不同运行方式对垂直潜流人工湿地堵塞进程的影响*

张淑兰，郭　宝，胡渭平，张　章，陈　言

(1.核工业二〇三研究所，陕西 咸阳 712000；2 咸阳市水务集团，陕西 咸阳 712000)



不同运行方式对垂直潜流人工湿地堵塞进程的影响*

张淑兰1，郭宝2，胡渭平1，张章1，陈言1

(1.核工业二〇三研究所，陕西 咸阳 712000；2 咸阳市水务集团，陕西 咸阳 712000)

探究并对比了不同运行方式下垂直潜流人工湿地(VSSF)的堵塞进程.试验结果表明，VSSF发生堵塞的成因主要是由于填料层中不可滤物质的积累，基于不可滤物质积累的微观概念模型，填料层中被截留物质的含量随系统运行时间的延长而增大，被截留物质的增加则会直接导致填料层孔隙率和水力传导系数的减少。与连续试运行方式相比，间歇式运行方式的采用可使VSSF的雍水发生时间有所延迟，其填料层孔隙率与水力传导系数的下降速率亦有所降低，间歇式运行方式可有效减少不可滤有机物量，并可降低被截留物质的积累速率。另外，间歇式运行方式对VSSF中ORP的降低亦有一定的延缓作用，该运行方式的实施可有效缓解VSSF的堵塞进程，进而延长VSSF的使用寿命。

垂直潜流人工湿地；堵塞；间歇式运行；不可滤物质

0　引　言

针对人工湿地填料层的堵塞问题，研究者们先后提出并尝试了一系列缓解措施，如对湿地进水进行预处理、优化湿地运行方式、选择合适的填料粒径及级配、采取曝气充氧的措施、选取合适的湿地植物、更换湿地填料、施用微生物抑制剂或者溶菌剂、向系统中投加蚯蚓和采用停床、轮休措施等[6]。研究表明，造成湿地堵塞的主要原因是固体颗粒在填料层内部的沉积和填料层间隙内生物膜的生长[7]。因此，“优化湿地运行方式”可被作为一种降低湿地填料层堵塞风险的有效手段。

在前期研究中，笔者对VSSF的运行方式进行了优化，发现当VSSF以间歇式方式运行时，其对污染物的去除效果可得到强化[8]。然而，VSSF的堵塞问题却尚未考察。鉴于此，本研究以2组VSSF为研究对象，拟考察并比较不同运行方式下VSSF填料层的堵塞情况，分析不同运行方式下湿地系统填料层孔隙率和水力传导系数的变化特征，探究湿地系统填料层中被截留物质的积累和空间分布规律，并检测填料层中被截留物质的成分和粒径分布，最终明确不同运行方式对VSSF堵塞进程的影响。期望通过该研究，可为今后人工湿地防堵塞措施的实施提供依据和参考，较大限度地延长人工湿地系统的使用期限。

1　材料与方法

1.1试验装置

垂直潜流人工湿地(VSSF)小试试验装置位于温室内，由有效体积为500 mL的塑料量筒制成。各湿地装置的面积均为20 cm2(d≈5.0 cm)，湿地装置填料层厚度设定为30 cm，填充一定粒径的废砖块。在前期研究中，废砖块被证明是一种理想的人工湿地填料[9]，本研究使用到的废砖块取自某建筑工地，获取后将其进行粉碎过筛，其粒径分布见表1.而后将废砖块置于活性污泥中进行曝气挂膜，挂膜成功后填充于试验装置中(填充之前已经过淘洗)。此时湿地填料层渗透系数为1.17×10-2cm·s-1，填料层孔隙率为54.24%.为屏蔽植物根系对湿地填料层堵塞的影响，湿地系统内并未种植植物。在装置的填料层上方5 cm处设置进水管，集水管则设置于试验装置底部。为使VSSF快速实现堵塞，设定各湿地系统的水力负荷(HLR)为0.50 m3·(m2·d)-1[7-9]，试验时间从2014年5月至2015年3月。

前期研究表明，间歇式运行方式的实施可强化VSSF对污染物的去除效果。为此，本研究将VSSF分为2组，分别编号为VSSF-A和VSSF-B.其中，VSSF-A采用连续进水方式运行，即传统的下向流运行方式：污水通过进水管泵入VSSF-A，而后通过集水管排出系统，填料层在运行过程中始终处于非饱和状态；VSSF-B则采用间歇式进水方式运行，其每个运行周期为6.0 h，每天运行4个周期：各周期之初将进水由进水管泵入系统中(t=10 min)，填料层浸润线高度约为23.50 cm，反应3.5 h后通过集水管将系统内污水排空(t=20 min)，而后VSSF-B闲置2.0 h以便填料层复氧。VSSF-B的一个运行周期包括进水期、反应期、排空期和闲置期4个阶段[10-11]。

通过上述条件的设定，考察并比较不同运行方式对湿地系统堵塞的影响，并探究不同运行方式下VSSF的堵塞进程及堵塞物在湿地系统中的分布规律。

表1　废砖块粒径分布

1.2进水水质

1.3分析方法

1.3.1湿地填料层被截留物质含量的测定

定期采集湿地填料层中的填料样品10 mL，用200 mL纯水轻轻冲洗，然后用滤膜法测定洗脱液中被截留物质的含量[12-13]，其计算方法如下

总固体重(103～105 ℃蒸干)=可滤有机物+不可滤有机物+可滤无机物+不可滤无机物

总固体灼烧后重(600 ℃灼烧)=可滤无机物+不可滤无机物

溶解性固体重(0.45 μm滤膜过滤后103～105 ℃蒸干)=可滤有机物+可滤无机物

溶解性固体灼烧后重(600 ℃灼烧)=可滤无机物

其中填料层被截留物质总含量即为总固体重，不可滤物质含量由不可滤有机物和不可滤无机物组成，有机物含量包括可滤有机物和不可滤有机物，试验测得的不可滤物质重量和有机物质重量分别减去空白值即为湿地填料层被截留的不可滤物质和有机物质成分的重量。

1.3.2湿地填料层生物膜含量的测定

采用“超声+化学剥落法”[14]去除填料表面的生物膜，而后通过重量法计算出湿地填料层中生物膜的含量。

1.3.3湿地填料层孔隙率和水力传导系数的测定

填料层孔隙率和水力传导系数的测定方法均采用文献[15]中的标准方法。

1.3.4湿地填料层中ORP的测定

在各湿地系统填料层深度为15 cm处预埋电极，以监测填料层内部的ORP变化。其中，VSSF-B中ORP值测定的时段为其闲置期。

1.3.5水样采集及分析方法

1.4试验数据

试验数据采用Microsoft Excel 2010，Origin 8.5和SPSS 21.0等软件处理。

2　结果与分析

2.1水力传导系数与孔隙率变化

水力传导系数(k)是反映湿地系统填料层渗流特性的一个综合指标。2组VSSF在运行过程中其各自的k值变化如图1所示，而图2则为各系统填料层孔隙率的变化特征。由图1和图2可知，2组VSSF运行之初，各系统的k值与填料层孔隙率均维持在1.17×10-2cm·s-1和53.31±0.03%.随着运行时间的延长，各系统的k值和填料层孔隙率均呈现出不同程度的下降，且VSSF-A的k值与填料层孔隙率下降趋势大于VSSF-B.当运行时间为83 d时，VSSF-A的孔隙率降至43.61%.之后，VSSF-A的孔隙率下降趋势加快，VSSF-A的k值亦开始下降。当运行时间为118 d时，VSSF-A的孔隙率降至30.70%，此时VSSF-A表面开始雍水，其k值亦降至0.84×10-2cm·s-1.而后当运行时间增至132 d后，VSSF-A的孔隙率降至最低值(3.41%)，此时VSSF-A表面的雍水面积达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填料层孔隙率的下降速率较低，其k值开始下降的时间亦较VSSF-A有所延迟。系统运行174 d后，其k值开始下降，其孔隙率则降至37.29%.之后，VSSF-B孔隙率的下降趋势加快，当运行时间为239 d时，VSSF-B的孔隙率降至26.86%，此时系统在进水期开始出现雍水现象，而在排空期排水管中污水的流速亦开始下降，其k值则降至0.90×10-2cm·s-1.当运行时间增至272 d时，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.

随着运行时间的延长，各VSSF的填料层孔隙率均开始下降，进而引起了系统k值的下降，并最终导致了系统运行条件的恶化。当填料层的孔隙率降至3.34±0.11%时，系统会完全堵塞。而相比于VSSF-A，VSSF-B填料层孔隙率的下降速率有所降低，由此可知间歇式运行方式可降低VSSF-B填料层孔隙率和k值的下降速率，进而延长了系统的使用寿命。

图1　各系统水力传导系数变化Fig.1　Variation of hydraulic conductivity coefficient in each VSSF

图2　各系统孔隙率变化Fig.2　Variation of effective porosity in each VSSF

2.2被截留物质积累情况及其成分分析

由图3可知，运行之初VSSF-A和VSSF-B填料层中的被截留物质含量分别为0.19和0.23 mg·mL-1.当VSSF-A和VSSF-B分别运行至83和174 d时，两系统填料层中的被截留物质含量分别增至7.63和7.37 mg·mL-1，即被截留物质的积累速率分别为8.96×10-2和4.10×10-2mg·(mL·d)-1.其中，不可滤物质的含量分别为5.47和5.50 mg·mL-1.不可滤物质通常包括不可滤无机物和不可滤有机物，则两系统中此2种物质的含量分别占被截留物质含量的33.20%和38.45%，49.65%和24.96%.VSSF-A和VSSF-B的运行时间分别超过83和174 d后，其填料层中被截留物质的积累速率加快。当两系统分别运行至132和272 d时，其填料层中被截留物质的含量均增至24.55 mg·mL-1.其中，不可滤物质的含量分别可达16.53和17.84 mg·mL-1，而两系统中不可滤无机物和不可滤有机物的含量则分别占被截留物质含量的30.75%和36.57%，45.14%和27.52%，此时VSSF-A和VSSF-B均已完全堵塞。

结果表明，各系统填料层中被截留物质含量随运行时间的延长而增加，且系统中不可滤物质的积累是造成VSSF堵塞的主要原因。当VSSF填料层中的不可滤物质含量≥24.55 mg·mL-1时，其孔隙率与水力传导系数会降至最低值，系统会完全堵塞。不同运行方式会影响到填料层中被截留物质的成分，由于VSSF-B的复氧能力强于VSSF-A，从而使其具有较高的有机物降解能力，使得系统中被截留的不可滤物质主要以不可滤无机物为主，而随着填料层堵塞情况的加剧，系统的复氧能力减弱，其对污水中有机物的降解能力随之减弱，则在VSSF-B运行超过239 d后，其不可滤有机物的含量有较大幅度的上升。总体而言，鉴于间歇式运行方式使得系统的复氧能力及水力冲刷能力更强，VSSF-B在单位时间内的不可滤物质积累量得以有效降低，填料层孔隙率和水力传导系数的下降趋势亦得以减缓，最终降低了湿地填料层的堵塞风险。

图3　各系统中被截留物质含量变化Fig.3　Variation of retained substance concentration in each VSSF (a)VSSF-A　(b)VSSF-B

2.3生物膜含量变化

由图4可知，在运行之初，VSSF-A和VSSF-B填料层中生物膜的含量均为0.30 mg·mL-1.而当VSSF-A与VSSF-B分别运行至53和38 d时，两系统填料层中生物膜的含量趋于稳定(0.82和0.77 mg·mL-1)。而后，两系统中生物膜的含量无显著变化。当VSSF-A与VSSF-B分别运行至118和239 d时，两系统均出现雍水现象，其生物膜含量分别为0.83和0.77 mg·mL-1.而当两系统完全堵塞时，其生物膜含量仍分别为0.83和0.77 mg·mL-1.

生物膜含量的稳定标示着系统已进入稳定阶段[15]。结果表明，VSSF-A和VSSF-B分别在运行53和38 d后进入稳定期。鉴于VSSF-B填料层中的氧环境优于VSSF-A，使得VSSF-B的驯化期较VSSF-A短。另外，当两系统运行稳定后，VSSF-A和VSSF-B中生物膜的含量存在差异，究其原因可能与2组VSSF各自不同的运行方式有关。

图4　各系统中生物膜含量变化Fig.4　Variation of biofilm concentration in each VSSF

2.4ORP变化

由图5可知，由于间歇式运行提高了VSSF-B的复氧能力，使得VSSF-B中的ORP值高于VSSF-A.在运行之初，VSSF-A和VSSF-B填料层中的ORP值分别为65.13 mV和136.94 mV，系统中氧化环境占主导。随后，两系统中被截留物质的积累量均随之增加，其各自的ORP值均呈下降趋势。当两系统的运行时间分别为118和239 d时，其填料层中的ORP值分别降至-183.11和-93.01 mV，此时各系统填料层均以还原环境为主导。两系统完全堵塞后，VSSF-A与VSSF-B填料层中的ORP值最终降至-216.61和-166.06 mV.

结果表明，填料层中被截留物质的积累是造成VSSF中ORP下降的主要原因。由于VSSF填料层中被截留物质的增加，使系统填料层中的孔隙率不断降低，进而削弱了湿地系统的复氧能力，随之造成了VSSF填料层中ORP值的下降，使系统最终以还原环境为主导。另外，由于间歇式运行方式的实施，使得VSSF-B的复氧能力和抗堵塞能力均优于VSSF-A，从而延缓了VSSF-B中ORP的下降。

图5　各系统中的ORP变化Fig.5　Variation of ORP in each VSSF

2.5运行效果

图6　各系统的运行效果Fig.6　Contaminants removal of each VSSF during the operational period

图7　不同运行阶段各系统出水中TSS的形态与粒径分析Fig.7　Morphological and particle size analysis of TSS in effluent of each VSSF during different operation stages

图6亦表明两系统对TSS的去除效果。与TP的去除规律类似，VSSF-A和VSSF-B对TSS的去除率亦随运行时间的延长而降低。稳定运行期内，VSSF-A对TSS的去除率优于VSSF-B.之后，随着堵塞过程的加剧，两系统对TSS的去除率均下降，且VSSF-B的下降趋势更为明显。当两系统完全堵塞时，VSSF-A和VSSF-B对TSS的去除率分别降至42.19%和40.81%.

由图7可知，在稳定运行期内，VSSF-A和VSSF-B出水中的TSS均以不可滤物质为主，其中的不可滤有机物与不可滤无机物的含量分别占两系统出水中TSS总量的48.88%和28.36%，29.03%和46.64%.随着堵塞过程的加剧，两系统出水中不可滤物质的含量急剧增大。当两系统分别运行至133和272 d时，出水中TSS的成分仍主要以不可滤有机物和不可滤无机物为主(36.57%和30.75%，27.52%和45.14%)，其浓度则分别增至17.52和14.73 mg·L-1,13.49和22.13 mg·L-1.图7亦表明了出水中不可滤物质的粒径变化，稳定运行期内，VSSF-A出水中主要以粒径为2～5 μm的不可滤物质为主(49.84%)，而VSSF-B的出水主要以粒径为>5 μm的不可滤物质为主(46.94%).随着堵塞过程的加剧，两系统出水中>5 μm的不可滤物质的含量均增大。直至两系统完全堵塞时，其出水中>5 μm的不可滤物质的含量分别为18.71和19.08 mg·L-1，分别占不可滤物质总含量的58.02%和53.56%.

由试验结果推断，两系统出水中TSS含量、成分和粒径的变化及其两者之间的差异应与其各自复氧能力的变化和水流冲刷强度的不同有关。在各系统的运行过程中，尤其是其生物膜形成之后，污水中不同粒径的悬浮或胶体状态的底物会凝聚和吸附在生物膜的表面，形成大粒径的累积物，此过程不仅会引起填料层的堵塞，还使得出水中不可滤物质的含量激增，且出水中不可滤物质的粒径亦逐渐增大。另一方面，由于填料层的堵塞会削弱系统的复氧能力，从而导致各系统在试验阶段后期均出现了出水中不可滤有机物含量上升的现象，且该现象在VSSF-A中尤甚。

3　讨　论

VSSF发生堵塞的主要成因应归因于填料层中被截留物质特别是不可滤物质的积累，而其堵塞过程则可分为3个阶段：①渗滤速率接近开始运行水平，但呈现下降趋势；②渗滤速率缓慢稳定下降；③湿地填料表面间歇直到持续雍水。本研究中，在HLR为0.50 m3·(m2·d)-1的条件下，2组VSSF均发生了堵塞，且其堵塞进程均符合上述人工湿地堵塞模型的假设，其堵塞过程亦可按照上述标准分为3个阶段。

在前期研究中，笔者通过间歇式运行方式的实施，在一定程度上改善了VSSF中的氧环境。本研究则表明，该措施的实施亦可在一定程度上延缓湿地的堵塞过程，并进而延长了湿地系统的使用寿命。从物料平衡的角度出发，并结合2组VSSF的运行特点可推断，稳定运行期内，由于间歇式运行方式的采用，导致VSSF-B的复氧能力相对较强，进而使其对进水中有机物(包括不可滤有机物)的去除效果优于VSSF-B，由此便削减了填料层中被截留物质的积累量，使得该系统中被截留物质的积累速率较低。另一方面，仍是由于间歇式运行方式的采用，导致VSSF-B填料层中水流冲刷的强度要高于VSSF-A，从而使得VSSF-B出水中的TSS含量高于VSSF-A，从而导致填料层中被截留物质的积累速率得以进一步降低。因此，正是由于间歇式运行方式的实施，使得VSSF-B的填料层孔隙率和水力传导系数的下降速率以及被截留物质的积累速率均低于VSSF-A，从而使其使用寿命延长至VSSF-A的2.06倍。

综上所述，在人工湿地处理污水的过程中，随着湿地系统运行时间的延长，其填料层存在堵塞的风险，而对湿地运行方式进行适当优化，可减少系统填料层中被截留物质的积累量，进而可在一定程度上降低人工湿地堵塞的风险。在今后的研究工作中，只有通过深入研究人工湿地堵塞的内在机理，建立更为精确、适用范围更广的数学模型才能准确预测人工湿地的运行周期和使用寿命，并提出更为合理的防堵塞对策与措施，最终为人工湿地的长期稳定运行提供保障。

4　结　论

1)VSSF发生堵塞的成因主要是由于填料层中不可滤物质的积累，填料层中被截留物质的含量随系统运行时间的延长而增大，被截留物质的增加则会直接导致填料层孔隙率和水力传导系数的减少；

2)采用间歇式运行方式后，VSSF的雍水发生时间有所延迟，其填料层孔隙率与水力传导系数的下降速率亦有所降低。间歇式运行方式可有效减少不可滤有机物量，并可降低被截留物质的积累速率。另外，间歇式运行方式对VSSF中ORP的降低亦有一定的延缓作用。

综上所述，间歇式运行方式的实施可有效缓解VSSF的堵塞进程。

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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责任编辑：李克永

核工业203研究所青年启动基金(2014ZR025)

张淑兰(1967-)，女，山西盂县人，高级工程师，E-mail：zhangshulan163126@163.com

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