人工湿地堵塞机理与解决措施_堵塞模型
导读:：人工湿地的长期运行尚缺少安全保障。因此研究堵塞机理、预防对策和解决措施。解决措施。
关键词：人工湿地，堵塞机理，堵塞模型，解决措施
人工湿地是利用土壤、人工介质、植物、微生物的协同作用对废水进行处理的技术，具有投资低、出水水质好及运行管理方便等特点 [1-5]。人工湿地按水流的流动方式分为表面流人工湿地、潜流人工湿地和垂直流人工湿地。其它类型大多以此为基础，经过改进或组合而成。
但从目前工程实践来看，人工湿地的长期运行尚缺少安全保障，如果设计或运行管理不善，容易造成堵塞。美国环保署对100多个构建湿地进行调查，发现有近一半的湿地在运行5年内出现堵塞，导致湿地水力传导系数降低、处理效果下降、运行寿命缩短等[6]。因此研究堵塞机理、预防对策和解决措施，对提高人工湿地长期稳定运行极其重要。
1 人工湿地堵塞的机理
人工湿地的堵塞过程通常可分为3个阶段：初期，渗滤速率接近开始运行时水平，但呈现下降趋势;中期堵塞模型，渗滤速率缓慢下降;末期，填料表面间歇到持续积水。研究表明,当土壤孔隙小于10μm时水不能从中通过;10～50μm的孔隙水可以缓慢通过;而大于50μm的孔隙水可以正常通过,因此大于10μm的孔隙占湿地总的孔隙体积的比率可称为有效孔隙率。潜流人工湿地中堵塞过程的实质是湿地中有效孔隙率减小的过程[7]。
人工湿地的堵塞机理可归结为物理、化学和生物三个方面。
1.1 物理机理
1.1.1 固体截留
固体截留是人工湿地废水悬浮固体去除的主要方式，包括：电化学吸附、惯性力、布朗运动去除等。Kadllec和Wallace指出在水平潜流人工湿地中，大颗粒的固体截留是悬浮物去除了主要机理，并且主要发生在湿地的最初几米[8]。Hermansson指出微粒被基质截留是以电化学吸附为主，吸附能力的大小取决于微粒、基质及流体的表面电荷的多少。随着固体的大量截留，湿地的孔隙率不断减小，这又强化了基质对悬浮固体的截留，最后发生堵塞[9]。
1.1.2 机械压缩
堵塞层的机械压缩会造成填料孔隙率的减少，也是湿地堵塞的原因之一。如果湿地中基质耐水性团粒稳定度和强度较低，团粒在长期浸水的情况下膨胀崩解变成细微的粘土粒子，且在渗水作用下不断向下移动形成致密的不透水层，最终导致堵塞。
1.2化学机理
吸附和沉淀会造成人工湿地的堵塞。物理化学吸附作用在去除金属、含烃及含氮磷化合物的同时，会在基质的表面形成的吸附膜层，由于介质吸附能力的限制，该层吸附膜并不是很厚，对堵塞的影响有限。但在此基础上金属氢氧化物、硫化物、碳酸钙的沉淀会加厚基质表面的覆盖层。同时湿地环境中生物间的相互作用会强化这种化学转化，最终造成人工湿地的堵塞。
Nivala指出在富氧条件下，湿地中会形成Fe(OH)3沉淀，并伴随着空隙间的生物反应，会造成孔数量的大量减少和基质被粘附在一起[10]。也有文献指出当基质中有较多Ca2+存在时，如果进水中含有大量置换能力强的H+、Na+等阳离子，这些离子会与Ca2+发生置换反应堵塞模型，若同时有SO42-存在，便会形成难溶性物质并造成堵塞[7]。
1.3生物机理
造成湿地堵塞的生物机理有2个方面的原因：一方面，在含营养物质丰富的湿地系统中，微生物大量繁殖所形成的颗粒状有机物是系统中有机物累积总量的一部分;另一方面，植物地上部分衰落时的残留物、根系及根系分泌物都会导致系统中有机物累积量的增加。
1.3.1 微生物引起堵塞的机理
在潜流人工湿地中绝大多数的微生物是以生物膜的形式附着在介质表面，一般呈丝状，能通过孔隙交织形成网状组织，将降低污水的水力传导系数[11-12]。Madigan发现湿地中的多数微生物会分泌胞外多聚物，含水量高达99%。这种胞外多聚物会在基质的孔隙中形成一层抗渗层，严重时就会出现雍水[13]。基质表层生物膜、细胞外多聚物、腐殖质等形成的高含水量、低密度的胶状淤泥，对人工湿地的堵塞起着重要的作用 。
除此以外,湿地中硫还原细菌,产甲烷菌以及生物脱氮作用产生的气体所形成的包气带也可能是堵塞的原因之一。
微生物的新陈代谢很大程度上受着温度的制约，较高的温度导致了较高生长速率，从而引发人工湿地的堵塞。而低温则抑制了生物活性，致使有机固体颗粒在填料中大量累积和填料的厌氧程度加剧，也会引发人工湿地的堵塞[14]。
微生物所造成人工湿地的堵塞进程在某种程度上来说是一个正反馈的过程，湿地的堵塞导致基质中氧气供应下降，微生物的活性也随之下降，有机物降解速率变慢，这又加剧了有机物的积累，加快了堵塞进程。
1.3.2 植物引起堵塞的机理
早期很多学者认为植物能缓解湿地中基质的堵塞，主要原因是植物的根呈管状，能为流水提供大量的孔隙网，发挥了疏通的作用。现在认为植物残体及其分泌物是人工湿地有机质的重要来源之一。国际水协(IWA)指出人工湿地中有1/4至1/3的孔隙堵塞源于植物的根和地下茎[15]。
Tanner等在研究用有植被和无植被两种水平潜流人工湿地处理牛奶场废水时发现：无植被湿地的平均有机物累积量为每年0.4～2.3kg/m2堵塞模型，有植被湿地平均累积量接近每年4kg/m2;在有植被的湿地中，距地表10cm以内的有机物积累量是10cm以下的2到8倍，然而进水口区域的有机物积累量只比出水口区域多50%[16]。因此，可以认为在该有植被水平潜流人工湿地系统中，系统堵塞主要是由植物的腐殖质引起的。
1.4 堵塞的模型化
人工湿地的堵塞是一个复杂的过程，涉及多种因素，众多学者建立了数学模型，来预测人工湿地的堵塞进程。
Ryszard Blazejewski等基于生物量的增长速率与悬浮物的降解速率相等建立的砂介质湿地堵塞发生时间模型：
tc=150×
×
(1-
)×def/qs
而任意时间t时湿地填料的孔隙率：
ε(t)=ε(0)-qs×t/[150×
×(1-
)×def]
式中：εef—填料的有效孔隙率;ε(0)—填料的初始孔隙率;ρs进水中固体物质浓度;Wc一积累在填料孔隙中固体物质的含水量;def一填料有效粒径;qs一单位面积湿地的悬浮物负荷。
该模型仅考虑进水中悬浮物在填料孔隙中的积累，忽略生物和化学作用对堵塞的影响。
Langergraber等基于湿地的堵塞过程中悬浮物的作用要远大于生物量所起的作用，通过悬浮物负荷SSload来估算堵塞发生的时间Tclog(d)：
Tclog(d)=180×ρts，org/SSload
式中ρts，org为总悬浮物中有机物的密度。
该模型假设填料的孔隙率与水力传导系数之间存在严格的线性关系，而实际上当孔隙率减少到一定程度后，孔隙率与水力传导系数呈现出很强的非线性关系，孔隙率的微小减少就会导致水力传导系数的剧烈下降。所以该模型计算出来的理论值要比堵塞实际发生时间要晚。
此外，堵塞模型还有Katsutoshi Seki等建立了土壤的生物堵塞数学模型;及基于孔隙率减少而造成土壤堵塞建立的Kozeny—Garman方程;叶剑锋等建立的不可滤物质累积的微观模型[17]。但这些模型的使用范围都有一定的局限性。
2 解决措施
2.1 堵塞的预防
湿地系统堵塞的分布和时间与众多设计、运行操作因素有关，湿地堵塞的预防应从设计、进水、运行全方面考虑格式。
2.1.1 合理的设计
2.1.1.1 基质的选择
理论上基质的粒度越小，比表面积越大，有利于废水处理效果的提高，但同时孔径也随之减小，会加速堵塞的进程。因为基质粒度大小对水力传导率影响很大。Griffin在监测英国25个水平潜流人工湿地时发现：粒度大的基质(6～11mm)不会影响系统的处理能力，而根据Kozeny-Carmen等式，11mm粒径基质的水力传导率是6mm粒径基质的3倍[15]。因此基质粒径的选择需要在保证净化效果(小粒径)和防治堵塞(大粒径)之间寻求平衡点。
此外堵塞模型，合适的填料级配能有效防止基质的堵塞。詹德昊等认为在有效基质多采用沙粒、豆石等材料的复合垂直流人工湿地中，表面宜采用0～4mm的沙粒，厚度为15～25mm;表层以下宜采用4～8mm(也可用8～16mm)的豆石[18]。莫凤鸾等通过将原湿地中的0～4mm(厚为600mm)的细沙基质更换成厚为250mm的4～8mm及厚为350mm的8～16mm的碎石基质，成功解决了原系统基质的堵塞问题[19]。
2.1.1.2 湿地植物的选择
选择合适的湿地植物可以把植物对堵塞的影响减到最低。既要考虑植物对系统渗透性能的影响，又要考虑净化效果、美化功能等因素。可考虑选用根际复氧能力强、分泌难降解物质较少的植物。
2.1.2 合理的进水
废水的特性，如流速、悬浮物和有机负荷、污染物特点等，对人工湿地堵塞的进程有重要的影响。Chazarence等研究水平潜流人工湿地时发现：当进水平均COD为12g/m2·d时固体的年积累量为11kg/m2;当进水COD含量曾至67g/m2·d时固体的年积累量为51kg/m2[21]。Caswlles-Osorio研究用水平潜流人工湿地分别处理葡萄糖和淀粉有机废水时发现：进水有机物为葡萄糖的湿地水力传导率较低。因为葡萄糖的易降解特性更容易形成生物膜堵塞[21]。控制进水的水力负荷和有机负荷可以采取以下三种措施。
2.1.2.1 预处理
Winter和Goetz研究德国21个垂直潜流人工湿地时发现堵塞速度与进水TSS、COD负荷率呈正相关，当进水TSS小于5g/m2·d，COD小于20g/m2·d堵塞现象不是很明显[22]。因此，人工湿地在处理悬浮物含量较高的污水，须在湿地之前设置预处理设施，尽量去除污水中的悬浮物和漂浮物，防止堵塞。
常见的预处理工艺有格栅、厌氧沉淀、混凝沉淀等。有研究表明，用序批式厌氧收集池预处理城市生活污水能够将悬浮固体降到极低水平，可有效预防人工湿地堵塞的发生。Magesan等采用快速渗滤系统处理具有高碳氮比(C/N值为66)的废水时，土壤填料过水能力会迅速降低80%，而在进水中添加硝化抑制剂和多糖降解酶则可以将土壤填料的渗透系数提高到堵塞时的2.8倍[23]。
2.1.2.2 曝气充氧
由于厌氧状态是导致基质中胞外聚合物积累的重要原因，因此对污水进行预曝气充氧可以起到一定的预防堵塞作用[24]。由于污水在渗透过程中其DO值会迅速降低，而在散水管周围供给空气则可以有效提高污水的DO浓度，维持基质中的好氧状态，使微生物的分解作用得以维持，同时还可以防止基质中胞外聚合物的蓄积。
2.1.2.3 合理配水
废水是否投配均匀会影响基质的堵塞。Molle指出潜流人工湿地长期处于水力超负荷状态时会出现大量的雍水。叶建锋等研究人工湿地堵塞物积累规律时发现，垂直潜流人工湿地布水口周围容易首先产生堵塞现象[25]。因此废水在湿地中最大范围的平均投配可以缓解这种形式的堵塞。Knowles也指出布水管道设计不合理易造成废水的不均匀投配和基质的局部堵塞[26]。另有学者提出通过大量纵横的明沟来布水堵塞模型，不仅能实现废水在湿地中的均匀投配，还可以截留一部分固体，减少基质间堵塞物的积累。
2.1.3 合理的运行
2.1.3.1 轮休及局部轮休
研究表明，轮休的运行方式一方面可以使大气中的氧进入湿地内部，加快降解基质中沉积的有机物;另一方面微生物新陈代谢需要的各种营养物得不到持续的补充，基质中的微生物会逐渐进入内源呼吸期，消耗胞外聚合物或胞内成分，逐渐老化死亡。
李怀正研究轮休对堵塞型垂直潜流人工湿地的影响时发现，轮休后单位基质中的堵塞物(不可滤物质)含量较轮休前有所降低，从而促使人工湿地雍水状况得到不同程度的改善格式。由此可见，长期轮休措施对解决人工湿地的堵塞有明显效果[27]。
此外，也可以采用局部轮休的方法，较整个系统的长期轮休其优点是不影响湿地系统的整体功能[28]。
2.1.3.2 及时清理湿地表面
在湿地运行一段时间后，湿地表面有许多植物落叶，冬季时更是有许多植物残体，它们是湿地堵塞的重要原因之一。湿地表面的落叶和植物残体的清除，有助于改善系统的渗透性。还可考虑每年对湿地内的植物进行裁剪或定期收割，对于保持系统的渗透性，防治湿地堵塞具有较好的效果。
2.2 解决措施
人工湿地堵塞后，工程中有以下几种解决措施。
2.2.1 停床整休
人工湿地堵塞后，国外通行的做法是让床体经过几个星期的停床休整来恢复部分渗透性，而停床的长短则取决于气候条件，一般而言湿冷气候的湿地较干热气候的湿地需要更长的休整期。其机理和人工湿地的长期轮休一致。
2.2.2 施用微生物抑制剂或溶菌剂
在湿地中施用微生物抑制剂或溶菌剂可以抑制胞外聚合物的大量产生堵塞模型，或将某种或部分微生物杀死防治基质堵塞。Shaw等在进水中添加5%的次氯酸钠以杀死细菌并溶解胞外多糖，可以基本恢复基质的水力传导能力。但是，人工湿地处理工艺主要依靠微生物的代谢活动去除污染物质，因此，抑制微生物活性或杀死微生物防治基质堵塞的措施还需要深入的研究。
2.2.3 更换湿地表面基质
湿地中沉积物主要集中在表层，堵塞也主要发生在湿地表层0～15cm处[29]。因此，更换人工湿地表层基质可以有效的恢复人工湿地的功能。但是其工程量较大，费用高，更换时人工湿地需要停床且更换所花时间长。
3 结语
人工湿地的堵塞影响其使用寿命，限制了该技术的广泛应用。但引起人工湿地基质堵塞的因素较多，涉及物理、化学、生物等多方面，而且不同湿地堵塞，起主导作用的因素也不相同。因此，在开发防堵塞填料、建立精确堵塞数学模型、人工湿地系统设计运行参数等方面将成为人工湿地污水处理技术研究的重点。
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