一種新型雙重輪休式潛流濕地及其抗堵塞與去污效果

華祖林，張子豪，沈志偉，鄭 楊，顧 莉

(1.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學環境學院，江蘇 南京 210098； 3.長江保護與綠色發展研究院，江蘇 南京 210098；4.中交上海航道局有限公司，上海 200002)

當前，在污水處理尤其是微污染水體處理中，人工濕地技術得到廣泛使用，其中，垂直潛流人工濕地由于對氨氮和有機物去除效率高、具有很高的穩定性與抗沖擊負荷等優點，使用最多[1-2]。但是垂直潛流濕地存在一些缺點，如長期運行后易發生堵塞，濕地基質發生堵塞后會破壞內部污水流場穩定性而造成雍水，使其去污效果大幅降低[3]。

垂直潛流人工濕地發生堵塞的本質是基質孔隙率的降低[4]，而基質孔隙率下降是由于進水中存在的有機和無機懸浮固體[5]、部分離子之間反應形成的難溶性沉淀物[6]等不可濾物質在基質孔隙中逐漸積累，占據基質間孔隙，另外大量微生物及其分泌的胞外聚合物積聚在基質表面，會與水體中的有機物形成高含水量、低密度的膠狀淤泥[7]，致使濕地孔隙率下降。

為了解決垂直潛流人工濕地堵塞問題，許多學者進行了諸多有益的研究工作。葉劍鋒等[8]研究表明，進水中有機和無機懸浮固體主要集聚在垂直潛流濕地布水管下10～20 cm處，即基質上層，因此有的濕地在運行一段時間后需對堵塞的上層填料進行更換或清洗，以解決表層基質中不可濾物質堵塞問題，如紀良等[9]采用裝配式模塊裝載填料，以便能夠快速更換堵塞后的填料模塊，被堵塞的填料模塊單元通過清洗或更換內部填料后可再次利用，但清洗更換填料工作費時費力且會導致濕地運行中斷，除了表層基質的堵塞外，濕地下層基質也存在一定程度的堵塞。針對濕地基質內部的有機物質，包括胞外聚合物，Nivala等[10]使用過氧化氫強氧化劑進行氧化處理，將有機物質溶解以增加孔隙率。反沖洗措施也是解決整個濕地單元基質內部堵塞的方法之一，馬飛等[11]使用反沖洗方法，通過氣泵將空氣泵入反沖洗進水管形成氣液兩相流，對濕地進行大強度反沖洗，可以將堵塞在基質孔隙中的有機物和無機物沖洗脫落后隨水流流出，達到緩解堵塞目的。據統計反沖洗運行操作經濟成本很高約為0.2元/(m3·次)[12]，且會對濕地內部微生物膜造成破壞，后續掛膜需要較長時間。

采取輪休方式或停床休作也能有效改善濕地基質表面胞外聚合物堵塞的情況，Hua等[13]將堵塞后的垂直流人工濕地分別排空3 d、7 d和10 d后再運行，基質中的胞外聚合物均有相應減少，基質孔隙率有所提高。這種輪休方式使得至少有一組濕地單元處于停滯狀態，無法處理污水，因此一般在實際應用中輪休或停床休作需要采用多組濕地單元并聯的方式，間歇性輪流運行以保證處理額定的污水量。輪休雖然解決了濕地堵塞問題，但是濕地單元的利用效率低，另外停床休作的濕地單元在重啟初期水質不穩定，去除效率不佳。

為此，本文設計了一種新型雙重輪休式潛流濕地，主體池左右兩池按一定周期交替進水，池內始終有水流經過，避免了濕地單元休作時完全不參與運行的情況，同時左右兩池按一定周期更換水流方向，起到了類似于反沖洗的作用。新型濕地結合了輪休方式與反沖洗方法的優點，為解決垂直潛流濕地長期運行時易堵塞的問題提供了一種新的途徑。

1 新型濕地及試驗設計

1.1 新型濕地

新型雙重輪休式潛流人工濕地結構如圖1所示，裝置內共有5個池，包括前端的2個預處理池(A1和A2)、中部的2個主體池(B1和B2)和后端的1個出水池(C1)。預處理池尺寸為0.3 m×0.4 m×1.2 m，主體池尺寸為1 m×0.4 m×1.2 m，出水池尺寸為0.3 m×0.9 m×1.2 m。預處理池和主體池內垂直分層填鋪填料，最上層厚度為30 cm，填料為8～16 mm粒徑的沸石；中層厚度為30 cm，填料為6～8 mm粒徑的陶粒；底層厚度為30 cm，填料為10～12 mm粒徑的礫石。在這些填料頂部鋪設厚度為15 cm的土壤，用于種植耐污的水生植物黃菖蒲和西伯利亞鳶尾。同時又專門制作了一個傳統下行式垂直潛流濕地裝置用于對比試驗。傳統濕地的主體池尺寸為1.2 m×0.6 m×1.2 m，出水池尺寸為0.3 m×0.6 m×1.2 m，其主體池內填料、水生植物與新型濕地相同。傳統濕地在靠近表層填料(0.8 m高度處)設有布水管，底部設有集水管連至出水池，此濕地運行時污水由布水管垂直向下均勻布水，通過底部集水管后排入出水池。出水池內另接一條管道與集水管相連，用作試驗后期反沖洗。

(a)布置平面

(b)剖面結構

新型濕地的2個預處理池和2個主體池內管道布置完全相同，如圖2所示，各層管道均有主管與支管，主管無孔，支管均勻布孔，保證垂直流濕地均勻布水。主體池底部連通管的平面圖結構如圖2(b)所示，同樣是主管無孔、支管均勻布孔，2個主體池的支管相互連通并穿過2個主體池之間的擋板，實現2個主體池的連通，方便水流在2個主體池底部間往返流動。

(a)布水管

(b)底部連通管

新型濕地輪換制運行方式分為兩個時間段。在水流運行的第一時間段時，開啟預處理池A1的進水閥門a1和主體池B2的出水管閥門b2，并關閉預處理池A2進水閥門a2和主體池B1的出水管閥門b1，水流運動路線如圖3(a)～(c)中的黑色箭頭所示，污水從預處理池A1底部的進水管進入，水流上行通過預處理池A1頂部的集水管進入主體池B1布水管；此時主體池B1內水流下行到底部，通過兩個主體池的底部連通管進入主體池B2，水流再從主體池B2的底部上行至其集水管，并最終經過閥門b2排入出水池C1。

在第一時間段運行一段時間后，開始輪換，進入第二時間段，水流運動路線如圖3(a)(d)(e)中的紅色箭頭所示，此時關閉預處理池A1和主體池B2的閥門(a1和b2)，開啟預處理池A2和主體池B1的閥門(a2和b1)，水流從預處理池A2進入，依次經過主體池B2、B1后，排入出水池C1。水流方向改變后濕地內的水流路徑也對稱改變，上一時間段的B1池內下行水流變為上行，B2池內上行水流變為下行，第一時間段和第二時間段交替輪休。第二時間段結束后，調回閥門開關，回到第一時間段，進入下一個周期，不斷重復第一、二時間段。新型濕地通過簡單的閥門開關控制，實現濕地單元的交替進水輪休。

1.2 試驗設計

(a)平面 (b)第一時間段1—1剖面

(c)第一時間段2—2剖面 (d)第二時間段1—1剖面 (e)第二時間段2—2剖面

1.3 最佳輪休周期工況選取及對比試驗

與傳統垂直潛流濕地不同，新型濕地在運行階段根據輪休周期改變主體池內水流方向，輪休周期的長短影響新型濕地對污染物的去除效果，因此，需要探究新型濕地最佳輪休周期，使其對污染物有高去除率。

控制新型濕地進水流量為0.63 m3/d，水力停留時間約10 h。新型濕地設置4種不同的輪休周期：3 d、5 d、8 d、14 d，4種個工況分別運行18 d、20 d、16 d、28 d。

為了對新型濕地與傳統下行式垂直潛流濕地進行抗堵塞能力和去污效果的對比研究，控制傳統濕地的進水流量，使其水力停留時間與新型濕地基本一致，約為10 h，并與新型濕地同時運行，且傳統濕地的進水水質、采樣時間也與新型濕地相同，但在運行到試驗后期(160 d時)，傳統濕地利用出水池內的反沖洗管進行反沖洗操作。新型濕地不同輪休周期工況試驗選擇在每天下午5時采集出水水樣，測定水樣的污染物濃度并計算平均去除率[17]。新型濕地與傳統濕地的抗堵塞能力主要通過孔隙率來表征[18]。

2 結果與分析

2.1 新型濕地與傳統濕地抗堵塞能力對比

圖5為新型濕地與傳統濕地孔隙率隨時間的變化趨勢，第1次初始測量是在新型濕地和傳統濕地內生物膜掛膜成功后，此時兩種濕地的初期孔隙率基本相同，均接近50%。兩種濕地同時運行40 d后第2次測量它們的孔隙率，發現傳統濕地和新型濕地預處理池的孔隙率相差不大，分別為46.89%和46.32%，而新型濕地主體池的孔隙率為48.43%，僅比初次測量的孔隙率下降了0.8%，其堵塞程度最低。第3次測量孔隙率是在兩種濕地同時運行140 d、傳統濕地反沖洗前，測量發現傳統濕地的孔隙率在這個過程中急劇下降了8.17%，其孔隙率變為38.72%，受堵塞的影響最大；新型濕地預處理池的孔隙率降為42.81%，受堵塞影響小于傳統濕地；新型濕地主體池的孔隙率為46.36%，僅下降了2.07%，受堵塞影響最小。兩種濕地同時運行160 d、傳統濕地反沖洗結束后進行最后一次孔隙率測量，得到傳統濕地的孔隙率為44.37%，可見反沖洗對提高傳統濕地孔隙率的效果顯著，孔隙率回升了5.65%，緩解了傳統濕地堵塞情況；新型濕地主體池和預處理池的孔隙率分別為46.21%和42.55%，傳統濕地反沖洗后的孔隙率仍低于新型濕地主體池的孔隙率。

(a)NH3-N

(c)TN

圖5 新型濕地與傳統濕地不同時間孔隙率

試驗結果表明，整個運行階段新型濕地基質內孔隙率下降幅度較小，從試驗初期到結束，其主體池孔隙率僅下降了3.02%，受堵塞影響較小；而傳統濕地從初期到反沖洗前孔隙率下降幅度較大，下降了10.93%，其受堵塞影響大于新型濕地；在反沖洗后，傳統濕地的孔隙率有所提高，對堵塞有一定緩解，但其堵塞程度仍然高于新型濕地主體池。新型濕地在5 d的輪休周期下運行，能有效緩解堵塞情況，其抗堵塞能力強于設有反沖洗管、可進行反沖洗的傳統濕地。

新型濕地具有較強的抗堵塞能力，主要是因為其雙重輪休與類似于反沖洗的作用。新型濕地的2個預處理池和2個主體池，配合其按一定周期交替進水的運行方式，可使得上一時間段有污水流經的預處理池和主體池上部兩個易堵塞區域處于輪休狀態，以實現雙重輪休。輪休可使基質的大氣復氧能力增強，以促進好氧微生物降解有機污染物，也使基質中微生物進入內源呼吸階段，消耗胞內物質或胞外聚合物，緩解因生物膜大量積聚在基質表面引起的堵塞狀況[19]。此外水流在主體池B1和B2中按一定輪休周期更換方向，相當于反沖洗作用，對截留在基質孔隙中的堵塞物質進行反向沖刷，以減緩基質內堵塞物的累積。

2.2 新型濕地與傳統濕地去污效果比較

(a)新型濕地

(b)傳統濕地

相比于傳統濕地，新型濕地具有較強的抗堵塞能力，其受堵塞影響程度小，水體能較好地復氧，使得微生物活性較好，進而獲得較好的去污效果；新型濕地中，2個主體池集水管以下部分始終處于運行狀態，不會因堵塞嚴重而中斷運行，濕地系統處于相對穩定的狀態，對其內部的微生物群落影響較小，所以新型濕地能保持相對穩定的去污效果。傳統濕地在進行反沖洗操作前，濕地基質有一定程度堵塞，其受堵塞影響程度大于新型濕地，影響水體復氧，從而影響到微生物活性，使得傳統濕地去污效果不如新型濕地；傳統濕地經過較大強度的反沖洗后，基質表面的生物膜出現部分脫落，造成濕地內生物量有所減少，使其短期內難以恢復反沖洗前的凈水效果，需要穩定運行一段時間才能恢復其對污染物較好的去除效果。

3 結 論

a.新型雙重輪休式潛流濕地通過交替進水實現易堵塞的預處理池和主體池上層的雙重輪休，主體池左右兩池按輪休周期更換水流方向，起到類似于反沖洗的作用。

b.從試驗初期到結束，新型濕地主體池孔隙率僅下降了3.02%，受堵塞影響小，而傳統濕地從初期到反沖洗前孔隙率下降了10.93%，新型濕地抗堵塞能力強于傳統濕地。

d.新型濕地具有較強的抗堵塞能力和較好且穩定的去污效果，為垂直潛流濕地易堵塞問題提供了一種新的解決途徑。