倪 政，王翠紅 ，謝可軍 ，郭 琪 ，于青漪 ，宋 楠

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.湖南省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境保護(hù)管理站，湖南 長沙 410005）

人工濕地是指利用基質(zhì)、水生植物與微生物模擬自然濕地，并通過物理、化學(xué)及生物等方法凈化污水的一類設(shè)施[1]，目前已廣泛應(yīng)用于我國鄉(xiāng)村地區(qū)分散式的污水凈化處理中，在一定程度上解決了我國農(nóng)村生活污水隨意排放而造成的環(huán)境污染問題[2]。影響濕地系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵是系統(tǒng)內(nèi)部的堵塞問題[3]。該研究從人工濕地堵塞的可能原因、系統(tǒng)恢復(fù)及預(yù)防等方面進(jìn)行了綜述，以期為提高人工濕地設(shè)施的功效及其保持長期穩(wěn)定運(yùn)行提供指導(dǎo)。

1 人工濕地堵塞的可能原因

人工濕地堵塞的實(shí)質(zhì)是有效孔隙率減小的過程，主要與基質(zhì)層中不可濾物質(zhì)的大量積累和滲透系數(shù)明顯減小[4]有關(guān)，具體可以歸納為無機(jī)物堵塞、有機(jī)物堵塞、微生物與水力負(fù)荷的影響等4個(gè)方面。

1.1 無機(jī)物堵塞

1.1.1 較小粒徑填料基質(zhì)的截留 人工濕地的重要組成部分是填料基質(zhì)，其粒徑大小直接決定了基質(zhì)孔隙容積。一般來說，基質(zhì)粒徑越小，其堵塞的可能性越大。葉建峰[5]的研究表明，在0.5 m3/（m2·d）水力負(fù)荷條件下，采用單一粒徑為1.25～5 mm、5～10 mm和10～15 mm 3種高爐渣基質(zhì)作填料柱，運(yùn)行一個(gè)半月后，基質(zhì)堵塞全部發(fā)生在1.25～5 mm的高爐渣層。

1.1.2 懸浮顆粒物的濃度和負(fù)荷的影響 懸浮顆粒物作為人工濕地系統(tǒng)中的重要物質(zhì)，能顯著增加基質(zhì)的掛膜能力，起到去污強(qiáng)化的效用，但較高濃度或較大負(fù)荷的懸浮物，尤其是含有不可降解有機(jī)物的懸浮物，卻可能增加濕地的堵塞。Bouwer等[6]的研究表明，對(duì)于二級(jí)處理出水，懸浮物＞10 mg/L將會(huì)造成嚴(yán)重的堵塞，人工濕地進(jìn)水懸浮物最大負(fù)荷為8 g/（m2·d）；而Siegrist R L[7]及付貴萍等[8]認(rèn)為進(jìn)水懸浮物最大負(fù)荷分別為10～20 g/（m2·d）、11 g/（m2·d）。

1.1.3 其他化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)的沉積 一方面可能由于人工濕地中的填料基質(zhì)孔隙間產(chǎn)生了某些化學(xué)物質(zhì)，它們沉積或沉降從而造成堵塞，如污水中的硅和石灰石、礫石層分解的鈣等產(chǎn)生易堵塞的無機(jī)凝膠體；另一方面可能與堿性水環(huán)境下Ca2+發(fā)生沉積造成堵塞有關(guān)。

1.2 有機(jī)物堵塞

有機(jī)物長時(shí)間的積累會(huì)增加有機(jī)負(fù)荷及微生物代謝量而導(dǎo)致基質(zhì)孔隙減小，從而引發(fā)濕地處理效果下降、運(yùn)行壽命縮短等問題。

1.2.1 有機(jī)負(fù)荷的影響 有機(jī)負(fù)荷越大、填料滲透系數(shù)越小，則堵塞越嚴(yán)重[9]。Platzer等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在濕地基質(zhì)的堵塞中有機(jī)負(fù)荷的影響比進(jìn)水有機(jī)物濃度的影響更大，建議人工濕地的有機(jī)負(fù)荷

COD宜小于25 g/（m2·d）；Leak[11]認(rèn)為濕地系統(tǒng)有機(jī)物積累到一定程度，特別是平衡之后，沉積在基質(zhì)表面的有機(jī)物會(huì)形成一層黑色粘膜，這些物質(zhì)沉積在孔隙內(nèi)會(huì)導(dǎo)致孔隙的內(nèi)部堵塞。

1.2.2 植物殘留物的影響 濕地植物的殘留物和分解產(chǎn)物是濕地系統(tǒng)有機(jī)物質(zhì)的重要來源。

Nguyen[12]研究表明，濕地基質(zhì)填料頂部10 cm厚度內(nèi)密集的植物根系會(huì)明顯限制水的滲透，這些根部物質(zhì)腐爛后導(dǎo)致有機(jī)物的大量積累，加重濕地的淤堵；莫鳳鸞等[13]通過種植弊草和水蔥發(fā)現(xiàn)，濕地基質(zhì)的滲透性還與植物的種類密切相關(guān)。

1.3 微生物影響

微生物對(duì)堵塞的影響目前有兩種不同的解釋：一種認(rèn)為與微生物過量生長積聚造成直接堵塞[13-14]有關(guān)；另一種認(rèn)為微生物不易導(dǎo)致堵塞。何江濤等[15]根據(jù)濕地細(xì)菌總數(shù)計(jì)算微生物生長所占據(jù)的孔隙體積百分?jǐn)?shù)，結(jié)果表明，1 g土樣中的總孔隙體積為146.79 mm3，孔隙度為39.5%，細(xì)菌所占孔隙體積的百分?jǐn)?shù)僅為0.213%。目前該方面的相關(guān)研究資料較少，作用機(jī)理有待于進(jìn)一步研究。

1.4 水力負(fù)荷影響

水力負(fù)荷是單位體積或單位面積基質(zhì)每天可以處理的污水量，它是影響人工濕地基質(zhì)堵塞的一個(gè)重要因素。一般來說，水力負(fù)荷越大，污染物的量就越大，則基質(zhì)間截留的污染顆粒物越多，從而造成人工濕地基質(zhì)堵塞的可能性越大。

2 人工濕地堵塞的恢復(fù)

2.1 基質(zhì)的清洗或更換

濕地堵塞恢復(fù)最徹底的方法是清洗或更換基質(zhì)填料，包括系統(tǒng)的表層清淤和濕地系統(tǒng)的翻床處理等，周期性更換表層填料可以大大改善濕地的堵塞程度。葉建鋒等[16]發(fā)現(xiàn)距布水管下10~20 cm處是濕地堵塞層的主要分布區(qū)；Platzer等[10]的研究結(jié)果表明，填料堵塞層主要發(fā)生于填料表層15 cm以內(nèi)。

2.2 濕地系統(tǒng)停床休作

濕地輪休被公認(rèn)是防治人工濕地堵塞的最有效措施，即對(duì)同一級(jí)濕地進(jìn)行周期性間隙使用，以保證濕地系統(tǒng)功能的修復(fù)。間歇時(shí)間越長則基質(zhì)處理能力恢復(fù)得越好，其滲透速率也越大；但是間歇時(shí)間不能無限延長，應(yīng)同時(shí)考慮處理效率和處理負(fù)荷，常用的落干/投配周期比為1/8[17]。Balks等[18]發(fā)現(xiàn)屠宰廢水灌溉基質(zhì)因產(chǎn)生大量胞外多糖而堵塞基質(zhì)孔隙，胞外多糖經(jīng)23~50 d的干化可完全降解。

2.3 曝氣運(yùn)行

厭氧狀態(tài)是土壤中胞外聚合物積累的重要條件，對(duì)污水進(jìn)行曝氣充氧可以起到一定的預(yù)防基質(zhì)堵塞作用[19]。對(duì)污水進(jìn)行曝氣，可以提高污水中的溶解氧，使土壤微生物新陳代謝活性提高，有機(jī)質(zhì)中間代謝產(chǎn)物量降低，因而基質(zhì)的堵塞情況可得到一定程度的緩解[3]。

3 人工濕地堵塞的預(yù)防措施

在濕地系統(tǒng)的運(yùn)行管理及工藝設(shè)計(jì)中可采取適當(dāng)措施預(yù)防濕地堵塞的發(fā)生。目前國內(nèi)外主要的預(yù)防措施有：加強(qiáng)預(yù)處理系統(tǒng)的作用，選擇合適的基質(zhì)和濕地植物，采用適宜的水力負(fù)荷、人工濕地布水方式及人工濕地填料級(jí)配組合等。

3.1 加強(qiáng)預(yù)處理系統(tǒng)的作用

3.1.1 生物法預(yù)處理 生物預(yù)處理法是利用生物的代謝作用處理各種廢水，大致分為厭氧處理法和好氧處理法兩類。

周興偉等[20]采用生物絮凝與三級(jí)人工濕地組合工藝處理高濃度生活污水，該系統(tǒng)的預(yù)處理集水解酸化、生物絮凝及沉淀為一體，去除有機(jī)物的能力較高。試驗(yàn)表明，COD、銨態(tài)氮和總磷的去除率分別為93.5%、67.6%和79.6%，其中預(yù)處理池去除率分別為62.5%、12.5%和10.1%；盧建等[21]通過水解酸化/生物接觸氧化處理系統(tǒng)降低后續(xù)人工濕地的進(jìn)水負(fù)荷，減少了后續(xù)濕地的堵塞風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.2 物理化學(xué)法預(yù)處理 生物不可降解的懸浮物在人工濕地中長期積累，這是導(dǎo)致基質(zhì)堵塞的重要因素。經(jīng)過物理的前處理，能夠有效降低懸浮物和有機(jī)質(zhì)的總量。張偉進(jìn)[22]通過曝氣處理人工濕地廢水，增加了濕地基質(zhì)含水量和基質(zhì)孔隙率，試驗(yàn)結(jié)果表明，未曝氣濕地與曝氣濕地基質(zhì)孔隙率相差最大達(dá)到5%。王磊等[23]采用低溶解氧接觸氧化對(duì)滇池入湖污染河水進(jìn)行預(yù)處理，降低了后續(xù)濕地的堵塞風(fēng)險(xiǎn)。熊佐芳等[24]通過增加導(dǎo)氣的方式解決堵塞問題，結(jié)果表明，系統(tǒng)在低水力負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，自然導(dǎo)氣對(duì)基質(zhì)堵塞有顯著的改善作用，而在較高水力負(fù)荷1.2m3/（m2·d）下運(yùn)行時(shí)作用不明顯。

3.2 選擇合適的基質(zhì)

3.2.1 基質(zhì)的顆粒大小 基質(zhì)顆粒的大小具有兩方面的作用，較大的粒徑基質(zhì)可以有效地防止堵塞發(fā)生；但因減少了有效表面積和縮短了水力停留時(shí)間，所以明顯降低了凈化效果。莫鳳鸞等[13]將原濕地中的0～4 mm沙子基質(zhì)更換成4～8 mm和8～16 mm的碎石基質(zhì)，成功地解決了原系統(tǒng)基質(zhì)堵塞問題。

3.2.2 基質(zhì)的種類和性質(zhì) 人工濕地的基質(zhì)及組合選擇有很多種，但是由于每種基質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)不同，因而對(duì)污水的處理能力也不相同。張翔凌等[25]研究結(jié)果表明，當(dāng)水力負(fù)荷為1.0～2.5 m3/（m2·d），選用礫石、沸石、無煙煤、頁巖、蛭石、陶瓷濾料、高爐鋼渣、圓陶粒作基質(zhì)材料，污水采用連續(xù)式投配時(shí)，無煙煤、圓陶粒、沸石的去除效率最好；朱夕珍等[26]的研究表明，污水采用間歇式投配，選用石英砂、煤灰渣和高爐渣作基質(zhì)時(shí)，煤灰渣去除有機(jī)污染物和總磷最佳，高爐渣去除污水中總磷和總氮最佳，石英砂水力負(fù)荷最高，不容易形成堵塞；王媛媛等[27]研究表明，采用間歇式投配，選用沸石、草炭、蛭石、頁巖、砂子作基質(zhì)時(shí)，草炭去除污染物的效果最佳。

3.3 選擇合適的濕地植物

濕地植物的選擇要考慮兩個(gè)因素：一是植物的種類篩選，二是植物種植密度的控制[28]。應(yīng)選用根際復(fù)氧能力強(qiáng)、分泌難降解物質(zhì)較少的植物品種，合理種植，定期收割植物的地上部分。徐德福等[29]認(rèn)為，在蘆葦、美人蕉、茭白、黃花鳶中以蘆葦最佳；王全金等[30]研究表明，在薏苡、風(fēng)車草、茭白和美人蕉中，以茭白、美人蕉最佳。魏成等[31]研究表明，不同的植物組合即混合種植模式能提高人工濕地系統(tǒng)對(duì)污染物的凈化效率和增加效率的穩(wěn)定性。

3.4 采用適宜的水力負(fù)荷

當(dāng)水力負(fù)荷超過人工濕地的承載能力時(shí)，微生物將大量生長造成堵塞。熊佐芳等[32]研究結(jié)果表明，同一季節(jié)間歇式投配，設(shè)計(jì)水力負(fù)荷為0.3~1.2 m3/（m2·d）時(shí)，以0.6～0.9 m3/（m2·d）水力負(fù)荷為最佳；朱文玲等[33]研究結(jié)果表明，同一季節(jié)間歇式投配，設(shè)計(jì)水力負(fù)荷為0.2~1.0 m3/（m2·d）時(shí)，以0.8 m3/（m2·d）水力負(fù)荷為最佳；聶志丹等[34]在不同季節(jié)連續(xù)式投配，設(shè)計(jì)水力負(fù)荷為0.5~1.5m3/（m2·d），結(jié)果以0.8 m3/（m2·d）水力負(fù)荷為最佳；汪俊三等[35]在不同季節(jié)連續(xù)式投配，設(shè)計(jì)水力負(fù)荷為0.8~1.0 m3/（m2·d），結(jié)果以1.0m3/（m2·d）水力負(fù)荷為最佳。

3.5 采用適宜的人工濕地布水方式

有效的布水方式能夠增加水體和基質(zhì)的接觸面，延長水體和基質(zhì)及植株的反應(yīng)時(shí)間。從水力學(xué)上講，布水流程短、阻力小，將降低堵塞的幾率。潘珉等[36]對(duì)滇池湖濱福保人工濕地采取大斷面、短流程、管道布水的方式進(jìn)行布水，水平潛流停留時(shí)間為17 h，水力負(fù)荷為0.79m3/（m2·d）；改造后的人工濕地污水處理量為4 000m3/d，垂直潛流停留時(shí)間為11.7 h，水力負(fù)荷為1.57 m3/（m2·d）；改造運(yùn)行1 a后，主要污染物去除率由30%增加到80%，而有效孔隙率、滲透系數(shù)與建成初期沒有明顯變化。

3.6 采用適宜的人工濕地填料級(jí)配組合

不同級(jí)配組合即正級(jí)配（上部填充小粒徑基質(zhì)，下部填充大粒徑基質(zhì)）和反級(jí)配（上部填充大粒徑基質(zhì)，下部填充小粒徑基質(zhì)）條件下濕地處理效果有明顯區(qū)別。王榮等[37]研究了兩種級(jí)配垂直流人工濕地，比較了COD、TN、TP、NH4+-N去除效率的變化，結(jié)果表明，在高水力負(fù)荷0.9 m3/（m2·d）和高有機(jī)負(fù)荷707.69±94.45mg/L運(yùn)行條件下，反級(jí)配系統(tǒng)在保證主要污染物有較高凈化效率的同時(shí)，能有效地減緩系統(tǒng)的堵塞過程。Zhao等[38]研究了將小試裝置內(nèi)上層4.4±1.5mm粒徑的基質(zhì)與中層9.8±2.7mm粒徑的基質(zhì)互換，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在保證處理效果的同時(shí)，反級(jí)配人工濕地在延緩基質(zhì)堵塞方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。

4 研究展望

人工濕地系統(tǒng)靈活性好、去污能力較強(qiáng)，日漸被大眾所接受。提高該項(xiàng)技術(shù)普及率的主要限制因素是堵塞問題。從目前已有資料來看，該項(xiàng)技術(shù)由于成本高、工作量大及其帶來的二次環(huán)境污染等問題，至今沒有一套操作簡單、切實(shí)可行的解決辦法。隨著科技水平的不斷提高，人工濕地系統(tǒng)設(shè)計(jì)日益完善，堵塞問題將得到解決，這對(duì)于全面推廣應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)顯得尤為重要。在防止人工濕地系統(tǒng)堵塞問題上應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)以下3方面的研究：

（1）提高人工濕地進(jìn)水的預(yù)處理能力，降低濕地入水有機(jī)物或懸浮物的濃度，減小濕地有機(jī)負(fù)荷。

（2）在保證一定去污率的前提下，加強(qiáng)對(duì)不同級(jí)配條件濕地填料配比度的研究，減緩人工濕地的堵塞。

（3）加強(qiáng)濕地植物組合種植模式的研究，提高人工濕地系統(tǒng)對(duì)污染物的凈化效率和增加效率的穩(wěn)定性。

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