不同運行方式對垂直潛流人工濕地堵塞進程的影響*

張淑蘭，郭　寶，胡渭平，張　章，陳　言

(1.核工業二〇三研究所，陜西 咸陽 712000；2 咸陽市水務集團，陜西 咸陽 712000)

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不同運行方式對垂直潛流人工濕地堵塞進程的影響*

張淑蘭1，郭寶2，胡渭平1，張章1，陳言1

(1.核工業二〇三研究所，陜西 咸陽 712000；2 咸陽市水務集團，陜西 咸陽 712000)

探究并對比了不同運行方式下垂直潛流人工濕地(VSSF)的堵塞進程.試驗結果表明，VSSF發生堵塞的成因主要是由于填料層中不可濾物質的積累，基于不可濾物質積累的微觀概念模型，填料層中被截留物質的含量隨系統運行時間的延長而增大，被截留物質的增加則會直接導致填料層孔隙率和水力傳導系數的減少。與連續試運行方式相比，間歇式運行方式的采用可使VSSF的雍水發生時間有所延遲，其填料層孔隙率與水力傳導系數的下降速率亦有所降低，間歇式運行方式可有效減少不可濾有機物量，并可降低被截留物質的積累速率。另外，間歇式運行方式對VSSF中ORP的降低亦有一定的延緩作用，該運行方式的實施可有效緩解VSSF的堵塞進程，進而延長VSSF的使用壽命。

垂直潛流人工濕地；堵塞；間歇式運行；不可濾物質

0　引　言

針對人工濕地填料層的堵塞問題，研究者們先后提出并嘗試了一系列緩解措施，如對濕地進水進行預處理、優化濕地運行方式、選擇合適的填料粒徑及級配、采取曝氣充氧的措施、選取合適的濕地植物、更換濕地填料、施用微生物抑制劑或者溶菌劑、向系統中投加蚯蚓和采用停床、輪休措施等[6]。研究表明，造成濕地堵塞的主要原因是固體顆粒在填料層內部的沉積和填料層間隙內生物膜的生長[7]。因此，“優化濕地運行方式”可被作為一種降低濕地填料層堵塞風險的有效手段。

在前期研究中，筆者對VSSF的運行方式進行了優化，發現當VSSF以間歇式方式運行時，其對污染物的去除效果可得到強化[8]。然而，VSSF的堵塞問題卻尚未考察。鑒于此，本研究以2組VSSF為研究對象，擬考察并比較不同運行方式下VSSF填料層的堵塞情況，分析不同運行方式下濕地系統填料層孔隙率和水力傳導系數的變化特征，探究濕地系統填料層中被截留物質的積累和空間分布規律，并檢測填料層中被截留物質的成分和粒徑分布，最終明確不同運行方式對VSSF堵塞進程的影響。期望通過該研究，可為今后人工濕地防堵塞措施的實施提供依據和參考，較大限度地延長人工濕地系統的使用期限。

1　材料與方法

1.1試驗裝置

垂直潛流人工濕地(VSSF)小試試驗裝置位于溫室內，由有效體積為500 mL的塑料量筒制成。各濕地裝置的面積均為20 cm2(d≈5.0 cm)，濕地裝置填料層厚度設定為30 cm，填充一定粒徑的廢磚塊。在前期研究中，廢磚塊被證明是一種理想的人工濕地填料[9]，本研究使用到的廢磚塊取自某建筑工地，獲取后將其進行粉碎過篩，其粒徑分布見表1.而后將廢磚塊置于活性污泥中進行曝氣掛膜，掛膜成功后填充于試驗裝置中(填充之前已經過淘洗)。此時濕地填料層滲透系數為1.17×10-2cm·s-1，填料層孔隙率為54.24%.為屏蔽植物根系對濕地填料層堵塞的影響，濕地系統內并未種植植物。在裝置的填料層上方5 cm處設置進水管，集水管則設置于試驗裝置底部。為使VSSF快速實現堵塞，設定各濕地系統的水力負荷(HLR)為0.50 m3·(m2·d)-1[7-9]，試驗時間從2014年5月至2015年3月。

前期研究表明，間歇式運行方式的實施可強化VSSF對污染物的去除效果。為此，本研究將VSSF分為2組，分別編號為VSSF-A和VSSF-B.其中，VSSF-A采用連續進水方式運行，即傳統的下向流運行方式：污水通過進水管泵入VSSF-A，而后通過集水管排出系統，填料層在運行過程中始終處于非飽和狀態；VSSF-B則采用間歇式進水方式運行，其每個運行周期為6.0 h，每天運行4個周期：各周期之初將進水由進水管泵入系統中(t=10 min)，填料層浸潤線高度約為23.50 cm，反應3.5 h后通過集水管將系統內污水排空(t=20 min)，而后VSSF-B閑置2.0 h以便填料層復氧。VSSF-B的一個運行周期包括進水期、反應期、排空期和閑置期4個階段[10-11]。

通過上述條件的設定，考察并比較不同運行方式對濕地系統堵塞的影響，并探究不同運行方式下VSSF的堵塞進程及堵塞物在濕地系統中的分布規律。

表1　廢磚塊粒徑分布

1.2進水水質

1.3分析方法

1.3.1濕地填料層被截留物質含量的測定

定期采集濕地填料層中的填料樣品10 mL，用200 mL純水輕輕沖洗，然后用濾膜法測定洗脫液中被截留物質的含量[12-13]，其計算方法如下

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

總固體灼燒后重(600 ℃灼燒)=可濾無機物+不可濾無機物

溶解性固體重(0.45 μm濾膜過濾后103～105 ℃蒸干)=可濾有機物+可濾無機物

溶解性固體灼燒后重(600 ℃灼燒)=可濾無機物

其中填料層被截留物質總含量即為總固體重，不可濾物質含量由不可濾有機物和不可濾無機物組成，有機物含量包括可濾有機物和不可濾有機物，試驗測得的不可濾物質重量和有機物質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和有機物質成分的重量。

1.3.2濕地填料層生物膜含量的測定

采用“超聲+化學剝落法”[14]去除填料表面的生物膜，而后通過重量法計算出濕地填料層中生物膜的含量。

1.3.3濕地填料層孔隙率和水力傳導系數的測定

填料層孔隙率和水力傳導系數的測定方法均采用文獻[15]中的標準方法。

1.3.4濕地填料層中ORP的測定

在各濕地系統填料層深度為15 cm處預埋電極，以監測填料層內部的ORP變化。其中，VSSF-B中ORP值測定的時段為其閑置期。

1.3.5水樣采集及分析方法

1.4試驗數據

試驗數據采用Microsoft Excel 2010，Origin 8.5和SPSS 21.0等軟件處理。

2　結果與分析

2.1水力傳導系數與孔隙率變化

水力傳導系數(k)是反映濕地系統填料層滲流特性的一個綜合指標。2組VSSF在運行過程中其各自的k值變化如圖1所示，而圖2則為各系統填料層孔隙率的變化特征。由圖1和圖2可知，2組VSSF運行之初，各系統的k值與填料層孔隙率均維持在1.17×10-2cm·s-1和53.31±0.03%.隨著運行時間的延長，各系統的k值和填料層孔隙率均呈現出不同程度的下降，且VSSF-A的k值與填料層孔隙率下降趨勢大于VSSF-B.當運行時間為83 d時，VSSF-A的孔隙率降至43.61%.之后，VSSF-A的孔隙率下降趨勢加快，VSSF-A的k值亦開始下降。當運行時間為118 d時，VSSF-A的孔隙率降至30.70%，此時VSSF-A表面開始雍水，其k值亦降至0.84×10-2cm·s-1.而后當運行時間增至132 d后，VSSF-A的孔隙率降至最低值(3.41%)，此時VSSF-A表面的雍水面積達20.00 cm2(即完全雍水)，其k值亦降至7.08×10-4cm·s-1.相比于VSSF-A，VSSF-B填料層孔隙率的下降速率較低，其k值開始下降的時間亦較VSSF-A有所延遲。系統運行174 d后，其k值開始下降，其孔隙率則降至37.29%.之后，VSSF-B孔隙率的下降趨勢加快，當運行時間為239 d時，VSSF-B的孔隙率降至26.86%，此時系統在進水期開始出現雍水現象，而在排空期排水管中污水的流速亦開始下降，其k值則降至0.90×10-2cm·s-1.當運行時間增至272 d時，VSSF-B的孔隙率降至最低值(3.26%)，其k值亦降至6.83×10-4cm·s-1.

隨著運行時間的延長，各VSSF的填料層孔隙率均開始下降，進而引起了系統k值的下降，并最終導致了系統運行條件的惡化。當填料層的孔隙率降至3.34±0.11%時，系統會完全堵塞。而相比于VSSF-A，VSSF-B填料層孔隙率的下降速率有所降低，由此可知間歇式運行方式可降低VSSF-B填料層孔隙率和k值的下降速率，進而延長了系統的使用壽命。

圖1　各系統水力傳導系數變化Fig.1　Variation of hydraulic conductivity coefficient in each VSSF

圖2　各系統孔隙率變化Fig.2　Variation of effective porosity in each VSSF

2.2被截留物質積累情況及其成分分析

由圖3可知，運行之初VSSF-A和VSSF-B填料層中的被截留物質含量分別為0.19和0.23 mg·mL-1.當VSSF-A和VSSF-B分別運行至83和174 d時，兩系統填料層中的被截留物質含量分別增至7.63和7.37 mg·mL-1，即被截留物質的積累速率分別為8.96×10-2和4.10×10-2mg·(mL·d)-1.其中，不可濾物質的含量分別為5.47和5.50 mg·mL-1.不可濾物質通常包括不可濾無機物和不可濾有機物，則兩系統中此2種物質的含量分別占被截留物質含量的33.20%和38.45%，49.65%和24.96%.VSSF-A和VSSF-B的運行時間分別超過83和174 d后，其填料層中被截留物質的積累速率加快。當兩系統分別運行至132和272 d時，其填料層中被截留物質的含量均增至24.55 mg·mL-1.其中，不可濾物質的含量分別可達16.53和17.84 mg·mL-1，而兩系統中不可濾無機物和不可濾有機物的含量則分別占被截留物質含量的30.75%和36.57%，45.14%和27.52%，此時VSSF-A和VSSF-B均已完全堵塞。

結果表明，各系統填料層中被截留物質含量隨運行時間的延長而增加，且系統中不可濾物質的積累是造成VSSF堵塞的主要原因。當VSSF填料層中的不可濾物質含量≥24.55 mg·mL-1時，其孔隙率與水力傳導系數會降至最低值，系統會完全堵塞。不同運行方式會影響到填料層中被截留物質的成分，由于VSSF-B的復氧能力強于VSSF-A，從而使其具有較高的有機物降解能力，使得系統中被截留的不可濾物質主要以不可濾無機物為主，而隨著填料層堵塞情況的加劇，系統的復氧能力減弱，其對污水中有機物的降解能力隨之減弱，則在VSSF-B運行超過239 d后，其不可濾有機物的含量有較大幅度的上升。總體而言，鑒于間歇式運行方式使得系統的復氧能力及水力沖刷能力更強，VSSF-B在單位時間內的不可濾物質積累量得以有效降低，填料層孔隙率和水力傳導系數的下降趨勢亦得以減緩，最終降低了濕地填料層的堵塞風險。

圖3　各系統中被截留物質含量變化Fig.3　Variation of retained substance concentration in each VSSF (a)VSSF-A　(b)VSSF-B

2.3生物膜含量變化

由圖4可知，在運行之初，VSSF-A和VSSF-B填料層中生物膜的含量均為0.30 mg·mL-1.而當VSSF-A與VSSF-B分別運行至53和38 d時，兩系統填料層中生物膜的含量趨于穩定(0.82和0.77 mg·mL-1)。而后，兩系統中生物膜的含量無顯著變化。當VSSF-A與VSSF-B分別運行至118和239 d時，兩系統均出現雍水現象，其生物膜含量分別為0.83和0.77 mg·mL-1.而當兩系統完全堵塞時，其生物膜含量仍分別為0.83和0.77 mg·mL-1.

生物膜含量的穩定標示著系統已進入穩定階段[15]。結果表明，VSSF-A和VSSF-B分別在運行53和38 d后進入穩定期。鑒于VSSF-B填料層中的氧環境優于VSSF-A，使得VSSF-B的馴化期較VSSF-A短。另外，當兩系統運行穩定后，VSSF-A和VSSF-B中生物膜的含量存在差異，究其原因可能與2組VSSF各自不同的運行方式有關。

圖4　各系統中生物膜含量變化Fig.4　Variation of biofilm concentration in each VSSF

2.4ORP變化

由圖5可知，由于間歇式運行提高了VSSF-B的復氧能力，使得VSSF-B中的ORP值高于VSSF-A.在運行之初，VSSF-A和VSSF-B填料層中的ORP值分別為65.13 mV和136.94 mV，系統中氧化環境占主導。隨后，兩系統中被截留物質的積累量均隨之增加，其各自的ORP值均呈下降趨勢。當兩系統的運行時間分別為118和239 d時，其填料層中的ORP值分別降至-183.11和-93.01 mV，此時各系統填料層均以還原環境為主導。兩系統完全堵塞后，VSSF-A與VSSF-B填料層中的ORP值最終降至-216.61和-166.06 mV.

結果表明，填料層中被截留物質的積累是造成VSSF中ORP下降的主要原因。由于VSSF填料層中被截留物質的增加，使系統填料層中的孔隙率不斷降低，進而削弱了濕地系統的復氧能力，隨之造成了VSSF填料層中ORP值的下降，使系統最終以還原環境為主導。另外，由于間歇式運行方式的實施，使得VSSF-B的復氧能力和抗堵塞能力均優于VSSF-A，從而延緩了VSSF-B中ORP的下降。

圖5　各系統中的ORP變化Fig.5　Variation of ORP in each VSSF

2.5運行效果

圖6　各系統的運行效果Fig.6　Contaminants removal of each VSSF during the operational period

圖7　不同運行階段各系統出水中TSS的形態與粒徑分析Fig.7　Morphological and particle size analysis of TSS in effluent of each VSSF during different operation stages

圖6亦表明兩系統對TSS的去除效果。與TP的去除規律類似，VSSF-A和VSSF-B對TSS的去除率亦隨運行時間的延長而降低。穩定運行期內，VSSF-A對TSS的去除率優于VSSF-B.之后，隨著堵塞過程的加劇，兩系統對TSS的去除率均下降，且VSSF-B的下降趨勢更為明顯。當兩系統完全堵塞時，VSSF-A和VSSF-B對TSS的去除率分別降至42.19%和40.81%.

由圖7可知，在穩定運行期內，VSSF-A和VSSF-B出水中的TSS均以不可濾物質為主，其中的不可濾有機物與不可濾無機物的含量分別占兩系統出水中TSS總量的48.88%和28.36%，29.03%和46.64%.隨著堵塞過程的加劇，兩系統出水中不可濾物質的含量急劇增大。當兩系統分別運行至133和272 d時，出水中TSS的成分仍主要以不可濾有機物和不可濾無機物為主(36.57%和30.75%，27.52%和45.14%)，其濃度則分別增至17.52和14.73 mg·L-1,13.49和22.13 mg·L-1.圖7亦表明了出水中不可濾物質的粒徑變化，穩定運行期內，VSSF-A出水中主要以粒徑為2～5 μm的不可濾物質為主(49.84%)，而VSSF-B的出水主要以粒徑為>5 μm的不可濾物質為主(46.94%).隨著堵塞過程的加劇，兩系統出水中>5 μm的不可濾物質的含量均增大。直至兩系統完全堵塞時，其出水中>5 μm的不可濾物質的含量分別為18.71和19.08 mg·L-1，分別占不可濾物質總含量的58.02%和53.56%.

由試驗結果推斷，兩系統出水中TSS含量、成分和粒徑的變化及其兩者之間的差異應與其各自復氧能力的變化和水流沖刷強度的不同有關。在各系統的運行過程中，尤其是其生物膜形成之后，污水中不同粒徑的懸浮或膠體狀態的底物會凝聚和吸附在生物膜的表面，形成大粒徑的累積物，此過程不僅會引起填料層的堵塞，還使得出水中不可濾物質的含量激增，且出水中不可濾物質的粒徑亦逐漸增大。另一方面，由于填料層的堵塞會削弱系統的復氧能力，從而導致各系統在試驗階段后期均出現了出水中不可濾有機物含量上升的現象，且該現象在VSSF-A中尤甚。

3　討　論

VSSF發生堵塞的主要成因應歸因于填料層中被截留物質特別是不可濾物質的積累，而其堵塞過程則可分為3個階段：①滲濾速率接近開始運行水平，但呈現下降趨勢；②滲濾速率緩慢穩定下降；③濕地填料表面間歇直到持續雍水。本研究中，在HLR為0.50 m3·(m2·d)-1的條件下，2組VSSF均發生了堵塞，且其堵塞進程均符合上述人工濕地堵塞模型的假設，其堵塞過程亦可按照上述標準分為3個階段。

在前期研究中，筆者通過間歇式運行方式的實施，在一定程度上改善了VSSF中的氧環境。本研究則表明，該措施的實施亦可在一定程度上延緩濕地的堵塞過程，并進而延長了濕地系統的使用壽命。從物料平衡的角度出發，并結合2組VSSF的運行特點可推斷，穩定運行期內，由于間歇式運行方式的采用，導致VSSF-B的復氧能力相對較強，進而使其對進水中有機物(包括不可濾有機物)的去除效果優于VSSF-B，由此便削減了填料層中被截留物質的積累量，使得該系統中被截留物質的積累速率較低。另一方面，仍是由于間歇式運行方式的采用，導致VSSF-B填料層中水流沖刷的強度要高于VSSF-A，從而使得VSSF-B出水中的TSS含量高于VSSF-A，從而導致填料層中被截留物質的積累速率得以進一步降低。因此，正是由于間歇式運行方式的實施，使得VSSF-B的填料層孔隙率和水力傳導系數的下降速率以及被截留物質的積累速率均低于VSSF-A，從而使其使用壽命延長至VSSF-A的2.06倍。

綜上所述，在人工濕地處理污水的過程中，隨著濕地系統運行時間的延長，其填料層存在堵塞的風險，而對濕地運行方式進行適當優化，可減少系統填料層中被截留物質的積累量，進而可在一定程度上降低人工濕地堵塞的風險。在今后的研究工作中，只有通過深入研究人工濕地堵塞的內在機理，建立更為精確、適用范圍更廣的數學模型才能準確預測人工濕地的運行周期和使用壽命，并提出更為合理的防堵塞對策與措施，最終為人工濕地的長期穩定運行提供保障。

4　結　論

1)VSSF發生堵塞的成因主要是由于填料層中不可濾物質的積累，填料層中被截留物質的含量隨系統運行時間的延長而增大，被截留物質的增加則會直接導致填料層孔隙率和水力傳導系數的減少；

2)采用間歇式運行方式后，VSSF的雍水發生時間有所延遲，其填料層孔隙率與水力傳導系數的下降速率亦有所降低。間歇式運行方式可有效減少不可濾有機物量，并可降低被截留物質的積累速率。另外，間歇式運行方式對VSSF中ORP的降低亦有一定的延緩作用。

綜上所述，間歇式運行方式的實施可有效緩解VSSF的堵塞進程。

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Influence of different operation modes on clogging process in subsurface vertical flow constructed wetland

ZHANG Shu-lan1，GUO Bao2，HU Wei-ping1，ZHANG Zhang1，CHEN Yan1

(1.No.203ResearchInstituteofNuclearIndustry，Xianyang712000，China; 2.XianyangWaterGroup，Xianyang712000,China)

A comparison study of the clogging process in subsurface vertical flow constructed wetland(VSSF)at different operation modes was carried out when the hydraulic loading rate(HLR)was 0.5 m3(m2d)-1.The results showed that，the accumulation of non-filter materials in the substratum layer was the main reason causing clogging in the VSSF，and non-filter materials consisted of non-filter organic materials and non-filter inorganic materials.Based on the microscopic conceptual model of non-filter materials accumulation in the substratum layer，the content of non-filter materials in the substratum layer increased as the running time of VSSF increased，which then lead to porosity and hydraulic conductivity of the substratum layer decrease at the same time.Compared with continuous operation，the adoption of intermittent operation could postpone the occurrence of ponding in VSSF，the descending rates of porosity and hydraulic conductivity of VSSF could also be reduced during the running process of VSSF.All of these could be attributed to the lower accumulation rate of the retained materials in VSSF with intermittent operation during the running process because of the significant reduction in amount of non-filter organic materials.In addition，the adoption of intermittent operation not only optimized the oxidation-reduction environment in VSSF but also slowed the decline of theORPvalues in the substratum layer during the running process.In this study，the clogging process could be mitigated due to the implementation of anti-clogging measures，and the risk of clogging in VSSF could be reduced via the implementation of intermittent operation.

subsurface vertical flow constructed wetland(VSSF)；clogging；intermittent operation；non-filter materials

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0410

1672-9315(2016)04-0514-08

2016-05-10責任編輯：李克永

核工業203研究所青年啟動基金(2014ZR025)

張淑蘭(1967-)，女，山西盂縣人，高級工程師，E-mail：zhangshulan163126@163.com

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