輪休對垂直流人工濕地堵塞恢復的影響及其動力學特性

唐 平，項澤順，于博海，周永潮

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輪休對垂直流人工濕地堵塞恢復的影響及其動力學特性

唐 平1，項澤順1，于博海2，周永潮2※

（1. 杭州電子科技大學材料與環境工程學院，杭州 310007；2. 浙江大學建筑工程學院市政工程研究所，杭州 310007）

人工濕地是一種常見的污水處理技術，但一直受到不可避免的堵塞問題的困擾。該研究主要以不同堵塞現象下的垂直流人工濕地模型為對象（可溶性有機物堵塞，不溶性有機物堵塞，加入抑菌劑的不溶性有機物堵塞），在輪休操作下持續測量不同時期孔隙率與滲透系數變化情況，研究3種堵塞類型的恢復規律，并對其動力學進行分析。試驗結果表明在相同輪休期下，生物膜堵塞和有機顆粒堵塞恢復效果較為明顯，其中，可溶性有機物堵塞、不溶性有機物堵塞裝置分別輪休至第9天、第20天后基本達到較好的恢復狀態，當輪休時間足夠充分，這2種堵塞類型基本可以恢復至正常狀態。其中可溶性有機物堵塞恢復速度最快，其次是不溶性有機顆粒堵塞。并在規律研究基礎上，進一步推導了2種堵塞類型的滲透系數恢復的動力學。研究同時發現，輪休操作對無機顆粒類堵塞基本沒有恢復效果。

濕地；動力學；堵塞；垂直流人工濕地；輪休

0 引 言

人工濕地是近幾十年發展起來的一種新型污水處理技術，它結合了自然濕地處理污水的特點，利用自然生態系統的物理截留、生物降解等方式處理污染物，使水質得到改善。然而，根據USEPA（美國環保署，U.S. Environmental Protection Agency）對投入使用的100多個人工濕地調查發現，約有一半的人工濕地會在運行5 a內產生各種堵塞現象[1]。Mucha等[2]通過研究Kickuth型濕地的坡面流，發現濕地在運行12 a后的內部多孔介質發生堵塞。中國早期建立的一些人工濕地也產生不同程度堵塞[3]。濕地堵塞過程，其實是濕地填料內有效孔隙減少，滲透系數逐漸降低的過程，該過程將導致水力停留時間縮短，出現表面流，短流等問題，從而嚴重降低濕地凈化能力，甚至出現積水、惡臭等現象，影響周圍生態環境[4]。因此，開展濕地堵塞防控措施的研究意義重大。

針對人工濕地填料堵塞問題，國內外學者對堵塞預防及滲透系數恢復方式開展了大量研究。現有的堵塞防控措施主要有2類，一是堵塞預防手段，目的是延緩或者盡可能減少濕地的堵塞；二是采用恢復性手段，使濕地恢復至堵塞前狀態，實現正常運行。預防性措施一般包括適當的管理措施[5]、水力負荷控制[6]、進水前處理或者改變濕地的運行條件[7]。Huang等[8]通過優化復合垂直流濕地結構和工藝，使濕地的使用壽命增加至原有系統的2.77倍。吳振斌等[9-10]針對濕地的易堵塞位置設計了補水反沖裝置和回流補水裝置，從而有效預防堵塞。恢復手段主要可分為替換污染的填料；挖出、清洗并回用污染的填料；直接向填料中加入氧化劑；以及生物恢復法等。Platzer等[11]研究發現在濕地運行期間，濕地中積累的有機物大部分集中在表層，堵塞主要發生在上層0～15 cm處，定期更換濕地系統基質，特別是表層填料，可以有效防止濕地表層堵塞，保證人工濕地的持續穩定運行。Batchelor等[12-13]在一個實際的水平潛流人工濕地中應用了間歇運行和輪休的方法，結果表明濕地表面的堵塞物質減少，濕地滲透系數得到了一定程度的恢復。Hua等[14]通過模擬試驗將HCl、NaOH、NaClO分別加入到垂直流濕地中用以去除堵塞物質，分別恢復了基質15%、18%和23%的有效孔隙空間，取得了較好的處理效果。Mulligan等[15-16]研究生物表面活性劑在土壤有機污染修復中的影響，發現生物表面活性劑可以提高生物對低濃度有毒污染物降解有效性。Li等[17]使用了一種新型濕地堵塞恢復方法：投加蚯蚓等微型動物，可以清通基質并清除基質表面的有機沉淀物，從而使人工濕地基質的水力傳導性能得到恢復。

但是，更換填料、添加氧化劑等方式或成本高、或影響處理安全。輪休作業是連續流人工濕地通過周期性人為停止進水，使其滲透系數逐漸恢復的運行方法。該操作成本較低，不會破壞濕地，是一種緩解人工濕地堵塞經濟有效的方式[18-19]，也是國內目前應用較多的一種堵塞防控手段。然而，目前針對輪休操作下人工濕地滲透系數的恢復規律，特別是不同堵塞類型下恢復規律的研究仍有待深入。為此，本研究以葡萄糖溶液、淀粉懸濁液和淀粉抑菌劑混合懸濁液3種進水的人工濕地的堵塞為研究對象，分別模擬生物膜堵塞、有機顆粒堵塞與無機顆粒堵塞現象，通過輪休操作，分析研究滲透系數的恢復規律，在此基礎上，結合生物內源呼吸和底物降解動力學，探討人工濕地的滲透系數恢復的動力學規律。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

本試驗裝置采用的是豎向潛流式人工濕地，裝置放置于一個透光避雨平臺上。裝置為有機玻璃加工，直徑為30 cm，裝置的底部有10 cm用來填裝卵石（粒徑3～5 mm），填料層高50 cm，填料為石英砂（粒徑：1～2 mm），分別編號1、2、3，依次模擬可溶性有機物堵塞，難溶性有機物堵塞，無機顆粒物堵塞，如圖1所示。在裝置的側面設有5個測壓管，分別設置在10、20、30、40、50 cm處，這些測壓管將填料分為5層，由上至下分別標注為Q1、Q2、Q3、Q4、Q5。由于Q1層變化較大，該層又進一步細分為Q1′和Q1′′兩層。填料部分進行避光處理，防止光照對濕地內部造成影響。

裝置運行過程采用飽和進水方式，底部采用卵石填充保證出水均勻。裝置頂部設有溢流口，保證進水水位恒定，溢流的水重新流入攪拌桶，每個攪拌桶獨立運行，從而保證每個試驗裝置的水力停留時間和水力負荷相同。

1.測壓管 2.石英砂 3.溢流口 4.卵石 5出水口 6.輸水管 7.攪拌桶 8.攪拌槳

1.Piezometric tube 2.Quartz sand 3.Overflow holes 4.Pebble 5.Outlet 6.Water pipe 7. Mixing tank 8.Mixing propeller

注：Q1~Q5為填料分層的所對應的編號，Q1′和Q1′′為Q1的細分層編號。

Note: Q1-Q5 are the no. of filling material layer, Q1′ and Q1′′ are the hierarchy no. of Q1.

圖1 試驗裝置圖

Fig.1 Scheme of experimental setup

1.2 濕地的堵塞

3個試驗裝置運行前狀態一致，均種植相同大小植株的菖蒲。裝置1進水為葡萄糖溶液，模擬純生物膜堵塞；裝置2進水淀粉懸濁液，模擬不溶性有機物堵塞；裝置3進水為含有抑菌劑的淀粉懸濁液，消除微生物作用影響，模擬無機顆粒物的堵塞。

3種進水的COD質量濃度均為200 mg/L。淀粉懸浮顆粒的粒度分布為0.1=8.8m，0.5=15.2m，0.9=26.1m。

裝置組裝完成后，對植物進行一個月的培養，然后連續運行2個月，運行參數見表1。

表1 運行參數

根據Tong等[20]的研究，當水流滲透系數達到1.61×10-3cm/s時，濕地可定義為堵塞。以此為標準，裝置運行2個月后，1、2號均達到堵塞程度，裝置3滲透系數趨于穩定，具體如表2所示。

表2 各裝置堵塞時間與累積表面負荷

1.3 裝置輪休

在3個裝置運行至堵塞末期，采用閑置輪休的方式使其慢慢恢復。考慮到過度輪休會導致人工濕地產生一系列問題，因此輪休將液位控制在距離濕地表面下方20 cm處，以保證其不會因干化裂隙。堵塞層主要分布在0～15 cm，因此輪休運行時將原水液位下降至Q2層底部，除測量孔隙率與滲透系數外，不再對裝置進水，停止運行一定時間。

1.4 滲透系數測定

本研究采用達西公式來測定滲透系數。測定方法是通過測定裝置2個測壓管的液位差，再使用達西滲流公式得出兩者之間的滲透系數，如式（1）所示。

式中是填料的飽和滲透系數，m/d；A是過流面積，m2；是流量，m3/d；是2個測點的水平距離，m；Δ表示2個測壓管的液位差，m。

1.5 孔隙率與恢復率測定

孔隙率是指濕地內部空隙空間占濕地總體體積的比例。測量方法是在濕地處于飽和的情況下，排空內部液體，測量其體積，從而計算其內部孔隙率。孔隙率測定的頻率與滲透系數測定的頻率保持一致。分層測定濕地內的孔隙率，測量方法參照Zhao等[21]的方法，具體步驟是先讓濕地處于飽和狀態，然后打開出水口進行排水并收集，通過觀察測壓管的水位來確定排水結束的時間。之后，將排出的水在電子秤上進行稱量，測定排出水的質量，經換算可以得到排出水的體積。最后，裝置孔隙率可以用各層排出水的體積除以相對應的填料的填充體積來得到。恢復率指不同輪休時間下，孔隙率或滲透系數與輪休前的孔隙率或滲透系數的百分比。

2 結果與討論

2.1 生物膜堵塞的恢復規律分析

裝置1在輪休期中，滲透系數、孔隙率的恢復與輪休時間的關系如圖2所示。裝置輪休至第9天后，各層滲透系數均發生了明顯的變化，堵塞得到了明顯的恢復（圖2a）。在該過程中裝置滲透系數恢復率隨輪休時間呈增加趨勢（圖2b）。孔隙率的恢復率也同步隨停水時間的增大呈線性增加，之后逐漸趨于穩定（圖2c和2d）。

裝置1的各層的滲透系數及恢復率呈現了不同的規律。輪休期后，Q1′層的滲透系數最終逐步上升到0.65 cm/s左右，與輪休前相比提高了500～600倍。Q1′′層的滲透系數，最后穩定在0.75 cm/s左右，與輪休前相比提高了數十倍。Hua等[13]通過對堵塞后人工濕地進行輪休10 d，頂層（0～20 cm）滲透系數只達到初始階段的3倍，這主要是由于適當降低水位以后，增加了上層填料孔隙內堵塞物質與空氣的接觸，生物膜的內源呼吸將更為徹底。因此，適當降低水位的輪休在滲透系數恢復方面具有更好的優勢。Q2層的滲透系數也呈現逐步增大并于第9天恢復穩定在1.2 cm/s左右，與輪休前相比提高了數十倍。Q3、Q4和Q5層的滲透系數變化較小，最后穩定在1.8～2.0 cm/s，恢復率位于100%～350%之間。因此，對于生物膜堵塞的情況，如果采取輪休操作，濕地可以得到極大地恢復，尤其是堵塞最嚴重的Q1、Q2層，滲透系數恢復效果非常明顯。

如圖2c和2d所示，隨著輪休時間增加，裝置1各層的孔隙率及其恢復率呈現了與滲透系數類似的變化規律。輪休期達到9 d后，Q1、Q2、Q3層的空隙率得到了很大的提高，分別達到了初始值的27%、32%、36%，恢復率均達到90%以上。Q4、Q5則由于前期堵塞較弱，孔隙率的變化不大。

由圖2可推測，裝置1堵塞主要是生物膜生長導致內部孔隙空間發生變化造成的。而對于進水中主要以溶解性有機物為主的人工濕地，孔隙間的堵塞物主要是生物膜及其胞外聚合物等外聚物組成[22]，在輪休期由于處于貧養環境，生物膜開始消耗胞外聚合物或內源呼吸，因此，濕地開始進入了內源呼吸階段，在這個階段，濕地自身的營養物質被消耗降解，內部總生物量也開始逐漸減少[13-24]，孔隙率得以恢復，從而填料床內滲透系數逐漸提高。生物的內源呼吸可以用活性污泥模擬的一級動力學方程來進行描述[25]。

式中是生物膜的量，g；是時間，d；是微生物的衰減速率。

在輪休期內，濕地滲透系數的恢復主要是內部生物膜的內源呼吸作用，因此，輪休期孔隙率的恢復動力學可通過生物膜內源呼吸動力學推導。

圖2 可溶性有機物堵塞情況下滲透系數和孔隙率及其恢復率隨輪休時間的變化（1號裝置）

Clement[26-27]等在多孔填料堵塞研究的基礎上，得到了滲透系數與生物量之間的關系式，在輪休期，濕地中滲透系數與生物膜量之間的關系可推導如下

式中K為滲透系數；0表示初始滲透系數；n表示固體顆粒表面微生物所占的體積分數；表示總體積；0表示初始孔隙率；0表示初始生物膜總量；表示生物膜干質量與濕質量之比。

根據式（2）、式（3）、式（4），可得濕地滲透系數恢復動力學如式（5）所示。

式（5）中生物膜量的變化可根據濕地孔隙率的變化推算[28]。由于生物膜一般含水率在90%以上，可以假定生物膜密度為1.0 g/cm3。以生物量較豐富的Q1、Q2、Q3為對象，將生物量的變化與輪休時間分別點繪在圖上，以Clement推導式以及動力學方程對生物降解量與滲透系數變化進行動力學分析，如圖3所示，推導的動力學變化較為符合實測趨勢。

2.2 不溶性有機物堵塞的恢復規律

裝置2在輪休期中，滲透系數與孔隙率的恢復與輪休時間的關系如圖4所示。如圖4a和4c所示，該裝置的滲透系數和孔隙率恢復較可容性有機物類型堵塞慢，在輪休了1個月的時間后，才逐漸趨于穩定。在前20 d中，裝置2滲透系數恢復率隨時間呈線性增加，且由圖4c可知，在輪休期內Q1和Q2孔隙率的恢復隨時間也呈線性增加，之后逐漸趨于穩定。

如圖4a所示，Q1′層的滲透系數，在輪休一段時間后，逐漸穩定在1.2 cm/s左右，為試驗裝置進水運行前滲透系數的46%左右，與輪休前相比提高了約3 000倍。Q1″層的滲透系數，最后穩定在1.0 cm/s左右，為試驗裝置進水運行前滲透系數的35%左右，與輪休前相比提高了120倍左右。Q2層的滲透系數，最后穩定在1.25 cm/s左右，為試驗裝置進水運行前滲透系數的37%左右，是輪休前的3～4倍。Q3、Q4和Q5層的滲透系數，在整個輪休操作期間，變化較小，最后穩定在1.7～2.3 cm/s，恢復率位于100%～130%之間。因此，通過觀察該裝置各層滲透系數在輪休期的恢復規律，可以發現在輪休時間足夠的情況下，該裝置的滲透系數變化非常大，而且能夠基本恢復至裝置進水運行前的滲透系數，但與生物膜的堵塞裝置相比較慢，需要的輪休時間也較長。

如圖4c和4d所示，經過一段輪休期后，裝置1的孔隙率及其恢復率也發生明顯的變化。與輪休前相比，Q1、Q2、Q3層的孔隙率得到了很大的提高，分別達到了20%、29%、96%，恢復率達到77%、80%、96%。Q4、Q5則由于前期堵塞較弱，孔隙率的變化不大。

圖4 不溶性有機物堵塞情況下滲透系數和孔隙率及其恢復率隨輪休時間的變化（2號裝置）

李懷正等[23]對于濕地堵塞中不可過濾物質分析可知，輪休階段中濕地內部有機物質減少較快，而裝置2產生堵塞主要由于高濃度有機物積累，并在微生物作用下形成致密的黏性網狀結構所致，在輪休期中，微生物繼續分解孔隙中截慮的有機物，使得空隙逐漸增大，滲透系數得到恢復。因此，對于進水中主要以不溶性有機物為主的堵塞類型，滲透系數的恢復動力學可以根據高濃度有機物降解動力學進行推導。

高濃度有機物降解過程可以使用莫諾特微生物生長模型描述。根據莫諾特方程[29]，可以推導得到底物的降解速率和底物之間的關系，如下式所示

式中是底物濃度，mg/L；是時間，d；max是底物的最大比降解速率，d-1；K是飽和常數，mg/L；是微生物量，mg/L。

裝置2的主要堵塞物質為淀粉，相比于裝置1，由于有機質含量較高，且主要集中在上層，因此可假設Q1層處于高濃度底物條件下，即>>，上式簡化為

因此，可以表明在這種情況下，底物以恒定速率降解，裝置內的淀粉所占體積與時間的變化呈線性變化。

Plazer等[11]曾通過研究滲透系數和堵塞物量之間的關系，得到經驗公式，如式（8）所示。

=0·exp(?·S) （8）

式中是濕地的滲透系數，cm/s；0是濕地的初始滲透系數，cm/s；S是濕地的累積去除量，g/m2；是描述濕地堵塞趨勢的參數，m2/g。

結合上式，滲透系數恢復動力學方程可推導如下：

根據式（9）得到動力學變化曲線，如圖5所示，理論推導的滲透系數恢復過程與實際變化基本一致。

2.3 無機顆粒堵塞恢復規律研究

圖6a和6b描述裝置3滲透系數及其恢復率隨輪休時間的變化，圖6c和6d描述裝置3孔隙率及其恢復率的隨輪休時間的變化情況。經過一段時間輪休后，與前2個裝置相比，裝置3基本可以看作未恢復，由此輪休操作對裝置3滲透系數恢復效果不大。Hatt等[30]研究也認為泥沙等細小的無機顆粒隨著污水進入基質中，決定了人工濕地的使用壽命。由此可見由于生物膜產生的堵塞更加容易在輪休操作下恢復，無機顆粒物產生的堵塞無法通過輪休操作得到有效控制。

圖6 無機顆粒物堵塞情況下滲透系數和孔隙率及其恢復率隨輪休時間的變化（3號裝置）

3 結 論

通過對比3種不同人工濕地堵塞現象下，輪休操作后堵塞的滲透系數和孔隙率的恢復規律及恢復動力學分析，可以得到以下結論：

1）在濕地輪休期中，除了無機顆粒物堵塞的裝置，可溶性有機物和不溶性有機物2個裝置的堵塞都出現了十分顯著的恢復，分別在第9天和第20天恢復至較好狀態。當輪休時間足夠長時，這2個裝置的滲透系數和孔隙率可以基本恢復到模型裝置運行前的狀態。其中，生物膜類型的堵塞恢復時間較有機顆粒類的堵塞短。然而輪休操作在實際應用中，應結合人工濕地實際連續運行情況、基質滲透系數恢復目標等因素，合理確定輪休時間。

2）溶解性有機物產生堵塞的人工濕地，滲透系數的恢復主要是由于微生物內源呼吸導致，該類型堵塞下滲透系數的恢復動力學可根據內源呼吸動力學推導。不溶性有機物產生的堵塞，在輪休期滲透系數的恢復是因為微生物將填料內截慮的有機物進一步降解導致，因此，該類型堵塞的滲透系數恢復動力學可根據莫諾特方程進行推導。

3）由于無機顆粒在填料床內產生的堵塞無法通過微生物作用或內源呼吸進行降解，因此，無機顆粒物類型的堵塞無法通過輪休操作恢復滲透系數。

雖然輪休操作可以提高濕地的滲透系數，但輪休后，由于生物量的減少以及不均勻裂隙的出現，的確有可能出現進水短路、處理效率下降等問題。但由于傳統示蹤方法僅能間接測出短路與死水分布情況，無法發現細小滲流路徑的改變，本課題組將進一步深入研究此問題。

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Effect of resting operation on recovery of clogging and its dynamics for virtual flow constructed wetlands

Tang Ping1, Xiang Zeshun1, Yu Bohai2, Zhou Yongchao2※

(1.,,310007,; 2.,,,310007,)

Constructed wetlands (CWs) have been used in wastewater treatment. To understand the characteristic and the dynamics of the recovery of different clogging types forvirtual-flowconstructed wetland (VFCW), three vertical flow constructed wetlands (VFCW), fed glucose solution (bed1), starch suspension with (bed2) and without bacteriostat (bed3) were used to simulate different types clogging (clogging caused by biofilm, insoluble organic matter, and inert organic matter). The hydraulic conductivity and porosity of three VFCWs were measured regularly during the resting operation. The results indicated that the clogging caused by biofilm and organic matters can be recovered through applying resting operation. After resting for 15 days, the hydraulic conductivity recovery rate of the upper layer for bed 1 reached 500-600, and its hydraulic conductivity stabilized at 0.65cm/s. The recovery rate of lower layer (Q3, Q4 and Q5) decreased due to its higher initial value of hydraulic conductivity. The change of porosity had the same rulers.The main reason of clogging recovery of bed 1 were as follows: 1) the EPS was decreased, which made the biofilm became small and dispersive; 2) microorganisms enter an endogenous respiration state due to the short of nutrients, and endogenous respiration involves consumption of cell-internal substrate, which led to a loss of activity and slightly reduced biomass. Thus, the recovery dynamic can be deduced based on the rule ofendogenous respiration rate. The result showed that the theoretical value and the measured value were in good agreement. For bed 2, the hydraulic conductivity increased greatly in the first 20 days of resting operation, and then stabilized at 1.2 cm/s. its recovery rate was more than 3000. Similarly, the hydraulic conductivity recovery rates of Q3, Q4 and Q5 decreased gradually. After the resting operation, the porosity of Q1, Q2 and Q3 increased greatly, and it reached 20%, 29%, 96% of the initial porosity. The porosity recovery rate reached 77%, 80%, 96% respectively. During the resting operation, the trapped particles were decayed in a humid environment, and the porosity of bed 2 increased greatly during the first 12 days resting. After later resting operation, with organic particles decay, the particles’ bridging collapsed, which made the hydraulic conductivity of bed 2 increased greatly.Therefore, based on theorganic compound biodegradation, its hydraulic conductivity recovery dynamics can be deduced. The result showed that the theoretical value and the measured value were in good agreement. The recovery of clogging caused by biofilm and organic matters respectively can be complete basically after resting operation for 9 and 20 days, respectively. The recovery of clogging caused by biofilm was much faster than that of clogging caused by insoluble organic matters. In the actual operation, the resting time should be considered according to the target of recovery rate and the condition of continuum running. On the other hand, it was also found that the clogging caused by inert particles can’t be recovered through applying resting operation,which implies that clogging by inert particles is difficult to recover through applying resting operation.

wetlands; dynamics; clogging; virtual-flow constructed wetland; resting operation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.029

TU998

A

1002-6819(2017)-20-0234-07

2017-05-14

2017-10-10

國家水體污染控制與治理重大專項（2011ZX07301-004）

唐 平，女，博士，山東滕州，副教授，主要從事城市固體廢棄物與水環境方面研究。Email：tpshe@163.com

※通信作者：周永潮，浙江紹興人，副教授，博士，主要從事城市排水與水環境方面研究。Email：zhoutang@zju.edu.cn

唐 平，項澤順，于博海，周永潮. 輪休對垂直流人工濕地堵塞恢復的影響及其動力學特性[J]. 農業工程學報，2017，33(20)：234－240. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.029 http://www.tcsae.org

Tang Ping, Xiang Zeshun, Yu Bohai, Zhou Yongchao. Effect of resting operation on recovery of clogging and its dynamics for virtual flow constructed wetlands[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(20): 234－240. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.029 http://www.tcsae.org