人工湿地堵塞机制与防治措施研究进展

曾 琳,袁 悦,王 盼,谭学军

(上海市政工程设计研究总院<集团>有限公司,上海 200092)

近年来,人工湿地因其成熟的工艺及生态友好型特点,在污水处理领域中得到了广泛应用。与传统污水处理厂相比,人工湿地在建设和运营成本方面具有运行能耗低、工艺设备简单、运转维护方便等明显优势。污水通过人工湿地系统中基质、植物和微生物的协同作用得到净化。基质是人工湿地不可或缺的组成部分,大多数物理、化学和生物反应都在基质中进行。基质不仅支持人工湿地植物的生长,为生物膜提供附着物,而且在污染物去除中发挥重要作用[1]。研究[2]表明,多种材料可以用作人工湿地的基质,包括天然材料(如砾石和沙子)、农业/工业废物(如牡蛎壳和粉煤灰)和人工材料(如活性炭和陶粒)。植物是污水处理的核心,在吸收、降解和去除污水中的污染物方面发挥着关键作用,全世界已有150多种植物在人工湿地中生长,植物对氮、磷污染物去除贡献率占比较大,其中15%～80%的氮和24%～80%的磷是通过植物去除的[3]。植物还可在污水中积累有毒元素,如重金属和抗生素[4]。微生物的代谢直接影响人工湿地有机物的降解与转化,微生物群落是人工湿地物质循环和高效脱氮的重要保障,微生物参与的硝化反硝化作用是去除污水中氮的主要途径,可占66.9%～80.5%[5]。

然而,人工湿地在实际应用中也存在许多问题,如所需面积大、冬季处理效率低,其中堵塞问题严重影响了人工湿地的可持续运行[6]。堵塞涉及物理、化学和生物过程,无机和有机颗粒的滞留、化学沉淀物的沉积和积累以及生物膜和植物生物量的发展和衰变,均能导致基质逐渐堵塞。随着人工湿地出现堵塞现象,基质的渗透系数急剧下降,会导致污水积聚在湿地表面,引发恶臭和环境长期恶化,阻隔氧气向基质层的扩散并降低污染物的去除效率,使出水水质达不到设计标准,同时缩短人工湿地的使用寿命。最初对人工湿地使用寿命的预测在50～100年[7],这一预测已逐渐缩短至10～15年。Hua等[8]研究发现,基质堵塞还会降低微生物群落的丰富性和多样性,对湿地生态系统的生物降解过程产生负面影响。因此,系统阐述人工湿地堵塞机制、堵塞评估技术以及防治措施的研究进展,有助于人工湿地的可持续性运行。

1 人工湿地堵塞机制

人工湿地堵塞主要由物理、生物和化学因素引起。物理因素是指悬浮物质(SS)进入人工湿地降低其孔隙度;生物因素是人工湿地中微生物细胞及其相关代谢产物,如胞外聚合物(EPS)累积造成堵塞;化学因素是指基质和进入人工湿地的不同组分之间,形成了不溶性无机盐沉淀造成孔隙堵塞[9]。

1.1 物理堵塞

在实际工程应用中,物理堵塞占主导地位,是由沉积在人工湿地表面、基质内部的有机和无机SS以及难降解有机物引起的。图1显示了人工湿地物理堵塞形成过程。堵塞机理主要为表面堵塞、内部堵塞和桥接,粒径较大的SS无法进入基质孔隙,因此,SS会积聚在表面,并通过形成毯状沉积层导致表面堵塞,随后细颗粒的流入会将其压实;粒径较小的SS通过孔隙深入基质,会被过滤并困在孔喉中,累积的固体作为“筛子”形成“桥接”,从而进一步限制较大的SS流过,导致内部堵塞[10]。人工湿地物理堵塞一开始发生在表层以下15～30 cm处,最终在整个基质中形成不同程度的堵塞[11]。人工湿地基质过滤的物质由有机物和无机物组成,无机物更容易造成堵塞[12]。Ye等[13]使用5种物质定量描述人工湿地堵塞,发现堵塞物中蛋白质、多糖、腐植酸、核酸、无机物的比例分别为9.86%、1.90%、5.68%、3.95%、49.87%。而Nguyen[14]发现湿地的多孔介质被有机物堵塞,90%以上为难降解有机化合物,其中63%～96%为腐植酸和黄腐酸。

图1 人工湿地物理堵塞形成过程[19]

人工湿地中物理堵塞按来源可分为外源性和内源性物理堵塞,外源性物理堵塞物为进水中的SS,内源性物理堵塞物包括基质磨损和植物产生的无机碎屑。植物根茎和根系的生长以及残留物的形成和积累是人工湿地有机物的重要来源之一。Pedescoll等[15]发现,在湿地中种植芦苇,运行3年后发生堵塞,湿地中积累的根系占总积累固体的35%～70%。Tanner等[16]发现,未种植植物的人工湿地有机物平均累积量为0.40～2.30 kg/m2,而种植植物的人工湿地接近4.00 kg/m2,美国肯塔基州人工湿地表层植物残留物的积累量可达2.41 kg/m2。陈晓艺等[17]认为木质素是影响人工湿地渗透系数的重要因素,相比于香蒲和芦苇,种植木质素含量低的美人蕉的湿地渗透系数高,因为,木质素含量低的物质分解速率高。然而,其他研究[18]表明植物可通过根系和根茎生长引起的孔隙空间扩张使基质更具多孔性,进而减轻堵塞,植物的存在可丰富微生物群落结构以提高累积固体的降解速率。

1.2 生物堵塞

图2 人工湿地生物堵塞形成过程[19]

1.3 化学堵塞

图3 人工湿地化学堵塞形成过程[19]

2 人工湿地堵塞评估

大多数堵塞物积累发生在地下,并且堵塞程度在空间和时间上都有所不同,堵塞的可视化是复杂的。因此,为准确选择防治措施并解决人工湿地的堵塞问题,可先评估堵塞物的分布及堵塞程度。

2.1 常用堵塞评估技术

目前,水力传导率测量、示踪试验和分析堵塞物性质等是评估人工湿地堵塞程度常用的技术方法。水力传导率法是通过测量不同点位的水力梯度,再使用达西定律计算测量点位间的平均水力传导率,但其反映的是测量点间的平均渗透系数,并不能反映湿地具体位置的渗透系数[28]。示踪试验是将示踪剂注入人工湿地,并连续监测出水浓度,通过绘制示踪剂浓度随时间的响应曲线(RTD)研究系统水力停留时间、内部流体动力学,以及判断短流、死区比例,常用的示踪剂包括荧光素、罗丹明、氯离子和溴化物离子,但由于其高持久性,可能会给下游带来环境风险,且单个示踪剂试验的结果并不具代表性[29]。堵塞物表征方法包括累积固体分析及床层孔隙率测定。

2.2 现场监测堵塞技术

现场监测堵塞技术,如电阻率法、探地雷达(GPR)和微生物燃料电池(MFC)也已被用于量化堵塞物,其在人工湿地系统内造成的干扰较小,可以快速、有效反映湿地堵塞程度。Liu等[30]研究发现,湿地电阻率通常与堵塞物的体积分数呈负相关性,电阻率法为评估堵塞程度提供了一种有效的方法,但其横向定位较为准确,纵向探测效果不佳。Matos等[28]发现,GPR可通过分析孔隙中的图像和波响应间接估算孔隙率,得到人工湿地内部的能量衰减图像,是表征湿地堵塞程度合适的非侵入性方法。MFC是一种生物电化学装置,可定量评估基质中保留的有机颗粒总量。Corbella等[31]研究表明,MFC中积聚的污泥对其产电性能有直接影响,随着人工湿地堵塞程度的增加,MFC中污泥量增多而转移的电子量减少,导致电压减小。但这些监测方法专业性较强,通常操作复杂且成本较高,其实用性需进一步讨论。

2.3 数学模型模拟技术

数学模型也越来越多地应用于研究人工湿地的水力特性,预测湿地内部水和溶质的传输过程,应用最广泛的数学模型主要包括Ryszard-Blazejewski模型、Langergraber模型和Kozeny-Gaman模型[19]。Samso等[32]使用COMSOL Multiphysics和MATLAB开发数学模型,模拟了人工湿地中的生物堵塞。Hua等[33]提出的模型综合考虑人工湿地中累积的SS、生物膜和植物根系来研究堵塞,该复合模型能够定量评估人工湿地系统的堵塞行为和运行特性。目前研究还未全面了解湿地堵塞的机理,而现有模型仅反映了当前已知的堵塞场景,因此,单一模型或复合模型并不能完全揭示堵塞过程。

3 人工湿地堵塞防治措施

基于人工湿地堵塞机制并结合堵塞评估结果,总结了应对人工湿地堵塞的常用措施,包括预防措施和治理措施,如表1所示。预防措施旨在延迟或最小化堵塞相关的负面影响,而治理措施是通过采用相应修复措施实现原位修复。

表1 人工湿地堵塞控制技术

3.1 预防措施

3.1.1 预处理

3.1.2 优化操作负荷

在高水力负荷、高有机负荷和高SS负荷条件下,人工湿地发生堵塞的可能性更高。Winter等[46]在对德国21个人工湿地的调查中发现,TSS和COD的负荷率与堵塞的严重程度呈正相关性;Platzer等[35]建议将湿地的有机负荷控制在25 g BOD/(m2·d)内。我国制定的人工湿地技术标准中,如生态环境部发布的《人工湿地污水处理工程技术规范》(HJ 2005—2010),也对COD负荷、BOD5负荷、水力负荷等指标作出规定,各标准中建议的BOD5负荷设计值大多在12 g/(m2·d)以下[47],生态环境部规范对进水SS限值为80mg/L,水平潜流人工湿地的最高水力负荷为500 L/(m2·d),而垂直潜流人工湿地最高为1 000 L/(m2·d)。Li等[48]调查研究1988年—2016年中国168个人工湿地工程案例,发现垂直潜流人工湿地的BOD5负荷多为10.6～55.3 g/(m2·d),而西方国家多为6～10 g/(m2·d)。

3.1.3 基质优化

基质的吸附、粒径、孔隙率和级配与基质渗透性密切相关,直接影响人工湿地的堵塞程度。具有小尺寸和不均匀级配的基底有利于过滤SS,然而基质尺寸越小,孔隙率降低速率越高,更容易发生堵塞。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,增大渗透性。使用具有较大孔隙率和渗透率的陶瓷砂、蛋壳、粉煤灰陶粒和水泥砖作为湿地基质有助于缓解堵塞[49]。Yang等[50]研究表明,当沸石基质的粒径为3～4 mm时,在保证净化效果的同时可以防止堵塞,《人工湿地污水处理技术规程》(DG/TJ 08-2100—2012)中建议基质粒径为2～6 mm,《农村生活污水人工湿地处理工程技术规范》(DB 11/T 1376—2016)建议粒径为0.2～5 mm[47]。

单一基质填配方式容易造成堵塞,堵塞一般发生在人工湿地表层,使进水不能深入底层,填料得不到充分利用,且表层溶解氧不能深入底层,微生物的有氧活动只能部分进行,造成人工湿地整体处理效果下降,因此,可以采取在人工湿地不同深度设置不同类型的基质,以防止堵塞。Zhao等[51]使用正级配(即上部小粒径基质,下部大粒径基质)和反级配(即上部大粒径基质,下部小粒径基质)模式,发现反级配人工湿地不仅能取得很好的去除效果,而且在延缓基质堵塞方面有着明显的优势。詹德昊等[37]通过使用反级配模式,最大有机物累积量可减少约70%。王国强等[52]采用沸石/砾石填料组合优化潜流人工湿地的填料基质,延长了基质运行寿命。

对于物理堵塞,具有高孔隙率和低磨损的基质(如塑料、橡胶、膨胀黏土和复合基材)优于耐磨基材(如砾石和高炉矿渣),低磨损基质可减少物理堵塞物质[49];化学堵塞主要发生在去除磷和金属的过程中,导致胶体或沉淀物的积聚,一些基质,如砾石、土壤、锰砂、沸石和椰子壳,具有良好的金属去除性能,容易导致金属堵塞,而除磷效率高、易产生含磷沉淀物的基质材料有贝壳、钢渣、高炉渣、沸石和土壤等[1];对于生物堵塞,生物炭具有多种官能团,可以改变胞外蛋白的结构、可溶性微生物产物含量和微生物群落结构,以缓解生物堵塞。Deng等[36]研究在人工湿地中添加0、10%、20%和30%的生物炭,总EPS含量分别为1 182.65、1 113.50、994.04 g/m3和741.28 g/m3,生物炭添加使EPS含量降低5.85%～37.32%。

3.1.4 停床轮休

停床轮休是指基质运行一段时间后闲置,一方面使氧气进入湿地系统,增加好氧微生物的活性,加快降解有机物速率;另一方面轮休时系统停止进水,营养物得不到持续补充,微生物进入内源呼吸期,消耗自身EPS并逐渐老化死亡,避免了湿地中EPS积累,有效缓解湿地生物堵塞。Hua等[53]在垂直潜流人工湿地中应用静息操作,结果表明人工湿地休息3、7、10 d后,导水率分别增加了2.0、2.6、3.5倍,EPS减少、生物膜衰变以及生物膜结构变化是静息操作缓解堵塞的主要原因。唐平等[38]研究发现,可溶性有机物堵塞、不溶性有机物堵塞装置分别轮休至第9 d、第20 d,人工湿地基质的渗透率恢复超过70%。然而,由于轮休后EPS和生物量减少,人工湿地的处理性能降低,TN、TP和COD的去除率都比轮休前低。因此,应结合人工湿地实际运行情况、基质渗透系数恢复目标等因素,合理确定轮休时间。

3.2 堵塞治理措施

3.2.1 基质更换与反洗

Platzer等[35]研究发现,在湿地运行期间,积累的有机物大部分集中在表层,堵塞主要发生在上层0～15 cm处,定期更换湿地系统基质,特别是表层填料,可以有效治理湿地表层堵塞,保证人工湿地的持续稳定运行。马飞等[39]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,可以将堵塞在孔隙中的有机物和无机物冲洗脱落,随水流流出达到缓解堵塞的目的。但据统计[19],反冲洗操作经济成本约为0.2元/(m3·次),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。为减少对人工湿地中植物的影响,反冲洗宜在植物枯萎的秋冬季进行。

3.2.2 植物修复

湿地中大型植物的根系为微生物生长繁殖和生物膜形成提供了载体,反过来又促进了根际修复过程,如根际过滤、根际降解,生长的根系有助于降解有机污染物,并通过制造管道避免人工湿地堵塞[54]。湿地植物具有吸收、转化和分泌氧气能力,这有助于延缓堵塞。芦苇、狭叶香蒲、睡莲和美人蕉等植物的根系表现出很强的富氧能力,且很少分泌难降解物质[55],在缓解基质堵塞和显著提高水力效率方面发挥了积极作用。王为东等[56]通过白洋淀自然湿地现场研究,发现大型水生植物组成了庞大的湿地根孔网络,其水分入渗率是基质土壤的20倍左右。宋志鑫等[57]研究发现,美人蕉根系对人工湿地水力特性有较明显的改善作用,水力效率由64%提高到83%。Teixeira等[40]发现植物根系仅占基质孔隙的3%～4%,对堵塞过程影响不大,根系在基质中形成许多微小的气室和间隙,提高了人工湿地的导水性,使水流更加均匀。此外,植物根部的通气组织会从根部释放氧气。文献[58]报道,芦苇属植物的氧释放速率为0.02～12 g O2/(m2·d),沉水植物为0.5～5.2 g O2/(m2·d),漂浮植物为0.25～9.6 g O2/(m2·d)。但是,植物叶片和根系的死亡和腐烂会积累大量有机物,加剧基质堵塞。Nguyen等[14]建议人工湿地选择分泌难降解物质少的植物,并定期收割植物地上部分。

3.2.3 原位修复

原位修复指通过向人工湿地投加强氧化剂、表面活性剂等化学药剂或者湿地动物(如蚯蚓和泥鳅),破坏堵塞物的絮凝结构,溶解部分有机物质,从而恢复基质渗透性。由于对环境影响较小、能最大程度地缓解堵塞、避免损害人工湿地、节约成本,原位修复正被广泛使用。Hua等[41]向人工湿地中添加HCl、NaOH和NaClO可分别恢复15%、18%和23%的有效孔隙率,NaOH和NaClO溶解了有机物中的蛋白质、多糖成分,而HCl释放了被有机物包裹的气体。但化学药剂会对湿地植物造成不可修复损害,因此,实际应用的工程案例较少,多停留在试验阶段。具有良好溶解效果和环境友好性的枯草杆菌、酶与生物表面活性剂等成为原位修复首选。Tang等[59]研究采用添加枯草杆菌来减少垂直流人工湿地的生物堵塞,发现其可以降解堵塞物中的多糖,从而增加基质孔隙率。Tang等[60]向人工湿地添加α-糖化酶和β-葡聚糖酶,发现酶处理大大减少了生物堵塞,处理后的峰值导水率增加了16倍。酶能有效催化水解大分子聚合物,且易于分解,但其成本较高。Cao等[42]研究添加生物表面活性剂鼠李糖脂(RL)减少人工湿地的生物堵塞,发现其能有效溶解和分散EPS,使人工湿地有效孔隙率恢复到初始值的83%。RL可生物降解,具有低毒性和成本低的优点,但其对湿地的长期影响未知。

研究预测蚯蚓可以在人工湿地中运输转化或分解代谢堵塞物,且其钻土等生命活动会在湿地内部形成微小孔道,从而减轻湿地的堵塞状况。Wang等[43]将蚯蚓引入人工湿地后,上部基质(0～20 cm)的有效孔隙率增加了11%～13%,渗透率增加了0.015～0.026 cm/s。Ye等[61]发现蚯蚓的代谢和吸收可有效降低堵塞物含量,蛋白质和多糖减少,堵塞物黏度降低了0.008 2 mPa·s/(g·d),蚯蚓能以0.33 mL/(g·d)的速率增加基质孔隙度,但蚯蚓生物技术使用受到其适应性的限制。

4 结论

人工湿地因其处理效果好、管理简便和环境友好等特点,具有经济、社会、环境三重效应,在污水处理领域得到广泛应用。然而,堵塞成为影响人工湿地工程应用的主要因素。虽然相关研究已对人工湿地堵塞机理、影响因素、评估技术和缓解措施做了探讨,但是人工湿地堵塞问题仍然日益突出。因此,人工湿地堵塞相关研究仍需从以下几个方面进一步开展。

(1)水力传导率测量、示踪测试和堵塞物的物理化学特性等方法可对人工湿地堵塞进行评估,每种方法都提供了其他方法无法提供的信息,目前现场监测技术和数学模型方法也取得了进展,将数值模拟与多种现场监测方法相结合进行堵塞预测和预警,可以更准确描述和理解人工湿地的堵塞动力学。

(2)预处理、优化操作负荷和选择合适的基质来可以使堵塞的负面影响最小化。其中,开发具有适当粒度、高孔隙度、高导水性的基质研究有待进一步加强。一方面,利用工业副产品作为基质实现资源利用;另一方面,探索新型材料,更可控且易更换,针对性地解决湿地堵塞,如生物炭基质可降低EPS含量缓解生物堵塞。