一種新型雙重輪休式潛流濕地及其抗堵塞與去污效果

華祖林，張子豪，沈志偉，鄭 楊，顧 莉

(1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098； 3.長江保護(hù)與綠色發(fā)展研究院，江蘇 南京 210098；4.中交上海航道局有限公司，上海 200002)

當(dāng)前，在污水處理尤其是微污染水體處理中，人工濕地技術(shù)得到廣泛使用，其中，垂直潛流人工濕地由于對氨氮和有機(jī)物去除效率高、具有很高的穩(wěn)定性與抗沖擊負(fù)荷等優(yōu)點，使用最多[1-2]。但是垂直潛流濕地存在一些缺點，如長期運(yùn)行后易發(fā)生堵塞，濕地基質(zhì)發(fā)生堵塞后會破壞內(nèi)部污水流場穩(wěn)定性而造成雍水，使其去污效果大幅降低[3]。

垂直潛流人工濕地發(fā)生堵塞的本質(zhì)是基質(zhì)孔隙率的降低[4]，而基質(zhì)孔隙率下降是由于進(jìn)水中存在的有機(jī)和無機(jī)懸浮固體[5]、部分離子之間反應(yīng)形成的難溶性沉淀物[6]等不可濾物質(zhì)在基質(zhì)孔隙中逐漸積累，占據(jù)基質(zhì)間孔隙，另外大量微生物及其分泌的胞外聚合物積聚在基質(zhì)表面，會與水體中的有機(jī)物形成高含水量、低密度的膠狀淤泥[7]，致使?jié)竦乜紫堵氏陆怠?/p>

為了解決垂直潛流人工濕地堵塞問題，許多學(xué)者進(jìn)行了諸多有益的研究工作。葉劍鋒等[8]研究表明，進(jìn)水中有機(jī)和無機(jī)懸浮固體主要集聚在垂直潛流濕地布水管下10～20 cm處，即基質(zhì)上層，因此有的濕地在運(yùn)行一段時間后需對堵塞的上層填料進(jìn)行更換或清洗，以解決表層基質(zhì)中不可濾物質(zhì)堵塞問題，如紀(jì)良等[9]采用裝配式模塊裝載填料，以便能夠快速更換堵塞后的填料模塊，被堵塞的填料模塊單元通過清洗或更換內(nèi)部填料后可再次利用，但清洗更換填料工作費(fèi)時費(fèi)力且會導(dǎo)致濕地運(yùn)行中斷，除了表層基質(zhì)的堵塞外，濕地下層基質(zhì)也存在一定程度的堵塞。針對濕地基質(zhì)內(nèi)部的有機(jī)物質(zhì)，包括胞外聚合物，Nivala等[10]使用過氧化氫強(qiáng)氧化劑進(jìn)行氧化處理，將有機(jī)物質(zhì)溶解以增加孔隙率。反沖洗措施也是解決整個濕地單元基質(zhì)內(nèi)部堵塞的方法之一，馬飛等[11]使用反沖洗方法，通過氣泵將空氣泵入反沖洗進(jìn)水管形成氣液兩相流，對濕地進(jìn)行大強(qiáng)度反沖洗，可以將堵塞在基質(zhì)孔隙中的有機(jī)物和無機(jī)物沖洗脫落后隨水流流出，達(dá)到緩解堵塞目的。據(jù)統(tǒng)計反沖洗運(yùn)行操作經(jīng)濟(jì)成本很高約為0.2元/(m3·次)[12]，且會對濕地內(nèi)部微生物膜造成破壞，后續(xù)掛膜需要較長時間。

采取輪休方式或停床休作也能有效改善濕地基質(zhì)表面胞外聚合物堵塞的情況，Hua等[13]將堵塞后的垂直流人工濕地分別排空3 d、7 d和10 d后再運(yùn)行，基質(zhì)中的胞外聚合物均有相應(yīng)減少，基質(zhì)孔隙率有所提高。這種輪休方式使得至少有一組濕地單元處于停滯狀態(tài)，無法處理污水，因此一般在實際應(yīng)用中輪休或停床休作需要采用多組濕地單元并聯(lián)的方式，間歇性輪流運(yùn)行以保證處理額定的污水量。輪休雖然解決了濕地堵塞問題，但是濕地單元的利用效率低，另外停床休作的濕地單元在重啟初期水質(zhì)不穩(wěn)定，去除效率不佳。

為此，本文設(shè)計了一種新型雙重輪休式潛流濕地，主體池左右兩池按一定周期交替進(jìn)水，池內(nèi)始終有水流經(jīng)過，避免了濕地單元休作時完全不參與運(yùn)行的情況，同時左右兩池按一定周期更換水流方向，起到了類似于反沖洗的作用。新型濕地結(jié)合了輪休方式與反沖洗方法的優(yōu)點，為解決垂直潛流濕地長期運(yùn)行時易堵塞的問題提供了一種新的途徑。

1 新型濕地及試驗設(shè)計

1.1 新型濕地

新型雙重輪休式潛流人工濕地結(jié)構(gòu)如圖1所示，裝置內(nèi)共有5個池，包括前端的2個預(yù)處理池(A1和A2)、中部的2個主體池(B1和B2)和后端的1個出水池(C1)。預(yù)處理池尺寸為0.3 m×0.4 m×1.2 m，主體池尺寸為1 m×0.4 m×1.2 m，出水池尺寸為0.3 m×0.9 m×1.2 m。預(yù)處理池和主體池內(nèi)垂直分層填鋪填料，最上層厚度為30 cm，填料為8～16 mm粒徑的沸石；中層厚度為30 cm，填料為6～8 mm粒徑的陶粒；底層厚度為30 cm，填料為10～12 mm粒徑的礫石。在這些填料頂部鋪設(shè)厚度為15 cm的土壤，用于種植耐污的水生植物黃菖蒲和西伯利亞鳶尾。同時又專門制作了一個傳統(tǒng)下行式垂直潛流濕地裝置用于對比試驗。傳統(tǒng)濕地的主體池尺寸為1.2 m×0.6 m×1.2 m，出水池尺寸為0.3 m×0.6 m×1.2 m，其主體池內(nèi)填料、水生植物與新型濕地相同。傳統(tǒng)濕地在靠近表層填料(0.8 m高度處)設(shè)有布水管，底部設(shè)有集水管連至出水池，此濕地運(yùn)行時污水由布水管垂直向下均勻布水，通過底部集水管后排入出水池。出水池內(nèi)另接一條管道與集水管相連，用作試驗后期反沖洗。

(a)布置平面

(b)剖面結(jié)構(gòu)

新型濕地的2個預(yù)處理池和2個主體池內(nèi)管道布置完全相同，如圖2所示，各層管道均有主管與支管，主管無孔，支管均勻布孔，保證垂直流濕地均勻布水。主體池底部連通管的平面圖結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，同樣是主管無孔、支管均勻布孔，2個主體池的支管相互連通并穿過2個主體池之間的擋板，實現(xiàn)2個主體池的連通，方便水流在2個主體池底部間往返流動。

(a)布水管

(b)底部連通管

新型濕地輪換制運(yùn)行方式分為兩個時間段。在水流運(yùn)行的第一時間段時，開啟預(yù)處理池A1的進(jìn)水閥門a1和主體池B2的出水管閥門b2，并關(guān)閉預(yù)處理池A2進(jìn)水閥門a2和主體池B1的出水管閥門b1，水流運(yùn)動路線如圖3(a)～(c)中的黑色箭頭所示，污水從預(yù)處理池A1底部的進(jìn)水管進(jìn)入，水流上行通過預(yù)處理池A1頂部的集水管進(jìn)入主體池B1布水管；此時主體池B1內(nèi)水流下行到底部，通過兩個主體池的底部連通管進(jìn)入主體池B2，水流再從主體池B2的底部上行至其集水管，并最終經(jīng)過閥門b2排入出水池C1。

在第一時間段運(yùn)行一段時間后，開始輪換，進(jìn)入第二時間段，水流運(yùn)動路線如圖3(a)(d)(e)中的紅色箭頭所示，此時關(guān)閉預(yù)處理池A1和主體池B2的閥門(a1和b2)，開啟預(yù)處理池A2和主體池B1的閥門(a2和b1)，水流從預(yù)處理池A2進(jìn)入，依次經(jīng)過主體池B2、B1后，排入出水池C1。水流方向改變后濕地內(nèi)的水流路徑也對稱改變，上一時間段的B1池內(nèi)下行水流變?yōu)樯闲校珺2池內(nèi)上行水流變?yōu)橄滦?，第一時間段和第二時間段交替輪休。第二時間段結(jié)束后，調(diào)回閥門開關(guān)，回到第一時間段，進(jìn)入下一個周期，不斷重復(fù)第一、二時間段。新型濕地通過簡單的閥門開關(guān)控制，實現(xiàn)濕地單元的交替進(jìn)水輪休。

1.2 試驗設(shè)計

(a)平面 (b)第一時間段1—1剖面

(c)第一時間段2—2剖面 (d)第二時間段1—1剖面 (e)第二時間段2—2剖面

1.3 最佳輪休周期工況選取及對比試驗

與傳統(tǒng)垂直潛流濕地不同，新型濕地在運(yùn)行階段根據(jù)輪休周期改變主體池內(nèi)水流方向，輪休周期的長短影響新型濕地對污染物的去除效果，因此，需要探究新型濕地最佳輪休周期，使其對污染物有高去除率。

控制新型濕地進(jìn)水流量為0.63 m3/d，水力停留時間約10 h。新型濕地設(shè)置4種不同的輪休周期：3 d、5 d、8 d、14 d，4種個工況分別運(yùn)行18 d、20 d、16 d、28 d。

為了對新型濕地與傳統(tǒng)下行式垂直潛流濕地進(jìn)行抗堵塞能力和去污效果的對比研究，控制傳統(tǒng)濕地的進(jìn)水流量，使其水力停留時間與新型濕地基本一致，約為10 h，并與新型濕地同時運(yùn)行，且傳統(tǒng)濕地的進(jìn)水水質(zhì)、采樣時間也與新型濕地相同，但在運(yùn)行到試驗后期(160 d時)，傳統(tǒng)濕地利用出水池內(nèi)的反沖洗管進(jìn)行反沖洗操作。新型濕地不同輪休周期工況試驗選擇在每天下午5時采集出水水樣，測定水樣的污染物濃度并計算平均去除率[17]。新型濕地與傳統(tǒng)濕地的抗堵塞能力主要通過孔隙率來表征[18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 新型濕地與傳統(tǒng)濕地抗堵塞能力對比

圖5為新型濕地與傳統(tǒng)濕地孔隙率隨時間的變化趨勢，第1次初始測量是在新型濕地和傳統(tǒng)濕地內(nèi)生物膜掛膜成功后，此時兩種濕地的初期孔隙率基本相同，均接近50%。兩種濕地同時運(yùn)行40 d后第2次測量它們的孔隙率，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)濕地和新型濕地預(yù)處理池的孔隙率相差不大，分別為46.89%和46.32%，而新型濕地主體池的孔隙率為48.43%，僅比初次測量的孔隙率下降了0.8%，其堵塞程度最低。第3次測量孔隙率是在兩種濕地同時運(yùn)行140 d、傳統(tǒng)濕地反沖洗前，測量發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)濕地的孔隙率在這個過程中急劇下降了8.17%，其孔隙率變?yōu)?8.72%，受堵塞的影響最大；新型濕地預(yù)處理池的孔隙率降為42.81%，受堵塞影響小于傳統(tǒng)濕地；新型濕地主體池的孔隙率為46.36%，僅下降了2.07%，受堵塞影響最小。兩種濕地同時運(yùn)行160 d、傳統(tǒng)濕地反沖洗結(jié)束后進(jìn)行最后一次孔隙率測量，得到傳統(tǒng)濕地的孔隙率為44.37%，可見反沖洗對提高傳統(tǒng)濕地孔隙率的效果顯著，孔隙率回升了5.65%，緩解了傳統(tǒng)濕地堵塞情況；新型濕地主體池和預(yù)處理池的孔隙率分別為46.21%和42.55%，傳統(tǒng)濕地反沖洗后的孔隙率仍低于新型濕地主體池的孔隙率。

(a)NH3-N

(c)TN

圖5 新型濕地與傳統(tǒng)濕地不同時間孔隙率

試驗結(jié)果表明，整個運(yùn)行階段新型濕地基質(zhì)內(nèi)孔隙率下降幅度較小，從試驗初期到結(jié)束，其主體池孔隙率僅下降了3.02%，受堵塞影響較??；而傳統(tǒng)濕地從初期到反沖洗前孔隙率下降幅度較大，下降了10.93%，其受堵塞影響大于新型濕地；在反沖洗后，傳統(tǒng)濕地的孔隙率有所提高，對堵塞有一定緩解，但其堵塞程度仍然高于新型濕地主體池。新型濕地在5 d的輪休周期下運(yùn)行，能有效緩解堵塞情況，其抗堵塞能力強(qiáng)于設(shè)有反沖洗管、可進(jìn)行反沖洗的傳統(tǒng)濕地。

新型濕地具有較強(qiáng)的抗堵塞能力，主要是因為其雙重輪休與類似于反沖洗的作用。新型濕地的2個預(yù)處理池和2個主體池，配合其按一定周期交替進(jìn)水的運(yùn)行方式，可使得上一時間段有污水流經(jīng)的預(yù)處理池和主體池上部兩個易堵塞區(qū)域處于輪休狀態(tài)，以實現(xiàn)雙重輪休。輪休可使基質(zhì)的大氣復(fù)氧能力增強(qiáng)，以促進(jìn)好氧微生物降解有機(jī)污染物，也使基質(zhì)中微生物進(jìn)入內(nèi)源呼吸階段，消耗胞內(nèi)物質(zhì)或胞外聚合物，緩解因生物膜大量積聚在基質(zhì)表面引起的堵塞狀況[19]。此外水流在主體池B1和B2中按一定輪休周期更換方向，相當(dāng)于反沖洗作用，對截留在基質(zhì)孔隙中的堵塞物質(zhì)進(jìn)行反向沖刷，以減緩基質(zhì)內(nèi)堵塞物的累積。

2.2 新型濕地與傳統(tǒng)濕地去污效果比較

(a)新型濕地

(b)傳統(tǒng)濕地

相比于傳統(tǒng)濕地，新型濕地具有較強(qiáng)的抗堵塞能力，其受堵塞影響程度小，水體能較好地復(fù)氧，使得微生物活性較好，進(jìn)而獲得較好的去污效果；新型濕地中，2個主體池集水管以下部分始終處于運(yùn)行狀態(tài)，不會因堵塞嚴(yán)重而中斷運(yùn)行，濕地系統(tǒng)處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，對其內(nèi)部的微生物群落影響較小，所以新型濕地能保持相對穩(wěn)定的去污效果。傳統(tǒng)濕地在進(jìn)行反沖洗操作前，濕地基質(zhì)有一定程度堵塞，其受堵塞影響程度大于新型濕地，影響水體復(fù)氧，從而影響到微生物活性，使得傳統(tǒng)濕地去污效果不如新型濕地；傳統(tǒng)濕地經(jīng)過較大強(qiáng)度的反沖洗后，基質(zhì)表面的生物膜出現(xiàn)部分脫落，造成濕地內(nèi)生物量有所減少，使其短期內(nèi)難以恢復(fù)反沖洗前的凈水效果，需要穩(wěn)定運(yùn)行一段時間才能恢復(fù)其對污染物較好的去除效果。

3 結(jié) 論

a.新型雙重輪休式潛流濕地通過交替進(jìn)水實現(xiàn)易堵塞的預(yù)處理池和主體池上層的雙重輪休，主體池左右兩池按輪休周期更換水流方向，起到類似于反沖洗的作用。

b.從試驗初期到結(jié)束，新型濕地主體池孔隙率僅下降了3.02%，受堵塞影響小，而傳統(tǒng)濕地從初期到反沖洗前孔隙率下降了10.93%，新型濕地抗堵塞能力強(qiáng)于傳統(tǒng)濕地。

d.新型濕地具有較強(qiáng)的抗堵塞能力和較好且穩(wěn)定的去污效果，為垂直潛流濕地易堵塞問題提供了一種新的解決途徑。