人工湿地工程应用中面积计算与基质堵塞研究进展

曾磊 雷培树 蔡世颜 孙健 崔朋 鲍任兵 汪路

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430030）

人工湿地是指用人工筑成水池或沟槽，底面铺设防渗漏隔水层，填充一定深度的基质，种植水生植物，利用基质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用使污水得到净化的污水处理技术（张燕等, 2017），具有投资少、运行费用低、易于维护、环境友好等特点（杨宗慧等, 2017）。近年来，人工湿地被广泛应用于农村生活污水处理（何俊程等, 2017）、城镇污水厂尾水深度处理（岑璐瑶等, 2019）、海绵城市建设（肖海文等, 2018）等多个方面，并取得了很好的应用效果。但我国在人工湿地工程应用中也遇到了很多问题（黄锦楼等, 2013； 李小艳等, 2018），其中，最为突出的就是人工湿地工程面积计算粗放和湿地基质堵塞。本文综述了人工湿地工程面积计算方法的种类与应用现状，湿地基质堵塞的影响因素、预防与恢复及其未来的发展方向，以期为人工湿地工程设计与应用提供参考。

1 人工湿地面积计算

1.1 计算方法

人工湿地工程设计时，首先要确定工程所需要的湿地总面积，计算湿地面积的方法主要有水力停留时间法、水力负荷法、污染物表面负荷法和速率系数法4 种。

表1 表流、潜流湿地相关设计参数的取值表Table 1 The values of design parameters related to surface flow and subsurface wetland

1.1.1 水力停留时间法 水力停留时间法的计算公式见（1）：

式中：Q：人工湿地设计处理水量（m3/d）；

T：水力停留时间（d）；

n：填料孔隙率；

h：湿地深度（m）；

湿地设计深度及填料空隙率见表1，根据设计人员的经验或参考人工湿地规范规程来确定水力停留时间（表3）。

1.1.2 水力负荷法 水力负荷法的计算公式见式（2）：

q0设计经验或参考相关设计规范、指南等确定水力负荷和水力停留时间（表3）。

1.1.3 污染物表面负荷法 污染物表面负荷法的计算公式见式（3）：

C0：进水污染物浓度（mg/L）；

C1：出水污染物浓度（mg/L）；

q1：单位面积湿地每天污染物处理量(g/(m2·d))。根据设计经验或参考相关设计规范、指南等确定污染物表面负荷（表3）。

1.1.4 速率系数法 速率系数法的计算公式见式（4）：

Ki：反应速率系数

湿地深度（h）、孔隙率（n）的取值见表1，而Ki的计算则要根据污染物种类和温度的变化而变化，计算公式详见表2。

1.2 应用现状

在人工湿地面积计算的4 种方法中，水力停留时间法、水力负荷法、污染物表面负荷法这3 种使用最为广泛（张润斌等, 2017），且均涉及到水力负荷、污染物负荷、水力停留时间等主要设计参数的取值。关于主要设计参数的取值，有丰富工程设计经验的人员可通过经验进行取值，而经验较少的设计人员则需参考相关人工湿地技术规范、规程或导则。目前，可参考的湿地规范规程，主要包括《人工湿地污水处理工程技术规范》（HJ 205-2010）、《污水自然处理工程技术规程》（CJJ/T 54-2017）及不同省市颁布的人工湿地污水处理技术规程、规范或指南（表3）。然而，不同规范、规程或指南中对主要设计参数的推荐取值有所不同，且同一规范中对同一设计参数的推荐取值范围也较大。当采用水力停留时间法、水力负荷法和污染物表面负荷法进行人工湿地面积计算和复核时，选取推荐参数的最大值或最小值所计算的湿地面积有时会相差几倍甚至几十倍。因此，在实际工程设计中，经验较少的设计人员多采用推荐数据最低值或平均值，再乘以一个安全系数，以增加水质达标的安全性，但此计算方法会导致计算的湿地面积过大，而无法满足实际应用条件，限制了湿地的推广应用。

反应速率系数法是美国环保署研发，经实践经验检验的半经验计算方法，主要依赖于与环境温度呈显著相关的反应速率系数。针对不同污染物及湿地类型，该系数均有不同的经验计算公式，相较于前3 种计算方法，相对更准确可靠。但反应速率系数法的研究与检验均建立在美国人工湿地工程设计与运行数据的基础上，缺乏我国人工湿地工程数据的校核。而且，该方法计算较为复杂，反应速率系数还受到其他环境条件（污水类型、湿地基质、植物等）的影响，因此实际应用也有其局限性。

2 人工湿地基质堵塞

如果人工湿地设计不合理或建成后运行管理维护不当，很容易产生淤积、阻塞现象。在我国实际的工程应用中，能够长期稳定运行超过5年或10年以上的人工湿地工程案例较少，大部分人工湿地工程在运行较短的时间内便会发生堵塞，绝大部分湿地堵塞后便被废弃。人工湿地基质堵塞问题已成为制约其工程应用的主要因素之一。

表2 表流和潜流湿地BOD、氨氮和硝态氮的Ki 计算公式Table 2 The calculation formula of Ki of BOD、ammonia nitrogen and nitrate nitrogen in surface and subsurface wetland

表3 人工湿地主要设计规范、规程和导则的主要设计参数推荐取值Table 3 The recommended values ofmajor design parameters inmain design specification, procedures and guidelines for constructed wetlands

2.1 堵塞的影响因素

湿地堵塞的过程实质上就是有效孔隙率减少的过程，孔隙率的急剧下降必然会引起湿地过流能力的降低、基质堵塞（Nivala et al, 2012），污水会在湿地表面形成漫流，从而丧失了污水净化的功能，影响湿地的使用寿命及长期运行的稳定性。

导致人工湿地堵塞的原因有很多，主要包括填料级配不合理、进水悬浮物浓度偏高、有机负荷较高、植物残体堵塞等（Hua et al, 2017）：湿地填料的结构特性、粒径、级配等直接决定了湿地基质的水力传导，是影响湿地堵塞的主要因素之一（Hua et al, 2010）。基质的粒径越大、多孔结构越多、级配越合理，基质的空隙度及水力传导越好，基质短期内发生堵塞的概率越小；湿地进水中SS浓度较高，特别是无机物含量较高，基质则会由于物理截留作用而发生沉积和堵塞（Zhao et al, 2009）。人工湿地设计规范或规程中，对进水SS 浓度有一定要求，不宜超过80～100mg/L。 当 进水中SS 含量过高时，湿地基质会由于悬浮颗粒物的迅速累积而发生堵塞，使得湿地的使用寿命缩短；湿地进水中有机负荷过高时，微生物数量相对不足，导致有机物不能及时被分解，进而堵塞基质（叶建丰等, 2008）；人工湿地的环境条件，如：运行方式、湿地温度等，也会对湿地基质堵塞产生重要影响；连续运行的人工湿地比间歇运行的湿地更容易发生堵塞（Hua et al, 2013）；高水力负荷条件下湿地更容易发生堵塞（王宇擎等, 2018）；湿地温度低于10℃时，由于微生物活性较低，湿地易受到未及时降解的有机固体物的影响而发生堵塞。

2.2 堵塞的预防

人工湿地一旦发生堵塞，目前还无很好的方法完全恢复基质的渗透性，只能通过一些方法来部分恢复基质的渗透性。在人工湿地设计和后期运行管理上，采取适当措施来预防和缓解人工湿地堵塞是目前国内外的普遍做法，主要措施包括：在满足出水水质的条件下，尽量选择粒径大、孔隙率高的基质，增大基质的渗透性（Kayser, 2005）；在污水进入湿地前，应对进水进行预处理，降低进水中悬浮物浓度和有机污染负荷，减轻湿地系统处理负荷（王振等, 2015）；强化人工湿地的运行管理，对枯萎的湿地植物残体进行及时收割（武彦生等, 2012）；湿地运行时可间歇进水和轮休运行，恢复部分基质的渗透性等（陈亮等, 2005）。在人工湿地工程应用中，基质堵塞问题，应以堵塞预防为主，堵塞恢复为辅，在工程设计和运行维护阶段应充分考虑各种预防措施，有效缓解基质堵塞，延长湿地使用寿命。

2.3 堵塞恢复

人工湿地基质一旦发生堵塞，应及时采取相应措施进行堵塞恢复，疏通基质，恢复基质孔隙率。常见的恢复措施包括：基质的更换与翻新、投放蚯蚓等小型动物、化学药剂恢复等。

湿地基质的更换与翻新是解决堵塞最直接和常用的方法。大量研究表明，湿地堵塞发生部位多集中在水平潜流湿地的进水区和垂直潜流湿地基质的上层（高泉祀等, 2015； Davison et al, 2005）。当堵塞发生时，可对发生堵塞的部位进行基质更换，可有效缓解堵塞，保持湿地的长期稳定运行。在对垂直流湿地进行基质更换时，为不影响湿地植物的生长，宜在植物枯萎的秋冬季进行。

投放蚯蚓等腐生动物，能通过其分解代谢堵塞有机物和生命活动疏通基质，来恢复基质的渗透性。试验研究发现，利用投放蚯蚓来恢复湿地堵塞基质，可显著减少引起基质堵塞的不溶有机物的含量，并将其转化为溶解性物质（Xu et al, 2013）。然而，该方法多停留在试验研究，工程应用的案例较少，且蚯蚓对环境温度有一定要求，当外界温度低于5℃以下时，蚯蚓便会冬眠，因而在我国北方地区，不适宜使用该方法。

化学药剂恢复指的是通过投加一些强氧化剂、表面活性剂等化学药剂来洗脱发生大量积聚的微生物胞外聚合物及生物膜，从而达到恢复基质渗透性的目的。Nivala 等（2009）通过将强氧化剂H2O2投入到堵塞湿地中，湿地堵塞基质得到较好恢复。Hua等（2013）利用具有腐蚀性的NaOH、HCl 和强氧化性的NaClO 进行湿地堵塞恢复模拟试验，均取得显著效果。Du 等（2016）研究发现，鼠李糖脂能有效溶解和分散胞外聚合物，使其颗粒尺寸转化为更小形态，利于在填料中流动，从而恢复孔隙率。然而化学恢复过程不宜控制，且会对微生物群落、植物生长产生巨大破坏，在实际应用的案例也很少，多停留在试验研究。

3 小结与展望

近年来，人工湿地污水处理系统在不同的环境领域得到大量的应用，取得了很好的应用效果。但在应用过程中，湿地面积计算及基质堵塞问题一直困扰着人工湿地的研究与设计人员，严重阻碍了湿地的工程应用。

人工湿地对污染物的去除过程目前仍是一个“黑箱”，污染物的不同去除路径在实际工程应用中并不是独立作用，而是通过相互影响、促进、协同等不同方式来降解污染物，且其对外界环境的变化较敏感。因此，人工湿地面积计算宜通过大量工程经验进行总结而获得，或者在工程应用前进行现场小试模拟研究，以确定主要设计参数，再进行扩大设计。由于各种外界条件的限制，建立以省区为单位的人工湿地工程设计信息交流共享平台是较为切实可行的解决方法，通过共享工程设计资料，不仅能促进设计人员的技术交流，还能方便各设计工程的相互学习借鉴，有利于人工湿地的推广与应用。人工湿地基质堵塞问题是目前限制湿地工程应用的主要问题，引起了业界的广泛关注。基质堵塞涉及到物理、化学、生物等多方面因素，是一个复杂的过程。对于湿地堵塞问题，应在工程设计与运行管理阶段进行预防，以缓解基质堵塞进程，延长湿地使用寿命。

尽管人工湿地在实际的工程应用中出现了很多问题，但由于其工程投资及运行维护成本低、环境友好、处理效果显著等优势，人工湿地一定会得到更多的推广应用，其遇到的问题也会在未来的研究与工程应用中得到有效解决。