人工濕地基質填料研究進展

張新蓮 李林

摘? ?要：基質是人工濕地重要組成成分，大多數污染物去除過程發生在基質填料層中。同時，基質也緊密聯系著植物與微生物兩大部分，為其生長提供附著面。因此，基質在人工濕地去除污染物的過程中起著核心作用。本文從基質針對不同污染物的去除機理、基質組合級配以及基質堵塞等方面論述目前研究進展。

關鍵詞：人工濕地? 基質? 去除機理? 堵塞? 研究進展

中圖分類號：X703? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）01（b）-0118-02

人工濕地功能組成部分包括有基質、植物、微生物三大部分。其中，基質擔任著凈化水體、為植物提供生長載體以及提供營養物質，為微生物提供依附面，為水體流動提供良好的水力傳導性等作用。它既是聯系植物與微生物的紐帶、也是植物與微生物發揮作用的基礎以及濕地發揮良好水力傳導性的重要條件。部分研究認為，大部分的污染物去除過程都發生在基質填料層中，且影響基質功能作用的因素有外部因素和內部因素兩個方面。外部因素為進水的有機負荷、水力負荷、水中碳氮比、溶解氧含量;內部因素包括其本身物化性質：粒徑、機械強度、化學組成成分、孔隙度、含水率等。丁海靜在研究基質結構對人工濕地運行性能的影響分析中用示蹤實驗證明：多層基質結構人工濕地比單層基質人工濕地有延緩系統堵塞、提高污染物去除效果的功能[1]。

1? 基質本身理化性質對污染物凈化影響分析

不同基質理化性質不同，導致上面附著的微生物膜的種類、生物活性、生物數量和掛膜速度也不盡相同。因此，基質在凈化效果和水力傳導性、使用周期上也不同。

基質通過物化作用與生化作用去除污染物，在影響其去除效果的諸多理化性質中，孔隙率與粒徑大小直接影響基質對以COD、SS為代表的水體污染物的去除。粒徑越小，越有利于微生物掛膜，因為其基質相對表面積越大，微生物膜可以附著的面積越大，在理論意義上其凈化效果越好。但是粒徑小影響其水力傳導性，更容易形成進水短流，形成濕地死水區，從某種意義上也會降低基質凈化能力。在趙林麗等的研究中，對于COD的去除中，不同粒徑沸石（1～2mm、2～4mm、4～8mm）和無煙煤（2～4mm、3～5mm、6～8mm）均表現為大粒徑優于小粒徑，且不同粒徑之間在0.05水平上差異性顯著，礫石去除能力則為4～8mm>8～16mm>2～4mm[2]。因此，基質粒徑大小對水中污染物凈化效果的影響并不是如一些文獻講述的粒徑越小，去除效果越好這么絕對。除上述水力條件外，選擇合適的粒徑大小要綜合考慮濕地水力傳導性要求、進水有機負荷、水力負荷等因素。需要去除的常規污染物除了COD、SS外，還有氮和磷。基質脫磷的機理有基質的攔截過濾沉淀、物理化學吸附、離子交換以及微生物轉化等。因此，可以從元素含量上面考慮基質選擇或者基質改性，來增強對水體污染物的去除。

病原微生物在人工濕地中的去除分為攔截與消亡兩種途徑。與基質相關的為攔截過程。人工濕地主要通過吸附作用去除微生物，影響因素包括基質種類、粒徑大小以及孔隙率等物化性質。其中不同填料對病原微生物的去除有顯著性差異[3]。部分研究認為粒徑小、比表面積大的基質有利于病原微生物的去除，但有些實驗證明結果相反。目前，雖然國內外對病原微生物進行了大量研究，但對其去除機理、時空分布以及與其他污染物的相關性等方面仍有很大的研究空間。

2? 基質組合與級配

在人工濕地填料的選配中，根據待處理水質的主要特征污染物，可恰當選擇不同的填料組合方式。基質的選擇有兩方面：一是根據水質處理目標篩選相應的基質;二是科學的基質級配對于水質凈化的高效性。

由于單一基質在濕地運行過程中很容易因為提供水力條件單一和基質吸附過程中有機物沉積而形成濕地死水區，導致濕地使用周期短，因此大多數濕地采用多種基質級配組合的方式。在實際應用中，根據不同基質粒徑、滲透系數、水力傳導率等理化性質上的差異，合理的搭配組合不同基質可以提高濕地的使用周期以及凈水能力。而基質搭配組合除了針對去除目標篩選合適基質種類之外，還需要考慮各種基質填料用量比，如表1所示。

但需要注意的是，針對使用何種基質、如何組合配置等技術和方式尚沒有統一，在未來的研究中仍需探索人工濕地工程建設中基質應用的科學化、規范化。

3? 基質吸附飽和與濕地堵塞

濕地堵塞是人工濕地技術目前遇到的難題之一。調查研究成果表明，有大概50%的垂直流人工濕地在投入五年內遇到不同程度的堵塞。人工濕地堵塞后會造成濕地滲透率降低、水力傳導性降低、處理效果下降以及運行壽命縮短等問題。進水大多滯留在濕地表面，隔絕氧氣通向濕地內部，不僅造成濕地環境惡化還大幅度降低凈水效果。因此人工濕地能否長期穩定運行關鍵在于濕地基質堵塞的防治。

濕地堵塞的原因可能有進水預處理不到位、進出水不合理、水力負荷以及有機負荷過大、基質選擇不合理（孔隙率變化大，含水率高）等。除此之外還有人工濕地設計不合理、運行不善、運行時間過長等因素都可能導致濕地堵塞。這些因素輕則影響基質層滲透效果，重則導致淤堵。對于基質堵塞有前期預防以及后期治理。前期預防包括：進水預處理（格柵處理或沉淀池），合適基質合理級配，濕地局部增氧（設置富氧通氣管），調節進出水方式等，后期治理對于小型濕地可定期更換堵塞嚴重基質層或藥物沖洗，大型濕地可耙松濕地表面增強通氣。除此之外間歇性進水、停床休作或輪休都可以緩解基質堵塞。其中這些因素中，關于基質重點討論的就是合適基質選擇以及級配問題。

理論上雖然可以用大粒徑基質來提高水力傳導率，但不利于基質掛膜，也不利于植物根系生長。除了考慮選用基質的粒徑以外，可以在基質填料中增加一些水力條件良好的基質來有效緩解濕地堵塞。

4? 結語

總而言之，選擇機械強度合適以及水力條件良好的基質并進行合理的搭配組合對緩解濕地堵塞有著重要作用。由于關于濕地方面的研究大多是以黑箱或灰箱模式進行，在進行濕地模型的試驗時，可以增加示蹤劑追蹤來探究濕地內部堵塞發生情況，來為積極采取經濟有效的解決措施提供科學的理論依據。

參考文獻

[1] 丁海靜，丁彥禮，游俊杰.基質結構對人工濕地運行性能的影響分析[J].水處理技術，2018（12）：91-95.

[2] 趙林麗.人工濕地不同基質和粒徑對污水凈化效果的比較[J].環境科學，2018（9）：4236-4241.

[3] 陳迪，鄭祥，魏源送，等.4種人工濕地填料的f2噬菌體吸附特性[J].環境科學，2013（10）：3904-3911.