人工湿地的堵塞与防堵策略探讨

人工湿地的堵塞与防堵对策

环境科学与工程黎明

摘要：人工湿地作为一种高效率、低投资、低运行费用、低能耗的污水处理技术，越来越受到世界各国的关注。随着人工湿地的不断推广与应用，堵塞是影响其应用和推广的主要因素之一。湿地发生堵塞后，基质的渗透系数会急剧下降，过水能力也随之降低，大量引入湿地系统的污水直接雍积在湿地表面，长期积水引发恶臭、导致蚊蝇滋生，恶化运行环境。本文通过对人工湿地运行过程中出现的填料堵塞机理与特点进行分析，提出了人工湿地堵塞相应的防堵设计与解决措施，提高人工湿地对污水的处理效果与使用寿命。

关键词：人工湿地;堵塞机理;防堵

Abstract: The constructed wetland technology developed rapidly and received wide attentions because it has the advantages of high efficiency，low investment，low cost and low energy consumption． With the increasing promotion and application of constructed wetlands，clogging is the main problem of wastewater treatment technologies in constructed wetlands． When clogging appeared in constructed wetlands，the permeability coefficient of substrate and water decreased sharply．Plenty of wastewater stayed on the wetland surface． Long term accumulated water initiated odor and caused swarms of flies and deteriorated running environment． A comprehensive analysis on soil clogging phenomena in the operation of constructed wetlands is performed，and the factors related to soil clogging are summarized． The clogging mechanism and models are discussed． Some correlation solutions of avoiding clogging and countermeasures for remedying the clogging are put forward． This study improved the efficiency of constructed wetland in wastewater treatment．

Key words: constructed wetlands; clogging mechanism; clogging prevention

前言

堵塞( clogging) 是一种自然现象，人工湿地系统作为一种有效的污水土地处理技术，堵塞是影响其应用和推广的主要因素之一。人工湿地系统的水流状态是维持系统正常运行、使系统充分发挥净化效果的重要因素，但在发生堵塞后，基质的渗透系数会急剧下降，过水能力也随之降低，大量引入湿地系统的污水直接雍积在湿地表面，长期积水引发恶臭、导致蚊蝇滋生，恶化运行环境; 雍水还阻隔氧气向基质层内扩散，进而降低污染物(尤其是有机物和氨氮) 的去除效果，使出水指标达不到设计标准，同时缩短了人工湿地的运行寿命。

1 人工湿地堵塞机理

堵塞机理大体上可以归结为物理、化学和生物等3 个方面。

堵塞的物理机制：主要是有机物积累、悬浮颗粒物的沉积作用、淤堵层在水流作用下的机械压缩作用以及细小颗粒物随水迁移等导致的堵塞。詹德昊等[1]研究也表明在复合垂直流人工湿地中，基质中有机质含量与基质渗透系数成明显的负相关性，有机质含量越高，渗透系数越小。

堵塞的化学机制：一方面，影响基质孔隙几何形状及稳定性的因素有很多，如基质中水相的电解质浓度、有机物组成、pH、氧化还原电位以及固相的矿物成分、表面特性等，这些因素决定了基质的饱和水力传导系数。另一方面，一些空隙间的化学反应会产生沉淀或者胶体，进而通过絮凝沉积作用导致堵塞。例如石灰石基质中的钙会与进水中的置换能力强的H+、Na+等阳离子发生置换反应，进而与水中的硅反应产生无机凝胶或与硫酸根离子反应生成沉淀从而导致空隙堵塞。

堵塞的生物机制：湿地中积累的腐殖质与细菌分泌的一些胞外多聚物很容易形成高含水量、低密度的胶状淤泥，造成湿地的堵塞[2]。此外，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造成堵塞的原因之一[3]。而植物残体及其分泌物也是人工湿地有机质的重要来源之一，有报道称人工湿地约27%的孔隙堵塞源于湿地植物的根与地下茎，73%是由于进水及植物地上部分残体所造成的有机物积累。

2 人工湿地堵塞过程

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。

3 人工湿地防堵塞设计

3.1预处理

要解决或减轻堵塞问题,一般需要对污水进行适当的预处理,最大程度地减少悬浮物质,降低湿地的有机负荷。预处理工艺通常采用格栅、沉淀或沉砂一级处理工艺,必要时也可采用预曝气、水解酸化等。通常采用悬浮物去除效果较好、投资和运行费用较低的构筑物。