人工濕地系統堵塞的預防與恢復

倪 政，王翠紅 ，謝可軍 ，郭 琪 ，于青漪 ，宋 楠

（1.湖南農業大學資源環境學院，湖南 長沙 410128；2.湖南省農業資源與環境保護管理站，湖南 長沙 410005）

人工濕地是指利用基質、水生植物與微生物模擬自然濕地，并通過物理、化學及生物等方法凈化污水的一類設施[1]，目前已廣泛應用于我國鄉村地區分散式的污水凈化處理中，在一定程度上解決了我國農村生活污水隨意排放而造成的環境污染問題[2]。影響濕地系統長期穩定運行的關鍵是系統內部的堵塞問題[3]。該研究從人工濕地堵塞的可能原因、系統恢復及預防等方面進行了綜述，以期為提高人工濕地設施的功效及其保持長期穩定運行提供指導。

1 人工濕地堵塞的可能原因

人工濕地堵塞的實質是有效孔隙率減小的過程，主要與基質層中不可濾物質的大量積累和滲透系數明顯減小[4]有關，具體可以歸納為無機物堵塞、有機物堵塞、微生物與水力負荷的影響等4個方面。

1.1 無機物堵塞

1.1.1 較小粒徑填料基質的截留 人工濕地的重要組成部分是填料基質，其粒徑大小直接決定了基質孔隙容積。一般來說，基質粒徑越小，其堵塞的可能性越大。葉建峰[5]的研究表明，在0.5 m3/（m2·d）水力負荷條件下，采用單一粒徑為1.25～5 mm、5～10 mm和10～15 mm 3種高爐渣基質作填料柱，運行一個半月后，基質堵塞全部發生在1.25～5 mm的高爐渣層。

1.1.2 懸浮顆粒物的濃度和負荷的影響 懸浮顆粒物作為人工濕地系統中的重要物質，能顯著增加基質的掛膜能力，起到去污強化的效用，但較高濃度或較大負荷的懸浮物，尤其是含有不可降解有機物的懸浮物，卻可能增加濕地的堵塞。Bouwer等[6]的研究表明，對于二級處理出水，懸浮物＞10 mg/L將會造成嚴重的堵塞，人工濕地進水懸浮物最大負荷為8 g/（m2·d）；而Siegrist R L[7]及付貴萍等[8]認為進水懸浮物最大負荷分別為10～20 g/（m2·d）、11 g/（m2·d）。

1.1.3 其他化學反應物質的沉積 一方面可能由于人工濕地中的填料基質孔隙間產生了某些化學物質，它們沉積或沉降從而造成堵塞，如污水中的硅和石灰石、礫石層分解的鈣等產生易堵塞的無機凝膠體；另一方面可能與堿性水環境下Ca2+發生沉積造成堵塞有關。

1.2 有機物堵塞

有機物長時間的積累會增加有機負荷及微生物代謝量而導致基質孔隙減小，從而引發濕地處理效果下降、運行壽命縮短等問題。

1.2.1 有機負荷的影響 有機負荷越大、填料滲透系數越小，則堵塞越嚴重[9]。Platzer等[10]研究發現，在濕地基質的堵塞中有機負荷的影響比進水有機物濃度的影響更大，建議人工濕地的有機負荷

COD宜小于25 g/（m2·d）；Leak[11]認為濕地系統有機物積累到一定程度，特別是平衡之后，沉積在基質表面的有機物會形成一層黑色粘膜，這些物質沉積在孔隙內會導致孔隙的內部堵塞。

1.2.2 植物殘留物的影響 濕地植物的殘留物和分解產物是濕地系統有機物質的重要來源。

Nguyen[12]研究表明，濕地基質填料頂部10 cm厚度內密集的植物根系會明顯限制水的滲透，這些根部物質腐爛后導致有機物的大量積累，加重濕地的淤堵；莫鳳鸞等[13]通過種植弊草和水蔥發現，濕地基質的滲透性還與植物的種類密切相關。

1.3 微生物影響

微生物對堵塞的影響目前有兩種不同的解釋：一種認為與微生物過量生長積聚造成直接堵塞[13-14]有關；另一種認為微生物不易導致堵塞。何江濤等[15]根據濕地細菌總數計算微生物生長所占據的孔隙體積百分數，結果表明，1 g土樣中的總孔隙體積為146.79 mm3，孔隙度為39.5%，細菌所占孔隙體積的百分數僅為0.213%。目前該方面的相關研究資料較少，作用機理有待于進一步研究。

1.4 水力負荷影響

水力負荷是單位體積或單位面積基質每天可以處理的污水量，它是影響人工濕地基質堵塞的一個重要因素。一般來說，水力負荷越大，污染物的量就越大，則基質間截留的污染顆粒物越多，從而造成人工濕地基質堵塞的可能性越大。

2 人工濕地堵塞的恢復

2.1 基質的清洗或更換

濕地堵塞恢復最徹底的方法是清洗或更換基質填料，包括系統的表層清淤和濕地系統的翻床處理等，周期性更換表層填料可以大大改善濕地的堵塞程度。葉建鋒等[16]發現距布水管下10~20 cm處是濕地堵塞層的主要分布區；Platzer等[10]的研究結果表明，填料堵塞層主要發生于填料表層15 cm以內。

2.2 濕地系統停床休作

濕地輪休被公認是防治人工濕地堵塞的最有效措施，即對同一級濕地進行周期性間隙使用，以保證濕地系統功能的修復。間歇時間越長則基質處理能力恢復得越好，其滲透速率也越大；但是間歇時間不能無限延長，應同時考慮處理效率和處理負荷，常用的落干/投配周期比為1/8[17]。Balks等[18]發現屠宰廢水灌溉基質因產生大量胞外多糖而堵塞基質孔隙，胞外多糖經23~50 d的干化可完全降解。

2.3 曝氣運行

厭氧狀態是土壤中胞外聚合物積累的重要條件，對污水進行曝氣充氧可以起到一定的預防基質堵塞作用[19]。對污水進行曝氣，可以提高污水中的溶解氧，使土壤微生物新陳代謝活性提高，有機質中間代謝產物量降低，因而基質的堵塞情況可得到一定程度的緩解[3]。

3 人工濕地堵塞的預防措施

在濕地系統的運行管理及工藝設計中可采取適當措施預防濕地堵塞的發生。目前國內外主要的預防措施有：加強預處理系統的作用，選擇合適的基質和濕地植物，采用適宜的水力負荷、人工濕地布水方式及人工濕地填料級配組合等。

3.1 加強預處理系統的作用

3.1.1 生物法預處理 生物預處理法是利用生物的代謝作用處理各種廢水，大致分為厭氧處理法和好氧處理法兩類。

周興偉等[20]采用生物絮凝與三級人工濕地組合工藝處理高濃度生活污水，該系統的預處理集水解酸化、生物絮凝及沉淀為一體，去除有機物的能力較高。試驗表明，COD、銨態氮和總磷的去除率分別為93.5%、67.6%和79.6%，其中預處理池去除率分別為62.5%、12.5%和10.1%；盧建等[21]通過水解酸化/生物接觸氧化處理系統降低后續人工濕地的進水負荷，減少了后續濕地的堵塞風險。

3.1.2 物理化學法預處理 生物不可降解的懸浮物在人工濕地中長期積累，這是導致基質堵塞的重要因素。經過物理的前處理，能夠有效降低懸浮物和有機質的總量。張偉進[22]通過曝氣處理人工濕地廢水，增加了濕地基質含水量和基質孔隙率，試驗結果表明，未曝氣濕地與曝氣濕地基質孔隙率相差最大達到5%。王磊等[23]采用低溶解氧接觸氧化對滇池入湖污染河水進行預處理，降低了后續濕地的堵塞風險。熊佐芳等[24]通過增加導氣的方式解決堵塞問題，結果表明，系統在低水力負荷下運行時，自然導氣對基質堵塞有顯著的改善作用，而在較高水力負荷1.2m3/（m2·d）下運行時作用不明顯。

3.2 選擇合適的基質

3.2.1 基質的顆粒大小 基質顆粒的大小具有兩方面的作用，較大的粒徑基質可以有效地防止堵塞發生；但因減少了有效表面積和縮短了水力停留時間，所以明顯降低了凈化效果。莫鳳鸞等[13]將原濕地中的0～4 mm沙子基質更換成4～8 mm和8～16 mm的碎石基質，成功地解決了原系統基質堵塞問題。

3.2.2 基質的種類和性質 人工濕地的基質及組合選擇有很多種，但是由于每種基質的化學性質不同，因而對污水的處理能力也不相同。張翔凌等[25]研究結果表明，當水力負荷為1.0～2.5 m3/（m2·d），選用礫石、沸石、無煙煤、頁巖、蛭石、陶瓷濾料、高爐鋼渣、圓陶粒作基質材料，污水采用連續式投配時，無煙煤、圓陶粒、沸石的去除效率最好；朱夕珍等[26]的研究表明，污水采用間歇式投配，選用石英砂、煤灰渣和高爐渣作基質時，煤灰渣去除有機污染物和總磷最佳，高爐渣去除污水中總磷和總氮最佳，石英砂水力負荷最高，不容易形成堵塞；王媛媛等[27]研究表明，采用間歇式投配，選用沸石、草炭、蛭石、頁巖、砂子作基質時，草炭去除污染物的效果最佳。

3.3 選擇合適的濕地植物

濕地植物的選擇要考慮兩個因素：一是植物的種類篩選，二是植物種植密度的控制[28]。應選用根際復氧能力強、分泌難降解物質較少的植物品種，合理種植，定期收割植物的地上部分。徐德福等[29]認為，在蘆葦、美人蕉、茭白、黃花鳶中以蘆葦最佳；王全金等[30]研究表明，在薏苡、風車草、茭白和美人蕉中，以茭白、美人蕉最佳。魏成等[31]研究表明，不同的植物組合即混合種植模式能提高人工濕地系統對污染物的凈化效率和增加效率的穩定性。

3.4 采用適宜的水力負荷

當水力負荷超過人工濕地的承載能力時，微生物將大量生長造成堵塞。熊佐芳等[32]研究結果表明，同一季節間歇式投配，設計水力負荷為0.3~1.2 m3/（m2·d）時，以0.6～0.9 m3/（m2·d）水力負荷為最佳；朱文玲等[33]研究結果表明，同一季節間歇式投配，設計水力負荷為0.2~1.0 m3/（m2·d）時，以0.8 m3/（m2·d）水力負荷為最佳；聶志丹等[34]在不同季節連續式投配，設計水力負荷為0.5~1.5m3/（m2·d），結果以0.8 m3/（m2·d）水力負荷為最佳；汪俊三等[35]在不同季節連續式投配，設計水力負荷為0.8~1.0 m3/（m2·d），結果以1.0m3/（m2·d）水力負荷為最佳。

3.5 采用適宜的人工濕地布水方式

有效的布水方式能夠增加水體和基質的接觸面，延長水體和基質及植株的反應時間。從水力學上講，布水流程短、阻力小，將降低堵塞的幾率。潘珉等[36]對滇池湖濱福保人工濕地采取大斷面、短流程、管道布水的方式進行布水，水平潛流停留時間為17 h，水力負荷為0.79m3/（m2·d）；改造后的人工濕地污水處理量為4 000m3/d，垂直潛流停留時間為11.7 h，水力負荷為1.57 m3/（m2·d）；改造運行1 a后，主要污染物去除率由30%增加到80%，而有效孔隙率、滲透系數與建成初期沒有明顯變化。

3.6 采用適宜的人工濕地填料級配組合

不同級配組合即正級配（上部填充小粒徑基質，下部填充大粒徑基質）和反級配（上部填充大粒徑基質，下部填充小粒徑基質）條件下濕地處理效果有明顯區別。王榮等[37]研究了兩種級配垂直流人工濕地，比較了COD、TN、TP、NH4+-N去除效率的變化，結果表明，在高水力負荷0.9 m3/（m2·d）和高有機負荷707.69±94.45mg/L運行條件下，反級配系統在保證主要污染物有較高凈化效率的同時，能有效地減緩系統的堵塞過程。Zhao等[38]研究了將小試裝置內上層4.4±1.5mm粒徑的基質與中層9.8±2.7mm粒徑的基質互換，結果發現在保證處理效果的同時，反級配人工濕地在延緩基質堵塞方面有明顯的優勢。

4 研究展望

人工濕地系統靈活性好、去污能力較強，日漸被大眾所接受。提高該項技術普及率的主要限制因素是堵塞問題。從目前已有資料來看，該項技術由于成本高、工作量大及其帶來的二次環境污染等問題，至今沒有一套操作簡單、切實可行的解決辦法。隨著科技水平的不斷提高，人工濕地系統設計日益完善，堵塞問題將得到解決，這對于全面推廣應用該項技術顯得尤為重要。在防止人工濕地系統堵塞問題上應重點加強以下3方面的研究：

（1）提高人工濕地進水的預處理能力，降低濕地入水有機物或懸浮物的濃度，減小濕地有機負荷。

（2）在保證一定去污率的前提下，加強對不同級配條件濕地填料配比度的研究，減緩人工濕地的堵塞。

（3）加強濕地植物組合種植模式的研究，提高人工濕地系統對污染物的凈化效率和增加效率的穩定性。

[1] 許春華，周 琪，宋樂平.人工濕地在農業面源污染控制方面的應用[J].重慶環境科學，2001，23（3）：70-72.

[2] 吳振斌，詹德昊，張 晟.復合垂直流構建濕地的設計方法及凈化效果[J].武漢大學學報（工學版），2003，36（1）：12-16，41.

[3] 雷 明，李凌云.人工濕地土壤堵塞現象及機理探討[J].工業水處理，2004，24（10）：9-12.

[4] 朱 潔，陳洪斌.人工濕地堵塞問題的探討[J].中國給水排水，2009，25（6）：24-28.

[5] 葉建峰.垂直潛流人工濕地中污染物去除機理研究[D].濟南：同濟大學，2000.

[6] Bouwer H,Rice R C,Lance JC,et al.Rapid-infiltration research at Flushing Mead-onus project，Arizona[J].JournalWater Pollution Control Federation,1980,52:2457-2469.

[7] Siegrist R L.Soil clogging during subsurface wastewater infiltration as affected by effluent composition and loading rate[J].Environ.Qual,1987,16（2）:181-187.

[8] 付貴萍，吳振斌，張 晟，等.構建濕地堵塞問題的研究[J].環境科學，2004，25（3）：144-149.

[9] 詹德昊，吳振斌，徐光來.復合垂直流構建濕地中有機質積累與基質堵塞[J].中國環境科學，2003，23（5）：457-461.

[10]Platzer C，Mauch K.Soil clogging in vertical flow reed beds：mechanisms，parameters，consequences and solutions[J].Water Science Technology，1997，35（5）：175-181.

[11]Leak.Wastewater engineering design for unsewered[J].Water pollute control fed，2002，44：532-535.

[12]Long M.Nguyen.Organic matter composition，microbial biomass andmicrobial activity in gravel-bed constructed wetlands treating farm dairy waste waters[J].Ecological Engineering，2000，16（2）：199-221.

[13]莫鳳鸞，王 平，李淑蘭，等.人工濕地系統的維護[J].云南環境科學，2004，23（B04）：5-8.

[14]張之崟，雷中方.土壤滲濾法工藝運行中的主要問題及其緩解方案[J].環境科學與管理，2006，31（5）：41-43.

[15]何江濤，馬振民，張金炳，等.污水滲濾土地處理系統中的堵塞問題[J].中國環境科學，2003，23（1）：85-89.

[16]葉建鋒，徐祖信，李懷正.垂直潛流人工濕地堵塞機制：堵塞成因及堵塞物積累規律[J].環境科學，2008，29（6）：1508-1512.

[17]高拯民，李憲法.城市污水土地處理利用設計手冊[M].北京：中國標準出版社，1991.

[18]Balks M R，Malay C D A，Hare foot C G.Determination of the progression in soilmicrobial response and changes in soil permeability following application ofmeat processing effluent to soil[J].Applied Soil Ecology，1997，6：109-116.

[19]張 建，邵長飛，黃 霞，等.污水土地處理工藝中的土壤堵塞問題[J].中國給水排水，2003，19（3）：17-20.

[20]周興偉，張 勤.“生物絮凝+三級人工濕地”組合工藝處理小城鎮高質量濃度生活污水[J].市政技術，2008，26（6）：517-519.

[21]盧 建，楊 揚，尹振娟，等.生物法-人工濕地組合工藝處理小城鎮混合污水研究[J].環境工程學報，2010，4（6）：1262-1266.

[22]張偉進.濕地內部曝氣對出水水質改善及堵塞防治研究[D].重慶：重慶大學，2011.

[23]王 磊，李文朝，柯 凡，等.低氧接觸氧化/微曝氣人工濕地工藝凈化污染河水[J].中國給水排水，2008，24（5）：22-26.

[24]熊佐芳，冼 萍，周云新，等.自然導氣措施對垂直流人工濕地堵塞的影響[J].中國給水排水，2011，27（13）：34-36.

[25]張翔凌，張 晟，賀 鋒，等.不同填料在高負荷垂直流人工濕地系統中凈化能力的研究[J].農業環境科學學報，2007，26（5）：1905-1910.

[26]朱夕珍，崔理華，溫曉露，等.不同基質垂直流人工濕地對城市污水的凈化效果[J].農業環境科學學報，2003，22（4）：454-457.[27]王媛媛，張衍林.人工濕地的基質及其深度對生活污水中氮磷去除效果的影響[J].農業環境科學學報，2009，28（3）：581-586.[28]王圣瑞，年躍剛，侯文華，等.人工濕地植物的選擇[J].湖泊科學，2004，16（1）：91-96.

[29]徐德福，李映雪，方 華，等.4種濕地植物的生理性狀對人工濕地床設計的影響[J].農業環境科學學報，2009，28（3）：587-591.

[30]王全金，李 麗，李忠衛.四種植物潛流人工濕地脫氮除磷的研究[J].環境污染與防治，2008，30（2）：33-36.

[31]魏 成，劉 平.人工濕地污水凈化效率與根際微生物群落多樣性的相關性研究[J].農業環境科學學報，2008，27（6）：2401-2406.

[32]熊佐芳，周云新，冼 萍，等.水力負荷對垂直流人工濕地堵塞影響研究[J].水處理技術，2011，37（7）：34-38.

[33]朱文玲，鄭離妮，崔理華，等.不同碳氮比條件下4種可控因素對垂直流人工濕地總氮去除的影響[J].農業環境科學學報，2010，29（6）：1187-1192.

[34]聶志丹，年躍剛，李林鋒，等.水力負荷及季節變化對人工濕地處理效率的影響[J].給水排水，2006，32（11）：28-30.

[35]汪俊三，覃 環.高水力負荷人工濕地處理富營養化湖水[J].中國給水排水，2005，21（1）：1-4.

[36]潘 珉，李 濱，馮慕華，等.潛流式人工濕地基質堵塞問題對策研究[J].環境工程學報，2011，5（5）：67-70.

[37]王 榮，賀 鋒，肖 蕾，等.不同級配基質方式下垂直流人工濕地凈化效果及滲透性能研究[J].農業環境科學學報，2010，29（5）：969-975.

[38]Zhao Y Q,Sun G,Allen S J.Anti-sized reed bed system for animal waste water treatment：Commiserative study[J].Water Res，2004，38（12）：2907-2917.