人工湿地基质堵塞影响因素分析

Posted 2023-01-14 湿地

篇首语：学者有自立之志，当拔出流俗，不可泛泛与世浮沉。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了人工湿地基质堵塞影响因素分析相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

人工湿地是20世纪70年代发展起来的一种废水生物处理新技术，它具有投资低、能耗低、出水水质好，有较强的脱氮除磷功能以及运行管理方便等特点，因而该技术已被世界各国所接受，并用来处理多种形式的废水（吴晓磊，1995）。人工湿地对废水的处理综合了物理、化学和生物3种作用。它成热后，填料表面和植物根系中生长了大量微生物，形成了生物膜。废水流动时，SS能被填料及根系阻挡截留，有机物通过生物膜的吸附、同化及异化作用而得以去除。

保持湿地系统的持续运作能力非常重要，垂直流人工湿地在运行中容易出现的一个问题是基质阻塞。随着基质的逐渐阻塞，湿地的水力传导性也降低，从而影响水流路径（如促进表面流动），最终也影响天湿地的处理效果和运行寿命（Tanner et al 1995）。同时，基质的通气状况又会影响到基质的供氧状况，从而影响到好氧微生物的活动，最终也影响湿地的处理效果。因此水力传导性和通气状况的优劣直接决定着人工湿地系统的持续运作能力，而这两方面直接与人工湿地的基质堵塞有关，本文对基质堵塞的影响因素作了分析。

1 影响因素分析

1.1 基质材料的影响

过滤材料粒径大小直接影响基质的孔隙大小和水容量，因此它是影响人工湿地是否发生堵塞的重要影响因素（Platzer and Mauch, 1997）。莫凤鸾等（2004）在深圳洪湖公园的人工湿地研究中，在1997年至1999年5月间湿地系统共发生5次堵塞，采用粒径较大的碎石代替原来的沙子作湿地材料后，系统运行正常。

1.2 进水污染物负荷

(1) 悬浮物的影响

人工湿地进水中的悬浮物尤其是不可生物降解性的悬浮物负荷是影响湿地堵塞的重要因素（Platzer and Mauch，1997），因此必须对人工湿地的进水进行预处理，以降低进水中的悬浮物。Bouwer(1980) 等推荐进水中悬浮物的最大值为20 mg/L, 负荷相当于8 g/(m2.d)。付贵萍等（2004）采用11 g/(m2.d)的进水悬浮物负荷，系统运行5年未出现堵塞现象。

(2) 有机负荷的影响

普遍认为有机物负荷对基质堵塞有重大影响。Platzer 和 Mauch（1997）的研究发现，堵塞一般发生在基质上层0～15cm处，有机负荷过高是堵塞的主要影响因素，并且在湿地基质的堵塞中有机负荷的影响比进水有机物浓度的影响更大，在中欧的气候条件下，湿地基质不发生堵塞的有机物负荷上限是25g COD/m2/d。但也有研究表明，堵塞只与达到平衡状态前的有机物负荷有关，利用人工湿地对地下水回灌的试验表明，有机物负荷BOD可达40 g/(m2.d)（Wong and Somes, 1995）。由于污水中连续的营养供应，系统内产生的生物量不断增加也是造成堵塞的一个因素；厌氧条件也加速了系统的堵塞（Winter and Goetz, 2003）。

1.3 湿地植物的影响

温地植物根和根系对基质的穿透作用以及根和根系的腐烂，在基质中形成了许多微小的

气室或间隙，减少了基质的封闭性，增强了基质的疏松度，从而使得湿地的水力传导性和通气状况得到加强和维持，确保人工湿地系统的持续运行与处理效果。但另一方面，湿地植物地上部分衰落时的残留物、根系及根系分泌物会造成系统中有机物累积量的增加。

成水平等（1997）在人工湿地净化污水试验中发现，经过3～5个月的污水处理后，不种植物的对照土壤基质板结，发生淤积；而种有灯心草等植物的湿地渗滤性能好，污水能很快渗入基质。还有资料表明，即使较板结的土壤，经过植物根系2～5年的穿透作用，其水力传导性可与砂砾、碎石相当。莫凤鸾等（2004）发现，种植弊草的湿地组比种植水葱的基质堵塞严重，这表明湿地基质的渗透性与植物的种类有很大关系。

1.4 有机物积累造成的系统堵塞

有研究表明，湿地基质中有机质积累具有很高的引起阻塞的可能（Tanner et al, 1998）。

湿地有机物的投入量主要由废水中贡献的有机物量、植物的生物产量和生物产量的分配所决定的，植物的生物产量由植物地上部分残留、根产量与根分泌物组成。湿地系统有机物输出途径主要有两个方面，一个是湿地系统中有机物分解所放出的二氧化碳和其他无机物质，另一个是随废水流出所带走的有机物质（杜中典等，2002）。当有机质输出小于输入时就会出现有机质的积累现象。

堵塞过程可分为三个阶段。第一阶段是渗透速率总接近系统开始运行时的渗透速率，但呈现逐渐下降趋势；接着是一个实质性的平稳下降阶段；最后是间歇的系统堵塞阶段直至持续堵塞发生。Laak（1986）指出湿地系统在未达到平衡状态之前，堵塞仅仅依靠有机负荷。湿地系统达到平衡之后，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包括厌氧分解产物，比如多糖类物质和聚尿类物质，以及由于受低温限制而没有发生化学变化的有机化合物，导致了系统孔隙的外部堵塞，沉积在孔隙内的有机物导致了孔隙内部的堵塞。

湿地系统中积累的有机物在水平方向上的分布规律为，废水入口处，有机物的积累量较大，而且随着距离的增加，有机物积累量逐渐下降。例如，Tanner等（1995）通过垂直流砂滤床取样分析得出，种植植物的湿地系统废水入口处有机物积累量最高达9.5kg/m2, 而在出口处则下降落到2～5kg/m2。有机物积累量在垂直方向上的分布随着床体深度的增加而呈现减少的趋势。

简放凌（1995）指出，如果湿地系统内有机物的积累量达到5%以上时，过滤功能就会失效。牛晓音等（2002）研究了杭州西湖边人工湿地经一年多运行后有机质的积累情况，同时测定了基质的孔隙度和水力传导性，其结果表明，人工湿地在运行一年后总有机质积累达到0.658kg/m2，并且60%有机质积累主要在0～10cm；湿地上下层有机质积累有明显差异，且随着基质中的深度和离入水口的距离呈下降趋势，基质孔隙度与有机质呈显著负相关关系，有机质积累少，则孔隙度大，有机质积累对水力传导性有一定影响。

1.5 温度

温度对土壤堵塞具有双重影响（雷明和李凌云, 2004）。一方面，较高的温度导致了高的生物活性和较高的生长速率，但同时由于微生物的快速增长，填充了填料的孔隙，从而引发基质堵塞；另一方面，较低温度抑制了生物活性，代谢速度慢，致使有机固体颗粒在填料中的大量累积和滤料中厌氧程度的加剧，也易引发湿地堵塞。

2 避免堵塞的措施

针对造成湿地堵塞的原因可以湿地设计与运行中分别采取相应的避免堵塞措施。当垂直流人工湿地用来治理含较多不易降解的SS成分时，堵塞容易发生。可以通过废水的前处理，减少进水中难降解的SS来防止堵塞的发生。由于湿地系统中植物能够向系统中贡献较多的有机物，因而植物对系统的堵塞也有很大影响。减少由植物造成有机物堵塞的办法是选择一种植物品种，其残留物中所含难降解化合物的水平较低或者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。针对有机质积累的空间分布特点，在靠近进水口端可以采用粒径较大的砾石作为过滤材料，这一点在湿地设计时应予以充分考虑。湿地由于废水中连续的营养物质的供应，系统内生物量的产生也是影响堵塞的一个因素。微生物可能将少量慢分解的和难分解的化合物轻度改变就直接进入稳定的腐殖质成分，而且生物量的体积对系统堵塞的影响要比其干重大。为了维持湿地的功能，生物量的产生速度和矿化速度必须达到一种平衡状态（Platzer 和Mauch, 1997）。Blazejewski等（1997）认为厌氧条件加速了系统的堵塞，因而间歇的进水方式和适当的湿地干化期对于系统避免堵塞也是必要的。对于已经堵塞的填料层可采取的恢复措施有停床轮作、更换表层填料等手段。

3小结

基质堵塞是影响人工湿地正常运行的主要问题，基质材料、湿地植物、进水污染物负荷、有机物累积等是湿地堵塞的主要因素，在湿地设计和运行过程中需对给予充分重视，以保持湿地系统的持续运作能力。

参考文献

[1] 成水平，况琪军，夏宜峥. 香蒲、灯心草人工湿地的研究（Ⅰ）—净化污水的效果[J]. 湖泊科学, 1997, 9(4): 351-358.

[2] 付贵萍，吴振斌，张晟等. 构建湿地堵塞问题的研究[J]. 环境科学，2004，25（3）：144-149.

[3] 雷明，李凌云. 人工湿地土壤堵塞现象及机理探讨[J]. 工业水处理，2004，24（10）：9-12.

[4] 莫凤鸾，王平，李淑兰等，人工湿地系统的维护[J]. 云南环境科学，2004，23（增刊）：5-8.

[5] 吴晓磊. 人工湿地废水处理机理[J]. 环境科学，1995，16（3）：83-86.

[6] 杜中典，崔理华，肖乡等. 污水人工湿地系统中有机物积累规律与堵塞机制的研究进展[J]. 农业环境保护，2002，21（5）：474-476.

[7] 简放凌. 高浓度工业废水有机物在土壤中的动态变化及其预测研究[J]. 农业环境保护，1995，14（2）：72-74.

[8] 牛晓音，樊梅英，常杰等. 人工湿地运行过程中有机物质的积累[J]. 生态学报, 2002，22（8）：1240-1246.

[9] Bouwer H, Rice R C, Lance J C etal. Rapid-infiltration research at Flushing Meadous project, Arizona[J]. Journal Water Pollution control Federation, 1980, 52: 2457-2469.

[10] Laak R. Wasterwater Engineering Design for Unsewered Areas. 2nd edition[M]. Lancaster: Technomic, 1986.

[11] Platzer C, Mauch K. Soil clogging in vertical flow reed beds-mechanisms, parameters, consequences and solutions[J]? Water Science and Technology, 1997, 35(5): 175-181.

[12]Tanner C C, Sukias J P. Accumulation of organic solids in gravel-bed constructed wetlands[J]. Water science and technology, 1995, 32(3): 229-239.

[13] Tanner C C, Sukias J P S, Upsdell M P. Organic matter accumulation during maturation of gravel-bed constructed wetlands treating farm dairy wasterwaters[J]. Water Research. 1998, 32(10): 3046-3054.

[14] Winter K J, Goetz D. The impact of sewage composition on the soil clogging phenomena of vertical flow constructed wetlands[J]. Water Science and Technology, 2003, 48(5): 9-14.

[15] Wong T H F, Somes N L G. A stochastic approach to designing wetlands for stormwater pollution control[J]. Water Science and Technology, 1995, 32(1): 145-151. 作者: 管淑英