人工濕地堵塞成因及解決措施初探

劉曉鵬 姚芳 王夢菲 谷鵬 凌源

（鄭州大學水利與環境學院河南鄭州450001）

1 人工濕地的概述

人工濕地是人工建造的、可控制的工程化濕地系統，可通過物理、化學和生物三重作用優化污（廢）水處理。但是從工程實踐來看，人工濕地如果運行時間過長、設計或管理不善，很容易造成堵塞問題。美國環保局調查發現有一半的人工濕地運行5年后形成堵塞[1]。中國華容縣斥資千萬建造的環境工程也是由于堵塞問題而變成了臭水塘，人工濕地堵塞后不僅影響美觀，滋生蚊蠅，而且還影響出水水質，使過濾后的水質難以達標，人工濕地也就失去了實際價值。

2 人工濕地的堵塞成因

2.1 固體顆粒累積

諸多堵塞問題研究表明，固體顆粒物中有機質和無機質積累是導致垂直潛流人工濕地填料堵塞的主要原因[2-4]。葉建鋒等認為填料層中不可濾物質的積累是垂直流人工濕地堵塞的主要成因，不可濾物質由不可濾無機物和不可濾有機物組成[5]。

2.2 填料選擇不合適

一般礫石和土壤或砂構成填料層應用在潛流人工濕地中，另外適當的填料級配可以有效減少各種污染物，同時有效緩解堵塞。Y.Q.Zhao等發現，反級配人工濕地可以有效延緩填料堵塞[6]。填料層是濕地系統的核心，直接影響濕地對污染物的去除效率和填料層的堵塞。

2.2.1 礫石填料

雖然解決水力傳導率較低的問題可以采用大粒徑的礫石，但是這樣不利于微生物的掛膜生長，同時對植物根系的生長和蔓延也不利。因此，選擇合適的填料粒徑需要綜合考慮進、出水水質和預防填料堵塞的影響。

2.2.2 土壤填料巖石和粘土過多不利于大多植物的生長，適當的土壤填料是必要的，另外，植物在過酸或過堿的土壤中也不能正常吸收營養物質，因此選擇適當的土壤填料對于緩解人工濕地堵塞十分重要。

2.2.3 砂填料

在復合垂直流人工濕地中采用了直徑為2—5mm的砂粒，試驗中未發生填料堵塞現象[7]。粒徑較小的填料可以為微生物提供了更多的附著面，但會截留大量污染物，從而導致堵塞。

2.2.4 其他填料

在國內外，一些通透性好、比表面積大、具有吸附能力的多孔填料得到了廣泛的應用。爐渣、活性炭、高爐鐵渣、碎玻璃、鐵礦石等都可以作為人工濕地的填料進行試驗研究和工程應用。

2.3 運行方式不科學

濕地填料中的溶解氧濃度決定于濕地的運行方式，長時間的連續進水會使系統的填料層一直處于還原狀態，而間歇性運行則有利于濕地復氧。相關研究表明，厭氧條件會加速系統的堵塞，因而間歇進水方式和適當的濕地干化期能夠較好的緩解濕地系統堵塞問題。

2.4 植物配置不合理

研究表明，濕地植物有助于緩解填料堵塞。植物可以使濕地填料孔隙率普遍提高3%—44%，表明根系穿透填料的過程中具有良好的疏通作用[8]。但是，根系的過度發達會橫向壓實填料，因此他們認為植物起到了一定的防堵塞作用。有些學者認為濕地植物釋放較多的有機物會加速濕地系統的堵塞，所以為了緩解人工濕地堵塞問題，應該選用適宜的濕地植物。

2.5 微生物胞外聚合物蓄積

研究發現，微生物代謝產生的胞外聚合物引起土壤堵塞。該物質降解所需時間較長，一般需要23-50d，易在土壤間隙大量積聚而造成堵塞[9]。

3 人工濕地堵塞的解決措施

3.1 強化預處理

預處理工藝一方面可以節流和去除懸浮物，另一方面可通過降解有機污染物，減輕濕地系統處理負荷，提高污水的可生化性，實現出水水質優良且穩定的效果。

3.1.1 生物法預處理

周興偉等采用三級人工濕地與生物絮凝組合工藝處理小城鎮高濃度生活污水，該系統的預處理及生物絮凝、水解酸化及沉淀為一體，有較高的去除有機物能力[10]。其中，預處理池對COD、N、P去除率相對較高。這表明預處理對有機物的去除起主要作用，從而減緩了人工濕地堵塞的發生。

生物接觸氧化主要依靠調料上附著的生物膜降解污水中的污染物，王鑫等采用以生物接觸氧化法為預處理工藝的地下滲濾系統來處理沈陽大學新校區的生活污水，出水水質達到《城市污水再生利用景觀環境用水水質》要求[11]。

3.1.2 物理化學法預處理

混凝沉淀是預處理人工濕地進水最常用的物化方法，將絮凝劑投加到污水中，可以去除水中難降解的SS。諶偉等采用硅藻土和助凝劑復配對滇池濕地系統入水進行預處理[12]。研究結果表明，硅藻土的處理效果良好，且當硅藻土的投加量為40mg/l、PAM投加為0.3mg/l時，出水SS可達到一級B（20mg/l）的水平，從而減輕了后續濕地的堵塞壓力。

3.2 優選填料

3.2.1 選擇合適的填料粒徑

粒徑較大的填料可以有效地防止堵塞的發生，但過大的粒徑會縮短水力停留時間，因此需要慎重選擇粒徑大小，濕地填料粒徑的分布對濕地中的空隙體積和水流模式有決定性作用，分層鋪設的填料每層應力求勻，如果大小顆粒摻雜會減小填料孔隙率，影響水流分布，改變水力學狀態，影響填料的滲透性能，進而影響去除效果。

3.2.2 多種填料的組合配置

多種填料材料的合理搭配可以整體提高人工濕地填料層的去污能力。在不同深度布置不同類型的填料，有利于不同填料發揮不同的處理效力，利用組合填料達到全面凈化污水中各種污染物的效果。另外，采用反配比模式對填料進行配置，不僅可以提高污水處理效率，還可以減緩堵塞。

綜合考慮濕地運行的各種影響因素，可以得出初步的結論：無煙煤、沸石、生物陶粒可作為高效的垂直流人工濕地填料；鋼渣、蛭石、陶瓷濾料可作為垂直流人工濕地的輔助填料[13]。

3.2.3 定期更換濕地表層填料

人工濕地中有機物的積累主要發生在表層，有機質積累對水力傳導性和凈化效果均有一定影響。因此定期更換濕地表層填料可以防止濕地表層的堵塞，但對大規模的濕地而言，其工程量過大。

3.3 優化運行方式

3.3.1 間歇運行

適當的濕地干化期和間歇運行，會使填料得到“休息”，避免胞外聚合物的過度積累，可防止填料堵塞[14]。人工濕地的處理能力恢復與間歇時間是成正比的，但間歇時間不能無限延長，應考慮濕地處理效率和處理負荷。研究表明，夏季適宜的恢復時間為10天，冬季為20天。目前，國內外的很多國家十分重視間歇運行方式。

3.3.2 預曝氣充氧

研究表明，對污水進行預曝氣充氧也可以起到一定的預防堵塞作用。污水在滲透過程中其DO值會迅速降低，對污水進行預曝氣充氧，可以維持填料中的好氧狀態，使微生物的分解作用得以維持，同時還可以防止填料中胞外聚合物的蓄積[15]。

3.3.3 改變布水方式

對濕地采用大斷面、短流程、管道布水的方式進行布水，使進水與所有填料全面接觸，實現凈化植物與填料的有機結合，最大限度地減輕填料堵塞隱患。

3.4 合理配置植物

3.4.1 根據氣候因素配置植物

植物對污水的凈化能力受季節性影響，冬季時生命活動降低，對污水的凈化效果下降，夏季時新陳代謝旺盛，對污水的凈化效果好。因此，應根據本地區的氣候特點合理配置植物，在溫度比較高的地區配置一些喜溫植物，在冬季，可以選擇一些常綠植物，增強人工濕地的凈化能力，同時也增加人工濕地的景觀效果。

3.4.2 根據人工濕地類型和填料配置植物

填料的理化性質影響了植物的生長、微生物活性，最終影響人工濕地的凈化能力，填料的選擇比較廣泛，然而各種材料的理化性質差異比較大，不同的植物適合于不同的物理化學環境，所以應根據材料的理化性質配置植物。除此之外，還應根據不同的人工濕地類型而配置植物，如表面流人工濕地可配置沉水植物。

3.5 施用微生物抑制劑或溶菌劑

微生物代謝過程中產生的胞外聚合物會堵塞填料孔隙。據研究表明，在進水中添加5%的次氯酸鈉以殺死細菌并溶解胞外多糖，可以完全恢復填料的水力傳導能力。但人工濕地處理工藝主要依靠微生物的代謝活動去除污染物質，所以處理微生物時需慎重。

3.6 其他方面分析

3.6.1 局部翻洗濕地填料

有些人工濕地運行一段時間后出現了堵塞問題，對于這些濕地系統，可以運用局部翻洗濕地填料的方法處理，垂直流濕地可挖去表層30cm濕地填料，清洗或更換后回填，水平潛流濕地可以順水流方向翻洗首部受淤堵部分濕地床填料，對大型濕地而言，更換填料的工程量過大，可以采取定期耙松濕地表面的方式改善通透性濕地植物也需拔除及復植，并進行適當改造。

3.6.2 自然導氣措施

對于緩解垂直流人工濕地的堵塞問題，自然導氣措施具有較好的效果，對去除氨氮的影響尤為突出。鄢璐等的研究表明，隨著供養的進行消化菌的繁殖加快，數量增長迅速，活性增強，促進消化作用的進行[16]。自然導氣有利于復氧作用，使填料中微生物的氧化能力增強，進而使胞外聚合物的蓄積速度較緩慢，這樣可以延長垂直流人工濕地的運行時間，但改善效果受水力負荷的影響較大，當水力負荷（<0.9m3/(m2·d)）時對填料堵塞的改善作用明顯，但在高水力負荷下其影響有限。

3.6.3 投加蚯蚓

土壤動物在分解有機物中也起到不可忽視的作用。蚯蚓是土壤中常見的雜食性動物，他在土壤中活動，以土壤為食，在提高填料孔隙率的同時可以降解部分有機物。研究人員將赤子愛勝蚓引入潛流人工濕地進行強化運行發現蚯蚓的覓食活動增強了土壤的透氣性[17]。

3.6.4 日常科學管理

人工濕地雖然是一種生態型的污水處理工藝，但并不是一種“安裝即忘記”（fit-and-forget）的方法，需要進行長期的科學管理[18]。應定期進行預防性檢驗維修，涉及濕地進水口布水、淤泥沉積、出水調控、植物收割等問題，使自然資源和人力資源在得到最佳利用的條件下，采用最有效和最具有操作性的防堵方法和技術。

4 結語

近年來，水污染問題逐漸引起人們的重視，如何快速、經濟、高效地解決水污染問題成為人類重視的問題。人工濕地處理技術的提出和發展，為水處理技術開辟了新的思路。目前，在人工濕地面臨的問題中，以堵塞問題最為嚴重，目前國內外都在積極地研究中，相信在不久的將來，人工濕地將會得到更廣泛的應用。

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