人工濕地工程應(yīng)用中面積計(jì)算與基質(zhì)堵塞研究進(jìn)展

曾磊 雷培樹 蔡世顏 孫健 崔朋 鮑任兵 汪路

（中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430030）

人工濕地是指用人工筑成水池或溝槽，底面鋪設(shè)防滲漏隔水層，填充一定深度的基質(zhì)，種植水生植物，利用基質(zhì)、植物、微生物的物理、化學(xué)、生物三重協(xié)同作用使污水得到凈化的污水處理技術(shù)（張燕等, 2017），具有投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、易于維護(hù)、環(huán)境友好等特點(diǎn)（楊宗慧等, 2017）。近年來，人工濕地被廣泛應(yīng)用于農(nóng)村生活污水處理（何俊程等, 2017）、城鎮(zhèn)污水廠尾水深度處理（岑璐瑤等, 2019）、海綿城市建設(shè)（肖海文等, 2018）等多個(gè)方面，并取得了很好的應(yīng)用效果。但我國在人工濕地工程應(yīng)用中也遇到了很多問題（黃錦樓等, 2013； 李小艷等, 2018），其中，最為突出的就是人工濕地工程面積計(jì)算粗放和濕地基質(zhì)堵塞。本文綜述了人工濕地工程面積計(jì)算方法的種類與應(yīng)用現(xiàn)狀，濕地基質(zhì)堵塞的影響因素、預(yù)防與恢復(fù)及其未來的發(fā)展方向，以期為人工濕地工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。

1 人工濕地面積計(jì)算

1.1 計(jì)算方法

人工濕地工程設(shè)計(jì)時(shí)，首先要確定工程所需要的濕地總面積，計(jì)算濕地面積的方法主要有水力停留時(shí)間法、水力負(fù)荷法、污染物表面負(fù)荷法和速率系數(shù)法4 種。

表1 表流、潛流濕地相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的取值表Table 1 The values of design parameters related to surface flow and subsurface wetland

1.1.1 水力停留時(shí)間法 水力停留時(shí)間法的計(jì)算公式見（1）：

式中：Q：人工濕地設(shè)計(jì)處理水量（m3/d）；

T：水力停留時(shí)間（d）；

n：填料孔隙率；

h：濕地深度（m）；

濕地設(shè)計(jì)深度及填料空隙率見表1，根據(jù)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)或參考人工濕地規(guī)范規(guī)程來確定水力停留時(shí)間（表3）。

1.1.2 水力負(fù)荷法 水力負(fù)荷法的計(jì)算公式見式（2）：

q0設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)或參考相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范、指南等確定水力負(fù)荷和水力停留時(shí)間（表3）。

1.1.3 污染物表面負(fù)荷法 污染物表面負(fù)荷法的計(jì)算公式見式（3）：

C0：進(jìn)水污染物濃度（mg/L）；

C1：出水污染物濃度（mg/L）；

q1：單位面積濕地每天污染物處理量(g/(m2·d))。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)或參考相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范、指南等確定污染物表面負(fù)荷（表3）。

1.1.4 速率系數(shù)法 速率系數(shù)法的計(jì)算公式見式（4）：

Ki：反應(yīng)速率系數(shù)

濕地深度（h）、孔隙率（n）的取值見表1，而Ki的計(jì)算則要根據(jù)污染物種類和溫度的變化而變化，計(jì)算公式詳見表2。

1.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

在人工濕地面積計(jì)算的4 種方法中，水力停留時(shí)間法、水力負(fù)荷法、污染物表面負(fù)荷法這3 種使用最為廣泛（張潤斌等, 2017），且均涉及到水力負(fù)荷、污染物負(fù)荷、水力停留時(shí)間等主要設(shè)計(jì)參數(shù)的取值。關(guān)于主要設(shè)計(jì)參數(shù)的取值，有豐富工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的人員可通過經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值，而經(jīng)驗(yàn)較少的設(shè)計(jì)人員則需參考相關(guān)人工濕地技術(shù)規(guī)范、規(guī)程或?qū)t。目前，可參考的濕地規(guī)范規(guī)程，主要包括《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》（HJ 205-2010）、《污水自然處理工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 54-2017）及不同省市頒布的人工濕地污水處理技術(shù)規(guī)程、規(guī)范或指南（表3）。然而，不同規(guī)范、規(guī)程或指南中對(duì)主要設(shè)計(jì)參數(shù)的推薦取值有所不同，且同一規(guī)范中對(duì)同一設(shè)計(jì)參數(shù)的推薦取值范圍也較大。當(dāng)采用水力停留時(shí)間法、水力負(fù)荷法和污染物表面負(fù)荷法進(jìn)行人工濕地面積計(jì)算和復(fù)核時(shí)，選取推薦參數(shù)的最大值或最小值所計(jì)算的濕地面積有時(shí)會(huì)相差幾倍甚至幾十倍。因此，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，經(jīng)驗(yàn)較少的設(shè)計(jì)人員多采用推薦數(shù)據(jù)最低值或平均值，再乘以一個(gè)安全系數(shù)，以增加水質(zhì)達(dá)標(biāo)的安全性，但此計(jì)算方法會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的濕地面積過大，而無法滿足實(shí)際應(yīng)用條件，限制了濕地的推廣應(yīng)用。

反應(yīng)速率系數(shù)法是美國環(huán)保署研發(fā)，經(jīng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)檢驗(yàn)的半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法，主要依賴于與環(huán)境溫度呈顯著相關(guān)的反應(yīng)速率系數(shù)。針對(duì)不同污染物及濕地類型，該系數(shù)均有不同的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，相較于前3 種計(jì)算方法，相對(duì)更準(zhǔn)確可靠。但反應(yīng)速率系數(shù)法的研究與檢驗(yàn)均建立在美國人工濕地工程設(shè)計(jì)與運(yùn)行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，缺乏我國人工濕地工程數(shù)據(jù)的校核。而且，該方法計(jì)算較為復(fù)雜，反應(yīng)速率系數(shù)還受到其他環(huán)境條件（污水類型、濕地基質(zhì)、植物等）的影響，因此實(shí)際應(yīng)用也有其局限性。

2 人工濕地基質(zhì)堵塞

如果人工濕地設(shè)計(jì)不合理或建成后運(yùn)行管理維護(hù)不當(dāng)，很容易產(chǎn)生淤積、阻塞現(xiàn)象。在我國實(shí)際的工程應(yīng)用中，能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行超過5年或10年以上的人工濕地工程案例較少，大部分人工濕地工程在運(yùn)行較短的時(shí)間內(nèi)便會(huì)發(fā)生堵塞，絕大部分濕地堵塞后便被廢棄。人工濕地基質(zhì)堵塞問題已成為制約其工程應(yīng)用的主要因素之一。

表2 表流和潛流濕地BOD、氨氮和硝態(tài)氮的Ki 計(jì)算公式Table 2 The calculation formula of Ki of BOD、ammonia nitrogen and nitrate nitrogen in surface and subsurface wetland

表3 人工濕地主要設(shè)計(jì)規(guī)范、規(guī)程和導(dǎo)則的主要設(shè)計(jì)參數(shù)推薦取值Table 3 The recommended values ofmajor design parameters inmain design specification, procedures and guidelines for constructed wetlands

2.1 堵塞的影響因素

濕地堵塞的過程實(shí)質(zhì)上就是有效孔隙率減少的過程，孔隙率的急劇下降必然會(huì)引起濕地過流能力的降低、基質(zhì)堵塞（Nivala et al, 2012），污水會(huì)在濕地表面形成漫流，從而喪失了污水凈化的功能，影響濕地的使用壽命及長期運(yùn)行的穩(wěn)定性。

導(dǎo)致人工濕地堵塞的原因有很多，主要包括填料級(jí)配不合理、進(jìn)水懸浮物濃度偏高、有機(jī)負(fù)荷較高、植物殘?bào)w堵塞等（Hua et al, 2017）：濕地填料的結(jié)構(gòu)特性、粒徑、級(jí)配等直接決定了濕地基質(zhì)的水力傳導(dǎo)，是影響濕地堵塞的主要因素之一（Hua et al, 2010）。基質(zhì)的粒徑越大、多孔結(jié)構(gòu)越多、級(jí)配越合理，基質(zhì)的空隙度及水力傳導(dǎo)越好，基質(zhì)短期內(nèi)發(fā)生堵塞的概率越?。粷竦剡M(jìn)水中SS濃度較高，特別是無機(jī)物含量較高，基質(zhì)則會(huì)由于物理截留作用而發(fā)生沉積和堵塞（Zhao et al, 2009）。人工濕地設(shè)計(jì)規(guī)范或規(guī)程中，對(duì)進(jìn)水SS 濃度有一定要求，不宜超過80～100mg/L。 當(dāng) 進(jìn)水中SS 含量過高時(shí)，濕地基質(zhì)會(huì)由于懸浮顆粒物的迅速累積而發(fā)生堵塞，使得濕地的使用壽命縮短；濕地進(jìn)水中有機(jī)負(fù)荷過高時(shí)，微生物數(shù)量相對(duì)不足，導(dǎo)致有機(jī)物不能及時(shí)被分解，進(jìn)而堵塞基質(zhì)（葉建豐等, 2008）；人工濕地的環(huán)境條件，如：運(yùn)行方式、濕地溫度等，也會(huì)對(duì)濕地基質(zhì)堵塞產(chǎn)生重要影響；連續(xù)運(yùn)行的人工濕地比間歇運(yùn)行的濕地更容易發(fā)生堵塞（Hua et al, 2013）；高水力負(fù)荷條件下濕地更容易發(fā)生堵塞（王宇擎等, 2018）；濕地溫度低于10℃時(shí)，由于微生物活性較低，濕地易受到未及時(shí)降解的有機(jī)固體物的影響而發(fā)生堵塞。

2.2 堵塞的預(yù)防

人工濕地一旦發(fā)生堵塞，目前還無很好的方法完全恢復(fù)基質(zhì)的滲透性，只能通過一些方法來部分恢復(fù)基質(zhì)的滲透性。在人工濕地設(shè)計(jì)和后期運(yùn)行管理上，采取適當(dāng)措施來預(yù)防和緩解人工濕地堵塞是目前國內(nèi)外的普遍做法，主要措施包括：在滿足出水水質(zhì)的條件下，盡量選擇粒徑大、孔隙率高的基質(zhì)，增大基質(zhì)的滲透性（Kayser, 2005）；在污水進(jìn)入濕地前，應(yīng)對(duì)進(jìn)水進(jìn)行預(yù)處理，降低進(jìn)水中懸浮物濃度和有機(jī)污染負(fù)荷，減輕濕地系統(tǒng)處理負(fù)荷（王振等, 2015）；強(qiáng)化人工濕地的運(yùn)行管理，對(duì)枯萎的濕地植物殘?bào)w進(jìn)行及時(shí)收割（武彥生等, 2012）；濕地運(yùn)行時(shí)可間歇進(jìn)水和輪休運(yùn)行，恢復(fù)部分基質(zhì)的滲透性等（陳亮等, 2005）。在人工濕地工程應(yīng)用中，基質(zhì)堵塞問題，應(yīng)以堵塞預(yù)防為主，堵塞恢復(fù)為輔，在工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)階段應(yīng)充分考慮各種預(yù)防措施，有效緩解基質(zhì)堵塞，延長濕地使用壽命。

2.3 堵塞恢復(fù)

人工濕地基質(zhì)一旦發(fā)生堵塞，應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)措施進(jìn)行堵塞恢復(fù)，疏通基質(zhì)，恢復(fù)基質(zhì)孔隙率。常見的恢復(fù)措施包括：基質(zhì)的更換與翻新、投放蚯蚓等小型動(dòng)物、化學(xué)藥劑恢復(fù)等。

濕地基質(zhì)的更換與翻新是解決堵塞最直接和常用的方法。大量研究表明，濕地堵塞發(fā)生部位多集中在水平潛流濕地的進(jìn)水區(qū)和垂直潛流濕地基質(zhì)的上層（高泉祀等, 2015； Davison et al, 2005）。當(dāng)堵塞發(fā)生時(shí)，可對(duì)發(fā)生堵塞的部位進(jìn)行基質(zhì)更換，可有效緩解堵塞，保持濕地的長期穩(wěn)定運(yùn)行。在對(duì)垂直流濕地進(jìn)行基質(zhì)更換時(shí)，為不影響濕地植物的生長，宜在植物枯萎的秋冬季進(jìn)行。

投放蚯蚓等腐生動(dòng)物，能通過其分解代謝堵塞有機(jī)物和生命活動(dòng)疏通基質(zhì)，來恢復(fù)基質(zhì)的滲透性。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，利用投放蚯蚓來恢復(fù)濕地堵塞基質(zhì)，可顯著減少引起基質(zhì)堵塞的不溶有機(jī)物的含量，并將其轉(zhuǎn)化為溶解性物質(zhì)（Xu et al, 2013）。然而，該方法多停留在試驗(yàn)研究，工程應(yīng)用的案例較少，且蚯蚓對(duì)環(huán)境溫度有一定要求，當(dāng)外界溫度低于5℃以下時(shí)，蚯蚓便會(huì)冬眠，因而在我國北方地區(qū)，不適宜使用該方法。

化學(xué)藥劑恢復(fù)指的是通過投加一些強(qiáng)氧化劑、表面活性劑等化學(xué)藥劑來洗脫發(fā)生大量積聚的微生物胞外聚合物及生物膜，從而達(dá)到恢復(fù)基質(zhì)滲透性的目的。Nivala 等（2009）通過將強(qiáng)氧化劑H2O2投入到堵塞濕地中，濕地堵塞基質(zhì)得到較好恢復(fù)。Hua等（2013）利用具有腐蝕性的NaOH、HCl 和強(qiáng)氧化性的NaClO 進(jìn)行濕地堵塞恢復(fù)模擬試驗(yàn)，均取得顯著效果。Du 等（2016）研究發(fā)現(xiàn)，鼠李糖脂能有效溶解和分散胞外聚合物，使其顆粒尺寸轉(zhuǎn)化為更小形態(tài)，利于在填料中流動(dòng)，從而恢復(fù)孔隙率。然而化學(xué)恢復(fù)過程不宜控制，且會(huì)對(duì)微生物群落、植物生長產(chǎn)生巨大破壞，在實(shí)際應(yīng)用的案例也很少，多停留在試驗(yàn)研究。

3 小結(jié)與展望

近年來，人工濕地污水處理系統(tǒng)在不同的環(huán)境領(lǐng)域得到大量的應(yīng)用，取得了很好的應(yīng)用效果。但在應(yīng)用過程中，濕地面積計(jì)算及基質(zhì)堵塞問題一直困擾著人工濕地的研究與設(shè)計(jì)人員，嚴(yán)重阻礙了濕地的工程應(yīng)用。

人工濕地對(duì)污染物的去除過程目前仍是一個(gè)“黑箱”，污染物的不同去除路徑在實(shí)際工程應(yīng)用中并不是獨(dú)立作用，而是通過相互影響、促進(jìn)、協(xié)同等不同方式來降解污染物，且其對(duì)外界環(huán)境的變化較敏感。因此，人工濕地面積計(jì)算宜通過大量工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)而獲得，或者在工程應(yīng)用前進(jìn)行現(xiàn)場小試模擬研究，以確定主要設(shè)計(jì)參數(shù)，再進(jìn)行擴(kuò)大設(shè)計(jì)。由于各種外界條件的限制，建立以省區(qū)為單位的人工濕地工程設(shè)計(jì)信息交流共享平臺(tái)是較為切實(shí)可行的解決方法，通過共享工程設(shè)計(jì)資料，不僅能促進(jìn)設(shè)計(jì)人員的技術(shù)交流，還能方便各設(shè)計(jì)工程的相互學(xué)習(xí)借鑒，有利于人工濕地的推廣與應(yīng)用。人工濕地基質(zhì)堵塞問題是目前限制濕地工程應(yīng)用的主要問題，引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注?；|(zhì)堵塞涉及到物理、化學(xué)、生物等多方面因素，是一個(gè)復(fù)雜的過程。對(duì)于濕地堵塞問題，應(yīng)在工程設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理階段進(jìn)行預(yù)防，以緩解基質(zhì)堵塞進(jìn)程，延長濕地使用壽命。

盡管人工濕地在實(shí)際的工程應(yīng)用中出現(xiàn)了很多問題，但由于其工程投資及運(yùn)行維護(hù)成本低、環(huán)境友好、處理效果顯著等優(yōu)勢(shì)，人工濕地一定會(huì)得到更多的推廣應(yīng)用，其遇到的問題也會(huì)在未來的研究與工程應(yīng)用中得到有效解決。