人工湿地堵塞机理与解决措施_堵塞模型

论文导读:：人工湿地的长期运行尚缺少安全保障。因此研究堵塞机理、预防对策和解决措施。解决措施。
论文关键词：人工湿地，堵塞机理，堵塞模型，解决措施
 

人工湿地是利用土壤、人工介质、植物、微生物的协同作用对废水进行处理的技术，具有投资低、出水水质好及运行管理方便等特点 ^[1-5]。人工湿地按水流的流动方式分为表面流人工湿地、潜流人工湿地和垂直流人工湿地。其它类型大多以此为基础，经过改进或组合而成。

但从目前工程实践来看，人工湿地的长期运行尚缺少安全保障，如果设计或运行管理不善，容易造成堵塞。美国环保署对100多个构建湿地进行调查，发现有近一半的湿地在运行5年内出现堵塞，导致湿地水力传导系数降低、处理效果下降、运行寿命缩短等^[6]。因此研究堵塞机理、预防对策和解决措施，对提高人工湿地长期稳定运行极其重要。

1 人工湿地堵塞的机理

人工湿地的堵塞过程通常可分为3个阶段：初期，渗滤速率接近开始运行时水平，但呈现下降趋势；中期堵塞模型，渗滤速率缓慢下降；末期，填料表面间歇到持续积水。研究表明,当土壤孔隙小于10μm时水不能从中通过;10～50μm的孔隙水可以缓慢通过;而大于50μm的孔隙水可以正常通过,因此大于10μm的孔隙占湿地总的孔隙体积的比率可称为有效孔隙率。潜流人工湿地中堵塞过程的实质是湿地中有效孔隙率减小的过程^[7]。

人工湿地的堵塞机理可归结为物理、化学和生物三个方面。

1.1 物理机理

1.1.1 固体截留

固体截留是人工湿地废水悬浮固体去除的主要方式，包括：电化学吸附、惯性力、布朗运动去除等。Kadllec和Wallace指出在水平潜流人工湿地中，大颗粒的固体截留是悬浮物去除了主要机理，并且主要发生在湿地的最初几米^[8]。Hermansson指出微粒被基质截留是以电化学吸附为主，吸附能力的大小取决于微粒、基质及流体的表面电荷的多少。随着固体的大量截留，湿地的孔隙率不断减小，这又强化了基质对悬浮固体的截留，最后发生堵塞^[9]。

1.1.2 机械压缩

堵塞层的机械压缩会造成填料孔隙率的减少，也是湿地堵塞的原因之一论文格式。如果湿地中基质耐水性团粒稳定度和强度较低，团粒在长期浸水的情况下膨胀崩解变成细微的粘土粒子，且在渗水作用下不断向下移动形成致密的不透水层，最终导致堵塞。

1.2化学机理

吸附和沉淀会造成人工湿地的堵塞。物理化学吸附作用在去除金属、含烃及含氮磷化合物的同时，会在基质的表面形成的吸附膜层，由于介质吸附能力的限制，该层吸附膜并不是很厚，对堵塞的影响有限。但在此基础上金属氢氧化物、硫化物、碳酸钙的沉淀会加厚基质表面的覆盖层。同时湿地环境中生物间的相互作用会强化这种化学转化，最终造成人工湿地的堵塞。

Nivala指出在富氧条件下，湿地中会形成Fe(OH)₃沉淀，并伴随着空隙间的生物反应，会造成孔数量的大量减少和基质被粘附在一起^[10]。也有文献指出当基质中有较多Ca²⁺存在时，如果进水中含有大量置换能力强的H⁺、Na⁺等阳离子，这些离子会与Ca²⁺发生置换反应堵塞模型，若同时有SO₄^2-存在，便会形成难溶性物质并造成堵塞^[7]。

1.3生物机理

造成湿地堵塞的生物机理有2个方面的原因：一方面，在含营养物质丰富的湿地系统中，微生物大量繁殖所形成的颗粒状有机物是系统中有机物累积总量的一部分；另一方面，植物地上部分衰落时的残留物、根系及根系分泌物都会导致系统中有机物累积量的增加。

1.3.1 微生物引起堵塞的机理

在潜流人工湿地中绝大多数的微生物是以生物膜的形式附着在介质表面，一般呈丝状，能通过孔隙交织形成网状组织，将降低污水的水力传导系数^[11-12]。Madigan发现湿地中的多数微生物会分泌胞外多聚物，含水量高达99%。这种胞外多聚物会在基质的孔隙中形成一层抗渗层，严重时就会出现雍水^[13]。基质表层生物膜、细胞外多聚物、腐殖质等形成的高含水量、低密度的胶状淤泥，对人工湿地的堵塞起着重要的作用 。

除此以外,湿地中硫还原细菌,产甲烷菌以及生物脱氮作用产生的气体所形成的包气带也可能是堵塞的原因之一。

微生物的新陈代谢很大程度上受着温度的制约，较高的温度导致了较高生长速率，从而引发人工湿地的堵塞。而低温则抑制了生物活性，致使有机固体颗粒在填料中大量累积和填料的厌氧程度加剧，也会引发人工湿地的堵塞^[14]。

微生物所造成人工湿地的堵塞进程在某种程度上来说是一个正反馈的过程，湿地的堵塞导致基质中氧气供应下降，微生物的活性也随之下降，有机物降解速率变慢，这又加剧了有机物的积累，加快了堵塞进程。

1.3.2 植物引起堵塞的机理

早期很多学者认为植物能缓解湿地中基质的堵塞，主要原因是植物的根呈管状，能为流水提供大量的孔隙网，发挥了疏通的作用。现在认为植物残体及其分泌物是人工湿地有机质的重要来源之一。国际水协（IWA）指出人工湿地中有1/4至1/3的孔隙堵塞源于植物的根和地下茎^[15]。

Tanner等在研究用有植被和无植被两种水平潜流人工湿地处理牛奶场废水时发现：无植被湿地的平均有机物累积量为每年0.4～2.3kg／m²堵塞模型，有植被湿地平均累积量接近每年4kg／m²；在有植被的湿地中，距地表10cm以内的有机物积累量是10cm以下的2到8倍，然而进水口区域的有机物积累量只比出水口区域多50%^[16]。因此，可以认为在该有植被水平潜流人工湿地系统中，系统堵塞主要是由植物的腐殖质引起的。

1.4 堵塞的模型化

人工湿地的堵塞是一个复杂的过程，涉及多种因素，众多学者建立了数学模型，来预测人工湿地的堵塞进程。

Ryszard Blazejewski等基于生物量的增长速率与悬浮物的降解速率相等建立的砂介质湿地堵塞发生时间模型：

t_c=150××(1-)×d_ef/q_s

而任意时间t时湿地填料的孔隙率：

ε(t)=ε(0)-q_s×t/[150××(1-)×d_ef]

式中：ε_ef—填料的有效孔隙率；ε(0)—填料的初始孔隙率；ρ_s进水中固体物质浓度；W_c一积累在填料孔隙中固体物质的含水量；d_ef一填料有效粒径；q_s一单位面积湿地的悬浮物负荷。

该模型仅考虑进水中悬浮物在填料孔隙中的积累，忽略生物和化学作用对堵塞的影响。

Langergraber等基于湿地的堵塞过程中悬浮物的作用要远大于生物量所起的作用，通过悬浮物负荷SS_load来估算堵塞发生的时间T_clog（d）：

T_clog（d）=180×ρ_ts，org/SS_load

式中ρ_ts，org为总悬浮物中有机物的密度。

该模型假设填料的孔隙率与水力传导系数之间存在严格的线性关系，而实际上当孔隙率减少到一定程度后，孔隙率与水力传导系数呈现出很强的非线性关系，孔隙率的微小减少就会导致水力传导系数的剧烈下降。所以该模型计算出来的理论值要比堵塞实际发生时间要晚。

此外，堵塞模型还有Katsutoshi Seki等建立了土壤的生物堵塞数学模型；及基于孔隙率减少而造成土壤堵塞建立的Kozeny—Garman方程；叶剑锋等建立的不可滤物质累积的微观模型^[17]。但这些模型的使用范围都有一定的局限性。

2 解决措施

2.1 堵塞的预防

湿地系统堵塞的分布和时间与众多设计、运行操作因素有关，湿地堵塞的预防应从设计、进水、运行全方面考虑论文格式。

2.1.1 合理的设计

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