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人工湿地基质堵塞与其防治措施
文/张清靖 1,2 曲疆奇 1 贾成霞
池 塘 养 殖 是 我 国 淡水养殖的主要方式,不仅为有效解决城乡居民“吃鱼难”问题做出了突出贡献,还在改善农村经济结构、解决农民就业与脱贫致富、推动农村经济社会发 展 方 面 发 挥 了 巨 大 作用.由于传统池塘养殖多追求产量和经济效益,生产方式单一,在养殖过程中残饵和粪便的积累常常导致养殖水体水质恶化,污染日趋严重.近年来,根据渔业供给侧结构性改革和渔业转方式、调结构的战略部署,以及渔业“提质增效、减量增收、绿色发展、富裕渔民”总体要求,在发展资源节约型、环境友好型的水产养殖理念指导下,笔者团队研发并应用了一批池塘养殖水体生态修复技术,加快了生态和节水渔业的发展步伐,实现了经济效益、社会效益和生态环境效益的和谐发展.
人工湿地作为池塘养殖水体净化的一种新型生态修复技术,主要依靠湿地自身的生态修复功能,利用湿地中的基质、植物和微生物三大系统,通过一系列物理、化学与生物作用来完成养殖水体水质净化.因此,湿地系统自身以及运行环境的所有因子都会对湿地系统产生影响,主要包括温度、溶解氧、pH、水力负荷、水力停留时间、污染负荷、基质堵塞以及植物的生理特性等,其中基质堵塞是人工湿地技术应用过程中所面临的主要难题之一.因此,本文系统地总结了基质堵塞的影响因素、形成机制与解决措施,以期为人工湿地工程设计、建造和运行提供参考,从而使人工湿地水质净化技术更好地应用于我国池塘养殖实践.
一、人工湿地的水质净化机理
人工湿地是人工模拟自然湿地而建造的生态系统,其水质净化机理与自然湿地系统相似,主要利用湿地基质、植物和微生物三大体系的协同作用来完成.研究显示,植物对污染物的吸收作用只占10％～15％,基质对有机污染物的去除主要体现在对磷的吸收上,而微生物在整个湿地的生物化学循环中占核心地位.成熟的人工湿地中,填料表面形成大量的生物膜,植物的根系广泛分布,微生物大量繁殖,污水流经湿地床时,大量固体悬浮物被填料、植物根系和生物膜系统截留下来,不溶性和难溶性无机物被沉淀为湿地基质的一部分,而有机物颗粒则被微生物分解利用,同时可溶性有机物和无机物、N、P以及金属离子等污水中最主要的成分则通过吸附、过滤、沉淀、离子交换、微生物同化分解和植物吸收等一系列过程得到净化.人工湿地对N的去除主要靠微生物的氨化、硝化和反硝化作用；而对P的去除主要通过植物吸收、微生物积累及湿地床的物理化学过程等共同完成.
二、人工湿地的基质堵塞
湿地的运行效果和水力停留时间有着密切的关系,停留时间过短时,水力负荷较大,湿地的进出水发生短路,污染物来不及被降解就被出水带走,导致各污染物的去除效率较低,湿地系统的水质净化效能得不到充分发挥.停留时间过长时,易形成大量死水区,导致基质层中的溶解氧被大量消耗,新增的溶解氧得不到快速的补充,使湿地对污染物尤其是对有机物和氨氮等含氮物质的处理效果变差.在实际工程中,为了不影响污水的处理效率,潜流人工湿地水力停留时间一般设为2d～4d.但是合理的水力停留时间在大多数人工湿地中因为基质易发生堵塞的现象而得不到良好的保证,严重时甚至会导致系统瘫痪,是人工湿地技术应用与推广过程中的技术难点.
（一）基质堵塞的成因
堵塞是在所有高负荷污水过滤系统中常见的自然效应,基质堵塞是人工湿地常发生且必须面对的技术难题.引起湿地堵塞的原因是一个综合因素,污水的预处理不到位、水力负荷过大、基质的选择不合理、湿地植物衰败、基质机械压缩、生物膜老化脱落、气体以及微生物及其代谢产物等都会影响基质的渗透性能,严重时导致填料层堵塞.污水预处理效果不好,会导致系统的进水污染负荷较大,再加上水力负荷较大时,更易造成湿地尤其是布水口附近堵塞层的形成.有研究发现,进水负荷达到50m左右时,基质的渗透性能明显下降,并出现系统堵塞现象.在垂直潜流人工湿地中布水管下10cm～20cm处的填料层是最易产生堵塞的区域,基质中不可滤无机物积累的程度比不可滤有机物更明显,且有随着水流方向迁移的趋势.有机物质积累与基质深度基本呈负相关性,雍水后基质表层有机质含量高于其它各层.
有研究者提出,湿地中堵塞层的形成是固体有机物在基质层内的沉积、填料间生物量生长和分解以及填料所含物质的化学沉淀等作用产生的.进水中有机SS和无机SS是最易被基质层吸附、过滤、沉淀的污染物质,因此也被认为是大多数湿地发生堵塞的最主要原因.同时湿地不间断地供水为系统中的生物繁衍提供了持续的营养供应,导致系统内产生的生物量不断增加也是造成堵塞的一个因素.此外,湿地中积累的腐殖质与细菌分泌的一些胞外多聚物很容易形成高含水量、低密度的胶状淤泥,也会造成基质的堵塞.另外,植物的根茎部分在基质中具有较大生物量,由植物地下部分大量生长造成填料层的机械压缩和植物须根系在填料孔隙中的生态占位,在基质淤堵前后由于孔隙变小导致的毛细水体积的增加,以及由微生物活动中产生的NH 3 、NO 2 、N 2 O、N 2 等气体所形成的气泡带等可能也是导致填料淤堵的重要因素.
（二）基质堵塞的形成过程
人工湿地堵塞的实质是基质有效孔隙率减小的物质积累过程,其机理大致可以归结为物理、化学和生物3个方面,在堵塞形成过程中,它们同时进行并相互影响.一般来讲,人工湿地的堵塞形成过程分为三个阶段：（1）初期阶段：在湿地运行初期,污水中的SS在填料表面和孔隙中进行积聚,使基质层的局部氧化还原电位下降并开始形成局部厌氧环境,同时微生物产生的胞外聚合物也开始积累；（2）中期阶段：固体悬浮物和胞外聚合物不断积累,厌氧区域的基质层逐渐趋于还原状态,阻塞进一步加剧,并形成暂时性堵塞；（3）后期阶段：到后期基质层的结构被破坏,尤其是由土壤团粒结构被破坏所形成的细微粘土分子与大量淤积的SS一起形成致密的不透水层,进一步降低了污水的渗透速率,同时基质中积累的腐殖质也与一些细菌分泌的胞外多聚物形成高含水量、低密度的胶状淤泥,一起吸附悬浮或胶体底物,进而形成大粒径的絮团状累积物,造成无机物和有机物的共同累积,最终在各种因素的综合作用下,基质层的孔隙完全被堵塞,形成永久性堵塞.
（三）基质堵塞对人工湿地运行的影响
湿地堵塞后基质的渗透系数下降,过水能力降低,系统失去正常的污水处理功能,并会在湿地低洼部分形成雍水区和死水区,阻隔氧气向基质内部扩散,造成地下部分缺氧,致使大量的好氧微生物发生缺氧性死亡,水体中的有机物和氨氮等污染物质得不到有效的生物降解而在湿地床中集聚,逐渐腐坏变质,产生异味,夏天还会孳生蚊蝇.而且好氧和兼性菌群的减少致使中、下层厌氧菌的反应底物减少,从而使厌氧细菌反硝化活动受到限制,湿地的水质净化效率和使用寿命都受到严重影响.在不同类型人工湿地中,基质堵塞发生的部位也不尽相同.在表面流人工湿地中,污水在基质表面流动,污水浓度从入水口到出水口流程中逐渐减小,致使表面流人工湿地在湿地表面前端容易发生堵塞.而在潜流人工湿地中,由于污水在基质中流动,堵塞发生在基质内部,且因布水方式不同而不同.总体来讲,在进水端附近发生堵塞的情况比污水流程中后段要严重,这是由于人工湿地前段为重点净化功能区域和湿地基质堵塞特性造成的.
三、人工湿地基质堵塞的防治措施
对于人工湿地堵塞的解决措施,总的来说还是采取“预防为主,防治结合”的方法.工程上的预防措施主要有进水预处理、基质种类和粒径的合理选择及植物搭配、调节进出水方式和控制水力负荷及有机负荷,以及停床休作与轮作、设置复氧通气管等.
预曝气可以明显减少填料中胞外聚合物的蓄积.植物根系穿透填料的过程中具有良好的基质疏通作用,可以使湿地填料孔隙率普遍提高3％～44％,但也要适当控制根系的生物量,可考虑选用根际复氧能力强、分泌难降解物质少的植物并定期对地上部分进行收割.理论上虽然可以用大粒径砾石来解决水力传导率较低的问题,但不利于微生物的挂膜与生长,同时也不利于植物根系的生长和蔓延,实际应用中常采用对粒径适中的填料进行反级配的方法来延缓填料堵塞的发生.
停床休作有利于恢复基质表面的吸附位点和吸附性能,一方面可以预防由有机物和悬浮物沉积所造成的孔隙过度堵塞,另一方面可使系统内部的浅层剖面上交替形成氧化还原环境,从而提高系统的污染物净化功能.
间歇流进水方式能够充分利用大气复氧,提高湿地床体内的含氧量,有助于提高人工湿地中污染物的去除,因此间歇流人工湿地比连续流人工湿地在COD和氨氮去除率方面更高.此外在水流间歇期间,基质中微生物新陈代谢所需要的各种营养物得不到持续的补充,逐渐进入内源呼吸阶段,消耗胞外聚合物或胞内成分,渐渐衰亡,有利于基质恢复部分水利传导性能.
在系统中设置复氧通气管与进水预曝气的方法相似,都是提高水中DO值来强化有机物硝化过程的有效措施.对于堵塞严重的基质,可以采取定期更换表层基质的方法,而对于大型湿地,可以采取定期耙松湿地表面的方式来改善湿地上层基质的通透性,此外亦可施用化学药剂对有机堵塞物进行清洗或脱除,或对湿地填料进行反冲洗,以解决生物滤料堵塞等.
四、总结
人工湿地作为一种工艺流程简单、运行管理方便和运行维护费用低廉的高效水生态修复技术,其基质堵塞的形成原因是多方面的.因此,单靠简单的“治”不是解决湿地堵塞现象的最好方法,在人工湿地水处理过程中要做好污水的预处理,选择合适粒径的填料并进行级配,以及种植根深且耐污的植物种类,同时采取湿地局部增氧等预防措施,是保证湿地系统长期高效运行的有力保障.此外,通过建立基质堵塞机制的数学模型对污染负荷、水力负荷、基质特性以及有效孔隙率等因素进行模拟分析,准确预测堵塞发生的进程,以充分发挥人工湿地低成本和高效率的污水生态处理优势,为积极采取经济有效的解决措施提供科学的理论依据 .
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