人工濕地基質堵塞影響因素分析
人工濕地是20世紀70年代發(fā)展起來的一種廢水生物處理新技術，它具有投資低、能耗低、出水水質好，有較強的脫氮除磷功能以及運行管理方便等特點，因而該技術已被世界各國所接受，并用來處理多種形式的廢水（吳曉磊，1995）。人工濕地對廢水的處理綜合了物理、化學和生物3種作用。它成熱后，填料表面和植物根系中生長了大量微生物，形成了生物膜。廢水流動時，SS能被填料及根系阻擋截留，有機物通過生物膜的吸附、同化及異化作用而得以去除。
保持濕地系統(tǒng)的持續(xù)運作能力非常重要，垂直流人工濕地在運行中容易出現(xiàn)的一個問題是基質阻塞。隨著基質的逐漸阻塞，濕地的水力傳導性也降低，從而影響水流路徑（如促進表面流動），最終也影響天濕地的處理效果和運行壽命（Tanner et al 1995）。同時，基質的通氣狀況又會影響到基質的供氧狀況，從而影響到好氧微生物的活動，最終也影響濕地的處理效果。因此水力傳導性和通氣狀況的優(yōu)劣直接決定著人工濕地系統(tǒng)的持續(xù)運作能力，而這兩方面直接與人工濕地的基質堵塞有關，本文對基質堵塞的影響因素作了分析。
1 影響因素分析
1.1 基質材料的影響
過濾材料粒徑大小直接影響基質的孔隙大小和水容量，因此它是影響人工濕地是否發(fā)生堵塞的重要影響因素（Platzer and Mauch, 1997）。莫鳳鸞等（2004）在深圳洪湖公園的人工濕地研究中，在1997年至1999年5月間濕地系統(tǒng)共發(fā)生5次堵塞，采用粒徑較大的碎石代替原來的沙子作濕地材料后，系統(tǒng)運行正常。
1.2 進水污染物負荷
(1) 懸浮物的影響
人工濕地進水中的懸浮物尤其是不可生物降解性的懸浮物負荷是影響濕地堵塞的重要因素（Platzer and Mauch，1997），因此必須對人工濕地的進水進行預處理，以降低進水中的懸浮物。Bouwer(1980) 等推薦進水中懸浮物的最大值為20 mg/L, 負荷相當于8 g/(m2.d)。付貴萍等（2004）采用11 g/(m2.d)的進水懸浮物負荷，系統(tǒng)運行5年未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。
(2) 有機負荷的影響
普遍認為有機物負荷對基質堵塞有重大影響。Platzer 和 Mauch（1997）的研究發(fā)現(xiàn)，堵塞一般發(fā)生在基質上層0~15cm處，有機負荷過高是堵塞的主要影響因素，并且在濕地基質的堵塞中有機負荷的影響比進水有機物濃度的影響更大，在中歐的氣候條件下，濕地基質不發(fā)生堵塞的有機物負荷上限是25g COD/m2/d。但也有研究表明，堵塞只與達到平衡狀態(tài)前的有機物負荷有關，利用人工濕地對地下水回灌的試驗表明，有機物負荷BOD可達40 g/(m2.d)（Wong and Somes, 1995）。由于污水中連續(xù)的營養(yǎng)供應，系統(tǒng)內產生的生物量不斷增加也是造成堵塞的一個因素；厭氧條件也加速了系統(tǒng)的堵塞（Winter and Goetz, 2003）。
1.3 濕地植物的影響
溫地植物根和根系對基質的穿透作用以及根和根系的腐爛，在基質中形成了許多微小的
氣室或間隙，減少了基質的封閉性，增強了基質的疏松度，從而使得濕地的水力傳導性和通氣狀況得到加強和維持，確保人工濕地系統(tǒng)的持續(xù)運行與處理效果。但另一方面，濕地植物地上部分衰落時的殘留物、根系及根系分泌物會造成系統(tǒng)中有機物累積量的增加。
成水平等（1997）在人工濕地凈化污水試驗中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過3~5個月的污水處理后，不種植物的對照土壤基質板結，發(fā)生淤積；而種有燈心草等植物的濕地滲濾性能好，污水能很快滲入基質。還有資料表明，即使較板結的土壤，經(jīng)過植物根系2~5年的穿透作用，其水力傳導性可與砂礫、碎石相當。莫鳳鸞等（2004）發(fā)現(xiàn)，種植弊草的濕地組比種植水蔥的基質堵塞嚴重，這表明濕地基質的滲透性與植物的種類有很大關系。
1.4 有機物積累造成的系統(tǒng)堵塞
有研究表明，濕地基質中有機質積累具有很高的引起阻塞的可能（Tanner et al, 1998）。
濕地有機物的投入量主要由廢水中貢獻的有機物量、植物的生物產量和生物產量的分配所決定的，植物的生物產量由植物地上部分殘留、根產量與根分泌物組成。濕地系統(tǒng)有機物輸出途徑主要有兩個方面，一個是濕地系統(tǒng)中有機物分解所放出的二氧化碳和其他無機物質，另一個是隨廢水流出所帶走的有機物質（杜中典等，2002）。當有機質輸出小于輸入時就會出現(xiàn)有機質的積累現(xiàn)象。
堵塞過程可分為三個階段。第一階段是滲透速率總接近系統(tǒng)開始運行時的滲透速率，但呈現(xiàn)逐漸下降趨勢；接著是一個實質性的平穩(wěn)下降階段；最后是間歇的系統(tǒng)堵塞階段直至持續(xù)堵塞發(fā)生。Laak（1986）指出濕地系統(tǒng)在未達到平衡狀態(tài)之前，堵塞僅僅依靠有機負荷。濕地系統(tǒng)達到平衡之后，當有機物積累到一定程度，沉積在濕地表面的有機物形成了一層黑色粘膜包括厭氧分解產物，比如多糖類物質和聚尿類物質，以及由于受低溫限制而沒有發(fā)生化學變化的有機化合物，導致了系統(tǒng)孔隙的外部堵塞，沉積在孔隙內的有機物導致了孔隙內部的堵塞。
濕地系統(tǒng)中積累的有機物在水平方向上的分布規(guī)律為，廢水入口處，有機物的積累量較大，而且隨著距離的增加，有機物積累量逐漸下降。例如，Tanner等（1995）通過垂直流砂濾床取樣分析得出，種植植物的濕地系統(tǒng)廢水入口處有機物積累量最高達9.5kg/m2, 而在出口處則下降落到2~5kg/m2。有機物積累量在垂直方向上的分布隨著床體深度的增加而呈現(xiàn)減少的趨勢。
簡放凌（1995）指出，如果濕地系統(tǒng)內有機物的積累量達到5%以上時，過濾功能就會失效。牛曉音等（2002）研究了杭州西湖邊人工濕地經(jīng)一年多運行后有機質的積累情況，同時測定了基質的孔隙度和水力傳導性，其結果表明，人工濕地在運行一年后總有機質積累達到0.658kg/m2，并且60%有機質積累主要在0~10cm；濕地上下層有機質積累有明顯差異，且隨著基質中的深度和離入水口的距離呈下降趨勢，基質孔隙度與有機質呈顯著負相關關系，有機質積累少，則孔隙度大，有機質積累對水力傳導性有一定影響。
1.5 溫度
溫度對土壤堵塞具有雙重影響（雷明和李凌云, 2004）。一方面，較高的溫度導致了高的生物活性和較高的生長速率，但同時由于微生物的快速增長，填充了填料的孔隙，從而引發(fā)基質堵塞；另一方面，較低溫度抑制了生物活性，代謝速度慢，致使有機固體顆粒在填料中的大量累積和濾料中厭氧程度的加劇，也易引發(fā)濕地堵塞。
2 避免堵塞的措施
針對造成濕地堵塞的原因可以濕地設計與運行中分別采取相應的避免堵塞措施。當垂直流人工濕地用來治理含較多不易降解的SS成分時，堵塞容易發(fā)生？梢酝ㄟ^廢水的前處理，減少進水中難降解的SS來防止堵塞的發(fā)生。由于濕地系統(tǒng)中植物能夠向系統(tǒng)中貢獻較多的有機物，因而植物對系統(tǒng)的堵塞也有很大影響。減少由植物造成有機物堵塞的辦法是選擇一種植物品種，其殘留物中所含難降解化合物的水平較低或者定期收割植物的地上部分以及定期去除系統(tǒng)表面積累的有機物粘膜。針對有機質積累的空間分布特點，在靠近進水口端可以采用粒徑較大的礫石作為過濾材料，這一點在濕地設計時應予以充分考慮。濕地由于廢水中連續(xù)的營養(yǎng)物質的供應，系統(tǒng)內生物量的產生也是影響堵塞的一個因素。微生物可能將少量慢分解的和難分解的化合物輕度改變就直接進入穩(wěn)定的腐殖質成分，而且生物量的體積對系統(tǒng)堵塞的影響要比其干重大。為了維持濕地的功能，生物量的產生速度和礦化速度必須達到一種平衡狀態(tài)（Platzer 和Mauch, 1997）。Blazejewski等（1997）認為厭氧條件加速了系統(tǒng)的堵塞，因而間歇的進水方式和適當?shù)臐竦馗苫趯τ谙到y(tǒng)避免堵塞也是必要的。對于已經(jīng)堵塞的填料層可采取的恢復措施有停床輪作、更換表層填料等手段。
3小結
基質堵塞是影響人工濕地正常運行的主要問題，基質材料、濕地植物、進水污染物負荷、有機物累積等是濕地堵塞的主要因素，在濕地設計和運行過程中需對給予充分重視，以保持濕地系統(tǒng)的持續(xù)運作能力。
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