人工濕地基質(zhì)堵塞及其防治措施

文/張清靖 曲疆奇 賈成霞

作者單位：1.北京市水產(chǎn)科學(xué)研究所

2.青海湖裸鯉救護(hù)中心

池塘養(yǎng)殖是我國淡水養(yǎng)殖的主要方式，不僅為有效解決城鄉(xiāng)居民“吃魚難”問題做出了突出貢獻(xiàn)，還在改善農(nóng)村經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、解決農(nóng)民就業(yè)與脫貧致富、推動(dòng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展方面發(fā)揮了巨大作用。由于傳統(tǒng)池塘養(yǎng)殖多追求產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，生產(chǎn)方式單一，在養(yǎng)殖過程中殘餌和糞便的積累常常導(dǎo)致養(yǎng)殖水體水質(zhì)惡化，污染日趨嚴(yán)重。近年來，根據(jù)漁業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和漁業(yè)轉(zhuǎn)方式、調(diào)結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略部署，以及漁業(yè)“提質(zhì)增效、減量增收、綠色發(fā)展、富裕漁民”總體要求，在發(fā)展資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的水產(chǎn)養(yǎng)殖理念指導(dǎo)下，筆者團(tuán)隊(duì)研發(fā)并應(yīng)用了一批池塘養(yǎng)殖水體生態(tài)修復(fù)技術(shù)，加快了生態(tài)和節(jié)水漁業(yè)的發(fā)展步伐，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)環(huán)境效益的和諧發(fā)展。

人工濕地作為池塘養(yǎng)殖水體凈化的一種新型生態(tài)修復(fù)技術(shù)，主要依靠濕地自身的生態(tài)修復(fù)功能，利用濕地中的基質(zhì)、植物和微生物三大系統(tǒng)，通過一系列物理、化學(xué)與生物作用來完成養(yǎng)殖水體水質(zhì)凈化。因此，濕地系統(tǒng)自身以及運(yùn)行環(huán)境的所有因子都會(huì)對濕地系統(tǒng)產(chǎn)生影響，主要包括溫度、溶解氧、pH、水力負(fù)荷、水力停留時(shí)間、污染負(fù)荷、基質(zhì)堵塞以及植物的生理特性等，其中基質(zhì)堵塞是人工濕地技術(shù)應(yīng)用過程中所面臨的主要難題之一。因此，本文系統(tǒng)地總結(jié)了基質(zhì)堵塞的影響因素、形成機(jī)制與解決措施，以期為人工濕地工程設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行提供參考，從而使人工濕地水質(zhì)凈化技術(shù)更好地應(yīng)用于我國池塘養(yǎng)殖實(shí)踐。

一、人工濕地的水質(zhì)凈化機(jī)理

人工濕地是人工模擬自然濕地而建造的生態(tài)系統(tǒng)，其水質(zhì)凈化機(jī)理與自然濕地系統(tǒng)相似，主要利用濕地基質(zhì)、植物和微生物三大體系的協(xié)同作用來完成。研究顯示，植物對污染物的吸收作用只占10%～15%，基質(zhì)對有機(jī)污染物的去除主要體現(xiàn)在對磷的吸收上，而微生物在整個(gè)濕地的生物化學(xué)循環(huán)中占核心地位。成熟的人工濕地中，填料表面形成大量的生物膜，植物的根系廣泛分布，微生物大量繁殖，污水流經(jīng)濕地床時(shí)，大量固體懸浮物被填料、植物根系和生物膜系統(tǒng)截留下來，不溶性和難溶性無機(jī)物被沉淀為濕地基質(zhì)的一部分，而有機(jī)物顆粒則被微生物分解利用，同時(shí)可溶性有機(jī)物和無機(jī)物、N、P以及金屬離子等污水中最主要的成分則通過吸附、過濾、沉淀、離子交換、微生物同化分解和植物吸收等一系列過程得到凈化。人工濕地對N的去除主要靠微生物的氨化、硝化和反硝化作用；而對P的去除主要通過植物吸收、微生物積累及濕地床的物理化學(xué)過程等共同完成。

二、人工濕地的基質(zhì)堵塞

濕地的運(yùn)行效果和水力停留時(shí)間有著密切的關(guān)系，停留時(shí)間過短時(shí)，水力負(fù)荷較大，濕地的進(jìn)出水發(fā)生短路，污染物來不及被降解就被出水帶走，導(dǎo)致各污染物的去除效率較低，濕地系統(tǒng)的水質(zhì)凈化效能得不到充分發(fā)揮。停留時(shí)間過長時(shí)，易形成大量死水區(qū)，導(dǎo)致基質(zhì)層中的溶解氧被大量消耗，新增的溶解氧得不到快速的補(bǔ)充，使?jié)竦貙ξ廴疚镉绕涫菍τ袡C(jī)物和氨氮等含氮物質(zhì)的處理效果變差。在實(shí)際工程中，為了不影響污水的處理效率，潛流人工濕地水力停留時(shí)間一般設(shè)為2d～4d。但是合理的水力停留時(shí)間在大多數(shù)人工濕地中因?yàn)榛|(zhì)易發(fā)生堵塞的現(xiàn)象而得不到良好的保證，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，是人工濕地技術(shù)應(yīng)用與推廣過程中的技術(shù)難點(diǎn)。

（一）基質(zhì)堵塞的成因

堵塞是在所有高負(fù)荷污水過濾系統(tǒng)中常見的自然效應(yīng)，基質(zhì)堵塞是人工濕地常發(fā)生且必須面對的技術(shù)難題。引起濕地堵塞的原因是一個(gè)綜合因素，污水的預(yù)處理不到位、水力負(fù)荷過大、基質(zhì)的選擇不合理、濕地植物衰敗、基質(zhì)機(jī)械壓縮、生物膜老化脫落、氣體以及微生物及其代謝產(chǎn)物等都會(huì)影響基質(zhì)的滲透性能，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致填料層堵塞。污水預(yù)處理效果不好，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的進(jìn)水污染負(fù)荷較大，再加上水力負(fù)荷較大時(shí)，更易造成濕地尤其是布水口附近堵塞層的形成。有研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水負(fù)荷達(dá)到50m左右時(shí)，基質(zhì)的滲透性能明顯下降，并出現(xiàn)系統(tǒng)堵塞現(xiàn)象。在垂直潛流人工濕地中布水管下10cm～20cm處的填料層是最易產(chǎn)生堵塞的區(qū)域，基質(zhì)中不可濾無機(jī)物積累的程度比不可濾有機(jī)物更明顯，且有隨著水流方向遷移的趨勢。有機(jī)物質(zhì)積累與基質(zhì)深度基本呈負(fù)相關(guān)性，雍水后基質(zhì)表層有機(jī)質(zhì)含量高于其它各層。

有研究者提出，濕地中堵塞層的形成是固體有機(jī)物在基質(zhì)層內(nèi)的沉積、填料間生物量生長和分解以及填料所含物質(zhì)的化學(xué)沉淀等作用產(chǎn)生的。進(jìn)水中有機(jī)SS和無機(jī)SS是最易被基質(zhì)層吸附、過濾、沉淀的污染物質(zhì)，因此也被認(rèn)為是大多數(shù)濕地發(fā)生堵塞的最主要原因。同時(shí)濕地不間斷地供水為系統(tǒng)中的生物繁衍提供了持續(xù)的營養(yǎng)供應(yīng)，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的生物量不斷增加也是造成堵塞的一個(gè)因素。此外，濕地中積累的腐殖質(zhì)與細(xì)菌分泌的一些胞外多聚物很容易形成高含水量、低密度的膠狀淤泥，也會(huì)造成基質(zhì)的堵塞。另外，植物的根莖部分在基質(zhì)中具有較大生物量，由植物地下部分大量生長造成填料層的機(jī)械壓縮和植物須根系在填料孔隙中的生態(tài)占位，在基質(zhì)淤堵前后由于孔隙變小導(dǎo)致的毛細(xì)水體積的增加，以及由微生物活動(dòng)中產(chǎn)生的NH3、NO2、N2O、N2等氣體所形成的氣泡帶等可能也是導(dǎo)致填料淤堵的重要因素。

（二）基質(zhì)堵塞的形成過程

人工濕地堵塞的實(shí)質(zhì)是基質(zhì)有效孔隙率減小的物質(zhì)積累過程，其機(jī)理大致可以歸結(jié)為物理、化學(xué)和生物3個(gè)方面，在堵塞形成過程中，它們同時(shí)進(jìn)行并相互影響。一般來講，人工濕地的堵塞形成過程分為三個(gè)階段：（1）初期階段：在濕地運(yùn)行初期，污水中的SS在填料表面和孔隙中進(jìn)行積聚，使基質(zhì)層的局部氧化還原電位下降并開始形成局部厭氧環(huán)境，同時(shí)微生物產(chǎn)生的胞外聚合物也開始積累；（2）中期階段：固體懸浮物和胞外聚合物不斷積累，厭氧區(qū)域的基質(zhì)層逐漸趨于還原狀態(tài)，阻塞進(jìn)一步加劇，并形成暫時(shí)性堵塞；（3）后期階段：到后期基質(zhì)層的結(jié)構(gòu)被破壞，尤其是由土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)被破壞所形成的細(xì)微粘土分子與大量淤積的SS一起形成致密的不透水層，進(jìn)一步降低了污水的滲透速率，同時(shí)基質(zhì)中積累的腐殖質(zhì)也與一些細(xì)菌分泌的胞外多聚物形成高含水量、低密度的膠狀淤泥，一起吸附懸浮或膠體底物，進(jìn)而形成大粒徑的絮團(tuán)狀累積物，造成無機(jī)物和有機(jī)物的共同累積，最終在各種因素的綜合作用下，基質(zhì)層的孔隙完全被堵塞，形成永久性堵塞。

（三）基質(zhì)堵塞對人工濕地運(yùn)行的影響

濕地堵塞后基質(zhì)的滲透系數(shù)下降，過水能力降低，系統(tǒng)失去正常的污水處理功能，并會(huì)在濕地低洼部分形成雍水區(qū)和死水區(qū)，阻隔氧氣向基質(zhì)內(nèi)部擴(kuò)散，造成地下部分缺氧，致使大量的好氧微生物發(fā)生缺氧性死亡，水體中的有機(jī)物和氨氮等污染物質(zhì)得不到有效的生物降解而在濕地床中集聚，逐漸腐壞變質(zhì)，產(chǎn)生異味，夏天還會(huì)孳生蚊蠅。而且好氧和兼性菌群的減少致使中、下層厭氧菌的反應(yīng)底物減少，從而使厭氧細(xì)菌反硝化活動(dòng)受到限制，濕地的水質(zhì)凈化效率和使用壽命都受到嚴(yán)重影響。在不同類型人工濕地中，基質(zhì)堵塞發(fā)生的部位也不盡相同。在表面流人工濕地中，污水在基質(zhì)表面流動(dòng)，污水濃度從入水口到出水口流程中逐漸減小，致使表面流人工濕地在濕地表面前端容易發(fā)生堵塞。而在潛流人工濕地中，由于污水在基質(zhì)中流動(dòng)，堵塞發(fā)生在基質(zhì)內(nèi)部，且因布水方式不同而不同。總體來講，在進(jìn)水端附近發(fā)生堵塞的情況比污水流程中后段要嚴(yán)重，這是由于人工濕地前段為重點(diǎn)凈化功能區(qū)域和濕地基質(zhì)堵塞特性造成的。

三、人工濕地基質(zhì)堵塞的防治措施

對于人工濕地堵塞的解決措施，總的來說還是采取“預(yù)防為主，防治結(jié)合”的方法。工程上的預(yù)防措施主要有進(jìn)水預(yù)處理、基質(zhì)種類和粒徑的合理選擇及植物搭配、調(diào)節(jié)進(jìn)出水方式和控制水力負(fù)荷及有機(jī)負(fù)荷，以及停床休作與輪作、設(shè)置復(fù)氧通氣管等。

預(yù)曝氣可以明顯減少填料中胞外聚合物的蓄積。植物根系穿透填料的過程中具有良好的基質(zhì)疏通作用，可以使?jié)竦靥盍峡紫堵势毡樘岣?%～44%，但也要適當(dāng)控制根系的生物量，可考慮選用根際復(fù)氧能力強(qiáng)、分泌難降解物質(zhì)少的植物并定期對地上部分進(jìn)行收割。理論上雖然可以用大粒徑礫石來解決水力傳導(dǎo)率較低的問題，但不利于微生物的掛膜與生長，同時(shí)也不利于植物根系的生長和蔓延，實(shí)際應(yīng)用中常采用對粒徑適中的填料進(jìn)行反級配的方法來延緩填料堵塞的發(fā)生。

停床休作有利于恢復(fù)基質(zhì)表面的吸附位點(diǎn)和吸附性能，一方面可以預(yù)防由有機(jī)物和懸浮物沉積所造成的孔隙過度堵塞，另一方面可使系統(tǒng)內(nèi)部的淺層剖面上交替形成氧化還原環(huán)境，從而提高系統(tǒng)的污染物凈化功能。

間歇流進(jìn)水方式能夠充分利用大氣復(fù)氧，提高濕地床體內(nèi)的含氧量，有助于提高人工濕地中污染物的去除，因此間歇流人工濕地比連續(xù)流人工濕地在COD和氨氮去除率方面更高。此外在水流間歇期間，基質(zhì)中微生物新陳代謝所需要的各種營養(yǎng)物得不到持續(xù)的補(bǔ)充，逐漸進(jìn)入內(nèi)源呼吸階段，消耗胞外聚合物或胞內(nèi)成分，漸漸衰亡，有利于基質(zhì)恢復(fù)部分水利傳導(dǎo)性能。

在系統(tǒng)中設(shè)置復(fù)氧通氣管與進(jìn)水預(yù)曝氣的方法相似，都是提高水中DO值來強(qiáng)化有機(jī)物硝化過程的有效措施。對于堵塞嚴(yán)重的基質(zhì)，可以采取定期更換表層基質(zhì)的方法，而對于大型濕地，可以采取定期耙松濕地表面的方式來改善濕地上層基質(zhì)的通透性，此外亦可施用化學(xué)藥劑對有機(jī)堵塞物進(jìn)行清洗或脫除，或?qū)竦靥盍线M(jìn)行反沖洗，以解決生物濾料堵塞等。

四、總結(jié)

人工濕地作為一種工藝流程簡單、運(yùn)行管理方便和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低廉的高效水生態(tài)修復(fù)技術(shù)，其基質(zhì)堵塞的形成原因是多方面的。因此，單靠簡單的“治”不是解決濕地堵塞現(xiàn)象的最好方法，在人工濕地水處理過程中要做好污水的預(yù)處理，選擇合適粒徑的填料并進(jìn)行級配，以及種植根深且耐污的植物種類，同時(shí)采取濕地局部增氧等預(yù)防措施，是保證濕地系統(tǒng)長期高效運(yùn)行的有力保障。此外，通過建立基質(zhì)堵塞機(jī)制的數(shù)學(xué)模型對污染負(fù)荷、水力負(fù)荷、基質(zhì)特性以及有效孔隙率等因素進(jìn)行模擬分析，準(zhǔn)確預(yù)測堵塞發(fā)生的進(jìn)程，以充分發(fā)揮人工濕地低成本和高效率的污水生態(tài)處理優(yōu)勢，為積極采取經(jīng)濟(jì)有效的解決措施提供科學(xué)的理論依據(jù)。