潛流型人工濕地堵塞問(wèn)題研究

陳亞一

摘 要：潛流型人工濕地一旦出現(xiàn)堵塞問(wèn)題，將導(dǎo)致其處理效率降低、使用壽命縮短，進(jìn)而影響該項(xiàng)工藝的運(yùn)行和推廣。該文分析了潛流濕地堵塞的原因，主要由物理、化學(xué)、生物3個(gè)方面造成，且受基質(zhì)、水力負(fù)荷、懸浮物、植物和溫度氧氣的影響;總結(jié)了目前較為常用的防治措施，并對(duì)防堵塞技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：人工濕地;堵塞機(jī)理;防治措施

中圖分類號(hào) X703.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2021）14-0146-03

Study on the Problem of Substrate Clogging in Subsurface Flow Constructed Wetlands

CHEN Yayi

（Shanghai Water Source Construction Development Co.， Ltd.， Shanghai 200082， China）

Abstract： Once the Subsurface flow constructed wetland is blocked， which leads to reduced its treatment efficiency and shortened its service life， and thus hinders the promotion and development of constructed wetland technology. Based on the analysis of the physical， chemical and biological factors that cause the blockage of the submerged wetland， and influenced by the matrix， hydraulic load， suspended matter， plant and temperature oxygen， the paper summarizes the commonly used prevention measures and puts forward the feasible development direction of the plugging prevention technology.

Key words： Constructed wetland; Plugging mechanism; Preventive and control measures

人工濕地在污水處理中，利用基質(zhì)、植物、微生物的物理、化學(xué)、生物三重協(xié)同作用使污水得到凈化。潛流人工濕地通過(guò)管道收布水，填料利用率高，占地面積相對(duì)小，具備很強(qiáng)的處理能力。但該類型濕地較于表流人工濕地也更易出現(xiàn)堵塞問(wèn)題。據(jù)美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，近50%的潛流濕地在5年內(nèi)出現(xiàn)了堵塞情況[1];國(guó)內(nèi)早期設(shè)計(jì)的濕地在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中也出現(xiàn)了堵塞情況，如深圳白泥坑、雁田人工濕地等。

濕地堵塞后孔隙率降低、滲濾速度減緩，水力負(fù)荷減小，來(lái)不及排出的污水由間歇直至持續(xù)壅積在濕地表面，引發(fā)惡臭、滋生蚊蟲(chóng)問(wèn)題，影響環(huán)境衛(wèi)生。壅水還阻隔了基質(zhì)內(nèi)外部交換氧氣，造成系統(tǒng)內(nèi)好氧微生物活性降低，進(jìn)而降低污染物的去除率，使出水無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

人工濕地堵塞問(wèn)題縮短了其使用壽命，不僅造成了資源和土地的極大浪費(fèi)，也制約了濕地工藝的推廣。為此，本文對(duì)人工濕地堵塞的成因和影響因素進(jìn)行了研究，綜述了濕地堵塞防治措施，進(jìn)而為人工濕地堵塞問(wèn)題的解決提供技術(shù)參考。

1 濕地堵塞成因

1.1 堵塞的原因 濕地基質(zhì)孔隙率降低是發(fā)生堵塞的直接原因，主要由物理、化學(xué)、生物3個(gè)方面造成。根據(jù)堵塞物性質(zhì)，可分為不可濾有機(jī)物和不可濾無(wú)機(jī)物2種。有機(jī)物主要來(lái)源于污水和植物根系腐敗物，其次是植物根系及微生物分泌物，隨污水進(jìn)入的有機(jī)物一部分被微生物分解移出系統(tǒng)，難以被生物降解的部分則截留在濕地內(nèi)部并不斷累積，當(dāng)不可濾有機(jī)物質(zhì)量占堵塞有機(jī)物總質(zhì)量的8.74%時(shí)，即出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。Tanner等[2]研究表明，每年植物的生產(chǎn)量達(dá)2.8～3.5kg/m2，植物根系生長(zhǎng)和腐敗會(huì)侵占基質(zhì)孔隙。而無(wú)機(jī)物則是由基質(zhì)與入流不同組分形成難溶性無(wú)機(jī)鹽沉淀物。除此之外，微生物分泌的胞外多聚物形成膠狀淤泥也會(huì)造成濕地堵塞。硫還原細(xì)菌、產(chǎn)甲烷菌及生物脫氮作用產(chǎn)生氣體所形成的包氣帶也可能造成濕地堵塞。堵塞部位減小水力傳導(dǎo)率，改變流場(chǎng)分布，使局部基質(zhì)形成厭氧環(huán)境，有機(jī)物消耗減慢，生物胞外聚合物蓄積速度加快，胞外聚合物與多糖類物質(zhì)、聚脲類物質(zhì)等形成低密度的孔徑為納米級(jí)的凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[3]，吸附水中不同粒徑的懸浮物及膠體物質(zhì)，形成大粒徑絮狀累積物，從而造成有機(jī)及無(wú)機(jī)固體顆粒物質(zhì)的快速累積，從局部堵塞并逐漸惡化為整體堵塞。

1.2 主要堵塞位置 人工濕地嚴(yán)重堵塞的區(qū)域集中在基質(zhì)的上層，其滲透系數(shù)與深度呈正相關(guān)關(guān)系。付貴萍等[4]研究認(rèn)為，填料表層以下15～30cm處基質(zhì)滲漏系數(shù)最小;詹德昊等[5]研究表明，下行池中有機(jī)質(zhì)主要積累在表層0～5cm處;葉建鋒等[6]研究認(rèn)為，垂直流人工濕地的堵塞層發(fā)生在布水管下10～20cm處。

2 堵塞受影響因素

2.1 基質(zhì) 基質(zhì)起到過(guò)濾、吸附、延長(zhǎng)污水流經(jīng)路徑和為微生物提供附著基的作用。選用粒徑較大的材料可以有效防止堵塞，但同時(shí)也減小了有效面積和過(guò)水通道，因此需要平衡凈化效果和防堵塞的需求。除此之外，施工過(guò)程中對(duì)質(zhì)量把控不嚴(yán)，基質(zhì)強(qiáng)度過(guò)低，含粉塵和泥土較多，也極易導(dǎo)致床體板結(jié)堵塞。

2.2 水力負(fù)荷 水力負(fù)荷是人工濕地處理效果的關(guān)鍵因素，決定著水流在系統(tǒng)中的停留時(shí)間、分布狀態(tài)，并間接影響到基質(zhì)內(nèi)部的含氧量。水力負(fù)荷過(guò)高時(shí)，污水停留時(shí)間短，導(dǎo)致污染物負(fù)荷高于微生物的降解礦化能力，有機(jī)物無(wú)法及時(shí)分解;同時(shí)，還易因?yàn)檫^(guò)水能力不足而導(dǎo)致濕地表面雍水，加劇流場(chǎng)分布的不均勻性，最終因污染物質(zhì)的積累造成堵塞。水力負(fù)荷過(guò)低時(shí)，停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，又會(huì)延長(zhǎng)厭氧條件持續(xù)時(shí)間，導(dǎo)致好氧微生物數(shù)量不足無(wú)法快速分解有機(jī)物，結(jié)合基質(zhì)過(guò)濾作用下的無(wú)機(jī)物沉淀，加劇了堵塞情況。水力負(fù)荷有相應(yīng)技術(shù)規(guī)范作指導(dǎo)，一般是在充分考慮水質(zhì)指標(biāo)、基質(zhì)材料的特性和季節(jié)因素的情況下，經(jīng)過(guò)計(jì)算來(lái)確定的。

2.3 懸浮物 不可生物降解的懸浮物和大顆粒懸浮物在基質(zhì)的過(guò)濾作用下累積并沉淀，形成堵塞墊。Winter等[7]研究表明，堵塞物質(zhì)大多由進(jìn)水中COD和直徑大于50μm的懸浮物構(gòu)成。另一些學(xué)者研究表明，懸浮物可使填料孔隙率降低約50%，其中80%由無(wú)機(jī)物構(gòu)成，因此也很難在濕地內(nèi)部經(jīng)由硝化反應(yīng)得到消除。

2.4 植物 植物生長(zhǎng)可吸收污水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，氧氣也可通過(guò)根際作用釋放到基質(zhì)內(nèi)部，對(duì)防堵塞能起到積極效果，但植物殘?bào)w和根系分泌物又是堵塞有機(jī)物的重要來(lái)源之一。Tanner等[8]通過(guò)對(duì)比研究礫石床人工濕地堵塞后基質(zhì)中有機(jī)顆粒累積情況，結(jié)果表明：無(wú)植物的人工濕地有機(jī)物積累量平均為0.4～2.3kg/m2，而種有植物的有機(jī)物累積量平均為4kg/m2。不同濕地植物生長(zhǎng)情況不盡相同，如蘆葦纖維質(zhì)根系發(fā)達(dá)，對(duì)堵塞區(qū)域有更強(qiáng)的穿透性，但蔓延至基質(zhì)深處后難清理;黃菖蒲凈化能力強(qiáng)、景觀效果好，但肉質(zhì)根易腐爛堵塞基質(zhì)，因此需根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的植物。

2.5 溫度和氧氣 溫度高時(shí)會(huì)促進(jìn)濕地內(nèi)微生物增長(zhǎng)，提高污染物質(zhì)降解效率。但溫度過(guò)高也會(huì)導(dǎo)致微生物數(shù)量劇增，其分泌的胞外聚合物和形成的膠裝淤泥會(huì)降低基質(zhì)孔隙率，導(dǎo)致堵塞。溫度過(guò)低時(shí)，微生物活性隨之降低，較低的代謝率導(dǎo)致有機(jī)物無(wú)法及時(shí)消解，形成厭氧環(huán)境后進(jìn)一步抑制硝化反應(yīng)，加快堵塞進(jìn)程。濕地充氧主要依靠大氣復(fù)氧和植物根系傳輸。氧氣的增多能促進(jìn)生化反應(yīng)的進(jìn)行，使污染物得到充分降解，減少在基質(zhì)中的積累。但通過(guò)降解污染物而獲得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)使微生物菌膠團(tuán)得以大量繁殖，并在基質(zhì)中不斷積累，引起生物原因的堵塞。

3 濕地堵塞防治措施

潛流濕地的堵塞問(wèn)題，涉及規(guī)劃設(shè)計(jì)、中期施工和后期的養(yǎng)護(hù)。堵塞一旦形成，必然需要花費(fèi)巨大的財(cái)、物、人力去解決問(wèn)題，從而造成極大的資源浪費(fèi)。因此，必須以預(yù)防為主，盡可能在設(shè)計(jì)時(shí)考慮濕地堵塞風(fēng)險(xiǎn)，在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中避免堵塞擴(kuò)大。

3.1 預(yù)處理措施 濕地前端增加預(yù)處理措施可大大避免濕地堵塞情況發(fā)生，尤其是來(lái)水SS過(guò)高時(shí)，通過(guò)設(shè)置沉淀池、格柵、氧化塘等可最大程度減少進(jìn)入濕地的懸浮物質(zhì)。污水處理廠尾水中SS較低，可直接通入濕地，但處理SS含量大于100mg/L的污水時(shí)，宜設(shè)置沉淀池使污水停留4～6h以上。在濕地設(shè)計(jì)中，處理河道水時(shí)設(shè)置8mm人工格柵即可有效減少進(jìn)入濕地的懸浮物質(zhì)。此外，還可選用免維護(hù)中（5～6mm）+細(xì)（2～3mm）轉(zhuǎn)鼓格柵或其他機(jī)械格柵進(jìn)行攔截。

3.2 基質(zhì)選擇及填裝 基質(zhì)特性如孔隙率、酸堿度、滲透系數(shù)等都會(huì)影響污水的處理效果。在潛流濕地中，通常根據(jù)布水層、收水層和主體層選用不同級(jí)配和材料的基質(zhì)組成復(fù)合床體，以達(dá)到更高的處理效率并減少堵塞情況發(fā)生。莫鳳鸞等研究發(fā)現(xiàn)，用大粒徑碎石代替小粒徑沙子后可解決濕地堵塞問(wèn)題。葉建鋒等[3]研究發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)粒徑為5～10mm時(shí)濕地不會(huì)出現(xiàn)雍水情況。在水平潛進(jìn)出水區(qū)布設(shè)3m長(zhǎng)40～60mm礫石可大大減少濕地內(nèi)部堵塞。此外，一些新型材料如源于農(nóng)林秸稈等生物質(zhì)發(fā)電的副產(chǎn)品加工而成的生物質(zhì)填料，孔隙率大于50%，比表面積大于5m2/g，具有更高的吸附性和絮凝絡(luò)合作用的同時(shí)，也不易堵塞。基質(zhì)顆粒應(yīng)大小均勻，填裝前于現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行2次篩選和清洗，清除填料表面泥土和雜質(zhì)，避免裹挾泥土進(jìn)入濕地導(dǎo)致后續(xù)堵塞。濕地基質(zhì)宜采用人力或小型機(jī)械鋪砌，鋪筑完成的濕地填料上嚴(yán)禁直接踩踏或碾壓，以避免過(guò)度壓實(shí)而減少濕地滲透性能。

3.3 濕地植物 不同濕地植物的根系生長(zhǎng)情況不同，因此應(yīng)選擇污染物吸收好、適應(yīng)型強(qiáng)、根際富氧能力強(qiáng)、分泌物質(zhì)較少的植物[9]。但在濕地設(shè)計(jì)中，為防素土流失導(dǎo)致濕地表層堵塞，常用100厚10～20mm礫石作為種植層，導(dǎo)致蘆葦?shù)戎参锏谝荒觊L(zhǎng)勢(shì)不太良，難以滿足甲方對(duì)景觀的要求。根據(jù)運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，綜合能力較好的品種有黃菖蒲、旱傘草、美人蕉及花葉蘆竹。在植物種植初期需保證填料上層10～15cm水位，以利于挺水植物生長(zhǎng)，因此濕地表面會(huì)生長(zhǎng)大量水綿。水位下降后水綿干枯附著在填料表層難以清除，需及時(shí)打撈。濕地運(yùn)營(yíng)中需根據(jù)植物生長(zhǎng)狀況調(diào)整植物種植密度，對(duì)于生長(zhǎng)過(guò)密的植物及時(shí)抽稀，防止植物根系生長(zhǎng)過(guò)密過(guò)長(zhǎng)堵塞濕地內(nèi)部。定期收割地上部分，清理落葉，防止落葉腐敗堵塞表層基質(zhì)。

3.4 收布水管道 當(dāng)收布水管徑過(guò)大時(shí)，管道近末端便無(wú)水，且流速過(guò)低沖刷作用小，易發(fā)生管孔堵塞;而管徑過(guò)小又會(huì)導(dǎo)致過(guò)水不暢甚至雍水，因此需計(jì)算管道流速后選擇合適的管徑，使主管流速控制在0.3～0.6m/s，支管流速控制在1.5～2m/s。根據(jù)濕地設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，主管長(zhǎng)度宜小于40m，支管間距通常為3～5m。穿孔管管孔密度均勻，管孔直徑20mm，間距200mm，斜向下45°交錯(cuò)布設(shè)。目前也有一些濕地設(shè)計(jì)布水支管開(kāi)孔采用近端疏遠(yuǎn)端密的方式。此外，設(shè)計(jì)在開(kāi)孔處纏繞紗網(wǎng)或包裹不銹鋼網(wǎng)，也可有效防止植物根系鉆孔或小顆粒進(jìn)管導(dǎo)致的管孔堵塞。

3.5 補(bǔ)充微生物菌劑 向濕地內(nèi)部補(bǔ)充微生物菌劑，可通過(guò)控制硝化和反硝化進(jìn)程集中去除堵塞物;根據(jù)濕地運(yùn)行情況定期補(bǔ)充微生物菌劑，可人為控制微生物的代謝過(guò)程，保持微生物的增長(zhǎng)和衰減基本一致，從而保證濕地系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定，改善堵塞狀況。

3.6 清洗或更換表層基質(zhì) 濕地中堵塞部位主要集中在上層，有機(jī)質(zhì)含量隨著深度增加呈逐漸減少的趨勢(shì)，因此也可通過(guò)清洗或者更換其表層基質(zhì)恢復(fù)人工濕地的基本功能。但更換時(shí)會(huì)破壞濕地植物，對(duì)大規(guī)模濕地而言工程量大且施工困難，因此采用此方法時(shí)要綜合考慮面臨的問(wèn)題和經(jīng)濟(jì)效益。

3.7 輔助曝氣 曝氣可有效提高濕地內(nèi)部溶解氧，促進(jìn)好氧微生物進(jìn)行硝化反應(yīng)，防止胞外聚合物形成，緩解堵塞情況。在低溫條件下，通過(guò)曝氣還能維持較高的污染物去除率和較低的去除率衰減率[10]。但連續(xù)曝氣無(wú)法形成厭氧環(huán)境，又會(huì)抑制反硝化作用，不利于硝態(tài)氮的去除，導(dǎo)致出水總氮指標(biāo)不降反升。因此，曝氣方式和強(qiáng)度需根據(jù)具體情況進(jìn)行優(yōu)化選擇，溶解氧小于1mg/L時(shí)，可于前端或配水渠內(nèi)增加曝氣裝置。

3.8 濕地停床休作 濕地停止進(jìn)水并做落空處理，一方面，可恢復(fù)濕地內(nèi)部通透性，創(chuàng)造復(fù)氧條件，促進(jìn)好氧微生物活性，使基質(zhì)中淤塞的有機(jī)物被硝化分解;另一方面，切斷微生物新陳代謝所需的營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)給，微生物自然代謝死亡后恢復(fù)基質(zhì)有效孔隙率。美國(guó)、日本等國(guó)家常用的落干/投配周期比為1∶8[11]。但在實(shí)際工程項(xiàng)目中，受限于堵塞程度，較難空出較長(zhǎng)時(shí)間用作停床休作，對(duì)濕地運(yùn)行要求較高;或可采用多組濕地單元并聯(lián)的設(shè)計(jì)方式，間歇性輪流運(yùn)行，但受限于用地范圍和建設(shè)成本，通常較難實(shí)現(xiàn)。

4 展望

人工濕地基于其低能耗、高效、景觀自然等特點(diǎn)，在尾水深度處理和生活污水處理方面得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，但更多堵塞問(wèn)題也凸顯出來(lái)。如何更好地解決堵塞問(wèn)題，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究改進(jìn)：

（1）加強(qiáng)填料材質(zhì)的研究。一方面，可利用工業(yè)副產(chǎn)品的特性拓展新用途，實(shí)現(xiàn)資源再循環(huán)利用;另一方面，探索新型人造材料，其材料特性更為輕質(zhì)、可控、易更換不僅可以用來(lái)規(guī)避天然材料的不足，也更利于開(kāi)展堵塞相關(guān)的試驗(yàn)研究。

（2）現(xiàn)有諸多方法測(cè)定濕地堵塞情況，如生物電池法、示蹤劑法、滲透系數(shù)法等，要么專業(yè)性較強(qiáng)，對(duì)操作人員和設(shè)備要求高，要么會(huì)對(duì)濕地產(chǎn)生污染，檢測(cè)結(jié)果受干擾因素多。因此，今后進(jìn)一步改進(jìn)評(píng)價(jià)方法或儀器設(shè)備，使之能夠更加準(zhǔn)確、智能監(jiān)控濕地運(yùn)行狀況的目標(biāo)。

（3）構(gòu)建濕地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，收集建成濕地基礎(chǔ)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，且根據(jù)地區(qū)、環(huán)境、處理水質(zhì)等要素科學(xué)分類，通過(guò)系統(tǒng)分析形成一套可參考、可模擬的技術(shù)體系，為濕地堵塞的預(yù)防和治理提供指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

[1]USEPA.Subsurface Flow Constructed Wetland for Waster Water Treatment [M].Washington：DC，USEPA 832-R-93-008，1993.

[2]Chris C.Tanner，James P.Sukias.Accumulation of organic solids in gravel-bed constructed wetlands[J].Wat.Sci.Tech，1995，32：229-239.

[3]葉建鋒，徐祖信，李懷正.垂直潛流人工濕地堵塞機(jī)制：堵塞成因及堵塞物積累規(guī)律[J].環(huán)境科學(xué)，2008，29（6）：1508-1512.

[4]付貴萍，吳振斌，張晟，等.構(gòu)建濕地堵塞問(wèn)題的研究[J].環(huán)境科學(xué)，2004，25（3）：144-149.

[5]詹德昊，吳振斌，徐光來(lái).復(fù)合垂直流構(gòu)建濕地中有機(jī)質(zhì)積累與基質(zhì)堵塞[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2003，23（5）：457-461.

[6]趙慧敏，趙劍強(qiáng).潛流人工濕地基質(zhì)堵塞的研究進(jìn)展[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2015，15（1）：235-239.

[7]Winter K J，Goetz D.The impact of sewage composition on the soil clogging phenomena of vertical flow constructed wetlands[J].Wat.Sci.Tech，2003，48（5）：9-14.

[8]Chris C.Tanner，Jmaes P Sukias.Accumulation of organic solids in gravel-bed constructed wetlands[J].Wat.Sci.Tech，1995，32（3）：229-239.

[9]于濤，吳振斌，徐棟，等.潛流型人工濕地堵塞機(jī)制及其模型化[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2006，29（6）：74-76.

[10]李春華，王蔚卿，倪利曉，等.人工曝氣對(duì)垂直潛流人工濕地運(yùn)行效率的影響[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，39（3）：259-263.

[11]朱潔，陳洪斌.人工濕地堵塞問(wèn)題的探討[J].中國(guó)給水排水，2009，25（6）：24-28.

（責(zé)編：張宏民）