人工湿地堵塞成因及解决措施初探

刘晓鹏 姚芳 王梦菲 谷鹏 凌源

（郑州大学水利与环境学院河南郑州450001）

1 人工湿地的概述

人工湿地是人工建造的、可控制的工程化湿地系统，可通过物理、化学和生物三重作用优化污（废）水处理。但是从工程实践来看，人工湿地如果运行时间过长、设计或管理不善，很容易造成堵塞问题。美国环保局调查发现有一半的人工湿地运行5年后形成堵塞[1]。中国华容县斥资千万建造的环境工程也是由于堵塞问题而变成了臭水塘，人工湿地堵塞后不仅影响美观，滋生蚊蝇，而且还影响出水水质，使过滤后的水质难以达标，人工湿地也就失去了实际价值。

2 人工湿地的堵塞成因

2.1 固体颗粒累积

诸多堵塞问题研究表明，固体颗粒物中有机质和无机质积累是导致垂直潜流人工湿地填料堵塞的主要原因[2-4]。叶建锋等认为填料层中不可滤物质的积累是垂直流人工湿地堵塞的主要成因，不可滤物质由不可滤无机物和不可滤有机物组成[5]。

2.2 填料选择不合适

一般砾石和土壤或砂构成填料层应用在潜流人工湿地中，另外适当的填料级配可以有效减少各种污染物，同时有效缓解堵塞。Y.Q.Zhao等发现，反级配人工湿地可以有效延缓填料堵塞[6]。填料层是湿地系统的核心，直接影响湿地对污染物的去除效率和填料层的堵塞。

2.2.1 砾石填料

虽然解决水力传导率较低的问题可以采用大粒径的砾石，但是这样不利于微生物的挂膜生长，同时对植物根系的生长和蔓延也不利。因此，选择合适的填料粒径需要综合考虑进、出水水质和预防填料堵塞的影响。

2.2.2 土壤填料岩石和粘土过多不利于大多植物的生长，适当的土壤填料是必要的，另外，植物在过酸或过碱的土壤中也不能正常吸收营养物质，因此选择适当的土壤填料对于缓解人工湿地堵塞十分重要。

2.2.3 砂填料

在复合垂直流人工湿地中采用了直径为2—5mm的砂粒，试验中未发生填料堵塞现象[7]。粒径较小的填料可以为微生物提供了更多的附着面，但会截留大量污染物，从而导致堵塞。

2.2.4 其他填料

在国内外，一些通透性好、比表面积大、具有吸附能力的多孔填料得到了广泛的应用。炉渣、活性炭、高炉铁渣、碎玻璃、铁矿石等都可以作为人工湿地的填料进行试验研究和工程应用。

2.3 运行方式不科学

湿地填料中的溶解氧浓度决定于湿地的运行方式，长时间的连续进水会使系统的填料层一直处于还原状态，而间歇性运行则有利于湿地复氧。相关研究表明，厌氧条件会加速系统的堵塞，因而间歇进水方式和适当的湿地干化期能够较好的缓解湿地系统堵塞问题。

2.4 植物配置不合理

研究表明，湿地植物有助于缓解填料堵塞。植物可以使湿地填料孔隙率普遍提高3%—44%，表明根系穿透填料的过程中具有良好的疏通作用[8]。但是，根系的过度发达会横向压实填料，因此他们认为植物起到了一定的防堵塞作用。有些学者认为湿地植物释放较多的有机物会加速湿地系统的堵塞，所以为了缓解人工湿地堵塞问题，应该选用适宜的湿地植物。

2.5 微生物胞外聚合物蓄积

研究发现，微生物代谢产生的胞外聚合物引起土壤堵塞。该物质降解所需时间较长，一般需要23-50d，易在土壤间隙大量积聚而造成堵塞[9]。

3 人工湿地堵塞的解决措施

3.1 强化预处理

预处理工艺一方面可以节流和去除悬浮物，另一方面可通过降解有机污染物，减轻湿地系统处理负荷，提高污水的可生化性，实现出水水质优良且稳定的效果。

3.1.1 生物法预处理

周兴伟等采用三级人工湿地与生物絮凝组合工艺处理小城镇高浓度生活污水，该系统的预处理及生物絮凝、水解酸化及沉淀为一体，有较高的去除有机物能力[10]。其中，预处理池对COD、N、P去除率相对较高。这表明预处理对有机物的去除起主要作用，从而减缓了人工湿地堵塞的发生。

生物接触氧化主要依靠调料上附着的生物膜降解污水中的污染物，王鑫等采用以生物接触氧化法为预处理工艺的地下渗滤系统来处理沈阳大学新校区的生活污水，出水水质达到《城市污水再生利用景观环境用水水质》要求[11]。

3.1.2 物理化学法预处理

混凝沉淀是预处理人工湿地进水最常用的物化方法，将絮凝剂投加到污水中，可以去除水中难降解的SS。谌伟等采用硅藻土和助凝剂复配对滇池湿地系统入水进行预处理[12]。研究结果表明，硅藻土的处理效果良好，且当硅藻土的投加量为40mg/l、PAM投加为0.3mg/l时，出水SS可达到一级B（20mg/l）的水平，从而减轻了后续湿地的堵塞压力。

3.2 优选填料

3.2.1 选择合适的填料粒径

粒径较大的填料可以有效地防止堵塞的发生，但过大的粒径会缩短水力停留时间，因此需要慎重选择粒径大小，湿地填料粒径的分布对湿地中的空隙体积和水流模式有决定性作用，分层铺设的填料每层应力求匀，如果大小颗粒掺杂会减小填料孔隙率，影响水流分布，改变水力学状态，影响填料的渗透性能，进而影响去除效果。

3.2.2 多种填料的组合配置

多种填料材料的合理搭配可以整体提高人工湿地填料层的去污能力。在不同深度布置不同类型的填料，有利于不同填料发挥不同的处理效力，利用组合填料达到全面净化污水中各种污染物的效果。另外，采用反配比模式对填料进行配置，不仅可以提高污水处理效率，还可以减缓堵塞。

综合考虑湿地运行的各种影响因素，可以得出初步的结论：无烟煤、沸石、生物陶粒可作为高效的垂直流人工湿地填料；钢渣、蛭石、陶瓷滤料可作为垂直流人工湿地的辅助填料[13]。

3.2.3 定期更换湿地表层填料

人工湿地中有机物的积累主要发生在表层，有机质积累对水力传导性和净化效果均有一定影响。因此定期更换湿地表层填料可以防止湿地表层的堵塞，但对大规模的湿地而言，其工程量过大。

3.3 优化运行方式

3.3.1 间歇运行

适当的湿地干化期和间歇运行，会使填料得到“休息”，避免胞外聚合物的过度积累，可防止填料堵塞[14]。人工湿地的处理能力恢复与间歇时间是成正比的，但间歇时间不能无限延长，应考虑湿地处理效率和处理负荷。研究表明，夏季适宜的恢复时间为10天，冬季为20天。目前，国内外的很多国家十分重视间歇运行方式。

3.3.2 预曝气充氧

研究表明，对污水进行预曝气充氧也可以起到一定的预防堵塞作用。污水在渗透过程中其DO值会迅速降低，对污水进行预曝气充氧，可以维持填料中的好氧状态，使微生物的分解作用得以维持，同时还可以防止填料中胞外聚合物的蓄积[15]。

3.3.3 改变布水方式

对湿地采用大断面、短流程、管道布水的方式进行布水，使进水与所有填料全面接触，实现净化植物与填料的有机结合，最大限度地减轻填料堵塞隐患。

3.4 合理配置植物

3.4.1 根据气候因素配置植物

植物对污水的净化能力受季节性影响，冬季时生命活动降低，对污水的净化效果下降，夏季时新陈代谢旺盛，对污水的净化效果好。因此，应根据本地区的气候特点合理配置植物，在温度比较高的地区配置一些喜温植物，在冬季，可以选择一些常绿植物，增强人工湿地的净化能力，同时也增加人工湿地的景观效果。

3.4.2 根据人工湿地类型和填料配置植物

填料的理化性质影响了植物的生长、微生物活性，最终影响人工湿地的净化能力，填料的选择比较广泛，然而各种材料的理化性质差异比较大，不同的植物适合于不同的物理化学环境，所以应根据材料的理化性质配置植物。除此之外，还应根据不同的人工湿地类型而配置植物，如表面流人工湿地可配置沉水植物。

3.5 施用微生物抑制剂或溶菌剂

微生物代谢过程中产生的胞外聚合物会堵塞填料孔隙。据研究表明，在进水中添加5%的次氯酸钠以杀死细菌并溶解胞外多糖，可以完全恢复填料的水力传导能力。但人工湿地处理工艺主要依靠微生物的代谢活动去除污染物质，所以处理微生物时需慎重。

3.6 其他方面分析

3.6.1 局部翻洗湿地填料

有些人工湿地运行一段时间后出现了堵塞问题，对于这些湿地系统，可以运用局部翻洗湿地填料的方法处理，垂直流湿地可挖去表层30cm湿地填料，清洗或更换后回填，水平潜流湿地可以顺水流方向翻洗首部受淤堵部分湿地床填料，对大型湿地而言，更换填料的工程量过大，可以采取定期耙松湿地表面的方式改善通透性湿地植物也需拔除及复植，并进行适当改造。

3.6.2 自然导气措施

对于缓解垂直流人工湿地的堵塞问题，自然导气措施具有较好的效果，对去除氨氮的影响尤为突出。鄢璐等的研究表明，随着供养的进行消化菌的繁殖加快，数量增长迅速，活性增强，促进消化作用的进行[16]。自然导气有利于复氧作用，使填料中微生物的氧化能力增强，进而使胞外聚合物的蓄积速度较缓慢，这样可以延长垂直流人工湿地的运行时间，但改善效果受水力负荷的影响较大，当水力负荷（<0.9m3/(m2·d)）时对填料堵塞的改善作用明显，但在高水力负荷下其影响有限。

3.6.3 投加蚯蚓

土壤动物在分解有机物中也起到不可忽视的作用。蚯蚓是土壤中常见的杂食性动物，他在土壤中活动，以土壤为食，在提高填料孔隙率的同时可以降解部分有机物。研究人员将赤子爱胜蚓引入潜流人工湿地进行强化运行发现蚯蚓的觅食活动增强了土壤的透气性[17]。

3.6.4 日常科学管理

人工湿地虽然是一种生态型的污水处理工艺，但并不是一种“安装即忘记”（fit-and-forget）的方法，需要进行长期的科学管理[18]。应定期进行预防性检验维修，涉及湿地进水口布水、淤泥沉积、出水调控、植物收割等问题，使自然资源和人力资源在得到最佳利用的条件下，采用最有效和最具有操作性的防堵方法和技术。

4 结语

近年来，水污染问题逐渐引起人们的重视，如何快速、经济、高效地解决水污染问题成为人类重视的问题。人工湿地处理技术的提出和发展，为水处理技术开辟了新的思路。目前，在人工湿地面临的问题中，以堵塞问题最为严重，目前国内外都在积极地研究中，相信在不久的将来，人工湿地将会得到更广泛的应用。

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