垂直潛流人工濕地堵塞及其運(yùn)行效果影響研究

王　振,張彬彬,向　衡,樊　霆,杜宇能,李定心（.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,安徽 合肥006；.中石化綠源地?zé)崮荛_發(fā)有限公司,陜西 咸陽 7000；.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,安徽 合肥 006）

垂直潛流人工濕地堵塞及其運(yùn)行效果影響研究

王振1*,張彬彬1,向衡2,樊霆1,杜宇能3,李定心1（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,安徽 合肥230036；2.中石化綠源地?zé)崮荛_發(fā)有限公司,陜西 咸陽 712000；3.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,安徽 合肥 230036）

在凈化豬場(chǎng)沼液中開展了垂直潛流人工濕地堵塞過程及其運(yùn)行效能變化的研究.結(jié)果表明,人工濕地堵塞的主要成因是由于填料層中不可濾過性物質(zhì)的積累所致.不可濾過性物質(zhì)是由有機(jī)物和無機(jī)物組成,且大部分不可濾過性物質(zhì)的粒徑均超過 5.00 μm.填料層的孔隙率和水力傳導(dǎo)系數(shù)均隨系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而減小,而填料層中被截留物質(zhì)的含量則隨系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,其空間變化特征均受到了系統(tǒng)中水力流態(tài)的影響；當(dāng)系統(tǒng)HLR為0.02m3/（m2·d）時(shí),VSSF在運(yùn)行1380d后對(duì)豬場(chǎng)沼液的凈化開始惡化,系統(tǒng)對(duì)COD、TSS、TN、NH4+-N和TP的去除率分別降至37.31%、57.82%、20.80%、32.13%和51.18%.

垂直潛流人工濕地；堵塞；不可濾物質(zhì)；豬場(chǎng)沼液

調(diào)查表明,國(guó)內(nèi)外很多的養(yǎng)豬場(chǎng)限于資金和技術(shù)等原因通常直接采用多級(jí)串聯(lián)人工濕地系統(tǒng)處理豬場(chǎng)沼液［1-2］.其中,垂直潛流人工濕地（VSSF）因其較強(qiáng)的復(fù)氧能力和硝化能力而被視為是多級(jí)串聯(lián)人工濕地系統(tǒng)中脫氮的重要組成部分,且時(shí)常被置于串聯(lián)系統(tǒng)的前端［3-4］.然而,鑒于養(yǎng)豬廢水是一種高濃度的有機(jī)廢水,其TSS和有機(jī)物的含量較高［5］,如將其直接引入 VSSF,濕地填料層的堵塞風(fēng)險(xiǎn)便會(huì)大大增加,進(jìn)而會(huì)威脅到整個(gè)串聯(lián)濕地系統(tǒng)的運(yùn)行效果與穩(wěn)定性.

填料層中合理的水力流態(tài)是保障VSSF正常運(yùn)行的關(guān)鍵.當(dāng) VSSF發(fā)生堵塞后, 填料層的滲透系數(shù)會(huì)急劇下降,過水能力也隨之降低,濕地進(jìn)水會(huì)直接雍積在填料層表面,惡化運(yùn)行環(huán)境［6］.另外,雍水還會(huì)阻隔 O2向填料層內(nèi)擴(kuò)散,降低污染物（尤其是有機(jī)物和NH4+-N）的去除效果,使出水指標(biāo)達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),并會(huì)縮短 VSSF的使用壽命［7-8］.在前期的研究中,筆者以厭氧預(yù)處理后的豬場(chǎng)沼液為處理對(duì)象,利用海蠣殼為濕地填料,通過優(yōu)化 VSSF的填料層及運(yùn)行條件強(qiáng)化了其復(fù)氧能力與硝化能力［9］.然而,厭氧預(yù)處理雖能去除污水中部分的有機(jī)物和 TSS,但豬場(chǎng)沼液中有機(jī)物的含量仍較高,且難降解有機(jī)物所占的比例亦有所增加,VSSF的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行仍缺乏保障,極易發(fā)生填料層的堵塞.因此,有必要探究VSSF長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)其填料層的堵塞過程并考察此過程中系統(tǒng)凈化能力的變化.

在以往的同類型研究中,研究者們通常以低濃度污水（如生活污水等）為處理對(duì)象,設(shè)定遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出人工濕地正常運(yùn)行范圍的水力負(fù)荷（HLR）以開展?jié)竦叵到y(tǒng)的堵塞研究［10］,而相關(guān)研究成果的普遍性與精確性則值得商榷.鑒于此,本文中筆者針對(duì)豬場(chǎng)沼液的水質(zhì)特點(diǎn),以前期研究中的VSSF為試驗(yàn)裝置,探究其在正常運(yùn)行過程中濕地填料層孔隙率和水力傳導(dǎo)系數(shù)的變化特征以及填料層堵塞對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行效能的影響,檢測(cè)濕地系統(tǒng)填料層中被截留物質(zhì)的積累和空間分布情況,并分析填料層中被截留物質(zhì)的成分和粒徑分布.期望通過該研究,初步探明VSSF在處理高濃度污水時(shí)系統(tǒng)的堵塞進(jìn)程及其運(yùn)行效能的變化,為今后人工濕地防堵塞措施的實(shí)施提供依據(jù)和參考,也為多級(jí)串聯(lián)人工濕地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供幫助,進(jìn)而最終實(shí)現(xiàn)養(yǎng)豬廢水的高效穩(wěn)定處理.

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)裝置

垂直潛流人工濕地（VSSF）試驗(yàn)裝置位于溫室內(nèi).濕地面積為1m2（d=56cm）,濕地填料層厚度為 110cm：下層（100～110cm）為礫石支撐層（填充粒徑：20～50mm）；上層（0～100cm）為海蠣殼填料層.在前期研究中,海蠣殼被證明是一種理想的人工濕地填料［11］,本研究中使用到的海蠣殼取自某水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng),經(jīng)粉碎過篩后填充于試驗(yàn)裝置中,其粒徑分布如表1所示.VSSF運(yùn)行之初,其填料層滲透系數(shù)與孔隙率分別為1.17×10-2cm/s和54.24%.前期研究亦表明,采用VSSF處理豬場(chǎng)沼液時(shí),濕地植物對(duì)污染物的去除貢獻(xiàn)率很低［10-11］.為此,本研究為了屏蔽植物根系對(duì)濕地填料層堵塞的影響,VSSF內(nèi)并未種植植物.VSSF中水流的方向?yàn)樽陨隙拢涸谔盍蠈由戏?cm處設(shè)置“Ω”型穿孔管作為濕地系統(tǒng)進(jìn)水管,集水管則設(shè)置于距試驗(yàn)裝置底部5cm處.為保證VSSF的復(fù)氧能力與硝化作用,系統(tǒng)水力負(fù)荷（HLR）設(shè)定為 0.02m3/ （m2·d）,濕干比設(shè)定為1：2［12］.試驗(yàn)時(shí)間為2010年1月至2014年5月.

系統(tǒng)運(yùn)行期間,對(duì)其不同深度范圍填料層的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行分析以考察VSSF的堵塞情況,不同深度范圍填料層分別編號(hào)為A層（0～25cm）、B層（25～50cm）、C層（50～75cm）和D層（75～100cm）.

表1　海蠣殼填料粒徑分布Table 1　Size distribution of oyster shell in the experiment

1.2進(jìn)水水質(zhì)

濕地進(jìn)水為經(jīng)過沼氣池和初沉池處理后的豬場(chǎng)沼液：COD平均濃度為 1536.77mg/L,BOD5平均濃度為570.32mg/L （BOD5/COD≈0.37）,TSS平均濃度為682.85mg/L,TN平均濃度為898.37mg/L,NH4+-N平均濃度為 789.03mg/L,有機(jī)氮（Organic N）平均濃度為108.96mg/L,NO3--N平均濃度為 0.15mg/L,NO2--N平均濃度為0.24mg/L,TP平均濃度為87.90mg/L,進(jìn)水pH值平均為 7.74.由此可知,經(jīng)過厭氧沼氣池處理后,濕地系統(tǒng)進(jìn)水（即豬場(chǎng)沼液）具有如下特點(diǎn)：其有機(jī)物、氮磷元素和TSS的含量仍較高,沼液的可生化性下降（即難降解有機(jī)物比例增加）,進(jìn)水中TN則主要以NH4+-N為主.

1.3分析方法

1.3.1水樣采集及分析方法每4d采集濕地系統(tǒng)進(jìn)出水水樣進(jìn)行分析,水樣中COD、TSS、TN、NH4+-N、NO3--N、NO2--N和TP的分析方法均采用《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》［13］中的方法.

1.3.2濕地填料層被截留物質(zhì)含量的測(cè)定 每30d采集濕地填料層中不同深度的填料樣品10mL,用200mL純水輕輕沖洗,然后用濾膜法測(cè)定洗脫液中被截留物質(zhì)的含量［14］,其計(jì)算方法如下：

總固體重（103～105℃蒸干）=可濾有機(jī)物+不可濾有機(jī)物+可濾無機(jī)物+不可濾無機(jī)物

總固體灼燒后重（600℃灼燒）=可濾無機(jī)物+不可濾無機(jī)物

溶解性固體重（0.45μm 濾膜過濾后 103～105

℃蒸干）=可濾有機(jī)物+可濾無機(jī)物

溶解性固體灼燒后重（600℃灼燒）=可濾無機(jī)物

其中濕地填料層被截留物質(zhì)總含量即為總固體重,不可濾物質(zhì)含量由不可濾有機(jī)物和不可濾無機(jī)物組成,有機(jī)物含量包括可濾有機(jī)物和不可濾有機(jī)物,試驗(yàn)測(cè)得的不可濾物質(zhì)重量和有機(jī)物質(zhì)重量分別減去空白值即為濕地填料層被截留的不可濾物質(zhì)和有機(jī)物質(zhì)成分的重量.另外,本研究還通過不同孔徑的濾膜來測(cè)定濕地填料層中被截留不可濾物質(zhì)的粒徑分布,即將不可濾物質(zhì)的粒徑劃分為0.45～2.00、2.00～5.00、≥5.00μm三類.

1.3.3濕地填料層生物膜含量的測(cè)定采用“超聲+化學(xué)剝落法”［15］去除填料表面的生物膜,而后通過重量法計(jì)算出濕地填料層中生物膜的含量.

1.3.4濕地填料層孔隙率和水力傳導(dǎo)系數(shù)的測(cè)定填料層孔隙率和水力傳導(dǎo)系數(shù)的測(cè)定方法采用文獻(xiàn)［16］中的方法.

1.3.5試驗(yàn)數(shù)據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 Microsoft Excel 2010、Origin 8.5和SPSS 21.0等軟件處理.

2　結(jié)果與分析

2.1濕地填料層表面雍水面積的變化特征

VSSF在運(yùn)行過程中其填料層表面的雍水面積變化如圖1所示.由圖1可知,VSSF在運(yùn)行的前1380d內(nèi)其填料層表面的雍水面積為0m2,即系統(tǒng)填料層表面并無雍水現(xiàn)象發(fā)生.而當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間超過1380d時(shí),填料層表面開始發(fā)生雍水現(xiàn)象,之后隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng),填料層表面雍水面積不斷增大,最終當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為1560d時(shí),填料層表面雍水面積增至1.00m2,積水完全覆蓋了填料層表面,VSSF的運(yùn)行環(huán)境嚴(yán)重惡化.

圖1　系統(tǒng)填料層表面雍水面積變化Fig.1　The variation of ponding area in VSSF

2.2濕地填料層水力傳導(dǎo)系數(shù)與孔隙率的變化特征

填料層的水力傳導(dǎo)系數(shù)是反映填料層滲流特性的一個(gè)綜合指標(biāo)［17］.VSSF在運(yùn)行過程中其不同深度范圍填料層的水力傳導(dǎo)系數(shù)變化如圖2所示.由圖2可知,系統(tǒng)中不同深度范圍填料層的水力傳導(dǎo)系數(shù)變化具有明顯的空間特征,這主要是由VSSF中污水的水流方向決定的.在VSSF運(yùn)行的前1080d內(nèi),填料層的平均水力傳導(dǎo)系數(shù)維持在 1.17×10-2cm/s.而當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間超過1080d時(shí),A層和B層的水力傳導(dǎo)系數(shù)開始下降,當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為1380d時(shí),A層和B層的水力傳導(dǎo)系數(shù)分別降至 0.82×10-2cm/s和 0.96× 10-2cm/s,此時(shí)填料層的平均水力傳導(dǎo)系數(shù)為1.00×10-2cm/s.之后隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng),A層和B層水力傳導(dǎo)系數(shù)的下降趨勢(shì)加快,當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為1560d時(shí),A層和B層的水力傳導(dǎo)系數(shù)分別降至0.07×10-2cm/s和0.13×10-2cm/s,此時(shí)填料層的平均水力傳導(dǎo)系數(shù)為0.46×10-2cm/s.與A層和B層相比,系統(tǒng)運(yùn)行過程中C層與D層水力傳導(dǎo)系數(shù)的變化相對(duì)平緩,當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為1560d時(shí),C層與D層的水力傳導(dǎo)系數(shù)分別降至0.78×10-2cm/s和0.94×10-2cm/s.

圖2　系統(tǒng)不同深度填料層水力傳導(dǎo)系數(shù)的變化Fig.2　The variation of hydraulic conductivity coefficient at different depths in VSSF

圖3　系統(tǒng)不同深度填料層孔隙率的變化Fig.3　The variation of effective porosity at different depths in VSSF

另外,由圖3可知,由于受到VSSF中污水水流方向的影響,系統(tǒng)中不同深度范圍填料層的孔隙率變化與水力傳導(dǎo)系數(shù)的變化規(guī)律一致. 在VSSF運(yùn)行之初,系統(tǒng)填料層的平均孔隙率為54.51%.隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng),A層、B層、C層和 D層的孔隙率均呈現(xiàn)出不同程度的下降.其中,A層和B層孔隙率的下降趨勢(shì)明顯高于C層和D層.當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為1080d時(shí),A層和B層的孔隙率分別降至43.62%和48.85%,此時(shí)填料層的平均孔隙率為 49.63%.而當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)

間超過1080d時(shí),A層和B層孔隙率的下降趨勢(shì)加快,當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為1380d時(shí),A層和B層孔隙率分別降至 30.45%和37.18%,填料層的平均孔隙率亦降至 40.42%.當(dāng)運(yùn)行時(shí)間超過 1380d 時(shí),A層和 B層孔隙率的下降趨勢(shì)進(jìn)一步加快,當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為1560d時(shí),A層和B層孔隙率已分別降至3.41%和10.24%,填料層的平均孔隙率則降至 20.35%,從而使得該層的水力傳導(dǎo)系數(shù)亦降至最低值,雍水面積則增至 1.00m2.與其水力傳導(dǎo)系數(shù)的變化特征類似,在系統(tǒng)運(yùn)行期間,C層與 D層孔隙率的變化較為平緩,當(dāng)運(yùn)行時(shí)間為1560d時(shí),C層與D層的孔隙率分別降至31.23%和36.52%.

2.3垂直潛流人工濕地堵塞成因分析

2.3.1填料層中被截留物質(zhì)積累情況及生物膜含量變化在污水處理過程中,VSSF填料層中被截留物質(zhì)含量和生物膜含量的變化規(guī)律如圖4和圖5所示.由圖4和圖5可知,系統(tǒng)填料層中被截留物質(zhì)含量與生物膜含量均隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,且其具有明顯的空間分布特征,這主要還是受到系統(tǒng)中污水水流方向的影響.當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為180d時(shí),系統(tǒng)A層和B層中的被截留物質(zhì)含量和生物膜含量分別為0.87, 0.64mg/mL、0.63,0.56mg/mL,而C層和D層中的被截留物質(zhì)含量和生物膜含量分別為 0.31, 0.24mg/mL、0.27,0.25mg/mL,此時(shí)系統(tǒng)不同深度范圍填料層的孔隙率和水力傳導(dǎo)系數(shù)均無明顯變化.當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間增至1080d時(shí),系統(tǒng)填料層中被截留物質(zhì)和生物膜的平均含量分別為4.24,0.82mg/mL,其中,A層、B層、C層和D層中被截留物質(zhì)和生物膜的含量分別為 8.20, 1.39mg/mL、4.36,0.98mg/mL、2.63,0.50mg/mL、1.75,0.43mg/mL,此時(shí)不同深度范圍填料層（尤其是A層和B層）的孔隙率和水力傳導(dǎo)系數(shù)均開始下降.當(dāng)系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行至1380d時(shí),系統(tǒng)填料層中被截留物質(zhì)和生物膜的平均含量分別增至 8.10, 0.84mg/mL,其中A層和B層中被截留物質(zhì)的含量分別增至15.48,10.48mg/mL,致使A層和B層的孔隙率和水力傳導(dǎo)系數(shù)的下降趨勢(shì)均明顯加快,填料層表面開始雍水,而A層和B層中的生物膜含量則趨于穩(wěn)定（1.41,0.99mg/mL）,C層和D層中的生物膜含量分別增至 0.52,0.45mg/mL.當(dāng)系統(tǒng)最終運(yùn)行至1560d時(shí),填料層被截留物質(zhì)和生物膜的平均含量達(dá)13.64,0.85mg/mL,A層和B層中被截留物質(zhì)和生物膜的含量分別達(dá) 24.62, 1.44mg/mL、15.16,0.99mg/mL,此時(shí)填料層表面雍水面積增至 1.00m2,系統(tǒng)填料層的平均孔隙率和平均水力傳導(dǎo)系數(shù)分別降至 20.35%,0.46× 10-2cm/s,與A層和B層相比,系統(tǒng)運(yùn)行過程中C層與D層中的被截留物質(zhì)的增量較小,當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行至1560d時(shí),C層與D層中被截留物質(zhì)的含量分別為8.73,6.24mg/mL,明顯低于A層和B層.與此同時(shí),C層與D層中的生物膜含量亦趨于穩(wěn)定（0.52,0.45mg/mL）.

圖4　系統(tǒng)不同深度填料層被截留物質(zhì)含量的變化Fig.4　The variation of clogging substance concentration at different depths in VSSF

圖5　系統(tǒng)不同深度填料層生物膜含量的變化Fig.5　The variation of biofilm concentration at different depths in VSSF

圖6　不同運(yùn)行階段系統(tǒng)不同深度填料層被截留物質(zhì)形態(tài)分析Fig.6　Morphological analysis of clogging substance at different depths in VSSF during different operation stages

2.3.2填料層中被截留物質(zhì)成分分析當(dāng)VSSF運(yùn)行時(shí)間分別為1080、1380和1560d時(shí),對(duì)系統(tǒng)填料層中的被截留物質(zhì)進(jìn)行成分分析,結(jié)果如圖6所示.由圖6可知,當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行至1080d時(shí),A層和B層中被截留物質(zhì)的主要成分均為不可濾有機(jī)物（5.03,2.80mg/mL）,其含量分別占被截留物質(zhì)總量的61.38%和57.41%,不可濾無機(jī)物的含量分別為1.67,1.20mg/mL,其含量分別占被截留物質(zhì)總量的20.42%和24.61%.當(dāng)系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行至1380d時(shí),A層和B層中被截留物質(zhì)的主要成分仍均為不可濾有機(jī)物,其含量分別增至 8.56,5.43mg/mL.同時(shí),A層和 B層中不可濾無機(jī)物的含量均亦有所增加,其含量分別增至被截留物質(zhì)總量的 35.46%和37.21%.而后當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為1560d時(shí),A層和B層中被截留物質(zhì)的主要成分均為不可濾有機(jī)物和不可濾無機(jī)物（10.66,11.01mg/mL、6.41, 7.30mg/mL）,其中對(duì)于A層,其不可濾有機(jī)物和不可濾無機(jī)物的含量分別占該層被截留物質(zhì)總量的43.29%和44.74%,而對(duì)于B層,其不可濾有機(jī)物和不可濾無機(jī)物的含量分別占該層被截留物質(zhì)總量的42.26%和48.15%.由圖7還可知,在系統(tǒng)的不同運(yùn)行階段,C層和D層中被截留物質(zhì)的成分異于A層和B層.當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行至1080d時(shí),C層和D層中被截留物質(zhì)的主要成分均為不可濾無機(jī)物（1.73,1.20mg/mL）,當(dāng)系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行至1380d時(shí),C層和 D層中被截留物質(zhì)的主要成分仍均為不可濾無機(jī)物,其含量分別增至 4.13,3.11mg/mL.與此同時(shí),兩層中不可濾有機(jī)物的含量有所提高,分別增至 1.39,0.96mg/mL.而后當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行至 1560d 時(shí),C層和D層中的被截留物質(zhì)仍以不可濾無機(jī)物為主,且C層和D層中不可濾無機(jī)物和不可濾有機(jī)物的含量分別為 6.00,1.88mg/mL、4.18, 1.32mg/mL.

由上述試驗(yàn)結(jié)果可推斷,垂直潛流人工濕地發(fā)生堵塞的成因主要是由于填料層中不可濾物質(zhì)的積累造成的.

2.3.3填料層中不可濾物質(zhì)的粒徑分析當(dāng)VSSF運(yùn)行至1560d時(shí),對(duì)系統(tǒng)填料層中不可濾物質(zhì)的粒徑分布進(jìn)行了檢測(cè),結(jié)果如表2所示.由表2可知,系統(tǒng)填料層中大部分不可濾物質(zhì)的粒徑均＞5.00μm.對(duì)系統(tǒng)進(jìn)、出水中不可濾物質(zhì)的粒徑分布亦進(jìn)行了監(jiān)測(cè)（表2）,可知系統(tǒng)進(jìn)、出水中粒徑＞5.00μm的不可濾物質(zhì)含量基本相等,由此可推斷VSSF填料層中較高含量的＞5.00μm的不可濾物質(zhì)并非由進(jìn)水引起,而應(yīng)該是由不同粒徑的不可濾物質(zhì)逐漸凝聚積累而形成的.

表2　系統(tǒng)不同深度填料層中不同粒徑的不可濾物質(zhì)含量分布（mg/L）Table 2　The concentration distribution of non-filterable materials with different particle size at different depths in VSSF （mg/L）

2.4垂直潛流人工濕地的運(yùn)行效果

運(yùn)行期間VSSF對(duì)養(yǎng)豬廢水中污染物的去除效果如圖7所示.由圖7可知,在系統(tǒng)運(yùn)行的前1380d 內(nèi),系統(tǒng)對(duì)TSS的去除率為（93.95±1.80）%,而當(dāng)運(yùn)行時(shí)間超過1380d時(shí),即系統(tǒng)填料層表面開始雍水時(shí),系統(tǒng)對(duì)TSS的去除率亦開始降低,當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為1560d時(shí),系統(tǒng)對(duì)TSS的去除率降至57.82%.

由圖 7亦可知,在系統(tǒng)運(yùn)行期間,VSSF對(duì)COD和NH4+-N的去除率均明顯地呈現(xiàn)出先升高后減小的趨勢(shì).在運(yùn)行階段的前180d內(nèi),VSSF 對(duì)COD和NH4+-N的去除率均逐步提高,當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為180d時(shí),VSSF對(duì)COD和NH4+-N的去除率分別增至 67.98%和 84.86%.之后在180～1080d期間,系統(tǒng)對(duì)COD和NH4+-N的去除率趨于穩(wěn)定,此階段COD和NH4+-N的平均去除率分別為（71.55±1.60）%和（89.38±3.48）%.當(dāng)系統(tǒng)自 1080d運(yùn)行至 1380d時(shí),VSSF對(duì) COD和NH4+-N的去除率均開始下降,分別由 72.19%和86.73%降至62.16%和49.28%.而后,系統(tǒng)對(duì)COD 和 NH4+-N的去除率持續(xù)下降,當(dāng)運(yùn)行時(shí)間為1560d時(shí),VSSF對(duì)COD和NH4+-N的去除率已分別降至37.32%和32.13%.

本研究亦分析了運(yùn)行期間系統(tǒng)的 TN去除率及其出水中NOx--N和NH4+-N的濃度變化（圖4）.VSSF在運(yùn)行期間對(duì) TN的去除率一直不高,平均去除率僅為31.25%.系統(tǒng)出水中NOx--N和NH4+-N濃度的變化特征卻較為明顯,且兩者的變化特征恰好相反.當(dāng)系統(tǒng)自180d運(yùn)行至1080d 時(shí),系統(tǒng)出水中 NOx--N的平均含量較高,為（387.33±132.20） mg/L,出水中NH4+-N的濃度則為（83.83±27.82） mg/L,由此表明VSSF具有較強(qiáng)的硝化能力.當(dāng)運(yùn)行時(shí)間超過1380d時(shí),系統(tǒng)出水中的NOx--N濃度逐漸下降,最終降至1560d時(shí)的0.38mg/L,與此同時(shí),出水中 NH4+-N的濃度隨之上升,最終升至1560d時(shí)的535.52mg/L,由此表明隨著系統(tǒng)堵塞過程的加劇,VSSF的硝化能力遭到削弱,系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除效果惡化.

VSSF對(duì)TP的去除率則隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而降低.在運(yùn)行階段的前1080d內(nèi),系統(tǒng)對(duì)TP的去除效果較好,平均去除率可達(dá)（95.47±1.96）%；當(dāng)運(yùn)行時(shí)間超過1080d后,VSSF對(duì)TP的去除率開始下降,由 1080d的 94.40%降至 1380d的74.08%；而當(dāng)運(yùn)行時(shí)間超過1380d后,系統(tǒng)對(duì) TP的去除效果惡化,當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行至 1560d時(shí),VSSF 對(duì)TP的去除率降至51.18%.

由此可知,在180～1080d期間,系統(tǒng)對(duì)污水中的TSS、COD、NH4+-N和TP均具有較高的去除率.其中,適宜的HLR和“干濕比”運(yùn)行方式,使得 VSSF具備了較強(qiáng)的復(fù)氧能力［70～100g/ （m2·d）］［18］,進(jìn)而強(qiáng)化了系統(tǒng)的硝化能力及其對(duì)有機(jī)物的降解能力,有效地提高了系統(tǒng)對(duì) NH4+-N 和 COD的去除效果,亦為后續(xù)濕地單元的反硝化提供了充足的電子受體.研究表明,海蠣殼對(duì)磷素的理論飽和吸附量高達(dá) 32.90mg/g［19］,高性能除磷填料的填充則保證了VSSF對(duì)TP的高效去除.然而,當(dāng)運(yùn)行時(shí)間超過1080d后,VSSF填料層的堵塞開始顯著影響系統(tǒng)的復(fù)氧能力,尤其是在系統(tǒng)發(fā)生雍水之后（即 t＞1380d）,VSSF的堵塞進(jìn)程加劇,導(dǎo)致填料層中DO濃度進(jìn)一步降低,進(jìn)而嚴(yán)重削弱了VSSF的凈化能力（尤其是硝化能力）,從而導(dǎo)致了系統(tǒng)對(duì)NH4+-N和COD去除效果的惡化,出水中NOx--N的濃度亦隨之降低.與此同時(shí),濕地填料表面的生物膜厚度不斷增加,填料層間隙中不可濾物質(zhì)的積累量亦不斷增大,最終阻礙了填料對(duì)磷素的吸附沉淀作用［20-21］,使得系統(tǒng)的TP去除率在運(yùn)行后期不斷下降.

另外,鑒于VSSF的反硝化能力有限［22］,使得系統(tǒng)在180～1080d期間對(duì)TN的去除效果一直不盡理想,出水中氮素以 NOx--N為主.而當(dāng) VSSF的堵塞情況嚴(yán)重后,系統(tǒng)的硝化能力也遭到削弱,使得系統(tǒng)的 TN去除效果進(jìn)一步變差,出水中氮素則以NH4+-N為主.

圖7　垂直潛流人工濕地運(yùn)行效果Fig.7　Contaminants removal of VSSF during the operational period

3　討論

在前期研究中,筆者通過優(yōu)化VSSF的組成、結(jié)構(gòu)及運(yùn)行方式在一定程度上強(qiáng)化了系統(tǒng)的凈化能力.然而,上述試驗(yàn)結(jié)果表明,在豬場(chǎng)沼液的處理過程中,VSSF在運(yùn)行1080d （≈2.96年）后即開始發(fā)生填料層的堵塞.當(dāng)運(yùn)行時(shí)間超過 1560d（≈4.27年）時(shí),VSSF的填料層完全堵塞,基本喪失了凈化污水的能力.如前所述,VSSF的HLR設(shè)定為0.02m3/（m2·d）,則系統(tǒng)在運(yùn)行穩(wěn)定期內(nèi)的COD負(fù)荷和 TSS負(fù)荷分別約為 28.81g/（m2·d）和12.83g/（m2·d）.通常認(rèn)為,當(dāng)人工濕地系統(tǒng)的COD 與TSS負(fù)荷不高于20.00和5.00g/（m2·d）時(shí),濕地填料層的堵塞問題才不會(huì)凸顯［10］.因此,對(duì)本研究而言,VSSF中過高的COD負(fù)荷與TSS負(fù)荷是影響其填料層堵塞過程加劇的重要因素,這與Winter［23］的研究結(jié)果一致.

VSSF的填料層發(fā)生堵塞時(shí),具體表現(xiàn)為濕地填料層的孔隙率和水力傳導(dǎo)系數(shù)明顯降低,填料層表面嚴(yán)重雍水,從而阻礙O2向填料層內(nèi)部擴(kuò)散,進(jìn)而惡化了 VSSF的運(yùn)行環(huán)境及其對(duì)污水的處理效果.由試驗(yàn)結(jié)果可知,VSSF填料層的堵塞過程可分為以下5個(gè)階段.

（1） 0～180d：此階段屬 VSSF運(yùn)行的適應(yīng)期,系統(tǒng)A層和B層中的生物膜逐漸開始形成,由于填料層的吸附截留作用及 SS自身的沉淀作用,進(jìn)水中的 SS亦開始在填料層中的孔隙中積累.此時(shí),系統(tǒng)填料層的孔隙率下降趨勢(shì)緩慢,填料層的水力傳導(dǎo)系數(shù)亦無明顯變化.另外,由于填料層中的生物膜逐漸形成,VSSF對(duì)COD、TSS、TN 和 NH4+-N的去除效果亦逐步提高,該階段系統(tǒng)對(duì) TP的去除率高達(dá)（93.91±3.53）%,說明填料表面生物膜的生長(zhǎng)尚未影響到系統(tǒng)的除磷效果.

（2） 180～1080d：此階段屬VSSF運(yùn)行的穩(wěn)定期,系統(tǒng)A層和B層中的生物膜已初步形成且厚度不斷增加.生物膜外側(cè)則形成了初期底物層（主要由多糖類物質(zhì)、聚脲類物質(zhì)、有機(jī)物和無機(jī)物組成,由于多糖類物質(zhì)和聚尿類物質(zhì)能形成低密度的凝膠狀結(jié)構(gòu),所以可以有效地網(wǎng)捕污水中未被分解的有機(jī)物和無機(jī)物顆粒［24-25］）,設(shè)此時(shí)底物層中的物質(zhì)分解速率為vd（包括有機(jī)物降解和無機(jī)物遷移兩部分）,進(jìn)水中的有機(jī)物和無機(jī)物在原底物層上積累的速率為 va,生物膜的增長(zhǎng)速率為 vb,則此時(shí) va+vb≤vd.因此,系統(tǒng)填料層的孔隙率稍有下降,而填料層的水力傳導(dǎo)系數(shù)仍無明顯變化.另外,由于填料層中的生物膜已形成且趨于穩(wěn)定,VSSF對(duì)COD、SS、TN和NH4+-N的去除效果亦趨于穩(wěn)定,該階段系統(tǒng)對(duì) TP的平均去除率仍維持在（95.86±1.22）%,即填料表面生物膜的生長(zhǎng)仍未影響到系統(tǒng)的除磷效果.

（3） 1080～1380d：此階段屬VSSF的堵塞初期,系統(tǒng)C層和D層中的生物膜厚度不斷增加,而A層和B層中的生物膜趨于穩(wěn)定,且此時(shí)在底物層上：va+vb≥vd.由此導(dǎo)致A層和B層的水力傳導(dǎo)系數(shù)和孔隙率均隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)下降趨勢(shì).另外,VSSF對(duì)COD、SS、TN和NH4+-N的去除效果較為穩(wěn)定,但該階段系統(tǒng)對(duì) TP的平均去除率開始下降,即填料表面的生物膜和填料層中的被截留物質(zhì)影響到了系統(tǒng)的除磷效果.

（4） 1380～1560d：此階段屬VSSF的堵塞加速期,系統(tǒng)C層和D層中的生物膜亦趨于穩(wěn)定,A層和 B層中底物層的厚度仍不斷增加,此時(shí) va+ vb＞＞vd且被截留物質(zhì)之間的黏力大于水流的沖刷力,由此造成A層和B層中底物層逐漸充滿填料間孔隙,從而使得兩層的孔隙率與水力傳導(dǎo)系數(shù)迅速下降,填料層表面也開始出現(xiàn)雍水的表觀現(xiàn)象.另外,由于系統(tǒng)填料層的堵塞顯著阻礙了其大氣復(fù)氧作用,VSSF對(duì)COD和NH4+-N的去除效果開始惡化,生物膜與底物層厚度的進(jìn)一步增加削弱了A層和B層對(duì)磷素的吸附沉淀作用,致使系統(tǒng)對(duì)TP的平均去除率繼續(xù)下降.

（5） ≥1560d：此階段屬VSSF的完全堵塞期,系統(tǒng)A層和B層中的水力傳導(dǎo)系數(shù)和孔隙率已分別降至 0.07×10-2cm/s和 3.41%,0.13×10-2cm/s和10.24%.系統(tǒng)填料層表面的雍水面積不斷增加直至完全積水.VSSF對(duì)COD、TSS、TN、NH4+-N和TP的去除率分別降至37.31%、57.82%、20.80%、32.13%和51.18%,即VSSF的運(yùn)行環(huán)境已完全惡化.

由此可知,在VSSF的運(yùn)行過程中,尤其是其填料層中的生物膜形成之后,污水中不同粒徑的懸浮或膠體狀態(tài)的底物會(huì)凝聚和吸附在填料生物膜的表面,進(jìn)而形成大粒徑的累積物,最終造成有機(jī)物和無機(jī)物的共同積累,即濕地填料層生物膜生長(zhǎng)引起的不可濾物質(zhì)的積累是VSSF發(fā)生堵塞的主要成因.

目前,在我國(guó)的許多地區(qū),人工濕地正越來越多的應(yīng)用于高濃度畜禽養(yǎng)殖污水的處理,與此同時(shí),濕地系統(tǒng)的堵塞問題也引起了越來越廣泛的關(guān)注.目前,人工濕地系統(tǒng)的防堵塞對(duì)策主要有：（1） 對(duì)濕地進(jìn)水進(jìn)行預(yù)處理；（2） 選擇合適的填料粒徑及級(jí)配；（3） 采取合理的進(jìn)水方式；（4）采取曝氣充氧的措施；（5） 選取合適的濕地植物；（6） 更換濕地填料；（7） 施用微生物抑制劑或者溶菌劑；（8） 向系統(tǒng)中投加蚯蚓；（9） 采用停床、輪休措施［26］.由于人工濕地堵塞是一個(gè)涉及物理、化學(xué)和生物等領(lǐng)域的極其復(fù)雜的過程,因此在今后的研究工作中,只有通過深入研究其內(nèi)在機(jī)理,建立更為精確、適用范圍更廣的數(shù)學(xué)模型才能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)人工濕地的運(yùn)行周期和使用壽命,并提出更為合理的防堵塞對(duì)策與措施,最終為人工濕地的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提供保障.

4　結(jié)論

4.1垂直潛流人工濕地發(fā)生堵塞的成因主要是由于填料層中不可濾物質(zhì)的積累,大部分不可濾物質(zhì)的粒徑均＞5.00μm.

4.2填料層中被截留物質(zhì)的含量隨濕地系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,且填料層中被截留物質(zhì)的空間分布特征受到系統(tǒng)中水力流態(tài)的影響.

4.3填料層的孔隙率和水力傳導(dǎo)系數(shù)均隨濕地系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而減小,填料層孔隙率和水力傳導(dǎo)系數(shù)的空間變化特征亦受到系統(tǒng)中水力流態(tài)的影響,填料層中被截留物質(zhì)的增加則會(huì)直接導(dǎo)致填料層孔隙率和水力傳導(dǎo)系數(shù)的減少.

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WANG Zhen1*, ZHANG Bin-bin1, XIANG Heng3, FAN Ting1, DU Yu-neng2, LI Ding-xin1（1.School of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China；2.Sinopec Green Energy Geothermal Development Corporation Limited, Xianyang 712000, China；3.College of Economics and Management, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China）.

China Environmental Science, 2015,35（8）：2494～2502

The clogging of vertical subsurface flow constructed wetland （VSSF） and its effects on purifying efficiency were investigated during treating digested swine wastewater. The results suggest that accumulation of non-filterable material in substratum layer was the main cause resulting clogging in the VSSF, and the non-filterable material consists of both organic substances and inorganic substances, which sizes of the most part of granular non-filterable material were larger than 5.00 micrometers. Porosity and hydraulic conductivity of the substratum layer decreased, and the content of the non-filterable material in the substratum layer increased correspondingly with the operation of the VSSF. The spatial variation profiles of them alone the vertical direction depended on vertical flow state of the wastewater fed onto the substratum layer. As the hydraulic loading rate was kept at 0.02m3/（m2·d）, the purification effect of the VSSF deteriorated after operations of 1380 days, which the removal efficiencies of COD, TSS, TN, ammonium nitrogen and TP declined to 37.31%, 57.82%, 20.80%, 32.13% and 51.18%, respectively.

vertical subsurface flow constructed wetland；clogging；non-filterable materials；digested swine wastewater

X142

A

1000-6923（2015）08-2494-09

2014-12-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41101485；31300395）；安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)青年科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（2013ZR010；2013ZR025）

* 責(zé)任作者, 講師, zwang@ahau.edu.cn

王振（1985-）,男,山東德州人,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院講師,主要從事污水生物資源化處理與回用技術(shù)研究.發(fā)表論文20余篇.