潜流人工湿地堵塞测量技术概述

王乾　李锋民　唐燎　杜姗

【摘 要】人工湿地经过几十年的发展，在近些年得到了越来越多的关注并且应用广泛。但潜流人工湿地在使用几年后，随着堵塞物质的积累量增多在使用一定时间后往往会发生的填料堵塞问题。潜流人工湿地填料堵塞会导致水力条件变差、处理效果变差，渗透系数降低，造成堵塞床体瘫痪，水体无法进入填料当中，无法发挥人工湿地净化水质的作用，这使人工湿地床体的有效利用率降低并且使用寿命缩短。针对潜流人工湿地填料易堵塞的问题，分析研究湿地填料堵塞问题以及堵塞程度的测量以期为人工湿地的维护与管理提供技术支持。

【关键词】人工湿地；填料堵塞；处理效果变差；维护与管理

湿地是有水、永久性或者间歇性处于水饱和状态下的基质及水生植物和微生物等组成、具有较高生产力和较大活性、处于水陆交接相的复杂的生态系统[1-2]。人工湿地是一个用作污水处理、经过工程化的设计建造的湿地系统。人工湿地利用物理、化学、生物协同作用完成污水的处理过程，相比与自然湿地，人工湿地的去污效果得到了强化。并且人工湿地也具备自然湿地的生态修复的功能，不仅能在降解污染物、调节气候发挥很大的作用，还能吸收温室气体净化空气和通过植物吸收一些重金属离子。目前人工湿地被广泛应用于生活污水、工业废水等，应用前景较好。

人工湿地主要包括植物、填料、微生物三个部分，通过物理、化学、生物作用净化污水。其中微生物通过微生物的代谢作用，植物通过根系吸收，填料吸附截留去除污染物，但人工湿地长期的使用过程中，随着生物膜和植物根系的残渣在填料中的积累或者设计管理不善，往往会造成湿地填料的堵塞，并且造成湿地填料渗透系数的逐渐下降[3]。湿地堵塞经常表现为湿地表面污泥堆积，表面溢流，湿地植物长势差，杂草众生，进而影响湿地的使用效果和使用寿命，Cooper研究了255个英国的潜流人工湿地，发现其中几乎30%的潜流人工湿地的大部分床体发生了表面溢流，超过50%的湿地至少有四分之一的床体表面溢流，而且在进水口发现了大量的污泥[4]。本文简述堵塞发生的原因，并分析现有人工湿地堵塞测量的方法。

1 人工湿地的堵塞问题

造成人工湿地堵塞的发生的原因较多机制也较复杂，总得来说，堵塞的发生主要是由于污水处理过程中积累的物质和其他的一些操作原因。通常来说，水力负荷的大小决定湿地堵塞物质的量和成分，造成堵塞的物质是由无机物和有机物组合成的含水率很高的污泥（通常含水率大于70%）。污水处理过程中积累的有机物和无机物是外部的负荷和内部的负荷构成的，外部的负荷主要来源是进水当中一些有机物和无机物以及进水中一些离子发生化学沉淀积累而成的，内部的负荷是由微生物量增加，生物膜变厚，植物的根系和碎屑[5]，床体中自带一些有机无机物和部分填料被侵蚀成小颗粒造成的。湿地堵塞的发生实际上就是湿地床体中有效空隙率降低（>10um）的过程[17]，而造成湿地填料渗透系数降低[6]。

2 潜流人工湿地堵塞测量方法

人工湿地测量方法近些年也得到了一些发展，方法也较多，但大都处于研究阶段，目前应用较好的有以下3种方法。

2.1 渗透系数法

渗透系数法是根据渗透系数的大小来反应堵塞程度，即渗透系数小，堵塞程度高。渗透系数的是根据达西定律以及质量守恒来测得的。具体的计算如下，可以通过测定湿地床内多个点的水力梯度，然后再根据达西定律计算这些点之间的平均水力传导系数：

上次是渗透系数法的基本原理，之后经过推导和发展，垂直方向上的渗透系数可以通过变水头法测得，主要测试的步骤为：（1）直接测量某一深度的渗透系数K1，然后将这个位点之上的填料全部移除，再用相同的方法测下一个深度的渗透系数K2；（2）也可以不用移走填料，直接测量两个深度的渗透系数K1和K，然后利用一下公式推倒出K2位点的渗透系数：

渗透系数法是应用最好的堵塞测量方法，并且有配套的设备，可以测量具体位点的堵塞程度，但这种方法也有明显的缺点，比如工作量大，需要侵入湿地对湿地造成损害，难反应湿地堵塞的整体程度。

2.2 示踪剂法

使用示踪剂法可以追踪反应到因潜流人工湿地的填料堵塞而发生的湿地的水流状态的变化。在湿地发生堵塞时，湿地内部会产生很多的分流，水力短路，由于示踪剂可以在湿地内部检出，因此示踪剂法可以分析找到分流以及短路的情况，掌握湿地的水力状况分析湿地的堵塞程度[8]。

示踪剂法的方法也较为简单，利用投加某种示踪剂在湿地中，利用配套的设备在投加示踪剂后的一个水力停留时间内，一般为几天，连续测量人工湿地中的示踪剂含量。目前应用较多的示踪剂的材料有盐类和罗丹明。盐类价格便宜，性质比较稳定，适合于较大型的人工湿地，并且盐类比较适合于砾石填料的人工湿地，而目前我国人工湿地的填料大部分都是砾石，主要是由于砾石对盐类的吸附性能较差，对示踪剂的检出影响较小，但投加盐类后会对湿地中的离子平衡造成一定的影响。罗丹明示踪剂也经常应用与人工湿地中，尤其是较小型的人工湿地，并且罗丹明示踪剂相对于一些常规示踪剂，毒性低易分解，二次污染小，能保护湿地的生态效益。

2.3 堵塞物质的特性分析

堵塞物质特性分析主要包括以下几种：积累的固体的分析测定；湿地床体的孔隙率测定；原位测定分析填料的电磁特性和堵塞物积累之间的关系。

通过将湿地中多孔填料中积累的固体定量分析是一种测量湿地堵塞的方法。这个方法的步骤是先采移动量的填料，清洗出堵塞物质从填料中，然后在105℃烘干至横重，再在600℃下灼烧可以得出样品中的有机物量。最近已经有很多研究使用这种方法定量分析湿地的堵塞程度。

堵塞物质的特性分析除了以上一些基本的分析外，一些其他技术也被应用进来，比如无线电波以及核磁共振的技术。探底雷达利用无线电波在穿过湿地时无线电波的能量衰减量的差异，从而得到相应的湿地衰减图像，但堵塞物质的含量并没有与电波图具体的联系。核磁共振技术时利用核磁共振探测器测量湿地的堵塞[9]。传感器能探测不同的能量关系比如水和有机物或者无机物的量，使得能够探测湿地堵塞物质的量，并且这些参数与渗透系数的关系已经在实验室中被证实。这些新兴的技术由十分好的应用前景，但目前的研究还较少。

3 问题与展望

目前针对潜流人工湿地的堵塞的测量方法主要有这三种，其中渗透系数法应用发展相对较成熟，但该方法也具有明显的缺点，该方法未考虑水平方向的渗透系数，并且需要对侵入人工湿地的床体对人工湿地造成损害。示踪剂法可以反应湿地的整体堵塞程度，但周期长。堵塞物质特性分析，其操作分析过程也较繁琐，相对来说，应用发展前景较好的是核磁共振法，并且目前已经有了一些进展，日后可以利用核磁共振探针做原位测量湿地堵塞程度。

【参考文献】

[1]夏汉平.人工湿地处理污水的机理与效率[J].生态学杂志，2002，21（4）：51-59.

[2]Constructed wetlands for wastewater treatment：municipal，industrial and agricultural[M].CRC Press，1989.

[3]Li F，Lu L，Zheng X，et al.Enhanced nitrogen removal in constructed wetlands：effects of dissolved oxygen and step-feeding[J]. Bioresource technology， 2014， 169：395-402.

[4]于涛.潜流型人工湿地堵塞机制及其模型化[J].环境科学与技术，2006，29（6）：74-76.

[5]Knowles P，Dotro G，Nivala J，et al.Clogging in subsurface-flow treatment wetlands：occurrence and contributing factors[J]. Ecological Engineering， 2011，37（2）：99-112.

[6]K J Winter，D G..The impact of sewage composition on the soil clogging phenomena of vertic alflow constructed wetlands.Wat.Sci.Tech， 2003， 48（5）：6[Z].

[7]NAVFAC，1986.Soil Mechanics.Naval Facilities Engineering Command（NAVFAC）， Alexandria，Virginia[Z].

[8]Kadlec RH.S Wallace.Treatment wetlands. 2008： CRC press[Z].

[9]Morris R H，Newton M I，Knowles P R，et al.Analysis of clogging in constructed wetlands using magnetic resonance[J]. Analyst， 2011， 136（11）： 2283-2286.

[责任编辑：杨玉洁]