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人工湿地堵塞问题的探讨

花匠小妙招
2025-07-28 08:50

朱洁 , 陈洪斌

(同济大学环境科学与工程学院, 上海 200092)

摘要 :　近 20年发展起来的人工湿地,作为一种对传统污水处理技术的廉价替代方案,越来越受到世界各国的普遍重视。通过对人工湿地运行过程中出现的填料堵塞现象进行全面分析, 归纳和总结了人工湿地堵塞的影响因素 ,对其堵塞机理和堵塞模型进行了探讨 ,提出了避免堵塞的工程化解决措施和湿地堵塞后的恢复方法。

关键词 :　人工湿地;　填料 ; 堵塞 ;　机理;　修复

中图分类号 :X703

文献标识码 :B 文章编号 :1000 -4602(2009)06 -0024 -06

人工湿地是指人工建造的、可控制的和工程化的湿地系统 ,其设计和建造是通过对湿地生态系统中的物理、化学和生物作用等优化组合来进行污(废)水处理。它一般由人工基质和生长在其中的水生植物(如芦苇、香蒲等 )组成, 是一个独特的生态系统。据美国环保局对 100多个运行中人工湿地的调查, 有将近一半的湿地系统在投入使用后的 5年内出现了堵塞问题 ,其水力传导系数降低,除污效果变差 ,运行寿命缩短[ 1]。人工湿地的堵塞问题越来越成为其应用的障碍,弄清人工湿地堵塞的机理 ,探寻相应的解决措施和预防对策十分必要而迫切。笔者从人工湿地堵塞机制和影响因素入手 , 总结了国内外在本领域的研究进展 ,提出了堵塞的解决措施和预防对策 ,以供借鉴和参考。

1 人工湿地的堵塞机制

堵塞是所有高负荷污水过滤系统中常见的自然效应 ,其表现在两个方面:首先, 堵塞层是一个很好的生物过滤器 ,能提高湿地系统的处理效率 ,适度的基质孔隙堵塞可以扩大湿地处理系统内部的非饱和流动区域 ,提高处理效果;其次, 堵塞会使湿地的水力性能变差,从而影响水流路径, 最终影响到湿地的处理效果和运行寿命[ 1～ 3]。

人工湿地一般由防渗层、基质层、腐质层和湿地植物等结构单元组成 ,其堵塞实质上是有效孔隙率减小的过程,长时间的堵塞会导致厌氧环境的产生,加速系统的堵塞。人工湿地堵塞的形成机制可分为三个阶段:①渗透速率接近开始的运行水平,但呈下降趋势 ;②渗透速率缓慢稳定下降;③基质表面间歇渗透直到持续积水。

在人工湿地的渗透初期,污水中的 SS开始在湿地填料表面和孔隙中聚集 ,堵塞部分填料孔隙 ,使基质层局部的氧化还原电位下降并开始形成厌氧微环境。氧化还原电位高则反映了基质层中微生物的氧化能力强,胞外聚合物的蓄积较缓慢 ;反之 , 则还原水平高 ,微生物产生的胞外聚合物在填料孔隙内越聚越多 ,具有很高的堵塞潜能。

随着污水渗透的进行 ,厌氧区域的基质层逐渐趋于还原状态,微生物的胞外聚合物不断积累 ,进一步堵塞了填料孔隙, 使厌氧形成过程进一步加速。此时的堵塞称为暂时性堵塞。由于细菌胞外多聚物的高含水性 , 这种堵塞经一段时间的落干 (即湿地不过水而干化)后可以消除。

在堵塞过程的后期, 基质层的结构特别是土壤的团粒结构被破坏, 所形成的细微粘土粒子与许多淤积的 SS共同组成致密不透水层, 胞外聚合物不断凝聚和吸附不同粒径的悬浮或胶体状态的底物 ,进而形成大粒径絮团状的累积物 ,造成有机物和无机物共同积累 ,加速并继续堵塞填料孔隙。随着生物量的增加,进水区的厌氧化程度加剧 ,有机固体颗粒的累积加速[ 4], 最终在各种因素的综合作用下, 基质层的孔隙被完全堵塞,净化能力消失,此时形成的堵塞很难再通过落干等操作消除, 可以认为是一种永久性的堵塞[ 5]。当堵塞现象发生时, 水体的有效停留时间缩短,出现短流或绕流等现象。可见, 人工湿地的堵塞是由沉降和被过滤的固体颗粒在微生物作用下累积而成, 填料表面的堵塞层和空隙中的截留物质由厌氧分解产物(如多糖类物质、胞外聚合物 )以及未能降解的有机化合物组成。 Ryszard[ 2]指出, 高温下生物膜的增长、植物根的渗透作用、低 pH值下碳酸钙的沉淀和分解以及低渗滤条件下湿地自净能力的缺乏均会造成湿地堵塞。

2 人工湿地堵塞的成因和影响因素

人工湿地有表面流和潜流两种 , 从目前的研究来看, 潜流湿地的除污效果优于表面流湿地,但其运行管理复杂 ,且容易发生堵塞。因此 ,对人工湿地堵塞的研究主要集中于潜流人工湿地系统。普遍认为 ,造成湿地堵塞的原因是基质层中固体颗粒的累积。目前 ,对该方面的研究大都集中在积累的主要成分是有机物还是无机物以及进水有机负荷、填料、运行方式、湿地植物的作用等对颗粒积累程度的影响上。

2.1 固体颗粒的累积

针对垂直潜流人工湿地处理系统中的填料堵塞问题所开展的诸多研究认为, 有机质和无机质等固体颗粒积累是导致垂直潜流人工湿地填料堵塞的重要原因[ 6～ 8]。

叶建锋等认为, 垂直潜流式人工湿地发生堵塞的成因主要是基质层中非过滤性成分的积累所致。经进一步的分析发现堵塞并不是进水中粒径 >5.0μm的不可滤物质被直接截留的结果 , 而是由基质层中不可滤成分积累造成的, 当基质表面生物膜形成后 ,污水中不同粒径的悬浮物或胶体状态的底物凝聚和吸附在微生物的表面, 进而形成大粒径絮团状的累积物,从而造成有机物和无机物的共同积累。目前 , 虽然普遍认为固体颗粒物的积累是造成堵塞的主要原因, 但是在积累物成分主要是有机物还是无机物问题上还存在分歧。

2.1.1　有机负荷与有机质累积

许多研究表明, 有机负荷对基质层的堵塞有很大影响。由于有充足的水和营养供应 ,人工湿地中的植物年生产力很高 (地上部分干质量可达到7 131 ～ 8 155 kg/m2), 导致较高的潜在有机负荷。因此 ,在季节转换时 ,应将湿地植物的地下部分也一并清除, 减小有机负荷以保证湿地的长期运行。Platzer和 Mauch建议人工湿地的有机负荷不要超过25 gBOD/(m2 · d) [ 9]。 T.H.F.Wong和 Laak认为,堵塞与湿地系统达到平衡状态前的有机负荷有关。平衡状态前,湿地系统中的微生物种类少,或者处理某种污水的功能性微生物数量不足 , 过高的有机负荷不能被及时分解 ,进而导致堵塞。 Laak进一步指出, 湿地系统达到平衡之后堵塞与有机物的积累有关, 当有机物积累到一定程度 ,沉积在湿地表面的有机物形成了一层黑色粘膜, 以及由于受低温限制而没有发生化学变化的有机化合物导致系统孔隙的外部堵塞,而沉积在孔隙内的有机物则导致了孔隙内部的堵塞。

人工湿地的有机物累积主要发生在表面和深度约 100 mm以上的填料层。付贵萍等[ 10]研究表明,填料中的有机质直接影响填料的缓冲性、渗透性、通气状况和填料温度等, 对填料是否堵塞起着关键作用 ,是一项需掌握的重要指标。詹德昊[ 11] 等人的研究表明 ,湿地系统中有机质含量与基质渗透系数呈明显的负相关关系, 而渗透系数是反映湿地系统是否堵塞的重要参数,因此, 他们提出有机质积累是导致湿地堵塞的一个重要原因。

2.1.2　无机颗粒

虽然多数学者认为有机质积累是人工湿地堵塞的重要原因 ,但是就低有机负荷的潜流人工湿地处理受污染河水系统而言 , 其填料堵塞机制可能存在较大的不同。靖玉明等人[ 12]的研究表明 ,填料孔隙的堵塞现象主要发生在中试系统的前段(沿水流方向距进水点约 0 ～5 m),堵塞物主要为无机颗粒物 ,因此他们认为必须加强能够有效去除无机颗粒物的预处理工艺。童巍等[ 13]采用垂直流人工湿地单元模型, 测定了填料的有效孔隙率与截留 SS总量、COD降解量、生物膜增长量之间的关系, 结果表明进水中悬浮颗粒全部为无机颗粒的系统更易造成淤堵。 Winter等发现, 在湿地堵塞过程中, 进水的COD和直径 >50 μm的悬浮物起主要作用[ 14]。

2.2　填料

在潜流人工湿地中, 一般采用砾石填料和土壤或砂构成基质层。除此之外, 一些新型填料 (如沸石、粉煤灰、煤渣等)也逐渐得到应用。基质层是湿地系统的核心部分, 填料的选择直接影响湿地对污染物的去除效率和基质层的堵塞, 选择合适的填料对人工湿地系统十分关键。在选择填料时需要考虑水力负荷、微生物的生长活性以及是否适合植物生长等因素 ,在此基础上 ,砂子、砾石、土壤、工业副产品 (如炉渣、钢渣、粉煤灰等)等按不同比例、不同粒径混合都可以作为人工湿地的基质材料。

①　砾石填料

砾石的典型尺寸为(3 ～ 6)、(5 ～ 10)、(6 ～ 12)mm, 在欧洲砾石填料使用最多的尺寸为 8 ～ 16 mm。另外, 一些欧洲国家还使用破碎的石灰石或压碎的岩石作为人工湿地的填料。然而, 大粒径的卵石或砾石虽然可以解决水力传导率较低的问题 , 但是不利于微生物的挂膜生长。此外 ,大的、有棱角的基质对植物根系的生长和蔓延也不利。因此, 综合考虑进、出水水质和预防填料堵塞等两方面的影响来选择合适的填料粒径是必要的。

②　土壤填料

多数植物在沙壤土中生长良好, 过多的岩石和粘土则不利于其生长 ,过于酸性或碱性的土壤也会限制植物对营养物质的摄取。高拯民等认为[ 15], 作为填料的壤性土和砂性土具有较大的孔隙率, 污水中的悬浮物、化学反应沉淀物、微生物代谢产物等在土壤中积累而造成孔隙减小的过程缓慢 ;对于粘土粒子含量高、有效孔隙率小的土壤 ,上述物质在土壤颗粒表面的聚集非常迅速, 由此导致土壤渗透速率迅速下降。

③ 砂填料

一般情况下, 在湿地中渗透扩散的污水 DO浓度很低 ,而 DO浓度越低, 胞外聚合物越容易聚集,从而堵塞现象越容易发生。付贵萍等[ 10]在复合垂直流人工湿地中采用了直径为 2 ～ 5 mm的砂粒, 试验中未发生填料堵塞现象。一般情况下 ,粒径较小的基质为微生物提供了更多的附着表面 ,并截留大量污染物 ,但也更容易降低基质的有效孔隙率,从而导致填料堵塞。

④ 其他填料

在国外, 破碎的炉渣、轻质膨胀粘土颗粒 (陶粒)、破碎的玻璃等都可作为人工湿地的基质。在国内 ,一些通透性好、比表面积大、具有吸附能力的多孔介质 (如沸石、粉煤灰、煤渣、草炭、石灰石等 )也被填充到人工湿地系统中。张翔凌等[ 16]选取砾石、沸石、无烟煤、页岩、蛭石、陶瓷滤料、高炉钢渣、圆陶粒等填料 ,在较高水力负荷 (1.0 ～ 2.5 m/d)条件下研究了填料孔隙率的变化规律 , 发现蛭石和砾石的孔隙率减小幅度最大,有机物和氮、磷等污染物在这两种填料中的积累最为明显 , 污染物易富集在填料表面 ,发生堵塞的几率也有所增大。对于有多层填料的垂直流人工湿地 , 除填料粒径外 ,不同粒径填料之间的配比选择和级配对防止堵塞也十分重要。莫凤鸾等[ 17]通过将原湿地中的0 ～4 mm(厚为 600 mm)的细沙基质更换成厚为 250mm的 4～ 8 mm及厚为 350 mm的 8 ～ 16 mm的碎石基质,成功解决了原系统基质的堵塞问题 ,这充分说明了合适的填料级配能有效防止基质的堵塞。Y.Q.Zhao等[ 18] 发现, 反级配人工湿地在延缓基质堵塞方面也有明显的优势。

2.3 湿地的运行方式

湿地的运行方式直接影响湿地基质环境中的溶解氧浓度 ,并与基质层整体的氧化还原电位呈正相关关系 ,长时间的连续进水会使系统的基质层一直处于还原状态, 而间歇性运行则有利于湿地复氧。RyszardBlazejewski等[ 3] 认为, 厌氧条件加速了系统的堵塞 ,因而间歇进水方式和适当的湿地干化期对于系统避免堵塞是必要的。 Watson等[ 19]也认为 ,采用间歇投配污水 (即落干和投配交替运行 )会使土壤得到 “休息 ”, 保证土壤一定的好氧状态, 避免胞外聚合物的过度积累 ,防止土壤堵塞。

一般情况下 ,人工湿地的间歇时间越长则处理能力恢复得越好 ,其渗透速率也越大 ,但间歇时间不能无限延长 ,应同时考虑处理效率和处理负荷 ,常用的落干 /投配周期比为 1 ～ 8。 H.Bouwer等研究表明 ,夏季适宜的恢复时间为 10 d,冬季为 20 d。间歇式运行方式在美国、日本等国家得到了广泛应用,我国的许多工程和试验中 , 间歇投配方式也得到了重视和应用。

2.4　湿地植物

研究表明, 湿地植物有助于防止基质堵塞。李世斌等[ 20]的研究表明 ,湿地系统栽种植物后 ,植物根系给微生物生长提供了空间和氧气, 使得微生物数量大幅度增长 ,从而提高了处理效率。王晟等[ 21]发现, 种植植物使湿地基质孔隙率普遍提高了 3%～ 44%,表明根在穿透基质的过程中发挥了疏通作用。但是,根系的过度发达也会横向压实基质 ,因此他们认为植物起到了一定的但不是决定性的防堵塞作用。

由于湿地植物能够向系统中贡献较多的有机物 ,一些学者认为湿地植物会加速湿地系统的堵塞。Tanner[ 22] 的研究表明, 有植被的人工湿地明显保持了较高的砂砾渗透性, 但同时也出现了更多的有机物累积。 Long.Nguyen[ 23]认为 ,基质顶部 100 mm厚度内的植物根部物质 [ 0.17 kg/(m2· a)]将会限制水的渗透,并且这些根部物质死亡和腐烂后会导致大量的有机物积累,进而导致基质堵塞。为了减少植物对堵塞的影响, 可考虑选用根际复氧能力强、分泌难降解物质较少的植物作为湿地植物;同时定期收割植物的地上部分以及定期去除系统表面积累的有机物粘膜。

3 人工湿地堵塞的对策

3.1　预处理

预处理可以降低湿地进水中的悬浮物和有机负荷 ,有效预防人工湿地堵塞的发生。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[ 24]。这些措施虽可有效推迟基质堵塞发生的时间,却不能杜绝基质堵塞的发生,并会增大系统的投资、运行成本以及维护管理难度。是否适合采用此类方法需要在由此引起的费用增加和基质堵塞后更换基质所需费用之间进行权衡。

3.2 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[ 5]。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。

3.3 停床、轮休

人工湿地受堵塞后 ,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, 而轮休期的长短则取决于天气条件[ 4]。通过停床休作与轮作,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。但这类措施需要建造多个平行湿地, 会大幅度增加湿地系统的投资费用[ 17]。

3.4 更换湿地表层基质

Langergraber等[ 25]研究发现 ,在堵塞发生之前,上层基质的最小含水量呈指数增长 , 并最终达到完全饱和状态;下层基质的最大含水量呈下降趋势 ,这主要是由于上层基质中水的渗透速率不够造成的,这说明基质的堵塞主要发生在上层。为此, 通过更换湿地表层基质可以有效恢复人工湿地的功能 , 缺点是对大规模的湿地而言工程量较大、更换困难、更换时人工湿地需要停床且更换所花时间长。

3.5 投加蚯蚓

L.Davisonh等认为,蚯蚓可以清通基质以及清除基质表面的有机沉淀物 , 从而恢复人工湿地基质的水力传导性能[ 26]。但这种方法还处于初步研究阶段, 实际工程的效果还有待进一步验证。

3.6　施用微生物抑制剂或溶菌剂

体积很小的微生物本身直接堵塞填料孔隙的可能性不大,而微生物代谢过程中产生的胞外聚合物(具有较大的体积 )会堵塞填料孔隙。因此, 如何抑制胞外聚合物的大量产生 , 或将某种或部分微生物杀死进而防止填料堵塞是许多学者正在研究的课题。 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, 可以完全恢复基质的水力传导能力[ 5]。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, 这种抑制微生物活性或杀死微生物的防治基质堵塞措施还需深入研究。

4 展望

引起人工湿地基质堵塞的因素较多, 相应的预防措施和恢复对策也很多 ,但效果差别很大,且往往治标不治本。这主要是因为人工湿地是个 “黑箱 ”系统, 各影响因素的重要程度没有得到量化。因此 ,在今后很长一段时间里 , 堵塞问题将成为人工湿地污水处理技术研究中的重点 ,研究方向主要集中在以下几方面 :

①　对人工湿地的基质—微生物 —植物生态系统的协同互利机制进行分析, 对各种污染物 (特别是氮、磷、重金属 )在进入基质层后的迁移转化过程的定量化研究,并建立数学模型全面了解人工湿地的运行机理是解决堵塞问题的基础。

② 选择开发更加合适、成本低廉的人工湿地基质填料。如何选择一些通透性好、比表面积大、具有强吸附能力的基质填料 , 在保证污水处理效果的同时, 还能有效防止堵塞也是湿地堵塞研究的热点。

③ 对湿地进水进行预处理, 采取其他水处理技术与人工湿地结合的工艺 ,提高污水处理率防止湿地堵塞将是以后的研究重点。

④ 基质层填料的堵塞是一个非常复杂的过程 ,涉及物理、化学和生物等各个领域, 建立填料堵塞的数学模型以揭示其堵塞机理, 并采取有效的预防措施是研究的重要方面。

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