一种新型双重轮休式潜流湿地及其抗堵塞与去污效果

华祖林，张子豪，沈志伟，郑 杨，顾 莉

(1.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏 南京 210098；2.河海大学环境学院，江苏 南京 210098； 3.长江保护与绿色发展研究院，江苏 南京 210098；4.中交上海航道局有限公司，上海 200002)

当前，在污水处理尤其是微污染水体处理中，人工湿地技术得到广泛使用，其中，垂直潜流人工湿地由于对氨氮和有机物去除效率高、具有很高的稳定性与抗冲击负荷等优点，使用最多[1-2]。但是垂直潜流湿地存在一些缺点，如长期运行后易发生堵塞，湿地基质发生堵塞后会破坏内部污水流场稳定性而造成雍水，使其去污效果大幅降低[3]。

垂直潜流人工湿地发生堵塞的本质是基质孔隙率的降低[4]，而基质孔隙率下降是由于进水中存在的有机和无机悬浮固体[5]、部分离子之间反应形成的难溶性沉淀物[6]等不可滤物质在基质孔隙中逐渐积累，占据基质间孔隙，另外大量微生物及其分泌的胞外聚合物积聚在基质表面，会与水体中的有机物形成高含水量、低密度的胶状淤泥[7]，致使湿地孔隙率下降。

为了解决垂直潜流人工湿地堵塞问题，许多学者进行了诸多有益的研究工作。叶剑锋等[8]研究表明，进水中有机和无机悬浮固体主要集聚在垂直潜流湿地布水管下10～20 cm处，即基质上层，因此有的湿地在运行一段时间后需对堵塞的上层填料进行更换或清洗，以解决表层基质中不可滤物质堵塞问题，如纪良等[9]采用装配式模块装载填料，以便能够快速更换堵塞后的填料模块，被堵塞的填料模块单元通过清洗或更换内部填料后可再次利用，但清洗更换填料工作费时费力且会导致湿地运行中断，除了表层基质的堵塞外，湿地下层基质也存在一定程度的堵塞。针对湿地基质内部的有机物质，包括胞外聚合物，Nivala等[10]使用过氧化氢强氧化剂进行氧化处理，将有机物质溶解以增加孔隙率。反冲洗措施也是解决整个湿地单元基质内部堵塞的方法之一，马飞等[11]使用反冲洗方法，通过气泵将空气泵入反冲洗进水管形成气液两相流，对湿地进行大强度反冲洗，可以将堵塞在基质孔隙中的有机物和无机物冲洗脱落后随水流流出，达到缓解堵塞目的。据统计反冲洗运行操作经济成本很高约为0.2元/(m3·次)[12]，且会对湿地内部微生物膜造成破坏，后续挂膜需要较长时间。

采取轮休方式或停床休作也能有效改善湿地基质表面胞外聚合物堵塞的情况，Hua等[13]将堵塞后的垂直流人工湿地分别排空3 d、7 d和10 d后再运行，基质中的胞外聚合物均有相应减少，基质孔隙率有所提高。这种轮休方式使得至少有一组湿地单元处于停滞状态，无法处理污水，因此一般在实际应用中轮休或停床休作需要采用多组湿地单元并联的方式，间歇性轮流运行以保证处理额定的污水量。轮休虽然解决了湿地堵塞问题，但是湿地单元的利用效率低，另外停床休作的湿地单元在重启初期水质不稳定，去除效率不佳。

为此，本文设计了一种新型双重轮休式潜流湿地，主体池左右两池按一定周期交替进水，池内始终有水流经过，避免了湿地单元休作时完全不参与运行的情况，同时左右两池按一定周期更换水流方向，起到了类似于反冲洗的作用。新型湿地结合了轮休方式与反冲洗方法的优点，为解决垂直潜流湿地长期运行时易堵塞的问题提供了一种新的途径。

1 新型湿地及试验设计

1.1 新型湿地

新型双重轮休式潜流人工湿地结构如图1所示，装置内共有5个池，包括前端的2个预处理池(A1和A2)、中部的2个主体池(B1和B2)和后端的1个出水池(C1)。预处理池尺寸为0.3 m×0.4 m×1.2 m，主体池尺寸为1 m×0.4 m×1.2 m，出水池尺寸为0.3 m×0.9 m×1.2 m。预处理池和主体池内垂直分层填铺填料，最上层厚度为30 cm，填料为8～16 mm粒径的沸石；中层厚度为30 cm，填料为6～8 mm粒径的陶粒；底层厚度为30 cm，填料为10～12 mm粒径的砾石。在这些填料顶部铺设厚度为15 cm的土壤，用于种植耐污的水生植物黄菖蒲和西伯利亚鸢尾。同时又专门制作了一个传统下行式垂直潜流湿地装置用于对比试验。传统湿地的主体池尺寸为1.2 m×0.6 m×1.2 m，出水池尺寸为0.3 m×0.6 m×1.2 m，其主体池内填料、水生植物与新型湿地相同。传统湿地在靠近表层填料(0.8 m高度处)设有布水管，底部设有集水管连至出水池，此湿地运行时污水由布水管垂直向下均匀布水，通过底部集水管后排入出水池。出水池内另接一条管道与集水管相连，用作试验后期反冲洗。

(a)布置平面

(b)剖面结构

新型湿地的2个预处理池和2个主体池内管道布置完全相同，如图2所示，各层管道均有主管与支管，主管无孔，支管均匀布孔，保证垂直流湿地均匀布水。主体池底部连通管的平面图结构如图2(b)所示，同样是主管无孔、支管均匀布孔，2个主体池的支管相互连通并穿过2个主体池之间的挡板，实现2个主体池的连通，方便水流在2个主体池底部间往返流动。

(a)布水管

(b)底部连通管

新型湿地轮换制运行方式分为两个时间段。在水流运行的第一时间段时，开启预处理池A1的进水阀门a1和主体池B2的出水管阀门b2，并关闭预处理池A2进水阀门a2和主体池B1的出水管阀门b1，水流运动路线如图3(a)～(c)中的黑色箭头所示，污水从预处理池A1底部的进水管进入，水流上行通过预处理池A1顶部的集水管进入主体池B1布水管；此时主体池B1内水流下行到底部，通过两个主体池的底部连通管进入主体池B2，水流再从主体池B2的底部上行至其集水管，并最终经过阀门b2排入出水池C1。

在第一时间段运行一段时间后，开始轮换，进入第二时间段，水流运动路线如图3(a)(d)(e)中的红色箭头所示，此时关闭预处理池A1和主体池B2的阀门(a1和b2)，开启预处理池A2和主体池B1的阀门(a2和b1)，水流从预处理池A2进入，依次经过主体池B2、B1后，排入出水池C1。水流方向改变后湿地内的水流路径也对称改变，上一时间段的B1池内下行水流变为上行，B2池内上行水流变为下行，第一时间段和第二时间段交替轮休。第二时间段结束后，调回阀门开关，回到第一时间段，进入下一个周期，不断重复第一、二时间段。新型湿地通过简单的阀门开关控制，实现湿地单元的交替进水轮休。

1.2 试验设计

(a)平面 (b)第一时间段1—1剖面

(c)第一时间段2—2剖面 (d)第二时间段1—1剖面 (e)第二时间段2—2剖面

1.3 最佳轮休周期工况选取及对比试验

与传统垂直潜流湿地不同，新型湿地在运行阶段根据轮休周期改变主体池内水流方向，轮休周期的长短影响新型湿地对污染物的去除效果，因此，需要探究新型湿地最佳轮休周期，使其对污染物有高去除率。

控制新型湿地进水流量为0.63 m3/d，水力停留时间约10 h。新型湿地设置4种不同的轮休周期：3 d、5 d、8 d、14 d，4种个工况分别运行18 d、20 d、16 d、28 d。

为了对新型湿地与传统下行式垂直潜流湿地进行抗堵塞能力和去污效果的对比研究，控制传统湿地的进水流量，使其水力停留时间与新型湿地基本一致，约为10 h，并与新型湿地同时运行，且传统湿地的进水水质、采样时间也与新型湿地相同，但在运行到试验后期(160 d时)，传统湿地利用出水池内的反冲洗管进行反冲洗操作。新型湿地不同轮休周期工况试验选择在每天下午5时采集出水水样，测定水样的污染物浓度并计算平均去除率[17]。新型湿地与传统湿地的抗堵塞能力主要通过孔隙率来表征[18]。

2 结果与分析

2.1 新型湿地与传统湿地抗堵塞能力对比

图5为新型湿地与传统湿地孔隙率随时间的变化趋势，第1次初始测量是在新型湿地和传统湿地内生物膜挂膜成功后，此时两种湿地的初期孔隙率基本相同，均接近50%。两种湿地同时运行40 d后第2次测量它们的孔隙率，发现传统湿地和新型湿地预处理池的孔隙率相差不大，分别为46.89%和46.32%，而新型湿地主体池的孔隙率为48.43%，仅比初次测量的孔隙率下降了0.8%，其堵塞程度最低。第3次测量孔隙率是在两种湿地同时运行140 d、传统湿地反冲洗前，测量发现传统湿地的孔隙率在这个过程中急剧下降了8.17%，其孔隙率变为38.72%，受堵塞的影响最大；新型湿地预处理池的孔隙率降为42.81%，受堵塞影响小于传统湿地；新型湿地主体池的孔隙率为46.36%，仅下降了2.07%，受堵塞影响最小。两种湿地同时运行160 d、传统湿地反冲洗结束后进行最后一次孔隙率测量，得到传统湿地的孔隙率为44.37%，可见反冲洗对提高传统湿地孔隙率的效果显著，孔隙率回升了5.65%，缓解了传统湿地堵塞情况；新型湿地主体池和预处理池的孔隙率分别为46.21%和42.55%，传统湿地反冲洗后的孔隙率仍低于新型湿地主体池的孔隙率。

(a)NH3-N

(c)TN

图5 新型湿地与传统湿地不同时间孔隙率

试验结果表明，整个运行阶段新型湿地基质内孔隙率下降幅度较小，从试验初期到结束，其主体池孔隙率仅下降了3.02%，受堵塞影响较小；而传统湿地从初期到反冲洗前孔隙率下降幅度较大，下降了10.93%，其受堵塞影响大于新型湿地；在反冲洗后，传统湿地的孔隙率有所提高，对堵塞有一定缓解，但其堵塞程度仍然高于新型湿地主体池。新型湿地在5 d的轮休周期下运行，能有效缓解堵塞情况，其抗堵塞能力强于设有反冲洗管、可进行反冲洗的传统湿地。

新型湿地具有较强的抗堵塞能力，主要是因为其双重轮休与类似于反冲洗的作用。新型湿地的2个预处理池和2个主体池，配合其按一定周期交替进水的运行方式，可使得上一时间段有污水流经的预处理池和主体池上部两个易堵塞区域处于轮休状态，以实现双重轮休。轮休可使基质的大气复氧能力增强，以促进好氧微生物降解有机污染物，也使基质中微生物进入内源呼吸阶段，消耗胞内物质或胞外聚合物，缓解因生物膜大量积聚在基质表面引起的堵塞状况[19]。此外水流在主体池B1和B2中按一定轮休周期更换方向，相当于反冲洗作用，对截留在基质孔隙中的堵塞物质进行反向冲刷，以减缓基质内堵塞物的累积。

2.2 新型湿地与传统湿地去污效果比较

(a)新型湿地

(b)传统湿地

相比于传统湿地，新型湿地具有较强的抗堵塞能力，其受堵塞影响程度小，水体能较好地复氧，使得微生物活性较好，进而获得较好的去污效果；新型湿地中，2个主体池集水管以下部分始终处于运行状态，不会因堵塞严重而中断运行，湿地系统处于相对稳定的状态，对其内部的微生物群落影响较小，所以新型湿地能保持相对稳定的去污效果。传统湿地在进行反冲洗操作前，湿地基质有一定程度堵塞，其受堵塞影响程度大于新型湿地，影响水体复氧，从而影响到微生物活性，使得传统湿地去污效果不如新型湿地；传统湿地经过较大强度的反冲洗后，基质表面的生物膜出现部分脱落，造成湿地内生物量有所减少，使其短期内难以恢复反冲洗前的净水效果，需要稳定运行一段时间才能恢复其对污染物较好的去除效果。

3 结 论

a.新型双重轮休式潜流湿地通过交替进水实现易堵塞的预处理池和主体池上层的双重轮休，主体池左右两池按轮休周期更换水流方向，起到类似于反冲洗的作用。

b.从试验初期到结束，新型湿地主体池孔隙率仅下降了3.02%，受堵塞影响小，而传统湿地从初期到反冲洗前孔隙率下降了10.93%，新型湿地抗堵塞能力强于传统湿地。

d.新型湿地具有较强的抗堵塞能力和较好且稳定的去污效果，为垂直潜流湿地易堵塞问题提供了一种新的解决途径。