潛流人工濕地堵塞測(cè)量技術(shù)概述

王乾　李鋒民　唐燎　杜姍

【摘 要】人工濕地經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，在近些年得到了越來(lái)越多的關(guān)注并且應(yīng)用廣泛。但潛流人工濕地在使用幾年后，隨著堵塞物質(zhì)的積累量增多在使用一定時(shí)間后往往會(huì)發(fā)生的填料堵塞問(wèn)題。潛流人工濕地填料堵塞會(huì)導(dǎo)致水力條件變差、處理效果變差，滲透系數(shù)降低，造成堵塞床體癱瘓，水體無(wú)法進(jìn)入填料當(dāng)中，無(wú)法發(fā)揮人工濕地凈化水質(zhì)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(duì)潛流人工濕地填料易堵塞的問(wèn)題，分析研究濕地填料堵塞問(wèn)題以及堵塞程度的測(cè)量以期為人工濕地的維護(hù)與管理提供技術(shù)支持。

【關(guān)鍵詞】人工濕地；填料堵塞；處理效果變差；維護(hù)與管理

濕地是有水、永久性或者間歇性處于水飽和狀態(tài)下的基質(zhì)及水生植物和微生物等組成、具有較高生產(chǎn)力和較大活性、處于水陸交接相的復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)[1-2]。人工濕地是一個(gè)用作污水處理、經(jīng)過(guò)工程化的設(shè)計(jì)建造的濕地系統(tǒng)。人工濕地利用物理、化學(xué)、生物協(xié)同作用完成污水的處理過(guò)程，相比與自然濕地，人工濕地的去污效果得到了強(qiáng)化。并且人工濕地也具備自然濕地的生態(tài)修復(fù)的功能，不僅能在降解污染物、調(diào)節(jié)氣候發(fā)揮很大的作用，還能吸收溫室氣體凈化空氣和通過(guò)植物吸收一些重金屬離子。目前人工濕地被廣泛應(yīng)用于生活污水、工業(yè)廢水等，應(yīng)用前景較好。

人工濕地主要包括植物、填料、微生物三個(gè)部分，通過(guò)物理、化學(xué)、生物作用凈化污水。其中微生物通過(guò)微生物的代謝作用，植物通過(guò)根系吸收，填料吸附截留去除污染物，但人工濕地長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，隨著生物膜和植物根系的殘?jiān)谔盍现械姆e累或者設(shè)計(jì)管理不善，往往會(huì)造成濕地填料的堵塞，并且造成濕地填料滲透系數(shù)的逐漸下降[3]。濕地堵塞經(jīng)常表現(xiàn)為濕地表面污泥堆積，表面溢流，濕地植物長(zhǎng)勢(shì)差，雜草眾生，進(jìn)而影響濕地的使用效果和使用壽命，Cooper研究了255個(gè)英國(guó)的潛流人工濕地，發(fā)現(xiàn)其中幾乎30%的潛流人工濕地的大部分床體發(fā)生了表面溢流，超過(guò)50%的濕地至少有四分之一的床體表面溢流，而且在進(jìn)水口發(fā)現(xiàn)了大量的污泥[4]。本文簡(jiǎn)述堵塞發(fā)生的原因，并分析現(xiàn)有人工濕地堵塞測(cè)量的方法。

1 人工濕地的堵塞問(wèn)題

造成人工濕地堵塞的發(fā)生的原因較多機(jī)制也較復(fù)雜，總得來(lái)說(shuō)，堵塞的發(fā)生主要是由于污水處理過(guò)程中積累的物質(zhì)和其他的一些操作原因。通常來(lái)說(shuō)，水力負(fù)荷的大小決定濕地堵塞物質(zhì)的量和成分，造成堵塞的物質(zhì)是由無(wú)機(jī)物和有機(jī)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(guò)程中積累的有機(jī)物和無(wú)機(jī)物是外部的負(fù)荷和內(nèi)部的負(fù)荷構(gòu)成的，外部的負(fù)荷主要來(lái)源是進(jìn)水當(dāng)中一些有機(jī)物和無(wú)機(jī)物以及進(jìn)水中一些離子發(fā)生化學(xué)沉淀積累而成的，內(nèi)部的負(fù)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(jī)無(wú)機(jī)物和部分填料被侵蝕成小顆粒造成的。濕地堵塞的發(fā)生實(shí)際上就是濕地床體中有效空隙率降低（>10um）的過(guò)程[17]，而造成濕地填料滲透系數(shù)降低[6]。

2 潛流人工濕地堵塞測(cè)量方法

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

2.1 滲透系數(shù)法

滲透系數(shù)法是根據(jù)滲透系數(shù)的大小來(lái)反應(yīng)堵塞程度，即滲透系數(shù)小，堵塞程度高。滲透系數(shù)的是根據(jù)達(dá)西定律以及質(zhì)量守恒來(lái)測(cè)得的。具體的計(jì)算如下，可以通過(guò)測(cè)定濕地床內(nèi)多個(gè)點(diǎn)的水力梯度，然后再根據(jù)達(dá)西定律計(jì)算這些點(diǎn)之間的平均水力傳導(dǎo)系數(shù)：

上次是滲透系數(shù)法的基本原理，之后經(jīng)過(guò)推導(dǎo)和發(fā)展，垂直方向上的滲透系數(shù)可以通過(guò)變水頭法測(cè)得，主要測(cè)試的步驟為：（1）直接測(cè)量某一深度的滲透系數(shù)K1，然后將這個(gè)位點(diǎn)之上的填料全部移除，再用相同的方法測(cè)下一個(gè)深度的滲透系數(shù)K2；（2）也可以不用移走填料，直接測(cè)量?jī)蓚€(gè)深度的滲透系數(shù)K1和K，然后利用一下公式推倒出K2位點(diǎn)的滲透系數(shù)：

滲透系數(shù)法是應(yīng)用最好的堵塞測(cè)量方法，并且有配套的設(shè)備，可以測(cè)量具體位點(diǎn)的堵塞程度，但這種方法也有明顯的缺點(diǎn)，比如工作量大，需要侵入濕地對(duì)濕地造成損害，難反應(yīng)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(yīng)到因潛流人工濕地的填料堵塞而發(fā)生的濕地的水流狀態(tài)的變化。在濕地發(fā)生堵塞時(shí)，濕地內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很多的分流，水力短路，由于示蹤劑可以在濕地內(nèi)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(jiǎn)單，利用投加某種示蹤劑在濕地中，利用配套的設(shè)備在投加示蹤劑后的一個(gè)水力停留時(shí)間內(nèi)，一般為幾天，連續(xù)測(cè)量人工濕地中的示蹤劑含量。目前應(yīng)用較多的示蹤劑的材料有鹽類和羅丹明。鹽類價(jià)格便宜，性質(zhì)比較穩(wěn)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(guó)人工濕地的填料大部分都是礫石，主要是由于礫石對(duì)鹽類的吸附性能較差，對(duì)示蹤劑的檢出影響較小，但投加鹽類后會(huì)對(duì)濕地中的離子平衡造成一定的影響。羅丹明示蹤劑也經(jīng)常應(yīng)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(duì)于一些常規(guī)示蹤劑，毒性低易分解，二次污染小，能保護(hù)濕地的生態(tài)效益。

2.3 堵塞物質(zhì)的特性分析

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

通過(guò)將濕地中多孔填料中積累的固體定量分析是一種測(cè)量濕地堵塞的方法。這個(gè)方法的步驟是先采移動(dòng)量的填料，清洗出堵塞物質(zhì)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(jī)物量。最近已經(jīng)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(zhì)的特性分析除了以上一些基本的分析外，一些其他技術(shù)也被應(yīng)用進(jìn)來(lái)，比如無(wú)線電波以及核磁共振的技術(shù)。探底雷達(dá)利用無(wú)線電波在穿過(guò)濕地時(shí)無(wú)線電波的能量衰減量的差異，從而得到相應(yīng)的濕地衰減圖像，但堵塞物質(zhì)的含量并沒(méi)有與電波圖具體的聯(lián)系。核磁共振技術(shù)時(shí)利用核磁共振探測(cè)器測(cè)量濕地的堵塞[9]。傳感器能探測(cè)不同的能量關(guān)系比如水和有機(jī)物或者無(wú)機(jī)物的量，使得能夠探測(cè)濕地堵塞物質(zhì)的量，并且這些參數(shù)與滲透系數(shù)的關(guān)系已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中被證實(shí)。這些新興的技術(shù)由十分好的應(yīng)用前景，但目前的研究還較少。

3 問(wèn)題與展望

目前針對(duì)潛流人工濕地的堵塞的測(cè)量方法主要有這三種，其中滲透系數(shù)法應(yīng)用發(fā)展相對(duì)較成熟，但該方法也具有明顯的缺點(diǎn)，該方法未考慮水平方向的滲透系數(shù)，并且需要對(duì)侵入人工濕地的床體對(duì)人工濕地造成損害。示蹤劑法可以反應(yīng)濕地的整體堵塞程度，但周期長(zhǎng)。堵塞物質(zhì)特性分析，其操作分析過(guò)程也較繁瑣，相對(duì)來(lái)說(shuō)，應(yīng)用發(fā)展前景較好的是核磁共振法，并且目前已經(jīng)有了一些進(jìn)展，日后可以利用核磁共振探針做原位測(cè)量濕地堵塞程度。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]