人工濕地堵塞機理與解決措施_堵塞模型
導讀:：人工濕地的長期運行尚缺少安全保障。因此研究堵塞機理、預防對策和解決措施。解決措施。
關鍵詞：人工濕地，堵塞機理，堵塞模型，解決措施
人工濕地是利用土壤、人工介質、植物、微生物的協同作用對廢水進行處理的技術，具有投資低、出水水質好及運行管理方便等特點 [1-5]。人工濕地按水流的流動方式分為表面流人工濕地、潛流人工濕地和垂直流人工濕地。其它類型大多以此為基礎，經過改進或組合而成。
但從目前工程實踐來看，人工濕地的長期運行尚缺少安全保障，如果設計或運行管理不善，容易造成堵塞。美國環保署對100多個構建濕地進行調查，發現有近一半的濕地在運行5年內出現堵塞，導致濕地水力傳導系數降低、處理效果下降、運行壽命縮短等[6]。因此研究堵塞機理、預防對策和解決措施，對提高人工濕地長期穩定運行極其重要。
1 人工濕地堵塞的機理
人工濕地的堵塞過程通常可分為3個階段：初期，滲濾速率接近開始運行時水平，但呈現下降趨勢;中期堵塞模型，滲濾速率緩慢下降;末期，填料表面間歇到持續積水。研究表明,當土壤孔隙小于10μm時水不能從中通過;10～50μm的孔隙水可以緩慢通過;而大于50μm的孔隙水可以正常通過,因此大于10μm的孔隙占濕地總的孔隙體積的比率可稱為有效孔隙率。潛流人工濕地中堵塞過程的實質是濕地中有效孔隙率減小的過程[7]。
人工濕地的堵塞機理可歸結為物理、化學和生物三個方面。
1.1 物理機理
1.1.1 固體截留
固體截留是人工濕地廢水懸浮固體去除的主要方式，包括：電化學吸附、慣性力、布朗運動去除等。Kadllec和Wallace指出在水平潛流人工濕地中，大顆粒的固體截留是懸浮物去除了主要機理，并且主要發生在濕地的最初幾米[8]。Hermansson指出微粒被基質截留是以電化學吸附為主，吸附能力的大小取決于微粒、基質及流體的表面電荷的多少。隨著固體的大量截留，濕地的孔隙率不斷減小，這又強化了基質對懸浮固體的截留，最后發生堵塞[9]。
1.1.2 機械壓縮
堵塞層的機械壓縮會造成填料孔隙率的減少，也是濕地堵塞的原因之一。如果濕地中基質耐水性團粒穩定度和強度較低，團粒在長期浸水的情況下膨脹崩解變成細微的粘土粒子，且在滲水作用下不斷向下移動形成致密的不透水層，最終導致堵塞。
1.2化學機理
吸附和沉淀會造成人工濕地的堵塞。物理化學吸附作用在去除金屬、含烴及含氮磷化合物的同時，會在基質的表面形成的吸附膜層，由于介質吸附能力的限制，該層吸附膜并不是很厚，對堵塞的影響有限。但在此基礎上金屬氫氧化物、硫化物、碳酸鈣的沉淀會加厚基質表面的覆蓋層。同時濕地環境中生物間的相互作用會強化這種化學轉化，最終造成人工濕地的堵塞。
Nivala指出在富氧條件下，濕地中會形成Fe(OH)3沉淀，并伴隨著空隙間的生物反應，會造成孔數量的大量減少和基質被粘附在一起[10]。也有文獻指出當基質中有較多Ca2+存在時，如果進水中含有大量置換能力強的H+、Na+等陽離子，這些離子會與Ca2+發生置換反應堵塞模型，若同時有SO42-存在，便會形成難溶性物質并造成堵塞[7]。
1.3生物機理
造成濕地堵塞的生物機理有2個方面的原因：一方面，在含營養物質豐富的濕地系統中，微生物大量繁殖所形成的顆粒狀有機物是系統中有機物累積總量的一部分;另一方面，植物地上部分衰落時的殘留物、根系及根系分泌物都會導致系統中有機物累積量的增加。
1.3.1 微生物引起堵塞的機理
在潛流人工濕地中絕大多數的微生物是以生物膜的形式附著在介質表面，一般呈絲狀，能通過孔隙交織形成網狀組織，將降低污水的水力傳導系數[11-12]。Madigan發現濕地中的多數微生物會分泌胞外多聚物，含水量高達99%。這種胞外多聚物會在基質的孔隙中形成一層抗滲層，嚴重時就會出現雍水[13]。基質表層生物膜、細胞外多聚物、腐殖質等形成的高含水量、低密度的膠狀淤泥，對人工濕地的堵塞起著重要的作用 。
除此以外,濕地中硫還原細菌,產甲烷菌以及生物脫氮作用產生的氣體所形成的包氣帶也可能是堵塞的原因之一。
微生物的新陳代謝很大程度上受著溫度的制約，較高的溫度導致了較高生長速率，從而引發人工濕地的堵塞。而低溫則抑制了生物活性，致使有機固體顆粒在填料中大量累積和填料的厭氧程度加劇，也會引發人工濕地的堵塞[14]。
微生物所造成人工濕地的堵塞進程在某種程度上來說是一個正反饋的過程，濕地的堵塞導致基質中氧氣供應下降，微生物的活性也隨之下降，有機物降解速率變慢，這又加劇了有機物的積累，加快了堵塞進程。
1.3.2 植物引起堵塞的機理
早期很多學者認為植物能緩解濕地中基質的堵塞，主要原因是植物的根呈管狀，能為流水提供大量的孔隙網，發揮了疏通的作用。現在認為植物殘體及其分泌物是人工濕地有機質的重要來源之一。國際水協(IWA)指出人工濕地中有1/4至1/3的孔隙堵塞源于植物的根和地下莖[15]。
Tanner等在研究用有植被和無植被兩種水平潛流人工濕地處理牛奶場廢水時發現：無植被濕地的平均有機物累積量為每年0.4～2.3kg/m2堵塞模型，有植被濕地平均累積量接近每年4kg/m2;在有植被的濕地中，距地表10cm以內的有機物積累量是10cm以下的2到8倍，然而進水口區域的有機物積累量只比出水口區域多50%[16]。因此，可以認為在該有植被水平潛流人工濕地系統中，系統堵塞主要是由植物的腐殖質引起的。
1.4 堵塞的模型化
人工濕地的堵塞是一個復雜的過程，涉及多種因素，眾多學者建立了數學模型，來預測人工濕地的堵塞進程。
Ryszard Blazejewski等基于生物量的增長速率與懸浮物的降解速率相等建立的砂介質濕地堵塞發生時間模型：
tc=150×
×
(1-
)×def/qs
而任意時間t時濕地填料的孔隙率：
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進水中固體物質濃度;Wc一積累在填料孔隙中固體物質的含水量;def一填料有效粒徑;qs一單位面積濕地的懸浮物負荷。
該模型僅考慮進水中懸浮物在填料孔隙中的積累，忽略生物和化學作用對堵塞的影響。
Langergraber等基于濕地的堵塞過程中懸浮物的作用要遠大于生物量所起的作用，通過懸浮物負荷SSload來估算堵塞發生的時間Tclog(d)：
Tclog(d)=180×ρts，org/SSload
式中ρts，org為總懸浮物中有機物的密度。
該模型假設填料的孔隙率與水力傳導系數之間存在嚴格的線性關系，而實際上當孔隙率減少到一定程度后，孔隙率與水力傳導系數呈現出很強的非線性關系，孔隙率的微小減少就會導致水力傳導系數的劇烈下降。所以該模型計算出來的理論值要比堵塞實際發生時間要晚。
此外，堵塞模型還有Katsutoshi Seki等建立了土壤的生物堵塞數學模型;及基于孔隙率減少而造成土壤堵塞建立的Kozeny—Garman方程;葉劍鋒等建立的不可濾物質累積的微觀模型[17]。但這些模型的使用范圍都有一定的局限性。
2 解決措施
2.1 堵塞的預防
濕地系統堵塞的分布和時間與眾多設計、運行操作因素有關，濕地堵塞的預防應從設計、進水、運行全方面考慮格式。
2.1.1 合理的設計
2.1.1.1 基質的選擇
理論上基質的粒度越小，比表面積越大，有利于廢水處理效果的提高，但同時孔徑也隨之減小，會加速堵塞的進程。因為基質粒度大小對水力傳導率影響很大。Griffin在監測英國25個水平潛流人工濕地時發現：粒度大的基質(6～11mm)不會影響系統的處理能力，而根據Kozeny-Carmen等式，11mm粒徑基質的水力傳導率是6mm粒徑基質的3倍[15]。因此基質粒徑的選擇需要在保證凈化效果(小粒徑)和防治堵塞(大粒徑)之間尋求平衡點。
此外堵塞模型，合適的填料級配能有效防止基質的堵塞。詹德昊等認為在有效基質多采用沙粒、豆石等材料的復合垂直流人工濕地中，表面宜采用0～4mm的沙粒，厚度為15～25mm;表層以下宜采用4～8mm(也可用8～16mm)的豆石[18]。莫鳳鸞等通過將原濕地中的0～4mm(厚為600mm)的細沙基質更換成厚為250mm的4～8mm及厚為350mm的8～16mm的碎石基質，成功解決了原系統基質的堵塞問題[19]。
2.1.1.2 濕地植物的選擇
選擇合適的濕地植物可以把植物對堵塞的影響減到最低。既要考慮植物對系統滲透性能的影響，又要考慮凈化效果、美化功能等因素。可考慮選用根際復氧能力強、分泌難降解物質較少的植物。
2.1.2 合理的進水
廢水的特性，如流速、懸浮物和有機負荷、污染物特點等，對人工濕地堵塞的進程有重要的影響。Chazarence等研究水平潛流人工濕地時發現：當進水平均COD為12g/m2·d時固體的年積累量為11kg/m2;當進水COD含量曾至67g/m2·d時固體的年積累量為51kg/m2[21]。Caswlles-Osorio研究用水平潛流人工濕地分別處理葡萄糖和淀粉有機廢水時發現：進水有機物為葡萄糖的濕地水力傳導率較低。因為葡萄糖的易降解特性更容易形成生物膜堵塞[21]。控制進水的水力負荷和有機負荷可以采取以下三種措施。
2.1.2.1 預處理
Winter和Goetz研究德國21個垂直潛流人工濕地時發現堵塞速度與進水TSS、COD負荷率呈正相關，當進水TSS小于5g/m2·d，COD小于20g/m2·d堵塞現象不是很明顯[22]。因此，人工濕地在處理懸浮物含量較高的污水，須在濕地之前設置預處理設施，盡量去除污水中的懸浮物和漂浮物，防止堵塞。
常見的預處理工藝有格柵、厭氧沉淀、混凝沉淀等。有研究表明，用序批式厭氧收集池預處理城市生活污水能夠將懸浮固體降到極低水平，可有效預防人工濕地堵塞的發生。Magesan等采用快速滲濾系統處理具有高碳氮比(C/N值為66)的廢水時，土壤填料過水能力會迅速降低80%，而在進水中添加硝化抑制劑和多糖降解酶則可以將土壤填料的滲透系數提高到堵塞時的2.8倍[23]。
2.1.2.2 曝氣充氧
由于厭氧狀態是導致基質中胞外聚合物積累的重要原因，因此對污水進行預曝氣充氧可以起到一定的預防堵塞作用[24]。由于污水在滲透過程中其DO值會迅速降低，而在散水管周圍供給空氣則可以有效提高污水的DO濃度，維持基質中的好氧狀態，使微生物的分解作用得以維持，同時還可以防止基質中胞外聚合物的蓄積。
2.1.2.3 合理配水
廢水是否投配均勻會影響基質的堵塞。Molle指出潛流人工濕地長期處于水力超負荷狀態時會出現大量的雍水。葉建鋒等研究人工濕地堵塞物積累規律時發現，垂直潛流人工濕地布水口周圍容易首先產生堵塞現象[25]。因此廢水在濕地中最大范圍的平均投配可以緩解這種形式的堵塞。Knowles也指出布水管道設計不合理易造成廢水的不均勻投配和基質的局部堵塞[26]。另有學者提出通過大量縱橫的明溝來布水堵塞模型，不僅能實現廢水在濕地中的均勻投配，還可以截留一部分固體，減少基質間堵塞物的積累。
2.1.3 合理的運行
2.1.3.1 輪休及局部輪休
研究表明，輪休的運行方式一方面可以使大氣中的氧進入濕地內部，加快降解基質中沉積的有機物;另一方面微生物新陳代謝需要的各種營養物得不到持續的補充，基質中的微生物會逐漸進入內源呼吸期，消耗胞外聚合物或胞內成分，逐漸老化死亡。
李懷正研究輪休對堵塞型垂直潛流人工濕地的影響時發現，輪休后單位基質中的堵塞物(不可濾物質)含量較輪休前有所降低，從而促使人工濕地雍水狀況得到不同程度的改善格式。由此可見，長期輪休措施對解決人工濕地的堵塞有明顯效果[27]。
此外，也可以采用局部輪休的方法，較整個系統的長期輪休其優點是不影響濕地系統的整體功能[28]。
2.1.3.2 及時清理濕地表面
在濕地運行一段時間后，濕地表面有許多植物落葉，冬季時更是有許多植物殘體，它們是濕地堵塞的重要原因之一。濕地表面的落葉和植物殘體的清除，有助于改善系統的滲透性。還可考慮每年對濕地內的植物進行裁剪或定期收割，對于保持系統的滲透性，防治濕地堵塞具有較好的效果。
2.2 解決措施
人工濕地堵塞后，工程中有以下幾種解決措施。
2.2.1 停床整休
人工濕地堵塞后，國外通行的做法是讓床體經過幾個星期的停床休整來恢復部分滲透性，而停床的長短則取決于氣候條件，一般而言濕冷氣候的濕地較干熱氣候的濕地需要更長的休整期。其機理和人工濕地的長期輪休一致。
2.2.2 施用微生物抑制劑或溶菌劑
在濕地中施用微生物抑制劑或溶菌劑可以抑制胞外聚合物的大量產生堵塞模型，或將某種或部分微生物殺死防治基質堵塞。Shaw等在進水中添加5%的次氯酸鈉以殺死細菌并溶解胞外多糖，可以基本恢復基質的水力傳導能力。但是，人工濕地處理工藝主要依靠微生物的代謝活動去除污染物質，因此，抑制微生物活性或殺死微生物防治基質堵塞的措施還需要深入的研究。
2.2.3 更換濕地表面基質
濕地中沉積物主要集中在表層，堵塞也主要發生在濕地表層0～15cm處[29]。因此，更換人工濕地表層基質可以有效的恢復人工濕地的功能。但是其工程量較大，費用高，更換時人工濕地需要停床且更換所花時間長。
3 結語
人工濕地的堵塞影響其使用壽命，限制了該技術的廣泛應用。但引起人工濕地基質堵塞的因素較多，涉及物理、化學、生物等多方面，而且不同濕地堵塞，起主導作用的因素也不相同。因此，在開發防堵塞填料、建立精確堵塞數學模型、人工濕地系統設計運行參數等方面將成為人工濕地污水處理技術研究的重點。
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