Knight R L.Treatment Wetlands[M].NewYork:Lewis Publishers,1996.
2.胡康萍.人工湿地设计的水力学问题研究[J].环境科学研究,1991,4(5):8-12.
3.付贵萍,吴振斌.构建湿地堵塞问题的研究[J].环境科学,2004,25(3):144-149.
4.詹德昊,吴振斌,张晟,等.堵塞对复合垂直流湿地水力特征的影响[J].中国给水排水,2003,19(2):1-4.
5.Ristoph Plataer,Klaus Mauch.Soil Clogging in Vertical Flow Reed Beds
Mechanisms,Parameters,Consequences and Solutions[J].Wat Sci Technol,1997,35(5):175-181.
6.Ellis K V,Aydin M E.Penetration of Solids and Biological Activity Into Slow Sand Filters[J].WaterResearch,1995,29(5):1333-1341.
7.De Vries J.Soil Filtration of Waste Water Effluent and the Mechanism of pore Clogging[J].WaterPollution Control Fed,1972,44:565-573.
8.Thomas R E,Schwarta W A,Bendixen T W.Soil Chemical Changes and Infiltration Rate Reduction UnderSewage Spreading[J].Soil Sci Soc Am Proc,1966,30:641-646.
9.Avnimelech Y,Nevo Z.Biological Clogging of Sands[J].Soil Science,1964,98:222-226.
10.李燕城.水处理实验技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2001.
11.张翔凌,张晟,贺峰,等.不同填料在高负荷垂直流人工湿地系统中净化能力的研究[J].农业环境科学学报,2007,26(5):1905-1910.
相似文献(3条)
1.期刊论文 张翔凌.张晟.贺锋.袁莉英.成水平.吴振斌.ZHANG Xiang-ling.ZHANG Sheng.HE Feng.YUAN Li-ying.CHENG Shui-ping.WU Zhen-bin 不同填料在高负荷垂直流人工湿地系统中净化能力的研究 -农业环境科学学报2007,26(5)
选取砾石、沸石、无烟煤、页岩、蛭石、陶瓷滤料、高炉钢渣、圆陶粒8种填料,在较高水力负荷(1 000～2 500 mm·d-1)的条件下,进行垂直流人工湿地模拟柱净化污水实验.结果表明,无烟煤、圆陶粒、砾石具有较好去除有机物的能力,对COD的去除率达到50%以上;钢渣和无烟煤对BOD的去除率达到70%以上.沸石和陶瓷滤料对总氮和氨氮的去除率达到70%以上,其他几种填料对总氮和氨氮的去除率仅为20%左右.高炉钢渣和无烟煤具有较好去除磷的能力,高炉钢渣对总磷和总溶解性磷的去除率达到90%以上,无烟煤对总磷和总溶解性磷的去除率达到60%～70%.孔隙率的变化对垂直流人工湿地的净化能力有显著影响.在垂直流人工湿地处理系统中,通过选择合适的填料,如无烟煤、圆陶粒、沸石,在较高的水力负荷条件下可获得较好的处理效果.
2.期刊论文 王磊.李文朝.柯凡.潘继征.WANG Lei.LI Wen-chao.KE Fan.PAN Ji-zheng 低氧接触氧化/微曝气人工湿地工艺净化污染河水 -中国给水排水2008,24(5)
采用低溶解氧接触氧化与微曝气垂直流人工湿地的组合工艺对滇池入湖污染河水进行处理,以解决人工湿地在高负荷下运行时易堵塞和效率低的问题.结果表明,在低溶解氧条件下接触氧化反应器对SS、COD的平均去除率分别为86.2%和57.4%,且运行稳定.新型轮换式微曝气系统的开发与应用使垂直流人工湿地中的溶解氧环境得到了改善,悬浮物及脱落的生物膜在气流作用下不易沉降堵塞,在气水比为1:1的条件下湿地的进水氨氮负荷可达15g/(m2·d),平均去除率为89.6%,硝化效率明显提高.TN的去除主要依靠湿地内部的硝化/反硝化作用,轮换式曝气使溶解氧梯度随时间和空间而变化,当出水溶解氧为2～4 mg/L时,湿地单元对TN的平均去除率为40.6%.该组合工艺整体运行稳定,除污效率高,为污染河水的净化提供了一种新的方法.
3.学位论文 丁晔 不同基质垂直流人工湿地处理猪场污水的应用研究 2005
本研究主要通过考察不同基质对污水中氨氮的吸附性能，筛选出适合处理较高浓度含氨氮污水的人工湿地基质，根据基质试验结果，构建三个不同基质层结构的垂直流人工湿地小试系统，对负荷提升启动阶段，以及季节性运行期进行连续监测分析，探讨不同基质垂直流人工湿地污染物去除效果及其产生差异的主要原因，并通过正交试验确定了不同基质垂直流系统最佳运行条件。 主要结果如下：相对于煤渣、砂子，沸石对NH4+-N的吸附性能最佳。垂直流湿地系统能较好适应高有机负荷污水(高负荷阶段去除率60﹪～70﹪)，对CODCr净化负荷与系统的有机负荷存在较好的线性相关性(R2在0.81～0.95，n=14)。垂直流湿地系统对有机污染物的去除效果随季节变化差异不显著。人工湿地系统各季节TN去除效率依次为沸石型VFCW＞沸石-煤渣
型VFCW＞传统型VFCW。三种垂直流系统对TP的去除率随季节性变化波动并不显著，但随反应器运行，基质层对TP的吸附逐渐饱和，去除效率明显下降。
引证文献(1条)
1.谢小龙.贺锋.徐栋.吴振斌 垂直流人工湿地配水均匀性的研究[期刊论文]-中国环境科学 2009(8)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_whgydxxb200807021.aspx
下载时间：2010年1月25日
第３０卷第７期
２００８年７月武汉理工大学学报Ｊ伽ＲＮＡＬｏＦｗＵＨＡＮＵＮＩ、，ＥＲＳＩＴＹｏＦ删ｏＩ麒；Ｙｖ０１．３０Ｎｏ．７Ｊｕｌ．２００８
不同基质高负荷垂直流人工湿地水力特性研究
张翔凌１，吴振斌２，武俊梅２，王蓉２，贺锋２
（１．武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉４３００７０；
２．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）
摘要：以沸石、无烟煤、页岩、蛭石、砾石、陶瓷滤料、高炉钢渣、生物陶粒等８种基质为材料，在１０００卜２５００ｍｍ／ｄ的高水力负荷条件下，研究了不同基质在垂直流人工湿地模拟柱中运行１年的水力学特性和系统堵塞动态。结果表明：基质系统的水力停留时间和水头损失可间接反映湿地堵塞状况；基质自身结构与其水力学特征密切相关。生物陶粒、高炉钢渣和沸石３种基质分别填充的系统内部水头损失较小、水力停留时间短、堵塞不明显；砾石、蛭石堵塞较为严重。通过对不同基质的含水率和孔隙率的分析发现，基质的高含水率（如蛭石）有利于垂直流人工湿地对污染物的去除，但却不利于湿地的运行管理；基质的高孔隙变化率（如页岩和砾石）是湿地系统发生堵塞的重要驱动因素。因此，如何根据不同结构特性和水力学特征选择基质对垂直流人工湿地的设计和运行管理非常关键。
关键词：垂直流人工湿地；
中图分类号：Ｘ７０３．１高负荷；堵塞；基质；水力特性文献标识码：Ａ文章编号：１６７１．４４３１（２００８）０７—００７９一０５
ＲｓｅａｒｃｈｏｎＨｙｄｒａｕｌｉｃｓＰｅｒｆｏ珊ａｎｃｅ
ＷｅｔｌａｎｄｓｏｆＤｉｆｆｅｒｅｎｔＦｉｌｔｅｒＭｅｄｉａｉｎＶｅｒｔｉｃａｌＦｌｏｗＣｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄＵｎｄｅｒＨｉｇｈＨｙｄｒａｕｌｉｃＬｏａｄｉｎｇ
Ｚ凇ＮＧ‰孵Ｚｉ增１，Ｗ【，２７ｚ册一６锄２，ＷＵ＾咒一研矗２，ＷＡＮＧＲＤ甥２，艘Ｒ嘲‘２
（１．Ｓｃｈ∞ｌｏｆＣｉ、，ｉｌＥｎ舀ｎｅｅｄｎｇ
２．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂａｒｌｄｍｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒＳｉｔｙｏｆＴｅｃｈｌｌｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７０，（赫ｍ；ｏｆＦｒｅＳｈ、ｖａｔｅｒＥ。０ｋ堰ｙａｎｄＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌ０粤ｙ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＨｙｄｒｏｂｉ０１曜ｙ，
ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄ锄ｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，Ｗｕｈａｎ４３００７２，Ｃｈｉｍ）
ｓｙｓｔｅｎｌｓｔｏＡｂｓｔｍｃｔ：Ｓｅｖｅｍｌ
ｏｎｋｎｄＳｏｆｆｉｌｔｅｒｍｅｄｉａｗｅｒｅｕｔｉｌｉｚｅｄｉｎｅｉｇｈｔＳｉｍｕｌａｔｉｖｅｖｅｎｉｃａｌｎｏｗ００ｎｓｔｒｕｃｔｅｄｗｅｔｌａｎｄｌｏａｄｉｎｇｒａｔｅｒｅｓｅａｒｃｈｈ）ｄｍｕｌｉｃ！；ｃｈａｒａｃｔ甜ｓｔｉｃａｔｈｙｄｒａ“ｉｃｏｆ１０００一２５００ｍｍ／ｄ，ｉｎｄｕｄｉｎｇｚｅＣｄｉｔｅ，ａｎｔｈｒａｃｉｔｅ，ｓｈａｌｅ，ｖｅ衄ｉｃｕｌｉｔｅ，ｇｒａｖｅｌ，ｃｅｒ锄ｉｃｆｉｌｔｅｒ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓＯｆｅａｃｈｍｅｄｉａ，ｂｌａｓｔｆｕｍａｃｅｓｔｅｅｌＳｌａ曙ａｎｄｂｂｃｅｒａｍｓｉｔｅ．Ｄｕ—ｎｇｏｎｅｙｅａｒ’ｓｅ１１ｔｉｒｅｅｘｐｅｒｉｎｌｅｌｌｔａｌｃｙｃｌｅ，ｔｈｅｒ皤ｕｌｔｓｈｙｄｒａｕｌｉｃｒｅｔｅｎｔｉｏｎｔｉｍｅｃｏｕｌｄｉｎｄｉｒｅｃｄｙｒｅｎｅｃｔｔｈｅｅｘｔｅｎｔ§ｈｏｗｅｄｔｈａｔｈｅａｄ１０ｓｓａ１１ｄｏｆｔｈｅ、代ｔｌａｎｄｓｃｌｏｇｇｉｎｇ．Ｔｈｅｓｔｌｍｃｔｕｒａｌｍｅｄｉａ∞ｕｌｄｉｎｎｕｅｎｃｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｃｈａｒａｃｔ日ｉＳｔｉｃ．ＬｉｔｔｌｅｃｌｏｇｇｉｎｇⅥ伦ｒｅｆｏ叽ｄｉｎｂｉＤｃｅｒａｍｓｉｔｅ，ｚ印ｌｉｔｅｓａｎｄｂｌａＳｔｆｕｍａｃｅｓｔｅｄｓｌａｇｓｙＳｔｅｍｓ，ａｎｄｈｅａｄ１０６ｓｗｅｒｅｌｅａｓｔｉｎｔｈｅｔｈｅｉｒｓｙｓｔｅｎｌｓ．ＢｕｔｉｎｔｈｅｇｒａｖｅＩａｎｄｖｅ咖ｉｃｕｌｉｔｅｓ），ｓｔｅｍｓｔｈｅｐｒｏｂｌ锄ｓ、＾憎．ｅｓｅｒｉｏｕｓｒｅｌａｔｉｖｄｙ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｅｘｐ商ｍｅｎｔｓｏｆｐｏ∞ｓｉｔｙａｒｌｄｗａｔｅｒ（Ⅻ１ｔｅｎｔｓ，、＾，ｅｏｏｕｌｄｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｖｅｎＩｌｉｃｕｌｉｔｅｍｅｄｉａ｝ｌａｄｂｅｔｔｅｒｐｅｒｆｏｎｍｎｃｅｆｏｒｒｅｎｌｏｖａｌｏｆｐｏｌｌｕｔａｎｔｓｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｇｏｏｄ、Ｖａｔｅｒ－ｈｏｌｄｉｎｇｃａｐ｛ｉｃｉｔｙａｎｄｔｈｅｄｅｇｒｅｅ０ｆ、张ｔｅｒｃａｐａｃ—ｉｔｙ，ｂｕｔｉｔｗａＬｓｄｉＳａｄｖａｎｔａｇｅｏｕＳ
ｔｅｆｌｔｒａｔｅｔｏｔｈｅｗｅｔｌａＪｌｄ’ｓｍｏｖｅｍｅｎｔａｎｄｍａｍｇ锄朗ｔｂｅｃａｕｓｅｏｆｖｅｒｒＩｌｉｃｕｌｉｔｅｍｅｄｉａ’ｓｂｉｇｇ口ｗａｔｅｒｏ∞一ｄｃｈａｎｇｅ．Ａｎｄｔｈｅｓｈａｌｅａｎｄｇｒａｖｄｍｅｄｉａｉｎｎｕ朗ｃｅｄｃｌＯｇｇｉｎｇｇｒｅａｄｙｂｅｃａｕｓｅｏｆｂｉｇｃｈａｎｇｅｆｏｒｔｈｅｉｒｐ∞Ｄｓｉｔｙ．ｓｏｔｈｅ
ｏｎｃｈｏｉｃｅ
ｔｈｅｏｆｍｅｄｉａｂａＳｅｓｐｅｃｉａｌｓ廿ｕｃｔｕｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｃｈａｒａｃｔｅ五ｓｔｉｃｍ谵ｈｔｂｅｔｒ龅ｔｅｄａｓｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｔａ工ｇｅｔｆｏｒｄ商ｇｎａｎｄｒｕｎｎｉｎｇｆｏｆｔｈｅｖｅｎｉｃａｌｆｌｏｗ。Ｏｎｓｔｍｃｔｅｄｗｅｔｌａｎｄ．
ｈｉｇｈＫｅｙｗｏｒｄｓ：
ｉｓｔｉｃｖ日ｔｉｃａｌｆｌｏｗｏ。碰舡ｕｃｔｅｄｗｅｄａｎｄｓ；ｈｙｄｒａｕｉｉｃｌｏａｄｉｎｇ；ｃＩｏｇｇｉｎｇ；ｆｉｌｔｅｒｍｅｄｉａ；ｈｙ妇ｌｉ龉ｃｋ衄ｃｔ既・
收稿日期：２００８—０４—０２．
基金项目：国家杰出青年基金（３９９２５００７），国家“十五”重大科技专项（２００２ＡＡ６０１０２１）和武汉理工大学博士科研启动基金
（４７ｌ一３８６５０３４８）．作者简介：张翔凌（１９７６一），男，博士，讲师．Ｅ＿Ｈ】ａｉｌ：ｚ）（ＩＣＩ，＠１２６．∞ｍ
８０武汉理工大学学报２００８年７月人工湿地系统是一种有效的污水土地处理技术，其堵塞问题是影响人工湿地系统应用和推广的主要因素之一。现有文献中最早关于人工湿地ｍ现堵塞现象的报道源于２０世纪６０年代由Ｓｅｉｄｅｌ等人建成的Ｋｒｅ—ｆｉｅｌｄ湿地存在的堵塞和积水现象…。此后，欧洲、北美地区和中国等国家的科研工作者都相继研究了人工湿地的堵塞现象【２－５ｊ。堵塞是在所有高负荷污水过滤系统中常见的自然效应№Ｊ。湿地中堵塞层的形成是有机和无机固体物在基质内部颗粒间隙的沉积、基质问隙间生物量生长和分解以及基质本身所含物质的化学沉淀反应等产生的【６圳。垂直流人工湿地系统较水平流系统具有较高的好氧处理能力，其硝化能力高于水平潜流人Ｔ湿地，可用于处理氨氮含量较高的污水。由于垂直流人工湿地独特的水流方式和去污特点，它更容易发生堵塞现象。而且发生堵塞后，湿地的净化能力会受到严重影响。同时，由于堵塞导致基质表面积水，使得蚊蝇更容易滋生，湿地的环境友好度降低。已有的研究表明，不同基质种类对垂直流湿地系统中空隙大小及其变化和水容量起到决定性的影响［４９］。因此，需要选择高效、不易堵塞的填料作为湿地的基质，使之最大程度发挥垂直流人工湿地的净化效果，提高湿地的使用寿命，同时能在较高的水力负荷条件下，单位湿地面积处理更多的污水，达到减小人工湿地占地面积的目的。以前期研究成果为基础，选取沸石、无烟煤、页岩、蛭石、砾石、陶瓷滤料、高炉钢渣、生物陶粒等８种基质为研究对象，在为期１年的高负荷运行条件下（１０００—２５００ｍｍ／ｄ），研究它们在垂直流人工湿地模拟桂中水力学特性的变化及其对湿地堵塞的影响，为选择具有优良水力学特性和持久耐用性的基质提供基础数据和理论依据。
１试验
１．１工艺流程
将东湖湖水与生活小区化粪池出水通过不同管道系统按一定比例引入到本系统混合池内，经过充分搅拌混合后，由蠕动计量泵按预先设定的流量提升到每个基质试验柱中。在每个基质试验柱前均安装有一个转子流量计，确保进入到每个柱子中的流量保持一致。
１．２试验设计
１）基质试验柱基质试验柱采用８根内径为２５ｃｍ的ＰＶＣ管，高度均
为１．１ｍ。其中基质高度为１．０ｍ，基质表面以上留有１００ｍｍ的布水区和
超高。柱身每隔１５ｃｍ设有一个取样口，一共有７个取样口，对应水平位置
的柱身背面接有７根测压管，分别用橡胶软管连接至测压板上，用以反映各
取水ＬＪ的测压管水头值。混合污水利用蠕动泵提升，通过转子流量计精确计
量控制后，巾基质表面的环形穿孔布水管进入基质层，并由基质试验柱底的
出水管出水。基质试验柱实物图见图１。
２）基质种类及来源供试基质共有８种，依次装填沸石、无烟煤、页岩、
蛭石、陶瓷滤料、砾石、高炉钢渣、生物陶粒。其中砾石取自武汉，沸石和无烟煤来自河南巩义，页岩来自湖北宜昌，蛭石来自辽宁大连，陶瓷滤料来自山东淄博，高炉钢渣取自武汉钢铁公司，生物陶粒来自江西。所有基质均为球形颗粒状，粒径约在８—１２ｍｍ左右。
１．３运行管理方式
基质试验柱的运行方式为：以４ｄ的配水周期为１个阶段，其中每隔１ｄ连续运行１次，每次连续运行８ｈ。连续运行后的第２天为间歇运行，每隔１２ｈ运行２ｈ，其主要目的在于维持柱中微生物的活性。连续运图１基质试验柱实物图行时通过每根试验柱前的转子流量计将流量控制在５—７Ｌ／ｈ左右，水力负荷控制在ｌ０００—２
间。试验连续运行时间从２００６年４月１日至２００７年３月３０日，共历时１年。
１．４水力学特性试验内容及方法５００ｍｍ／ｄ之
１）水力停留时间测定每个基质试验柱中的水力停留时间。在系统进水中瞬时一次性投加ＫＣｌ，使其电导率上升到背景值的１０倍以上，然后维持系统正常运行，在试验柱底部出水口每隔５ｍｉｎ监测１次出水电导率的变化并记录，至电导率恢复到背景值时终止试验¨ｊ。由于示踪剂会受到进水水质、基质特性、堵塞程度等凶素的影响，因此在每阶段的试验中，每个试验柱均进行３次示踪剂试验，并选取示踪剂回收率最高的一次结果进行对比分析。
２）水头值及水头损失在为期１年的试验中，分别测定每根试验柱柱身所接７个测压管水位值，对不同
第３０卷第７期张翔凌，等：不同基质高负荷垂直流人工湿地水力特性研究８１基质在１年运行中的水头损失进行分析。记录每个基质试验柱中不同高度的测压管读数，利用同一基质试验柱巾不同高度测压管读数之差，求出由于基质堵塞所造成同一试验柱内不同基质深度位置的水头损失值。
３）基质孔隙率与含水率分别测定８种基质在１年试验周期前后孔隙率、含水率的变化。孔隙率测定：将基质试验柱填充基质后通入清水，量取充满水（水面刚好没到基质表面）时的填料高度Ｈ，测定实验柱内径Ｄ；再把水放空，测得放出水的体积Ｖ，通过公式ｎ＝４Ｖ／兀Ｄ２Ｈ算出孔隙率ｌｌｏ】。含水率测定：标准烘干法测定。将试验柱中采集的基质进行称重优，然后在温度为１００一１０５℃的烘箱中烘至恒重。．含水率硼＝（ｍ／研。一１）×１００％，其中，优为湿基质质量，ｇ；优。为烘干后基质质量，ｇ。
２结果与分析
２．１水力停留时间
８种基质投加示踪剂Ｋａ后开始计时，在出水处测定电导率，分别记录下不同基质试验柱出现最大电导率和电导率复原到背景值ｆＩ寸的时间。表１中数据是在试验柱正常稳定运行１０个月后的试验结果。可以看到，高炉钢渣出水中出现电导率峰值的时间最短，而砾石出水中出现电导率峰值的时间最长。其出水中电导率出现峰值及复原时间的长短间接反映了不同基质试验柱在运行一段时间后基质的堵塞程度。
表１８种基质出水电导率峰值时间及复原时间偷ｎ
２．２水头损失
将数次试验中每个基质试验柱沿竖向水流方向不同位置的测压管渎数进行平均，得到８种基质试验柱中各测压管水位平均值，如图２所示（图２中测压管后括号内数字表示该测压管距离水面高度）。
在沸石基质试验柱中，测压管２一测压
管６之问的水头损失值不大，而测压管７的
水头值与其它几个测压管相差较大，水头损
失达到＿ｒ０．５ｃｍ左右；在无烟煤基质中，前
４个测压管水头值依次下降，而后３个水头
值基本上保持恒定，同时中间一个测压管
（测压管４）的水头值比上部和下部的测压管
值都要低；页岩基质巾测压管的水头损失较
大值主要集巾于上层０—１５ｃｍ及基质底层
处；蛭石与沸石类似，测压管ｌ一测压管６之
间的水头损失值／ｆ：大，而测压管７的水头值
与其它几个测压管水头相差较大，水头损失
达到了１．５ｃｍ左右；在陶瓷滤料试验柱中，
堵塞主要发生在基质的上层（０—１５ｃｍ）以及图２８种基质试验柱中各测压管水位平均值
基质的中层（４５—６０ｃｍ）处；砾石基质试验柱在表层即发生了较为严重的堵塞现象，而基质的上、中、下层相对较好。这也与实际观测的试验柱表层情况相符；钢渣基质试验柱的堵塞主要发生在基质的中ｊ：部（测压管１一测压管３）０—３０ｃｍ的位置，但水头损失值较小；生物陶粒试验柱各个测压管的水头值数据波动很小。２．３孔隙率
分别在整个试验周期前与周期后测定８种基质的孔隙率，如表２所示。在整个周期试验运行之前，８种基质中无烟煤的孔隙率最小，仅为３５．３％，而页岩的孔隙率最大，达到了５３．６％，其它基质的孔隙率介于３８．９％一４７．８％之间；在系统运行了１年后，８种基质中无烟煤的孑Ｌ隙率依然最小，页岩孔隙率最大，其它基质的孔隙率介于３６．２％一４１．８％之间，整体七比试验前都有所下降。而蛭石是试验前后孔隙率下降幅度最
大的基质。
８２武汉理工大学学报
表２试验前后各基质孔隙率２００８年７月／％
注：“试验后基质含水率”测定的对象为运行１年后试验柱上层表面１０ｃｍ处基质。
３讨论
３．１基质水力停留时间与堵塞的相关性分析
水力停留时间是指待处理污水在反应器内的平均停留时间，即污水与生物反应器内微生物作用的平均反应时间。在垂直流人工湿地中，污水中的无机物和难降解有机物积累在湿地中，堵塞基质问的空隙，改变系统内部水流的混合、短流以及回混，从而改变和延长系统的实际水力停留时间。
通过对８种基质水力停留时问的测定（表１）发现，在垂直流人工湿地模拟试验柱稳定运行１０个月后，基质的不同特性导致系统水力停留时间发生较大变化：高炉钢渣试验柱中的水力停留时间最短，而砾石试验柱中的水力停留时间最长。相对而言，高炉钢渣、沸石和生物陶粒基质试验柱的水力停留时间较短，堵塞情况不甚明显；而砾石、陶瓷滤料和蛭石基质试验柱的水力停留时问较长，堵塞情况较为明显。
３．２基质水头损失与堵塞发生部位的分析
水头损失是由水流阻力做负功所引起的测压管水头下降，它反映了水在流动过程中由于受到阻碍而引起的能量损失。通过对８个垂直流人工湿地基质试验柱竖向流程上各不同高度位置水头值的测定，计算其水头损失，可以间接判断出基质中堵塞发生的部位。通过对图２中８种基质试验柱中各测压管水位平均值的分析，可以发现：沸石基质中，主要的堵塞现象发生在基质的下层，总的说来堵塞现象不明显；无烟煤基质中截留的杂质主要在基质试验柱中层发生了累积，部分污染物随水流截留于基质中层；蛭石基质中，主要的堵塞现象发牛在基质的下层，上层基质没有明显的堵塞现象；砾石和页岩基质试验柱均在表层即发生了较为严重的堵塞现象，不同的是，砾石基质的上、中、下层水头损失较为平均，而页岩基质底层也有一定程度的水头损失，这也’Ｊ其具有较高的孔隙率，使得部分杂质能够到达基质底层有关；陶瓷滤料的堵塞情况较严重，其中层水头损失值较大，污染物有可能聚集于基质的中部；钢渣基质试验柱的堵塞情况不明显，中上层略有堵塞，而下层情况良好，且底层没有水头损失；生物陶粒基质中基本上没有发生堵塞现象，其在水头损失这一指标上是８种基质中情况最好的。
３．３基质孔隙率与堵塞的相关性分析
通过表２中孔隙率相对下降速率的对比可以发现，８种基质孔隙率的变化规律各有不同。在为期１年的试验前后，沸石、钢渣和陶瓷滤料孔隙率的下降速率最小；无烟煤、页岩、砾石和生物陶粒孑Ｌ隙率的下降速率介于５％一１０％之间；蛭石孑Ｌ隙率的下降幅度最大，达到了２１．３％。蛭石由于其特殊的组成结构，试验前后孔隙率变化巨大，在实际使用时应充分考虑此因素对湿地堵塞的影响；沸石、钢渣和陶瓷滤料的孔隙率几乎不变，对由于孑Ｌ隙率变化所导致的堵塞影响不大；其它４种基质孔隙率有所变化，但变化较小，有可能会对堵塞造成一定影响。其中还有２种基质值得注意：１）无烟煤，它对污染物净化效果很好［１１Ｉ，且试验前后孔隙率变化不大，但其孔隙率较小是在实际使用时应充分考虑的影响因素之一；２）页岩基质，试验前和试验后孔隙率均较大，但对污染物净化效果不佳Ｈ１１，说明在基质选择时，不能仅仅依据孔隙率的大小进行判断选择。３．４基质含水率与孔隙率的关联性及机制分析由表３可知，试验之前的陶瓷滤料、砾石和生物陶粒基质含水率均很低，这与基质制作过程中的烧制工
第３０卷第７期张翔凌，等：不同基质高负荷垂直流人工湿地水力特性研究８３艺有关，同时也说明这几种基质在运输、存放过程中不具有吸潮性；钢渣的含水率也很低，原本其孔隙结构应该有利于水份的进人，但基质表面的强碱性保证了基质的干燥；页岩和无烟煤基质含水率相对较高，其裂隙与孔隙结构导致基质内部有部分水份附着；而沸石和蛭石则是８种原始基质中含水率最高的，其基质结构中孔隙较大，附着水、薄膜水、毛细水的含量较高，导致了这２种基质含水率偏高。总体来说，８种基质在试验前含水率均不高。
而在系统运行１年以后的含水率试验中可以发现，蛭石由于其结构上巨大的空隙，导致含水率上升到６７．０４％，在其结构中，附着水、薄膜水、毛细水和重力水均存在，大量的重力水存在也导致了湿地在运行和落干时，蛭石基质体积会发生很大变化，这一点是在蛭石实际使用过程中应特别加以注意的；沸石、生物陶粒、页岩和陶瓷滤料含水率也有较大幅度的上升，这些均与它们结构中存在较多孔隙与裂隙有关。特别是无烟煤，其孔隙率较低，而含水率较高，说明其结构内部有大量附着水、薄膜水和毛细水存在；钢渣依然保持较低的含水率；砾石和陶瓷滤料含水率较低，其结构密实，各种形态的水不易进入其中；生物陶粒是试验前后含水率变化最大的基质，从结构上分析，其基质内部有很多细小的孔隙，有利于毛细水进入，而其较好的颗粒表面性质，使薄膜水和附着水较多，因此增大了基质的含水率，同时它的这一特性也使得微生物易于在其基质表面挂膜、繁殖。
４结论
ａ．垂直流人工湿地系统基质的水力停留时间可间接反映湿地堵塞状况，系统内部不同位置的水头损失可以反映湿地内不同垂直位置的堵塞程度；生物陶粒、钢渣和沸石３种基质分别填充的系统内部水头损失较小、水力停留时间短、堵塞不明显，而砾石、蛭石的情况则相反，堵塞较为严重；
ｂ．基质的孔隙率及其孔隙变化率会影响垂直流人工湿地系统的堵塞，通过对不同基质试验前后孑Ｌ隙率的测定与综合分析发现，基质的高孑Ｌ隙变化率（如页岩和砾石）对堵塞的影响较大；孔隙率的变化可作为衡量垂直流人工湿地堵塞的重要指标，其对垂直流人工湿地的净化能力也有显著影响；
ｃ．不同基质的含水率各有不同，试验前后含水率的变化率也各异；基质的高含水率（如蛭石）有利于垂直流人工湿地对污染物的处理，但较大的含水率变化易造成湿地堵塞，且不利于湿地的运行管理；蛭石基质有较好持水度与容水度，可利用此特性提高其处理效果；
ｄ．基质自身结构与其水力学特征密切相关，其水力学特征又直接影响到垂直流人工湿地系统的堵塞。根据基质不同结构特性和水力学特征选择基质，对垂直流人工湿地的设计和运行管理非常关键。该研究中，具有短水力停留时问（如高炉钢渣）、小水头损失（如生物陶粒）、低孔隙变化率和含水变化率（如沸石）等特性的基质能适当延缓垂直流人工湿地的堵塞。
参考文献
［１］
［２］
［３］
［４］
［５］ＫａｄｌｅｃＲＨ，ＫｎｉｇｈｔＲＬＴｒｅａ廿ｎｅｎｔＷｅｔ啪ｓ［Ｍ］．ＮｅｗＹｏｒｋ：ｋ、＾，ｉｓＰｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，１９９６．胡康萍．人工湿地设计的水力学问题研究［Ｊ］．环境科学研究，１９９１，４（５）：８—１２．付贵萍，吴振斌．构建湿地堵塞ｆ目题的研究［Ｊ］．环境科学，２００４，２５（３）：１４４．１４９．詹德昊，吴振斌，张晟，等．堵塞对复合垂直流湿地水力特征的影响［Ｊ］．中国给水排水，２００３，１９（２）：１．４ＲｉｓｔｏｐｈＰｌａｔａｅｒ，ＫｌａｕｓＭａｕｃｈ．ＳｏｉｌａｏｇｇｉｎｇｉｎＶｅｒｔｉｃａｌＦｌｏｗＲｅｅｄＢｅｄＳＭｅｃｈａｍｓｒｒ】ｓ，ＰａｒａｍｅｔｅｒＳ，ＣＣ娜ｅｑｕ叽ｃ酉ａｎｄＳ０ｌｕ—
ｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ｗａｔＳｃｉＴｅｃｈｎｏｌ，１９９７，３５（５）：１７５．１８１．
［６］ＥｌｌｉｓＫＶ，ＡｙｄｉｎＭ
２９（５）：１３３３—１３４１．Ｅ．Ｐｅｌｌｅ恤ｔｉ∞０ｆ蹦ｉｄｓａＪｌｄ
ｏｆＢｉｏｌｏｇｉｃａｌＡｃｔｉ、，ｉｔｙＩ哟ＳｌｏｗＳａｎｄＦｉｌｔｅｒｓ［Ｊ］．Ⅵ厂ａｔｅｒ№ｈ，１９９５，Ｆｅｄ，［７］ＤｅＶＨ鹤Ｊ．Ｓ０ｉｌＦｉｌｔｒａｔｉｏｎＷａｓｔｅＷａｔｅｒＥｍｕ∞ｔａ１１ｄｔｈｅＭ如ｉ锄ｏｆｐ０忧ａ啷ｉｎｇ［Ｊ］．ＷａｔｅｒＰｌｏｌｌｕｔｉ∞Ｃ∞ｔｒｏｌ
【８］Ｔ｝舢Ｒ
［Ｊ］．Ｓ０ｉｌ
【９］１９７２．４４：５６５—５７３．Ｅ，ＳｃｈｗａｒｔａＷＡ，Ｂｅ：ｎｄｉｘｅｎＴＷ．Ｓ０ｉｌＣｈ删ｃａｌＣｈａｎｇｅｓａｎｄＩｎ矗ｌ仃ａｔ硫ＲａｔｅＲｅｄｕｃｔｉｏｎＵｎｄ盯Ｓｅ、ｊｌ，ａｇｅｓｐｒｅａｄ吨ＳｃｉＳ。ｃＡｍＰｒＤｃ，１９６６，３０：６４１—６４６．ＡｖｎｉｍｅｌｅｃｈＹ，Ｎｅ、，ｏｚ．ＢｂｂｇｉｃａｌｃｌｏｇｇｉｎｇｏｆＳａｎｄｓ［ｊ］．蹦ｌｓｄｅｎｃｅ，１９６４，９８：２２２．２２６．
［１０］李燕城．水处理实验技术［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００１．
［１１］张翔凌，张晟，贺峰，等．不同填料在高负荷垂直流人工湿地系统中净化能力的研究［Ｊ］．农业环境科学学报，２００７，２６（５）：１９０５—１９ｌＯ．
不同基质高负荷垂直流人工湿地水力特性研究
作者：
作者单位：
刊名：
英文刊名：
年，卷(期)：
引用次数：张翔凌， 吴振斌， 武俊梅， 王蓉， 贺锋张翔凌(武汉理工大学土木工程与建筑学院,武汉,430070)， 吴振斌,武俊梅,王蓉,贺锋(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)武汉理工大学学报JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY2008，30(7)1次
参考文献(11条)
1.Kadlec R H,Knight R L.Treatment Wetlands[M].NewYork:Lewis Publishers,1996.
2.胡康萍.人工湿地设计的水力学问题研究[J].环境科学研究,1991,4(5):8-12.
3.付贵萍,吴振斌.构建湿地堵塞问题的研究[J].环境科学,2004,25(3):144-149.
4.詹德昊,吴振斌,张晟,等.堵塞对复合垂直流湿地水力特征的影响[J].中国给水排水,2003,19(2):1-4.
5.Ristoph Plataer,Klaus Mauch.Soil Clogging in Vertical Flow Reed Beds
Mechanisms,Parameters,Consequences and Solutions[J].Wat Sci Technol,1997,35(5):175-181.
6.Ellis K V,Aydin M E.Penetration of Solids and Biological Activity Into Slow Sand Filters[J].WaterResearch,1995,29(5):1333-1341.
7.De Vries J.Soil Filtration of Waste Water Effluent and the Mechanism of pore Clogging[J].WaterPollution Control Fed,1972,44:565-573.
8.Thomas R E,Schwarta W A,Bendixen T W.Soil Chemical Changes and Infiltration Rate Reduction UnderSewage Spreading[J].Soil Sci Soc Am Proc,1966,30:641-646.
9.Avnimelech Y,Nevo Z.Biological Clogging of Sands[J].Soil Science,1964,98:222-226.
10.李燕城.水处理实验技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2001.
11.张翔凌,张晟,贺峰,等.不同填料在高负荷垂直流人工湿地系统中净化能力的研究[J].农业环境科学学报,2007,26(5):1905-1910.
相似文献(3条)
1.期刊论文 张翔凌.张晟.贺锋.袁莉英.成水平.吴振斌.ZHANG Xiang-ling.ZHANG Sheng.HE Feng.YUAN Li-ying.CHENG Shui-ping.WU Zhen-bin 不同填料在高负荷垂直流人工湿地系统中净化能力的研究 -农业环境科学学报2007,26(5)
选取砾石、沸石、无烟煤、页岩、蛭石、陶瓷滤料、高炉钢渣、圆陶粒8种填料,在较高水力负荷(1 000～2 500 mm·d-1)的条件下,进行垂直流人工湿地模拟柱净化污水实验.结果表明,无烟煤、圆陶粒、砾石具有较好去除有机物的能力,对COD的去除率达到50%以上;钢渣和无烟煤对BOD的去除率达到70%以上.沸石和陶瓷滤料对总氮和氨氮的去除率达到70%以上,其他几种填料对总氮和氨氮的去除率仅为20%左右.高炉钢渣和无烟煤具有较好去除磷的能力,高炉钢渣对总磷和总溶解性磷的去除率达到90%以上,无烟煤对总磷和总溶解性磷的去除率达到60%～70%.孔隙率的变化对垂直流人工湿地的净化能力有显著影响.在垂直流人工湿地处理系统中,通过选择合适的填料,如无烟煤、圆陶粒、沸石,在较高的水力负荷条件下可获得较好的处理效果.
2.期刊论文 王磊.李文朝.柯凡.潘继征.WANG Lei.LI Wen-chao.KE Fan.PAN Ji-zheng 低氧接触氧化/微曝气人工湿地工艺净化污染河水 -中国给水排水2008,24(5)
采用低溶解氧接触氧化与微曝气垂直流人工湿地的组合工艺对滇池入湖污染河水进行处理,以解决人工湿地在高负荷下运行时易堵塞和效率低的问题.结果表明,在低溶解氧条件下接触氧化反应器对SS、COD的平均去除率分别为86.2%和57.4%,且运行稳定.新型轮换式微曝气系统的开发与应用使垂直流人工湿地中的溶解氧环境得到了改善,悬浮物及脱落的生物膜在气流作用下不易沉降堵塞,在气水比为1:1的条件下湿地的进水氨氮负荷可达15g/(m2·d),平均去除率为89.6%,硝化效率明显提高.TN的去除主要依靠湿地内部的硝化/反硝化作用,轮换式曝气使溶解氧梯度随时间和空间而变化,当出水溶解氧为2～4 mg/L时,湿地单元对TN的平均去除率为40.6%.该组合工艺整体运行稳定,除污效率高,为污染河水的净化提供了一种新的方法.
3.学位论文 丁晔 不同基质垂直流人工湿地处理猪场污水的应用研究 2005
本研究主要通过考察不同基质对污水中氨氮的吸附性能，筛选出适合处理较高浓度含氨氮污水的人工湿地基质，根据基质试验结果，构建三个不同基质层结构的垂直流人工湿地小试系统，对负荷提升启动阶段，以及季节性运行期进行连续监测分析，探讨不同基质垂直流人工湿地污染物去除效果及其产生差异的主要原因，并通过正交试验确定了不同基质垂直流系统最佳运行条件。 主要结果如下：相对于煤渣、砂子，沸石对NH4+-N的吸附性能最佳。垂直流湿地系统能较好适应高有机负荷污水(高负荷阶段去除率60﹪～70﹪)，对CODCr净化负荷与系统的有机负荷存在较好的线性相关性(R2在0.81～0.95，n=14)。垂直流湿地系统对有机污染物的去除效果随季节变化差异不显著。人工湿地系统各季节TN去除效率依次为沸石型VFCW＞沸石-煤渣
型VFCW＞传统型VFCW。三种垂直流系统对TP的去除率随季节性变化波动并不显著，但随反应器运行，基质层对TP的吸附逐渐饱和，去除效率明显下降。
引证文献(1条)
1.谢小龙.贺锋.徐栋.吴振斌 垂直流人工湿地配水均匀性的研究[期刊论文]-中国环境科学 2009(8)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_whgydxxb200807021.aspx
下载时间：2010年1月25日