垂直流人工濕地基質堵塞分析與處理措施

賀映全 曹紅軍 胡武林 郭科學

(中建五局第三建設有限公司，湖南 長沙 410004)

1 概述

我國是一個水資源總儲量十分豐富，但人均水資源擁有量只有世界平均值的1/4，南北分部也十分不均勻。由于近年來經濟發展帶來的環境問題日益嚴峻，使原本匱乏的水資源遭受到了不同程度的污染。大量工業廢水和城市污水直接排入長江、黃河，周邊城市的飲用水供給受到威脅，我國水污染現狀是“局部有所改善，整體仍在惡化”。因此人工濕地作為一種新型的生態污水處理技術，該技術利用基質、植物、微生物的協同凈化能力處理污水，同時還可提高生物多樣性，美化生態景觀，具有一定的經濟效益和生態環境效益，受到了世界各國的普遍關注。

目前在國內外主要研究的人工濕地有：表面流人工濕地、水平流人工濕地和垂直流人工濕地三種。其中表面流人工濕地與水平流人工濕地因為自身結構的局限性，不能充分發揮去污能力，導致其去污效果較差，垂直流人工濕地的構造系統有利于有機物污染物和無機物污染物的去除，但是在運行過程中易發生堵塞現象，污水凈化效果大大降低。調查結果表明將近50%的垂直流人工濕地在投入使用后的五年內形成了不同程度的淤堵，本文從垂直流人工濕地基質堵塞機理入手，闡述濕地堵塞的原因，并提出解決方法，提高垂直流人工濕地的運行效果。

2 垂直流人工濕地基質凈水原理與堵塞機理

2.1 垂直流人工濕地基質凈水原理

垂直流人工濕地系統結構主要包括覆蓋層、濾料層、覆蓋層、排水層、布集水管以及排氣管，垂直流人工濕地分上行流、下行流兩種，他們的區別在于布集水管的分布位置不同。應用較普遍的是下行流濕地，覆蓋層防表面沖蝕，迅速進水，采用布水管將污水均勻的布設在最上層基質中，濾料層是污水核心處理區，基質填料可以采用細砂、粗砂、礫石、卵石、礦石和火山巖等，污水在重力的作用下垂直地透過基質表面，水流經床體過程中經過一系列物理作用和化學反應后，被鋪設在出水端底部的集水管收集而排出，覆蓋層作用是防止上層填料堵塞下面集水管，排水層匯集排出已處理的污水，排氣管可以向系統內部充氧，并保證池內氣體排出，防止產生臭味。常設置在填料層底部，與集水管連接。圖1為垂直流人工濕地基質分層凈水原理示意圖。

基質主要凈水作用在于能通過沉淀、過濾、吸附、離子交換等直接去除污染物，研究表明無煙煤對有機物的去除能力最強，鋼渣對各種形態磷的綜合去除率最高，礫石、細砂組合基質比煤渣基質在氨氮與總氮的去除率上均高出20%以上。

2.2 垂直流人工濕地基質的堵塞機理

目前對垂直流人工濕地基質的堵塞機理的研究，主要從基質堵塞分布區域、主要堵塞物質、堵塞的形成過程三方面展開。

1)基質堵塞分布區域。垂直流人工濕地基質空隙堵塞嚴重情況隨基質深度增加而逐漸減小，研究發現布水管出水孔以下0 cm～10 cm處堵塞物質含量較少，基質沉積物質主要在布水管以下10 cm～30 cm處發生淤堵，沉積物含量積累達80%以上，基質的滲透系數會下降20%～40%，30 cm以下堵塞物質含量逐漸減小，且占比很小，基質堵塞分布區域會受到自然環境、基質種類和污水水體等影響。圖2為唐山市某垂直流人工濕地試驗段不同深度下基質堵塞物質百分含量及累計比例變化情況。

2)主要堵塞物質。垂直流人工濕地堵塞的主要物質包括無機物和有機物兩大類，污水中含有的污泥及水體在基質凈化過程中的水流路徑會加速基質表面無機固體顆粒的風化，固體顆粒物質含量達到一定程度在基質空隙之間形成沉積物堵塞，在有氧環境下，有機微生物大量繁殖和有機根系植物的發展嚴重降低了基質的滲透系數，同樣造成了基質堵塞。

3)堵塞的形成過程。基質堵塞的形成過程分為三個階段，首先，微生物及其分泌的胞外聚合物在基質表面累積并形成生物膜，此時表、次層基質滲透系數有所下降，但是下降程度很小，可以忽略不計；然后這些含有大量難降解有機物(如腐殖酸、多糖等)且高水分、低密度的膠狀污膜逐漸加厚并向基質內部擴展集聚，基質滲透系數下降明顯；最后，這些膠狀污泥逐步吸附污水中的無機顆粒和有機物并形成密實的堵塞層，此時基質滲透系數達到穩定。

3 人工濕地堵塞影響因素

影響垂直流人工濕地基質堵塞的因素很多，本文從基質填料、有機負荷、水力負荷、運行方式四個方面進行分析。

3.1 基質填料的影響

基質填料的粒徑和外形的規則程度直接影響孔隙的大小和水力滲透性能，粒徑越小，填料越不規則，孔隙率越小，基質表面積增大，微生物容易附著掛膜，水力滲透持續時間長，污染物被大量截留，容易引起基質填料堵塞。大粒徑填料雖然能解決水力傳導率較低的問題，但是不利于污染物沉淀、過濾、吸附、離子交換，降低污水凈化效果。

3.2 有機負荷的影響

進水口處的污水經過生物代謝合成可以去除大量有機物，同時會生成少部分不可降解的殘留物，當有機物含量較多，微生物含量有限，有機負荷得不到及時分解和吸收而沉積，基質間空隙縮小，最終導致堵塞，所以有機負荷是引起基質堵塞的一個重要原因。一般環境下，人工濕地有機負荷超過25 gBOD/(m2·d)就會發生堵塞。

3.3 水力負荷的影響

不同水力負荷下孔隙率與運行時間的關系密切，水力負荷值小于0.4 m/d時，孔隙率隨運行時間增加孔隙率下降緩慢，相反水力負荷值大于0.7 m/d時，孔隙率隨運行時間增加孔隙率會在凈水前期出現急速下降的過程，水力負荷為0.4 m/d垂直流濕地運行30 d孔隙率會比原先下降約17.6%，水力負荷為0.7 m/d垂直流濕地運行30 d孔隙率會比原先下降約81.5%，所以水力負荷值的增加降低了垂直流人工濕地基質的孔隙率，隨著濕地運行時間的延長堵塞更加嚴重。

3.4 運行方式的影響

在人工濕地運行過程中有效孔隙率均有一定程度降低，周期運行有利于土壤通風和有機物的快速降解，保持土壤的好氧條件能夠有效控制土壤堵塞。由于進水有機SS濃度的升高，系統的淤堵程度隨之加劇。這主要是因為較高的有機SS負荷導致了有機物降解數量的增加，隨之微生物生長量變大，形成的生物膜也增多；同時，由于微生物降解能力有限，部分有機SS未能被降解，占據了有效孔隙，進水有機SS負荷越大，占據的填料孔隙越多，導致有效孔隙的降低。濕地污水屬于地表水處理過程，地表水的溫度低于環境溫度，水體中氧含量有限，微生物活性不足，降解能力下降，而有機SS不斷積累增多，如果濕地運營期過長，很容易引起基質堵塞。

4 濕地基質堵塞處理措施

濕地基質堵塞對濕地除污能力和凈水效果有重要影響，基質堵塞處理應該遵循“預防為主、防治結合”的原則。

4.1 基質堵塞“預防”處理

廢水經過工廠排除后、進入引水管前，在途經河道沿線上可以預先對污水自凈處理，或者設置格柵處理后再引入垂直型潛流濕地調節池，阻擋泥沙、石塊、根莖、雜草等大的污染物，同時可以防止引水管堵塞引起的污水處理運營不正常現象。濕地中溶解氧不足，氧化還原電位低，也不利于污染物的降解，因此可以事先在濕地集水支管位置布置適當數量的通氣管，使水體形成富氧環境，增強微生物的氧化活性，促進微生物對COD的去除，垂直流人工濕地運營前期通氣管導氣對COD的去除幾乎沒有影響，但是隨著COD的積累，水體厭氧環境逐漸形成，導氣充氧可以發揮作用，減少有機物積累，疏通水流路徑。

4.2 基質堵塞“治理”處理

停床休作或輪休降低基質堵塞的原理與導氣法類似，垂直潛流型濕地停止運行后，微生物在大氣復氧環境中，迅速分解污染物，硝化反應是好氧反應，污水中氨氮可以得到有效去除，同時基質中微生物和植物因為缺少水分補給，細胞逐漸老化并死亡，污染物體積減小，基質孔隙率增大，對基質堵塞具有顯著的改善作用。由于基質沉積物質主要集中在布水管以下10 cm～30 cm處，濕地運行時間越長，凈水效果越差，最終達不到出水要求，此時可對此處的基質層進行清洗重新填料或者替換新基質，此方法適用于處理小型垂直潛流人工濕地，規模大的濕地基質換洗需要較多的人工、機械和材料投入，具有成本高的特點。

5 結語

人工濕地引入人與自然和諧發展理念，是未來污水處理的一種發展趨勢，符合國家提倡的保護環境和節能減排要求，雖然垂直流人工濕地基質堵塞是一個復雜的過程，本文從基質堵塞的機理出發，通過基質填料、有機負荷、水力負荷、運行方式四個方面分析對污水凈化效果的影響，提出基質堵塞前期預防和堵塞后期治理兩大方面的處理方法和經驗。合理的選擇基質堵塞防治措施，可以使基質層最大限度的、高效的降低來自污水中主要污染物指標，同時達到減少垂直流人工濕地運營成本的目的。