垂直流人工湿地基质堵塞分析与处理措施

贺映全 曹红军 胡武林 郭科学

(中建五局第三建设有限公司，湖南 长沙 410004)

1 概述

我国是一个水资源总储量十分丰富，但人均水资源拥有量只有世界平均值的1/4，南北分部也十分不均匀。由于近年来经济发展带来的环境问题日益严峻，使原本匮乏的水资源遭受到了不同程度的污染。大量工业废水和城市污水直接排入长江、黄河，周边城市的饮用水供给受到威胁，我国水污染现状是“局部有所改善，整体仍在恶化”。因此人工湿地作为一种新型的生态污水处理技术，该技术利用基质、植物、微生物的协同净化能力处理污水，同时还可提高生物多样性，美化生态景观，具有一定的经济效益和生态环境效益，受到了世界各国的普遍关注。

目前在国内外主要研究的人工湿地有：表面流人工湿地、水平流人工湿地和垂直流人工湿地三种。其中表面流人工湿地与水平流人工湿地因为自身结构的局限性，不能充分发挥去污能力，导致其去污效果较差，垂直流人工湿地的构造系统有利于有机物污染物和无机物污染物的去除，但是在运行过程中易发生堵塞现象，污水净化效果大大降低。调查结果表明将近50%的垂直流人工湿地在投入使用后的五年内形成了不同程度的淤堵，本文从垂直流人工湿地基质堵塞机理入手，阐述湿地堵塞的原因，并提出解决方法，提高垂直流人工湿地的运行效果。

2 垂直流人工湿地基质净水原理与堵塞机理

2.1 垂直流人工湿地基质净水原理

垂直流人工湿地系统结构主要包括覆盖层、滤料层、覆盖层、排水层、布集水管以及排气管，垂直流人工湿地分上行流、下行流两种，他们的区别在于布集水管的分布位置不同。应用较普遍的是下行流湿地，覆盖层防表面冲蚀，迅速进水，采用布水管将污水均匀的布设在最上层基质中，滤料层是污水核心处理区，基质填料可以采用细砂、粗砂、砾石、卵石、矿石和火山岩等，污水在重力的作用下垂直地透过基质表面，水流经床体过程中经过一系列物理作用和化学反应后，被铺设在出水端底部的集水管收集而排出，覆盖层作用是防止上层填料堵塞下面集水管，排水层汇集排出已处理的污水，排气管可以向系统内部充氧，并保证池内气体排出，防止产生臭味。常设置在填料层底部，与集水管连接。图1为垂直流人工湿地基质分层净水原理示意图。

基质主要净水作用在于能通过沉淀、过滤、吸附、离子交换等直接去除污染物，研究表明无烟煤对有机物的去除能力最强，钢渣对各种形态磷的综合去除率最高，砾石、细砂组合基质比煤渣基质在氨氮与总氮的去除率上均高出20%以上。

2.2 垂直流人工湿地基质的堵塞机理

目前对垂直流人工湿地基质的堵塞机理的研究，主要从基质堵塞分布区域、主要堵塞物质、堵塞的形成过程三方面展开。

1)基质堵塞分布区域。垂直流人工湿地基质空隙堵塞严重情况随基质深度增加而逐渐减小，研究发现布水管出水孔以下0 cm～10 cm处堵塞物质含量较少，基质沉积物质主要在布水管以下10 cm～30 cm处发生淤堵，沉积物含量积累达80%以上，基质的渗透系数会下降20%～40%，30 cm以下堵塞物质含量逐渐减小，且占比很小，基质堵塞分布区域会受到自然环境、基质种类和污水水体等影响。图2为唐山市某垂直流人工湿地试验段不同深度下基质堵塞物质百分含量及累计比例变化情况。

2)主要堵塞物质。垂直流人工湿地堵塞的主要物质包括无机物和有机物两大类，污水中含有的污泥及水体在基质净化过程中的水流路径会加速基质表面无机固体颗粒的风化，固体颗粒物质含量达到一定程度在基质空隙之间形成沉积物堵塞，在有氧环境下，有机微生物大量繁殖和有机根系植物的发展严重降低了基质的渗透系数，同样造成了基质堵塞。

3)堵塞的形成过程。基质堵塞的形成过程分为三个阶段，首先，微生物及其分泌的胞外聚合物在基质表面累积并形成生物膜，此时表、次层基质渗透系数有所下降，但是下降程度很小，可以忽略不计；然后这些含有大量难降解有机物(如腐殖酸、多糖等)且高水分、低密度的胶状污膜逐渐加厚并向基质内部扩展集聚，基质渗透系数下降明显；最后，这些胶状污泥逐步吸附污水中的无机颗粒和有机物并形成密实的堵塞层，此时基质渗透系数达到稳定。

3 人工湿地堵塞影响因素

影响垂直流人工湿地基质堵塞的因素很多，本文从基质填料、有机负荷、水力负荷、运行方式四个方面进行分析。

3.1 基质填料的影响

基质填料的粒径和外形的规则程度直接影响孔隙的大小和水力渗透性能，粒径越小，填料越不规则，孔隙率越小，基质表面积增大，微生物容易附着挂膜，水力渗透持续时间长，污染物被大量截留，容易引起基质填料堵塞。大粒径填料虽然能解决水力传导率较低的问题，但是不利于污染物沉淀、过滤、吸附、离子交换，降低污水净化效果。

3.2 有机负荷的影响

进水口处的污水经过生物代谢合成可以去除大量有机物，同时会生成少部分不可降解的残留物，当有机物含量较多，微生物含量有限，有机负荷得不到及时分解和吸收而沉积，基质间空隙缩小，最终导致堵塞，所以有机负荷是引起基质堵塞的一个重要原因。一般环境下，人工湿地有机负荷超过25 gBOD/(m2·d)就会发生堵塞。

3.3 水力负荷的影响

不同水力负荷下孔隙率与运行时间的关系密切，水力负荷值小于0.4 m/d时，孔隙率随运行时间增加孔隙率下降缓慢，相反水力负荷值大于0.7 m/d时，孔隙率随运行时间增加孔隙率会在净水前期出现急速下降的过程，水力负荷为0.4 m/d垂直流湿地运行30 d孔隙率会比原先下降约17.6%，水力负荷为0.7 m/d垂直流湿地运行30 d孔隙率会比原先下降约81.5%，所以水力负荷值的增加降低了垂直流人工湿地基质的孔隙率，随着湿地运行时间的延长堵塞更加严重。

3.4 运行方式的影响

在人工湿地运行过程中有效孔隙率均有一定程度降低，周期运行有利于土壤通风和有机物的快速降解，保持土壤的好氧条件能够有效控制土壤堵塞。由于进水有机SS浓度的升高，系统的淤堵程度随之加剧。这主要是因为较高的有机SS负荷导致了有机物降解数量的增加，随之微生物生长量变大，形成的生物膜也增多；同时，由于微生物降解能力有限，部分有机SS未能被降解，占据了有效孔隙，进水有机SS负荷越大，占据的填料孔隙越多，导致有效孔隙的降低。湿地污水属于地表水处理过程，地表水的温度低于环境温度，水体中氧含量有限，微生物活性不足，降解能力下降，而有机SS不断积累增多，如果湿地运营期过长，很容易引起基质堵塞。

4 湿地基质堵塞处理措施

湿地基质堵塞对湿地除污能力和净水效果有重要影响，基质堵塞处理应该遵循“预防为主、防治结合”的原则。

4.1 基质堵塞“预防”处理

废水经过工厂排除后、进入引水管前，在途经河道沿线上可以预先对污水自净处理，或者设置格栅处理后再引入垂直型潜流湿地调节池，阻挡泥沙、石块、根茎、杂草等大的污染物，同时可以防止引水管堵塞引起的污水处理运营不正常现象。湿地中溶解氧不足，氧化还原电位低，也不利于污染物的降解，因此可以事先在湿地集水支管位置布置适当数量的通气管，使水体形成富氧环境，增强微生物的氧化活性，促进微生物对COD的去除，垂直流人工湿地运营前期通气管导气对COD的去除几乎没有影响，但是随着COD的积累，水体厌氧环境逐渐形成，导气充氧可以发挥作用，减少有机物积累，疏通水流路径。

4.2 基质堵塞“治理”处理

停床休作或轮休降低基质堵塞的原理与导气法类似，垂直潜流型湿地停止运行后，微生物在大气复氧环境中，迅速分解污染物，硝化反应是好氧反应，污水中氨氮可以得到有效去除，同时基质中微生物和植物因为缺少水分补给，细胞逐渐老化并死亡，污染物体积减小，基质孔隙率增大，对基质堵塞具有显著的改善作用。由于基质沉积物质主要集中在布水管以下10 cm～30 cm处，湿地运行时间越长，净水效果越差，最终达不到出水要求，此时可对此处的基质层进行清洗重新填料或者替换新基质，此方法适用于处理小型垂直潜流人工湿地，规模大的湿地基质换洗需要较多的人工、机械和材料投入，具有成本高的特点。

5 结语

人工湿地引入人与自然和谐发展理念，是未来污水处理的一种发展趋势，符合国家提倡的保护环境和节能减排要求，虽然垂直流人工湿地基质堵塞是一个复杂的过程，本文从基质堵塞的机理出发，通过基质填料、有机负荷、水力负荷、运行方式四个方面分析对污水净化效果的影响，提出基质堵塞前期预防和堵塞后期治理两大方面的处理方法和经验。合理的选择基质堵塞防治措施，可以使基质层最大限度的、高效的降低来自污水中主要污染物指标，同时达到减少垂直流人工湿地运营成本的目的。