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1材料與方法

1．1實體模型的構建根據模擬結果所確定的參數構建對比人工濕地實體模型，2個床體尺寸相同，L×W×H均為2m×1．2m×0．7m，基質填充厚度0．6m，左端為進水口，右端為出水口，布水和集水區域長度均為20cm，選取滲透系數為500m/d的鵝卵石進行填充。潛流人工濕地系統主體填料填充同一來源石英砂，一個主體填料區內填充與分層基質相當粒徑混合均勻的石英砂(單層基質)，測得滲透系數為65m/d;另一個對照人工濕地小試系統主體填料區分為6層進行填充(分層基質)(見圖1)，滲透系數從上到下依次38、36、43、55、75和176m/d，其滲透系數數值根據模擬結果設置。床體植物為美人蕉，密度均為20株/m2。

1．2實驗條件實驗在桂林理工大學污水處理站進行，實驗用水為該處理站初沉池出水，2個模型放在處理站室外，光照充沛，運行期間水溫13～28℃，進水水質COD、TP和TN含量波動范圍分別為108～192mg/L、0．8～5mg/L、5～52mg/L。1．4水質分析方法與數據分析2013年3月—2013年12月對潛流人工濕地模型的進水、出水進行連續采樣，每月取樣4次，每次在當天早上9:00與下午4:00各取一次后混合，監測混合水樣。總磷采用鉬銻抗分光光度法，總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，化學需氧量采用重鉻酸鉀法［18］。實驗數據采用MicrosoftOfficeExcel2003進行分析。

2結果與討論

2．1潛流人工濕地數值模擬解析

2．1．1床體長寬比例及厚度的優化目前水平潛流人工濕地沒有規范的長寬比，在統計中發現長寬比一般設置在1∶1～3∶1之間，很多學者建議長寬比應該小于3∶1。根據地下水動力學理論得知當長寬比小于1∶1時，濕地整個寬度上均勻布水和集水難度都增大，同時基質內部水流不均勻［19，20］。首先，根據正交實驗設計方案，設置影響參數有Kd(滲透系數)、長寬值和補給量m/d，各因素取3個水平，模擬結果發現，長寬比例最佳范圍在1∶1～2∶1間，補給量和滲透系數影響作用較小。為探索最優比例，進一步進行模擬實驗，長寬比例設置為5∶3、5∶4、1∶1，每個比例選取4種長度分別為2、8、16和32m，基質厚度為0．6m，補給量為6．4m/d，各層基質滲透系數都為65m/d，將數值模型網格設置為6層。數值模型的進水補給量按照布水區面積補給，因此不同尺寸模型的層平均過流通量與標準偏差越小，說明基質內部流場分布越均勻，就越有利于提高基質的有效利用率;反之則越不均勻。通過比較層流量平均值以及標準差值發現，長寬比例為5∶3組的層流量最均勻，標準差小說明在不同條件下模擬的層流量穩定。特別在長度大于16m之后，長寬比例為5∶4和1∶1兩組模型的層平均過流通量的差異急劇增大。另外，此比例接近工程中經常用到的黃金分割比例。所以，水平潛流人工濕地的長寬比設置在5∶3左右比較合理。在上述模擬實驗基礎上，選取0．4～0．8m5組基質厚度的數值模型，采用單一變量法。將模型網格設置為6層，長寬比例為5∶3，數值模型補給量為6．4m/d，主體填料各層滲透系數都為65m/d，模擬結果列出長2m，寬1．2m的一組數據(見圖2)。因為各組模擬中的進水補給量相同，所以層平均過流通量越大，標準偏差越小對應的模型流場分布就越均勻，基質利用率越高。由圖2可以看出，0．6m厚度的填充方式層流量平均值最大為0．447m3/d，其次是0．5m厚度的模型0．445m3/d，而標準偏差隨著基質厚度增大逐漸增大，說明基質厚度增加各層過流通量差異越大，流場分布不均。根據文獻統計，水平潛流人工濕地的基質厚度在0．4～1．0m間，植物根系分布深度在0．4m以上，過淺影響植物生長。有研究表明，設置0．2、0．4和0．6m深度的模型，并比較SS、COD、TP和NH+4N的去除率，0．6m時的處理效果最佳［21-23］。LightbodyA．F．等［24］實驗發現，較深的基質層能夠提高濕地運行能力，減少短流通道，但是對污染物去除率沒有明顯提高。綜上所述，水平潛流人工濕地基質厚度設計為0．6m左右較合適。

2．1．2主體填料的配置在對單層填充方式的模擬實驗中發現，隨著填料滲透系數的增大，層流量平均值逐漸增大，標準差值增大，流場分布就越不均勻。而目前在水平潛流人工濕地構建過程中，為了避免堵塞現象，選取填料的滲透系數逐年增大，這種方式恰恰加劇了水流分布的不均勻性，容易造成局部流量過大，引起人工濕地凈化性能的降低。根據地下水動力學理論可知，飽和狀態下的滲流流場與基質滲透系數有很大關系［25］，通過不斷調整主體填料區每層填料的滲透系數值，反復模擬計算，能夠找出滿足6層填料過流通量相當的各層填料滲透系數值。因此，對主體填料進行合理的級配，能夠改善流場分布的均勻性，提高基質利用率。以構建實體模型的基質級配為例，各層水流通量模擬結果如圖3所示。圖中zone1和zone8分別為布水區和集水區的過流通量，zone2-zone7分別為從上到下依次6層的過流通量。由圖所示，分層填充的濕地模型主體填料區6層過流通量基本相同;而單一填料系統中，表層過流量較大，底層較小，流場分布的均勻性明顯較差。由于各層過流通量相當的填料級配組合方式不局限一種，在上述長寬比例和基質厚度的條件下，通過大量模擬發現，不同床體尺寸的滲透系數級配有一定的規律性，通過歸納擬合得到相關的基質基配通用公式。為了方便根據不同床體尺度選取相應滲透系數的填充材料，歸納出以下3組經驗公式:(1)當池體長在1～6m時，經驗公式如下:Kd1為第1層滲透系數取值，取值范圍(10～80m/d)，n為從上到下的層數取值(2、3、4、5和6)。另外，按照達西公式進行理論計算，床體長度最大不超過61m，床體長度過大時，基質的利用率會明顯下降，對于大型人工濕地最好分割成若干單元進行設計［16］。利用上面的通用公式，可根據當地材料的滲透系數特征，選擇適宜的填料組合進行分層填充，兼顧系統的過水能力及水力效率，提高系統的凈化性能［26-28］。

2．2實體模型凈化結果根據上述模擬結果，構建如1．2所述的2個小型水平潛流人工濕地實驗系統，開展以基質構造為主要因素對污水凈化效果的研究，對該數值模擬方法的有效性進行驗證。水力停留時間設置為36h時，經過9個月的運行，對2種不同填充方式模型的凈化效果進行分析。以COD、TP和TN的去除率為參考指標，水力停留時間為36h，由圖4數據所示，分層填充基質模型對COD、TP和NH+4-N去除率最高分別能夠達到75．56%、94．92%和80．78%，相應單層模型三指標最高去除率分別為54．51%、68.78%和55．37%。分層基質模型的去除率明顯高于單層基質模型，而且去除效果更穩定，平均去除率及標準差見圖4。分層填充與單層填充方式的模型對COD、TP、TN的平均去除率分別為64．89%、82．72%、69．69%和29．84%、39．15%、31．83%，分層填充模型對COD、TP和TN去除率最高分別能夠達到75．56%、94．92%和80．78%，平均去除率及標準差如圖5所示。方差分析顯示，潛流人工濕地床體結構分層填充后對COD、TP和TN去除率均影響顯著(p＜0．05)。同樣的填充基質材料，按照地下水動力學進行級配分層填充的模型凈化效果遠遠高于混合基質單層填充的模型，而且凈化效果相對穩定。雖然影響水平潛流人工濕地流場分布的因素較多，如植物根系、微生物分布等，但依據基質滲透系數合理分層仍然有較高的去除率，可見利用數值模擬方法進行人工濕地基質結構的優化切實可行。

3結論

利用數值模擬系統ModFlow對潛流人工濕地床體各結構參數進行模擬，基于基質內部流場分布，將床體結構參數進行定量，優化了基質結構。同時根據數值模擬結果構建潛流人工濕地物理模型，針對不同填充方式展小試實驗，通過實驗得出以下結論:(1)根據地下水動力學理論，對人工濕地床體的長寬比例、基質填充厚度進行規范，優化了潛流人工濕地的設計方案。按照基質填料的滲透系數進行合理的分層填充能夠改善流場分布，在大量模擬實驗的基礎上歸納總結出來相應的基質級配通用公式，根據實際需要可以設計出相應的填充方案，便于潛流人工濕地的推廣應用。(2)通過凈化效果對模擬結果進行驗證，當HRT為36h時，分層填充方式的模型對COD、TP和TN的平均去除率分別為64．89%、82．72%和69.69%，去除率遠高傳統填充方式及隨機的分層填充方式。證明了ModFlow數值模擬對潛流人工濕地工藝的設計具有指導意義。運行過程中發現，7、8月份期間因植物生長茂盛，植株間距過小，需要進行部分收割處理。但是該實驗只進行了小試實驗，對于大型潛流人工濕地的應用效果還有待驗證。

作者：丁彥禮 何珊 宋志鑫 白少元 解慶林 游少鴻 單位：桂林理工大學 廣西礦冶與環境科學實驗中心 廣西環境污染控制理論與技術重點實驗室