潜流型人工湿地堵塞问题研究

陈亚一

摘 要：潜流型人工湿地一旦出现堵塞问题，将导致其处理效率降低、使用寿命缩短，进而影响该项工艺的运行和推广。该文分析了潜流湿地堵塞的原因，主要由物理、化学、生物3个方面造成，且受基质、水力负荷、悬浮物、植物和温度氧气的影响;总结了目前较为常用的防治措施，并对防堵塞技术的发展方向进行了展望。

关键词：人工湿地;堵塞机理;防治措施

中图分类号 X703.1 文献标识码 A文章编号 1007-7731（2021）14-0146-03

Study on the Problem of Substrate Clogging in Subsurface Flow Constructed Wetlands

CHEN Yayi

（Shanghai Water Source Construction Development Co.， Ltd.， Shanghai 200082， China）

Abstract： Once the Subsurface flow constructed wetland is blocked， which leads to reduced its treatment efficiency and shortened its service life， and thus hinders the promotion and development of constructed wetland technology. Based on the analysis of the physical， chemical and biological factors that cause the blockage of the submerged wetland， and influenced by the matrix， hydraulic load， suspended matter， plant and temperature oxygen， the paper summarizes the commonly used prevention measures and puts forward the feasible development direction of the plugging prevention technology.

Key words： Constructed wetland; Plugging mechanism; Preventive and control measures

人工湿地在污水处理中，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。潜流人工湿地通过管道收布水，填料利用率高，占地面积相对小，具备很强的处理能力。但该类型湿地较于表流人工湿地也更易出现堵塞问题。据美国国家环境保护局统计数据，近50%的潜流湿地在5年内出现了堵塞情况[1];国内早期设计的湿地在实际运营中也出现了堵塞情况，如深圳白泥坑、雁田人工湿地等。

湿地堵塞后孔隙率降低、渗滤速度减缓，水力负荷减小，来不及排出的污水由间歇直至持续壅积在湿地表面，引发恶臭、滋生蚊虫问题，影响环境卫生。壅水还阻隔了基质内外部交换氧气，造成系统内好氧微生物活性降低，进而降低污染物的去除率，使出水无法达到设计标准。

人工湿地堵塞问题缩短了其使用寿命，不仅造成了资源和土地的极大浪费，也制约了湿地工艺的推广。为此，本文对人工湿地堵塞的成因和影响因素进行了研究，综述了湿地堵塞防治措施，进而为人工湿地堵塞问题的解决提供技术参考。

1 湿地堵塞成因

1.1 堵塞的原因 湿地基质孔隙率降低是发生堵塞的直接原因，主要由物理、化学、生物3个方面造成。根据堵塞物性质，可分为不可滤有机物和不可滤无机物2种。有机物主要来源于污水和植物根系腐败物，其次是植物根系及微生物分泌物，随污水进入的有机物一部分被微生物分解移出系统，难以被生物降解的部分则截留在湿地内部并不断累积，当不可滤有机物质量占堵塞有机物总质量的8.74%时，即出现堵塞现象。Tanner等[2]研究表明，每年植物的生产量达2.8～3.5kg/m2，植物根系生长和腐败会侵占基质孔隙。而无机物则是由基质与入流不同组分形成难溶性无机盐沉淀物。除此之外，微生物分泌的胞外多聚物形成胶状淤泥也会造成湿地堵塞。硫还原细菌、产甲烷菌及生物脱氮作用产生气体所形成的包气带也可能造成湿地堵塞。堵塞部位减小水力传导率，改变流场分布，使局部基质形成厌氧环境，有机物消耗减慢，生物胞外聚合物蓄积速度加快，胞外聚合物与多糖类物质、聚脲类物质等形成低密度的孔径为纳米级的凝胶网状结构[3]，吸附水中不同粒径的悬浮物及胶体物质，形成大粒径絮状累积物，从而造成有机及无机固体颗粒物质的快速累积，从局部堵塞并逐渐恶化为整体堵塞。

1.2 主要堵塞位置 人工湿地严重堵塞的区域集中在基质的上层，其渗透系数与深度呈正相关关系。付贵萍等[4]研究认为，填料表层以下15～30cm处基质渗漏系数最小;詹德昊等[5]研究表明，下行池中有机质主要积累在表层0～5cm处;叶建锋等[6]研究认为，垂直流人工湿地的堵塞层发生在布水管下10～20cm处。

2 堵塞受影响因素

2.1 基质 基质起到过滤、吸附、延长污水流经路径和为微生物提供附着基的作用。选用粒径较大的材料可以有效防止堵塞，但同时也减小了有效面积和过水通道，因此需要平衡净化效果和防堵塞的需求。除此之外，施工过程中对质量把控不严，基质强度过低，含粉尘和泥土较多，也极易导致床体板结堵塞。

2.2 水力负荷 水力負荷是人工湿地处理效果的关键因素，决定着水流在系统中的停留时间、分布状态，并间接影响到基质内部的含氧量。水力负荷过高时，污水停留时间短，导致污染物负荷高于微生物的降解矿化能力，有机物无法及时分解;同时，还易因为过水能力不足而导致湿地表面雍水，加剧流场分布的不均匀性，最终因污染物质的积累造成堵塞。水力负荷过低时，停留时间过长，又会延长厌氧条件持续时间，导致好氧微生物数量不足无法快速分解有机物，结合基质过滤作用下的无机物沉淀，加剧了堵塞情况。水力负荷有相应技术规范作指导，一般是在充分考虑水质指标、基质材料的特性和季节因素的情况下，经过计算来确定的。

2.3 悬浮物 不可生物降解的悬浮物和大颗粒悬浮物在基质的过滤作用下累积并沉淀，形成堵塞垫。Winter等[7]研究表明，堵塞物质大多由进水中COD和直径大于50μm的悬浮物构成。另一些学者研究表明，悬浮物可使填料孔隙率降低约50%，其中80%由无机物构成，因此也很难在湿地内部经由硝化反应得到消除。

2.4 植物 植物生长可吸收污水中营养物质，氧气也可通过根际作用释放到基质内部，对防堵塞能起到积极效果，但植物残体和根系分泌物又是堵塞有机物的重要来源之一。Tanner等[8]通过对比研究砾石床人工湿地堵塞后基质中有机颗粒累积情况，结果表明：无植物的人工湿地有机物积累量平均为0.4～2.3kg/m2，而种有植物的有机物累积量平均为4kg/m2。不同湿地植物生长情况不尽相同，如芦苇纤维质根系发达，对堵塞区域有更强的穿透性，但蔓延至基质深处后难清理;黄菖蒲净化能力强、景观效果好，但肉质根易腐烂堵塞基质，因此需根据实际需求选择合适的植物。

2.5 温度和氧气 温度高时会促进湿地内微生物增长，提高污染物质降解效率。但温度过高也会导致微生物数量剧增，其分泌的胞外聚合物和形成的胶装淤泥会降低基质孔隙率，导致堵塞。温度过低时，微生物活性随之降低，较低的代谢率导致有机物无法及时消解，形成厌氧环境后进一步抑制硝化反应，加快堵塞进程。湿地充氧主要依靠大气复氧和植物根系传输。氧气的增多能促进生化反应的进行，使污染物得到充分降解，减少在基质中的积累。但通过降解污染物而获得营养物质使微生物菌胶团得以大量繁殖，并在基质中不断积累，引起生物原因的堵塞。

3 湿地堵塞防治措施

潜流湿地的堵塞问题，涉及规划设计、中期施工和后期的养护。堵塞一旦形成，必然需要花费巨大的财、物、人力去解决问题，从而造成极大的资源浪费。因此，必须以预防为主，尽可能在设计时考虑湿地堵塞风险，在养护过程中避免堵塞扩大。

3.1 预处理措施 湿地前端增加预处理措施可大大避免湿地堵塞情况发生，尤其是来水SS过高时，通过设置沉淀池、格栅、氧化塘等可最大程度减少进入湿地的悬浮物质。污水处理厂尾水中SS较低，可直接通入湿地，但处理SS含量大于100mg/L的污水时，宜设置沉淀池使污水停留4～6h以上。在湿地设计中，处理河道水时设置8mm人工格栅即可有效减少进入湿地的悬浮物质。此外，还可选用免维护中（5～6mm）+细（2～3mm）转鼓格栅或其他机械格栅进行拦截。

3.2 基质选择及填装 基质特性如孔隙率、酸碱度、渗透系数等都会影响污水的处理效果。在潜流湿地中，通常根据布水层、收水层和主体层选用不同级配和材料的基质组成复合床体，以达到更高的处理效率并减少堵塞情况发生。莫凤鸾等研究发现，用大粒径碎石代替小粒径沙子后可解决湿地堵塞问题。叶建锋等[3]研究发现，基质粒径为5～10mm时湿地不会出现雍水情况。在水平潜进出水区布设3m长40～60mm砾石可大大减少湿地内部堵塞。此外，一些新型材料如源于农林秸秆等生物质发电的副产品加工而成的生物质填料，孔隙率大于50%，比表面积大于5m2/g，具有更高的吸附性和絮凝络合作用的同时，也不易堵塞。基质颗粒应大小均匀，填装前于现场进行2次筛选和清洗，清除填料表面泥土和杂质，避免裹挟泥土进入湿地导致后续堵塞。湿地基质宜采用人力或小型机械铺砌，铺筑完成的湿地填料上严禁直接踩踏或碾压，以避免过度压实而减少湿地渗透性能。

3.3 湿地植物 不同湿地植物的根系生长情况不同，因此应选择污染物吸收好、适应型强、根际富氧能力强、分泌物质较少的植物[9]。但在湿地设计中，为防素土流失导致湿地表层堵塞，常用100厚10～20mm砾石作为种植层，导致芦苇等植物第一年长势不太良，难以满足甲方对景观的要求。根据运维经验来看，综合能力较好的品种有黄菖蒲、旱伞草、美人蕉及花叶芦竹。在植物种植初期需保证填料上层10～15cm水位，以利于挺水植物生长，因此湿地表面会生长大量水绵。水位下降后水绵干枯附着在填料表层难以清除，需及时打捞。湿地运营中需根据植物生长状况调整植物种植密度，对于生长过密的植物及时抽稀，防止植物根系生长过密过长堵塞湿地内部。定期收割地上部分，清理落叶，防止落叶腐败堵塞表层基质。

3.4 收布水管道 当收布水管径过大时，管道近末端便无水，且流速过低冲刷作用小，易发生管孔堵塞;而管径过小又会导致过水不畅甚至雍水，因此需计算管道流速后选择合适的管径，使主管流速控制在0.3～0.6m/s，支管流速控制在1.5～2m/s。根据湿地设计经验，主管长度宜小于40m，支管间距通常为3～5m。穿孔管管孔密度均匀，管孔直径20mm，间距200mm，斜向下45°交错布设。目前也有一些湿地设计布水支管开孔采用近端疏远端密的方式。此外，设计在开孔处缠绕纱网或包裹不锈钢网，也可有效防止植物根系钻孔或小颗粒进管导致的管孔堵塞。

3.5 补充微生物菌剂 向湿地内部补充微生物菌剂，可通过控制硝化和反硝化进程集中去除堵塞物;根据湿地运行情况定期补充微生物菌剂，可人为控制微生物的代谢过程，保持微生物的增长和衰减基本一致，从而保证湿地系统的长期稳定，改善堵塞状况。

3.6 清洗或更换表层基质 湿地中堵塞部位主要集中在上层，有机质含量随着深度增加呈逐渐减少的趋势，因此也可通过清洗或者更换其表层基质恢复人工湿地的基本功能。但更換时会破坏湿地植物，对大规模湿地而言工程量大且施工困难，因此采用此方法时要综合考虑面临的问题和经济效益。

3.7 辅助曝气 曝气可有效提高湿地内部溶解氧，促进好氧微生物进行硝化反应，防止胞外聚合物形成，缓解堵塞情况。在低温条件下，通过曝气还能维持较高的污染物去除率和较低的去除率衰减率[10]。但连续曝气无法形成厌氧环境，又会抑制反硝化作用，不利于硝态氮的去除，导致出水总氮指标不降反升。因此，曝气方式和强度需根据具体情况进行优化选择，溶解氧小于1mg/L时，可于前端或配水渠内增加曝气装置。

3.8 湿地停床休作 湿地停止进水并做落空处理，一方面，可恢复湿地内部通透性，创造复氧条件，促进好氧微生物活性，使基质中淤塞的有机物被硝化分解;另一方面，切断微生物新陈代谢所需的营养补给，微生物自然代谢死亡后恢復基质有效孔隙率。美国、日本等国家常用的落干/投配周期比为1∶8[11]。但在实际工程项目中，受限于堵塞程度，较难空出较长时间用作停床休作，对湿地运行要求较高;或可采用多组湿地单元并联的设计方式，间歇性轮流运行，但受限于用地范围和建设成本，通常较难实现。

4 展望

人工湿地基于其低能耗、高效、景观自然等特点，在尾水深度处理和生活污水处理方面得到了越来越多的应用，但更多堵塞问题也凸显出来。如何更好地解决堵塞问题，可以从以下几个方面进行研究改进：

（1）加强填料材质的研究。一方面，可利用工业副产品的特性拓展新用途，实现资源再循环利用;另一方面，探索新型人造材料，其材料特性更为轻质、可控、易更换不仅可以用来规避天然材料的不足，也更利于开展堵塞相关的试验研究。

（2）现有诸多方法测定湿地堵塞情况，如生物电池法、示踪剂法、渗透系数法等，要么专业性较强，对操作人员和设备要求高，要么会对湿地产生污染，检测结果受干扰因素多。因此，今后进一步改进评价方法或仪器设备，使之能够更加准确、智能监控湿地运行状况的目标。

（3）构建湿地数据库，收集建成湿地基础参数和运行参数，且根据地区、环境、处理水质等要素科学分类，通过系统分析形成一套可参考、可模拟的技术体系，为湿地堵塞的预防和治理提供指导。

参考文献

[1]USEPA.Subsurface Flow Constructed Wetland for Waster Water Treatment [M].Washington：DC，USEPA 832-R-93-008，1993.

[2]Chris C.Tanner，James P.Sukias.Accumulation of organic solids in gravel-bed constructed wetlands[J].Wat.Sci.Tech，1995，32：229-239.

[3]叶建锋，徐祖信，李怀正.垂直潜流人工湿地堵塞机制：堵塞成因及堵塞物积累规律[J].环境科学，2008，29（6）：1508-1512.

[4]付贵萍，吴振斌，张晟，等.构建湿地堵塞问题的研究[J].环境科学，2004，25（3）：144-149.

[5]詹德昊，吴振斌，徐光来.复合垂直流构建湿地中有机质积累与基质堵塞[J].中国环境科学，2003，23（5）：457-461.

[6]赵慧敏，赵剑强.潜流人工湿地基质堵塞的研究进展[J].安全与环境学报，2015，15（1）：235-239.

[7]Winter K J，Goetz D.The impact of sewage composition on the soil clogging phenomena of vertical flow constructed wetlands[J].Wat.Sci.Tech，2003，48（5）：9-14.

[8]Chris C.Tanner，Jmaes P Sukias.Accumulation of organic solids in gravel-bed constructed wetlands[J].Wat.Sci.Tech，1995，32（3）：229-239.

[9]于涛，吴振斌，徐栋，等.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.

[10]李春华，王蔚卿，倪利晓，等.人工曝气对垂直潜流人工湿地运行效率的影响[J].河海大学学报，2011，39（3）：259-263.

[11]朱洁，陈洪斌.人工湿地堵塞问题的探讨[J].中国给水排水，2009，25（6）：24-28.

（责编：张宏民）