人工濕地堵塞成因及解決措施初探

劉曉鵬 姚芳 王夢(mèng)菲 谷鵬 凌源

（鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)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(tǒng)，可通過(guò)物理、化學(xué)和生物三重作用優(yōu)化污（廢）水處理。但是從工程實(shí)踐來(lái)看，人工濕地如果運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、設(shè)計(jì)或管理不善，很容易造成堵塞問(wèn)題。美國(guó)環(huán)保局調(diào)查發(fā)現(xiàn)有一半的人工濕地運(yùn)行5年后形成堵塞[1]。中國(guó)華容縣斥資千萬(wàn)建造的環(huán)境工程也是由于堵塞問(wèn)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(zhì)，使過(guò)濾后的水質(zhì)難以達(dá)標(biāo)，人工濕地也就失去了實(shí)際價(jià)值。

2 人工濕地的堵塞成因

2.1 固體顆粒累積

諸多堵塞問(wèn)題研究表明，固體顆粒物中有機(jī)質(zhì)和無(wú)機(jī)質(zhì)積累是導(dǎo)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(rèn)為填料層中不可濾物質(zhì)的積累是垂直流人工濕地堵塞的主要成因，不可濾物質(zhì)由不可濾無(wú)機(jī)物和不可濾有機(jī)物組成[5]。

2.2 填料選擇不合適

一般礫石和土壤或砂構(gòu)成填料層應(yīng)用在潛流人工濕地中，另外適當(dāng)?shù)奶盍霞?jí)配可以有效減少各種污染物，同時(shí)有效緩解堵塞。Y.Q.Zhao等發(fā)現(xiàn)，反級(jí)配人工濕地可以有效延緩填料堵塞[6]。填料層是濕地系統(tǒng)的核心，直接影響濕地對(duì)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(dǎo)率較低的問(wèn)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(zhǎng)，同時(shí)對(duì)植物根系的生長(zhǎng)和蔓延也不利。因此，選擇合適的填料粒徑需要綜合考慮進(jìn)、出水水質(zhì)和預(yù)防填料堵塞的影響。

2.2.2 土壤填料巖石和粘土過(guò)多不利于大多植物的生長(zhǎng)，適當(dāng)?shù)耐寥捞盍鲜潜匾?，另外，植物在過(guò)酸或過(guò)堿的土壤中也不能正常吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因此選擇適當(dāng)?shù)耐寥捞盍蠈?duì)于緩解人工濕地堵塞十分重要。

2.2.3 砂填料

在復(fù)合垂直流人工濕地中采用了直徑為2—5mm的砂粒，試驗(yàn)中未發(fā)生填料堵塞現(xiàn)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(huì)截留大量污染物，從而導(dǎo)致堵塞。

2.2.4 其他填料

在國(guó)內(nèi)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(yīng)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(jìn)行試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用。

2.3 運(yùn)行方式不科學(xué)

濕地填料中的溶解氧濃度決定于濕地的運(yùn)行方式，長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)進(jìn)水會(huì)使系統(tǒng)的填料層一直處于還原狀態(tài)，而間歇性運(yùn)行則有利于濕地復(fù)氧。相關(guān)研究表明，厭氧條件會(huì)加速系統(tǒng)的堵塞，因而間歇進(jìn)水方式和適當(dāng)?shù)臐竦馗苫谀軌蜉^好的緩解濕地系統(tǒng)堵塞問(wèn)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?jié)竦靥盍峡紫堵势毡樘岣?%—44%，表明根系穿透填料的過(guò)程中具有良好的疏通作用[8]。但是，根系的過(guò)度發(fā)達(dá)會(huì)橫向壓實(shí)填料，因此他們認(rèn)為植物起到了一定的防堵塞作用。有些學(xué)者認(rèn)為濕地植物釋放較多的有機(jī)物會(huì)加速濕地系統(tǒng)的堵塞，所以為了緩解人工濕地堵塞問(wèn)題，應(yīng)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(fā)現(xiàn)，微生物代謝產(chǎn)生的胞外聚合物引起土壤堵塞。該物質(zhì)降解所需時(shí)間較長(zhǎng)，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(qiáng)化預(yù)處理

預(yù)處理工藝一方面可以節(jié)流和去除懸浮物，另一方面可通過(guò)降解有機(jī)污染物，減輕濕地系統(tǒng)處理負(fù)荷，提高污水的可生化性，實(shí)現(xiàn)出水水質(zhì)優(yōu)良且穩(wěn)定的效果。

3.1.1 生物法預(yù)處理

周興偉等采用三級(jí)人工濕地與生物絮凝組合工藝處理小城鎮(zhèn)高濃度生活污水，該系統(tǒng)的預(yù)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(jī)物能力[10]。其中，預(yù)處理池對(duì)COD、N、P去除率相對(duì)較高。這表明預(yù)處理對(duì)有機(jī)物的去除起主要作用，從而減緩了人工濕地堵塞的發(fā)生。

生物接觸氧化主要依靠調(diào)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(yù)處理工藝的地下滲濾系統(tǒng)來(lái)處理沈陽(yáng)大學(xué)新校區(qū)的生活污水，出水水質(zhì)達(dá)到《城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)》要求[11]。

3.1.2 物理化學(xué)法預(yù)處理

混凝沉淀是預(yù)處理人工濕地進(jìn)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(fù)配對(duì)滇池濕地系統(tǒng)入水進(jìn)行預(yù)處理[12]。研究結(jié)果表明，硅藻土的處理效果良好，且當(dāng)硅藻土的投加量為40mg/l、PAM投加為0.3mg/l時(shí)，出水SS可達(dá)到一級(jí)B（20mg/l）的水平，從而減輕了后續(xù)濕地的堵塞壓力。

3.2 優(yōu)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(fā)生，但過(guò)大的粒徑會(huì)縮短水力停留時(shí)間，因此需要慎重選擇粒徑大小，濕地填料粒徑的分布對(duì)濕地中的空隙體積和水流模式有決定性作用，分層鋪設(shè)的填料每層應(yīng)力求勻，如果大小顆粒摻雜會(huì)減小填料孔隙率，影響水流分布，改變水力學(xué)狀態(tài)，影響填料的滲透性能，進(jìn)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(fā)揮不同的處理效力，利用組合填料達(dá)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(duì)填料進(jìn)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(yùn)行的各種影響因素，可以得出初步的結(jié)論：無(wú)煙煤、沸石、生物陶?？勺鳛楦咝У拇怪绷魅斯竦靥盍希讳撛?、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(jī)物的積累主要發(fā)生在表層，有機(jī)質(zhì)積累對(duì)水力傳導(dǎo)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?jié)竦乇韺拥亩氯珜?duì)大規(guī)模的濕地而言，其工程量過(guò)大。

3.3 優(yōu)化運(yùn)行方式

3.3.1 間歇運(yùn)行

適當(dāng)?shù)臐竦馗苫诤烷g歇運(yùn)行，會(huì)使填料得到“休息”，避免胞外聚合物的過(guò)度積累，可防止填料堵塞[14]。人工濕地的處理能力恢復(fù)與間歇時(shí)間是成正比的，但間歇時(shí)間不能無(wú)限延長(zhǎng)，應(yīng)考慮濕地處理效率和處理負(fù)荷。研究表明，夏季適宜的恢復(fù)時(shí)間為10天，冬季為20天。目前，國(guó)內(nèi)外的很多國(guó)家十分重視間歇運(yùn)行方式。

3.3.2 預(yù)曝氣充氧

研究表明，對(duì)污水進(jìn)行預(yù)曝氣充氧也可以起到一定的預(yù)防堵塞作用。污水在滲透過(guò)程中其DO值會(huì)迅速降低，對(duì)污水進(jìn)行預(yù)曝氣充氧，可以維持填料中的好氧狀態(tài)，使微生物的分解作用得以維持，同時(shí)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(duì)濕地采用大斷面、短流程、管道布水的方式進(jìn)行布水，使進(jìn)水與所有填料全面接觸，實(shí)現(xiàn)凈化植物與填料的有機(jī)結(jié)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(jù)氣候因素配置植物

植物對(duì)污水的凈化能力受季節(jié)性影響，冬季時(shí)生命活動(dòng)降低，對(duì)污水的凈化效果下降，夏季時(shí)新陳代謝旺盛，對(duì)污水的凈化效果好。因此，應(yīng)根據(jù)本地區(qū)的氣候特點(diǎn)合理配置植物，在溫度比較高的地區(qū)配置一些喜溫植物，在冬季，可以選擇一些常綠植物，增強(qiáng)人工濕地的凈化能力，同時(shí)也增加人工濕地的景觀效果。

3.4.2 根據(jù)人工濕地類型和填料配置植物

填料的理化性質(zhì)影響了植物的生長(zhǎng)、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(zhì)差異比較大，不同的植物適合于不同的物理化學(xué)環(huán)境，所以應(yīng)根據(jù)材料的理化性質(zhì)配置植物。除此之外，還應(yīng)根據(jù)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(guò)程中產(chǎn)生的胞外聚合物會(huì)堵塞填料孔隙。據(jù)研究表明，在進(jìn)水中添加5%的次氯酸鈉以殺死細(xì)菌并溶解胞外多糖，可以完全恢復(fù)填料的水力傳導(dǎo)能力。但人工濕地處理工藝主要依靠微生物的代謝活動(dòng)去除污染物質(zhì)，所以處理微生物時(shí)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(yùn)行一段時(shí)間后出現(xiàn)了堵塞問(wèn)題，對(duì)于這些濕地系統(tǒng)，可以運(yùn)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?biāo)鞣较蚍词撞渴苡俣虏糠譂竦卮蔡盍?，?duì)大型濕地而言，更換填料的工程量過(guò)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(fù)植，并進(jìn)行適當(dāng)改造。

3.6.2 自然導(dǎo)氣措施

對(duì)于緩解垂直流人工濕地的堵塞問(wèn)題，自然導(dǎo)氣措施具有較好的效果，對(duì)去除氨氮的影響尤為突出。鄢璐等的研究表明，隨著供養(yǎng)的進(jìn)行消化菌的繁殖加快，數(shù)量增長(zhǎng)迅速，活性增強(qiáng)，促進(jìn)消化作用的進(jìn)行[16]。自然導(dǎo)氣有利于復(fù)氧作用，使填料中微生物的氧化能力增強(qiáng)，進(jìn)而使胞外聚合物的蓄積速度較緩慢，這樣可以延長(zhǎng)垂直流人工濕地的運(yùn)行時(shí)間，但改善效果受水力負(fù)荷的影響較大，當(dāng)水力負(fù)荷（<0.9m3/(m2·d)）時(shí)對(duì)填料堵塞的改善作用明顯，但在高水力負(fù)荷下其影響有限。

3.6.3 投加蚯蚓

土壤動(dòng)物在分解有機(jī)物中也起到不可忽視的作用。蚯蚓是土壤中常見(jiàn)的雜食性動(dòng)物，他在土壤中活動(dòng)，以土壤為食，在提高填料孔隙率的同時(shí)可以降解部分有機(jī)物。研究人員將赤子愛(ài)勝蚓引入潛流人工濕地進(jìn)行強(qiáng)化運(yùn)行發(fā)現(xiàn)蚯蚓的覓食活動(dòng)增強(qiáng)了土壤的透氣性[17]。

3.6.4 日常科學(xué)管理

人工濕地雖然是一種生態(tài)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(jìn)行長(zhǎng)期的科學(xué)管理[18]。應(yīng)定期進(jìn)行預(yù)防性檢驗(yàn)維修，涉及濕地進(jìn)水口布水、淤泥沉積、出水調(diào)控、植物收割等問(wèn)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(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，水污染問(wèn)題逐漸引起人們的重視，如何快速、經(jīng)濟(jì)、高效地解決水污染問(wèn)題成為人類重視的問(wèn)題。人工濕地處理技術(shù)的提出和發(fā)展，為水處理技術(shù)開(kāi)辟了新的思路。目前，在人工濕地面臨的問(wèn)題中，以堵塞問(wèn)題最為嚴(yán)重，目前國(guó)內(nèi)外都在積極地研究中，相信在不久的將來(lái)，人工濕地將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。

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