潛流人工濕地堵塞測量技術概述

王乾　李鋒民　唐燎　杜姍

【摘 要】人工濕地經過幾十年的發展，在近些年得到了越來越多的關注并且應用廣泛。但潛流人工濕地在使用幾年后，隨著堵塞物質的積累量增多在使用一定時間后往往會發生的填料堵塞問題。潛流人工濕地填料堵塞會導致水力條件變差、處理效果變差，滲透系數降低，造成堵塞床體癱瘓，水體無法進入填料當中，無法發揮人工濕地凈化水質的作用，這使人工濕地床體的有效利用率降低并且使用壽命縮短。針對潛流人工濕地填料易堵塞的問題，分析研究濕地填料堵塞問題以及堵塞程度的測量以期為人工濕地的維護與管理提供技術支持。

【關鍵詞】人工濕地；填料堵塞；處理效果變差；維護與管理

濕地是有水、永久性或者間歇性處于水飽和狀態下的基質及水生植物和微生物等組成、具有較高生產力和較大活性、處于水陸交接相的復雜的生態系統[1-2]。人工濕地是一個用作污水處理、經過工程化的設計建造的濕地系統。人工濕地利用物理、化學、生物協同作用完成污水的處理過程，相比與自然濕地，人工濕地的去污效果得到了強化。并且人工濕地也具備自然濕地的生態修復的功能，不僅能在降解污染物、調節氣候發揮很大的作用，還能吸收溫室氣體凈化空氣和通過植物吸收一些重金屬離子。目前人工濕地被廣泛應用于生活污水、工業廢水等，應用前景較好。

人工濕地主要包括植物、填料、微生物三個部分，通過物理、化學、生物作用凈化污水。其中微生物通過微生物的代謝作用，植物通過根系吸收，填料吸附截留去除污染物，但人工濕地長期的使用過程中，隨著生物膜和植物根系的殘渣在填料中的積累或者設計管理不善，往往會造成濕地填料的堵塞，并且造成濕地填料滲透系數的逐漸下降[3]。濕地堵塞經常表現為濕地表面污泥堆積，表面溢流，濕地植物長勢差，雜草眾生，進而影響濕地的使用效果和使用壽命，Cooper研究了255個英國的潛流人工濕地，發現其中幾乎30%的潛流人工濕地的大部分床體發生了表面溢流，超過50%的濕地至少有四分之一的床體表面溢流，而且在進水口發現了大量的污泥[4]。本文簡述堵塞發生的原因，并分析現有人工濕地堵塞測量的方法。

1 人工濕地的堵塞問題

造成人工濕地堵塞的發生的原因較多機制也較復雜，總得來說，堵塞的發生主要是由于污水處理過程中積累的物質和其他的一些操作原因。通常來說，水力負荷的大小決定濕地堵塞物質的量和成分，造成堵塞的物質是由無機物和有機物組合成的含水率很高的污泥（通常含水率大于70%）。污水處理過程中積累的有機物和無機物是外部的負荷和內部的負荷構成的，外部的負荷主要來源是進水當中一些有機物和無機物以及進水中一些離子發生化學沉淀積累而成的，內部的負荷是由微生物量增加，生物膜變厚，植物的根系和碎屑[5]，床體中自帶一些有機無機物和部分填料被侵蝕成小顆粒造成的。濕地堵塞的發生實際上就是濕地床體中有效空隙率降低（>10um）的過程[17]，而造成濕地填料滲透系數降低[6]。

2 潛流人工濕地堵塞測量方法

人工濕地測量方法近些年也得到了一些發展，方法也較多，但大都處于研究階段，目前應用較好的有以下3種方法。

2.1 滲透系數法

滲透系數法是根據滲透系數的大小來反應堵塞程度，即滲透系數小，堵塞程度高。滲透系數的是根據達西定律以及質量守恒來測得的。具體的計算如下，可以通過測定濕地床內多個點的水力梯度，然后再根據達西定律計算這些點之間的平均水力傳導系數：

上次是滲透系數法的基本原理，之后經過推導和發展，垂直方向上的滲透系數可以通過變水頭法測得，主要測試的步驟為：（1）直接測量某一深度的滲透系數K1，然后將這個位點之上的填料全部移除，再用相同的方法測下一個深度的滲透系數K2；（2）也可以不用移走填料，直接測量兩個深度的滲透系數K1和K，然后利用一下公式推倒出K2位點的滲透系數：

滲透系數法是應用最好的堵塞測量方法，并且有配套的設備，可以測量具體位點的堵塞程度，但這種方法也有明顯的缺點，比如工作量大，需要侵入濕地對濕地造成損害，難反應濕地堵塞的整體程度。

2.2 示蹤劑法

使用示蹤劑法可以追蹤反應到因潛流人工濕地的填料堵塞而發生的濕地的水流狀態的變化。在濕地發生堵塞時，濕地內部會產生很多的分流，水力短路，由于示蹤劑可以在濕地內部檢出，因此示蹤劑法可以分析找到分流以及短路的情況，掌握濕地的水力狀況分析濕地的堵塞程度[8]。

示蹤劑法的方法也較為簡單，利用投加某種示蹤劑在濕地中，利用配套的設備在投加示蹤劑后的一個水力停留時間內，一般為幾天，連續測量人工濕地中的示蹤劑含量。目前應用較多的示蹤劑的材料有鹽類和羅丹明。鹽類價格便宜，性質比較穩定，適合于較大型的人工濕地，并且鹽類比較適合于礫石填料的人工濕地，而目前我國人工濕地的填料大部分都是礫石，主要是由于礫石對鹽類的吸附性能較差，對示蹤劑的檢出影響較小，但投加鹽類后會對濕地中的離子平衡造成一定的影響。羅丹明示蹤劑也經常應用與人工濕地中，尤其是較小型的人工濕地，并且羅丹明示蹤劑相對于一些常規示蹤劑，毒性低易分解，二次污染小，能保護濕地的生態效益。

2.3 堵塞物質的特性分析

堵塞物質特性分析主要包括以下幾種：積累的固體的分析測定；濕地床體的孔隙率測定；原位測定分析填料的電磁特性和堵塞物積累之間的關系。

通過將濕地中多孔填料中積累的固體定量分析是一種測量濕地堵塞的方法。這個方法的步驟是先采移動量的填料，清洗出堵塞物質從填料中，然后在105℃烘干至橫重，再在600℃下灼燒可以得出樣品中的有機物量。最近已經有很多研究使用這種方法定量分析濕地的堵塞程度。

堵塞物質的特性分析除了以上一些基本的分析外，一些其他技術也被應用進來，比如無線電波以及核磁共振的技術。探底雷達利用無線電波在穿過濕地時無線電波的能量衰減量的差異，從而得到相應的濕地衰減圖像，但堵塞物質的含量并沒有與電波圖具體的聯系。核磁共振技術時利用核磁共振探測器測量濕地的堵塞[9]。傳感器能探測不同的能量關系比如水和有機物或者無機物的量，使得能夠探測濕地堵塞物質的量，并且這些參數與滲透系數的關系已經在實驗室中被證實。這些新興的技術由十分好的應用前景，但目前的研究還較少。

3 問題與展望

目前針對潛流人工濕地的堵塞的測量方法主要有這三種，其中滲透系數法應用發展相對較成熟，但該方法也具有明顯的缺點，該方法未考慮水平方向的滲透系數，并且需要對侵入人工濕地的床體對人工濕地造成損害。示蹤劑法可以反應濕地的整體堵塞程度，但周期長。堵塞物質特性分析，其操作分析過程也較繁瑣，相對來說，應用發展前景較好的是核磁共振法，并且目前已經有了一些進展，日后可以利用核磁共振探針做原位測量濕地堵塞程度。

【參考文獻】

[1]夏漢平.人工濕地處理污水的機理與效率[J].生態學雜志，2002，21（4）：51-59.

[2]Constructed wetlands for wastewater treatment：municipal，industrial and agricultural[M].CRC Press，1989.

[3]Li F，Lu L，Zheng X，et al.Enhanced nitrogen removal in constructed wetlands：effects of dissolved oxygen and step-feeding[J]. Bioresource technology， 2014， 169：395-402.

[4]于濤.潛流型人工濕地堵塞機制及其模型化[J].環境科學與技術，2006，29（6）：74-76.

[5]Knowles P，Dotro G，Nivala J，et al.Clogging in subsurface-flow treatment wetlands：occurrence and contributing factors[J]. Ecological Engineering， 2011，37（2）：99-112.

[6]K J Winter，D G..The impact of sewage composition on the soil clogging phenomena of vertic alflow constructed wetlands.Wat.Sci.Tech， 2003， 48（5）：6[Z].

[7]NAVFAC，1986.Soil Mechanics.Naval Facilities Engineering Command（NAVFAC）， Alexandria，Virginia[Z].

[8]Kadlec RH.S Wallace.Treatment wetlands. 2008： CRC press[Z].

[9]Morris R H，Newton M I，Knowles P R，et al.Analysis of clogging in constructed wetlands using magnetic resonance[J]. Analyst， 2011， 136（11）： 2283-2286.

[責任編輯：楊玉潔]