人工濕地基質(zhì)填料研究進(jìn)展

張新蓮 李林

摘? ?要：基質(zhì)是人工濕地重要組成成分，大多數(shù)污染物去除過(guò)程發(fā)生在基質(zhì)填料層中。同時(shí)，基質(zhì)也緊密聯(lián)系著植物與微生物兩大部分，為其生長(zhǎng)提供附著面。因此，基質(zhì)在人工濕地去除污染物的過(guò)程中起著核心作用。本文從基質(zhì)針對(duì)不同污染物的去除機(jī)理、基質(zhì)組合級(jí)配以及基質(zhì)堵塞等方面論述目前研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：人工濕地? 基質(zhì)? 去除機(jī)理? 堵塞? 研究進(jìn)展

中圖分類(lèi)號(hào)：X703? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）01（b）-0118-02

人工濕地功能組成部分包括有基質(zhì)、植物、微生物三大部分。其中，基質(zhì)擔(dān)任著凈化水體、為植物提供生長(zhǎng)載體以及提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，為微生物提供依附面，為水體流動(dòng)提供良好的水力傳導(dǎo)性等作用。它既是聯(lián)系植物與微生物的紐帶、也是植物與微生物發(fā)揮作用的基礎(chǔ)以及濕地發(fā)揮良好水力傳導(dǎo)性的重要條件。部分研究認(rèn)為，大部分的污染物去除過(guò)程都發(fā)生在基質(zhì)填料層中，且影響基質(zhì)功能作用的因素有外部因素和內(nèi)部因素兩個(gè)方面。外部因素為進(jìn)水的有機(jī)負(fù)荷、水力負(fù)荷、水中碳氮比、溶解氧含量;內(nèi)部因素包括其本身物化性質(zhì)：粒徑、機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)組成成分、孔隙度、含水率等。丁海靜在研究基質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)人工濕地運(yùn)行性能的影響分析中用示蹤實(shí)驗(yàn)證明：多層基質(zhì)結(jié)構(gòu)人工濕地比單層基質(zhì)人工濕地有延緩系統(tǒng)堵塞、提高污染物去除效果的功能[1]。

1? 基質(zhì)本身理化性質(zhì)對(duì)污染物凈化影響分析

不同基質(zhì)理化性質(zhì)不同，導(dǎo)致上面附著的微生物膜的種類(lèi)、生物活性、生物數(shù)量和掛膜速度也不盡相同。因此，基質(zhì)在凈化效果和水力傳導(dǎo)性、使用周期上也不同。

基質(zhì)通過(guò)物化作用與生化作用去除污染物，在影響其去除效果的諸多理化性質(zhì)中，孔隙率與粒徑大小直接影響基質(zhì)對(duì)以COD、SS為代表的水體污染物的去除。粒徑越小，越有利于微生物掛膜，因?yàn)槠浠|(zhì)相對(duì)表面積越大，微生物膜可以附著的面積越大，在理論意義上其凈化效果越好。但是粒徑小影響其水力傳導(dǎo)性，更容易形成進(jìn)水短流，形成濕地死水區(qū)，從某種意義上也會(huì)降低基質(zhì)凈化能力。在趙林麗等的研究中，對(duì)于COD的去除中，不同粒徑沸石（1～2mm、2～4mm、4～8mm）和無(wú)煙煤（2～4mm、3～5mm、6～8mm）均表現(xiàn)為大粒徑優(yōu)于小粒徑，且不同粒徑之間在0.05水平上差異性顯著，礫石去除能力則為4～8mm>8～16mm>2～4mm[2]。因此，基質(zhì)粒徑大小對(duì)水中污染物凈化效果的影響并不是如一些文獻(xiàn)講述的粒徑越小，去除效果越好這么絕對(duì)。除上述水力條件外，選擇合適的粒徑大小要綜合考慮濕地水力傳導(dǎo)性要求、進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷、水力負(fù)荷等因素。需要去除的常規(guī)污染物除了COD、SS外，還有氮和磷。基質(zhì)脫磷的機(jī)理有基質(zhì)的攔截過(guò)濾沉淀、物理化學(xué)吸附、離子交換以及微生物轉(zhuǎn)化等。因此，可以從元素含量上面考慮基質(zhì)選擇或者基質(zhì)改性，來(lái)增強(qiáng)對(duì)水體污染物的去除。

病原微生物在人工濕地中的去除分為攔截與消亡兩種途徑。與基質(zhì)相關(guān)的為攔截過(guò)程。人工濕地主要通過(guò)吸附作用去除微生物，影響因素包括基質(zhì)種類(lèi)、粒徑大小以及孔隙率等物化性質(zhì)。其中不同填料對(duì)病原微生物的去除有顯著性差異[3]。部分研究認(rèn)為粒徑小、比表面積大的基質(zhì)有利于病原微生物的去除，但有些實(shí)驗(yàn)證明結(jié)果相反。目前，雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)病原微生物進(jìn)行了大量研究，但對(duì)其去除機(jī)理、時(shí)空分布以及與其他污染物的相關(guān)性等方面仍有很大的研究空間。

2? 基質(zhì)組合與級(jí)配

在人工濕地填料的選配中，根據(jù)待處理水質(zhì)的主要特征污染物，可恰當(dāng)選擇不同的填料組合方式。基質(zhì)的選擇有兩方面：一是根據(jù)水質(zhì)處理目標(biāo)篩選相應(yīng)的基質(zhì);二是科學(xué)的基質(zhì)級(jí)配對(duì)于水質(zhì)凈化的高效性。

由于單一基質(zhì)在濕地運(yùn)行過(guò)程中很容易因?yàn)樘峁┧l件單一和基質(zhì)吸附過(guò)程中有機(jī)物沉積而形成濕地死水區(qū)，導(dǎo)致濕地使用周期短，因此大多數(shù)濕地采用多種基質(zhì)級(jí)配組合的方式。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)不同基質(zhì)粒徑、滲透系數(shù)、水力傳導(dǎo)率等理化性質(zhì)上的差異，合理的搭配組合不同基質(zhì)可以提高濕地的使用周期以及凈水能力。而基質(zhì)搭配組合除了針對(duì)去除目標(biāo)篩選合適基質(zhì)種類(lèi)之外，還需要考慮各種基質(zhì)填料用量比，如表1所示。

但需要注意的是，針對(duì)使用何種基質(zhì)、如何組合配置等技術(shù)和方式尚沒(méi)有統(tǒng)一，在未來(lái)的研究中仍需探索人工濕地工程建設(shè)中基質(zhì)應(yīng)用的科學(xué)化、規(guī)范化。

3? 基質(zhì)吸附飽和與濕地堵塞

濕地堵塞是人工濕地技術(shù)目前遇到的難題之一。調(diào)查研究成果表明，有大概50%的垂直流人工濕地在投入五年內(nèi)遇到不同程度的堵塞。人工濕地堵塞后會(huì)造成濕地滲透率降低、水力傳導(dǎo)性降低、處理效果下降以及運(yùn)行壽命縮短等問(wèn)題。進(jìn)水大多滯留在濕地表面，隔絕氧氣通向濕地內(nèi)部，不僅造成濕地環(huán)境惡化還大幅度降低凈水效果。因此人工濕地能否長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)鍵在于濕地基質(zhì)堵塞的防治。

濕地堵塞的原因可能有進(jìn)水預(yù)處理不到位、進(jìn)出水不合理、水力負(fù)荷以及有機(jī)負(fù)荷過(guò)大、基質(zhì)選擇不合理（孔隙率變化大，含水率高）等。除此之外還有人工濕地設(shè)計(jì)不合理、運(yùn)行不善、運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等因素都可能導(dǎo)致濕地堵塞。這些因素輕則影響基質(zhì)層滲透效果，重則導(dǎo)致淤堵。對(duì)于基質(zhì)堵塞有前期預(yù)防以及后期治理。前期預(yù)防包括：進(jìn)水預(yù)處理（格柵處理或沉淀池），合適基質(zhì)合理級(jí)配，濕地局部增氧（設(shè)置富氧通氣管），調(diào)節(jié)進(jìn)出水方式等，后期治理對(duì)于小型濕地可定期更換堵塞嚴(yán)重基質(zhì)層或藥物沖洗，大型濕地可耙松濕地表面增強(qiáng)通氣。除此之外間歇性進(jìn)水、停床休作或輪休都可以緩解基質(zhì)堵塞。其中這些因素中，關(guān)于基質(zhì)重點(diǎn)討論的就是合適基質(zhì)選擇以及級(jí)配問(wèn)題。

理論上雖然可以用大粒徑基質(zhì)來(lái)提高水力傳導(dǎo)率，但不利于基質(zhì)掛膜，也不利于植物根系生長(zhǎng)。除了考慮選用基質(zhì)的粒徑以外，可以在基質(zhì)填料中增加一些水力條件良好的基質(zhì)來(lái)有效緩解濕地堵塞。

4? 結(jié)語(yǔ)

總而言之，選擇機(jī)械強(qiáng)度合適以及水力條件良好的基質(zhì)并進(jìn)行合理的搭配組合對(duì)緩解濕地堵塞有著重要作用。由于關(guān)于濕地方面的研究大多是以黑箱或灰箱模式進(jìn)行，在進(jìn)行濕地模型的試驗(yàn)時(shí)，可以增加示蹤劑追蹤來(lái)探究濕地內(nèi)部堵塞發(fā)生情況，來(lái)為積極采取經(jīng)濟(jì)有效的解決措施提供科學(xué)的理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 丁海靜，丁彥禮，游俊杰.基質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)人工濕地運(yùn)行性能的影響分析[J].水處理技術(shù)，2018（12）：91-95.

[2] 趙林麗.人工濕地不同基質(zhì)和粒徑對(duì)污水凈化效果的比較[J].環(huán)境科學(xué)，2018（9）：4236-4241.

[3] 陳迪，鄭祥，魏源送，等.4種人工濕地填料的f2噬菌體吸附特性[J].環(huán)境科學(xué)，2013（10）：3904-3911.