（环境工程专业论文）垂直流人工湿地基质堵塞问题及解决方法研究.pdf

垂直流人工湿地基质堵塞问题及解决方法研究 摘要 针对垂直流人工湿地在运行中常遇到的基质堵塞问题，本文对影响垂 直流人工湿地基质堵塞的三个因素一水力负荷、有机负荷和运行方式，以 及解决基质堵塞的方法一自然导气法、鼓风曝气法和自然降解法进行了研 究。旨在明确垂直流人工湿地基质堵塞的机理，优化运行参数来预防基质 的堵塞，寻找解决堵塞的可行方法。 通过研究得出以下结论：1 、水力负荷是影响人工湿地基质堵塞的重要 因素。在较低和较高水力负荷下不易发生堵塞。水力负荷低于o 3i 川运行 时去除效果较好且不易堵塞。2 、进水有机负荷越高，垂直流人工湿地越容 易堵塞，基质中的累积物越多，累积物向下移动的趋势越明显，c o d n 为 2 5 时氨氮的去除效果较好。3 、轮休运行可以减缓垂直流人工湿地基质堵 塞的发生。运行与休息时间比较小时，运行与休息时间比对基质堵塞的影 响区别不明显。轮休可以减少基质问堵塞物的含量，运行与休息时间比越 大，基质问堵塞物的含量越多。轮休运行对垂直流人工湿地c o d 去除率没 有影响，但可以提高对氨氮的去除率，氨氮去除率随着运行与休息时间比的 增大而减小。4 、自然导气对水力负荷低于o 9n 坩运行的基质堵塞改善作 用明显，同时可著提高垂直流人工湿地对污染物的去除能力，对氨氮去除 效果的影响尤为突出；当水力负荷为1 2n 以时改善作用甚微。5 、采用鼓 风曝气可以解决基质堵塞问题。当孔隙率下降较少时，曝气流量对孔隙的 恢复影响不大；当孔隙率下降较多时，曝气参数为流量3 5 0l m 和时间2 4 小时时的曝气量可以使孔隙率恢复到原先的水平。6 、垂直流人工湿地堵塞 后停止进水休息，自然降解1 5 天可基本恢复基质的孔隙率。停止运行的前 5 天孔隙率恢复的速度较快，可恢复大部分的基质孔隙率。7 、垂直流人工 湿地基质的堵塞主要发生于表层。无机物的堵塞比有机物的堵塞更加显著。 堵塞后，对c o d 和氨氮的去除效果均有影响，对氨氮的去除效果影响较明 显，堵塞后氨氮的去除率下降，去除效果不稳定，影响人工湿地的稳定运 行。 关键词：人工湿地垂直流基质堵塞自然导气鼓风曝气 n t h es t u d yo fs u b s t r a t ec l o g g i n gp r o b l e ma n d s o l u t i o n s i nv e r t i c a l f l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d a i m i n ga t l e s u b s 廿a ：t ec l o g g i i l gp r o b l e mmv r e r t i c a l - f l o wc o n 咖t e d w e t l a n dw k c ho r e ne n c 0 i m t e r e di i lo p e r a t i o n ，t l l r e ef i a c 幻髑w h i c hi 1 1 f l u e n c e s u b 蛐眦ec l o g g i i 培o fv e n i c a l - n o wc o i 咖c t e dw 就l a n dw e r es t u d i e di i ln l i s p 印e r n em r e e 蟊舰o r sw e r eh y 妇l i cl o a d h l g ，o 玛a i l i cl o a d i r 培锄do p e r a t i o n m o d e s o l u t i o l l sf 0 r 吼l b s 眦c l o g g i i l gw e r ea l s os t u d i e d t h es 0 1 u t i o n sw e r e n a t l j r a i a e r a t i o n ，d i a j l l s e d m t i o na n dm n = u 陷ld e 目墨( l a t i o n t h e 咖d ya i l i l s a t d e f i i l i n gm em e c h a l l i s mo fs u b s 觚t ec l o g g i i l go fv e n i c a l n o wc o n 蛐r u c 钯d 、u a n da n do p t i i l l i z i i 培o p e r a t i o np a r a m e t e r st 0p r e v e n ts u l b s 仃a t ec l o g g m g ，嬲 、e l l 私f m d 崦f e a s i b l em 砒o d f o rs o l v 吨s u b s t i a t ec l o g g 迦p b l e m b yr e s e a r c h i i 坞，c o n c l u s i o 璐、e r e0 b t a m e d a sf 0 1 l o w s 1 i y d r 叭l i c1 0 a d i i l g w 硒a ni m p o i 伽tf a c t o r i i l n u e n c i n g s u b s 们t e c l o g g i l l g o fv e r t i c a l n o w c o n 咖c t e dw e t l a n d t h ec l o g g i i l g 郴n o te a s yt 0h 印p e nw h e nn l eh y d r a u l i c l o a d 、a sa tm 曲e ro r l o w e r1 e v e l s v e r t i c a l - f l o wc o n 咖c t e dw e t l 觚dh a da b e t c e rr e m o v a le 伍c i e n c y 锄dl e s sp r o i l et 0c l o g g i l l gw h e nt l l eh y d r 刁【u l i cl o a d i l l g w a sl o w e rm 孤o 3i d 2 n em g h e r 也ei i l n u e n to 玛越cl o a d m g ，1 ee a s i e r 廿l e v e n i c a l f l o wc o n s n l j c t e dw e t l a i l dw 弱p r o n et o c l o g g i n g ， a l s ot l l em o r e a c c u 埘【u l a t e dm a t e r i a l m e a r m 畅1 e ，a c 伽n u l a t e dm a t e r i a lm o v i r 培d o w n w a r d 臼e n dm o r es i 鲥f i c a n t t h er e m o v a le 伍c i e n c yo fa m m o n i aw a u sh i 曲e rw r h e n c o d n 、a s2 5 3 a l t e m a t e0 p e 枷o nc o u l ds l o wd o 、张m eo c c u r n c eo f c l o g g i j r 培i i lv e r t i c a l n o wc o n s 缸u c t e dw e t l 锄d h l n u e n c eo f s u b s 仃a t ec l o g g i r 培b y 也e0 p e r a t i o n - r e s tm t i oh a dn os i 鲥f i c a n td i r e n c ew h e n 廿l eo p e r a t i o n - r e s t m 枷ow a sl o w t e m a t eo p e r a t l o nc a i lr e d u c e 血ea c c u m u l a t e dm a t e n a lc o n t e n t i i ls u b 蛐呲e ，l e l a 玛e rm eo p e r a t i o n - r e s tm ：t i o ，廿l em g h e rt l l e a c c u m u l a t e d m a t e r i a lc o n t e n t a l t e m a t eo p e r a t i o nh a dr l oe a e c to nt l l eo o dr e m o v a l e m c i e n c y b u t ，i tc o u l di l l c r e a s et l l er e m o v a le 街c i e n c yo fa i i 吼0 1 1 i am n o g e n t h e r e m o v a le 伍c i e n c yo fa n l i n o l l i a 砷g e ni n c r e 硒e d 嬲t h e 叩e r a t i o n - r e s tm t i o d e c r e 硒e d 4 1 1 1 e 咖i a e r a t i o np r o c e s sc o u l ds i 印i f i c a l l ：t l yi i n p r 0 v e 协e c l o g g i l l gc o n d i t i o n 洫1 ev e i t i c a l f l o wc o n s 仃u c t e dw e t l a n dw h e nm eh y d r a u l i c l o a d i n gw 嬲l o w e r 廿l a i lo 9n 以植l eh a dl i t t l ee 艉c tw h e n l eh y d r a u l i cl o a d w a s1 1 i 曲e r 也a i l1 2i 州d m e 删l e ，t l l en a 咖融一a e r a t i o np r o c e s sc o u l da l s 0 i l i l p r 0 v e 廿l er e m o v a le 所c i 饥c yo f 1 ep o l l 蛐s i 鲥f i c 砌y ，i nw m c ht j l l e i 1 i l p r 0 v el e v e lo f 觚m l o n i ai l i 仃o g 饥、a s 咖e r 廿l 觚c o d 5 t h ed i 舶s e d r a t i o np r o c e s sc o u l ds o l v em ep r o b l e mo fs u b 咖t ec l o g g i l l g 证v e n i c a l n o w c o n 蛐r i l c t e dw e t l a n d a e r a t i o nf l o wm t e1 1 a dl i t t l ee 丘b c to nt l l er e c o v e r yo f 廿l e p o r o s i 够o fs u b s 饥疵：w h e nt l l ep o r o s 毋d e c r e 硒e dl e s s t h ep o r o s i t ) rc o u l dr e t u m t op 玎e v i o u sl e v e lm e r2 4h o u r sa e f a t i o nw i 廿l 血ef l o wo f3 5 0l mw h e n 廿1 e p o r o s i t yd e c r e a s e dm o r e 6 t h ep o r o s i t ) rc o u l dr e t u m t 0p r e v i o u sl e v e la 船rl5 d a y ss t o p p i l l gi 1 1 f l u e n ta n dn 乏m l r a ld e 粤删o nw h e nv 硎c a l 一n o wc o n 髓r u c t e d w e t l a n dc l o g g e d n ep o r o s i 够r e c o v e 巧r ：a t ew 弱f a 咖ri i l 廿l ef i r s t5d a y s 山1 d m o s to fp o r o s 毋c o u l dr e c o v e ra 胁5d a y s 7 t h ev e r t i c a l - n o wc o n 咖c t e d 、e t l 锄ds u b s t r a t ec l o g g i n go c c u r r e dm a 矾yi nt l l es u m c e ，a n dm ec l o g g i n gb y i 1 1 0 玛a n i cw a sm u c hi n o r es i g n i f i c a n tt l l a n 1 a tb yo 唱a 1 1 i c t h ec l o g g i l l gh a d l i 仕l ee 艉c to nm er e m o v a le m c i e n c yo f c o d 碱l eh a dg r e a t e ri m p a c to n 龀 r e m o v a le 伍c i e n c yo fa m m o i l i a1 1 i 打o g e n t h er e m o v a lr a t eo fa m m o l l i an i 仃o g e n d e c r e 硒e dw h e nm ec l o g g i l 玛c o n d i t i o na g g m v a t e d t h er e m o v a le 街c i e n c yo f a m m o i l i ai l i 訇r o g e nw a su n 嘲b l e ，a f f e c t m gt 1 1 e 虹b l eo p e r a t i o no fc o n 蛐m c t e d w e t l a n d s k e w y o r d s ：c o n 啦u c t e dw e t l a n d ；v e n i c a l n o w ；s u b s t r a t ec l o g g i n g ； n a n l i a 1 a e l 乏n i o n ：d i 丘h s e da e 豫t i o n 符号说明 符号意义单位或量纲 b o d s五日生化需氧量m g l l c o d化学需氧量 m g r 1 礤s总悬浮物 m g l 。l n h 心氨氮 m g l 1 卯总磷 m g l 1 刚总氮 m g l 。l v 量l 流工稿l 地囊曲霞堵囊i 问题矗j 幂决- 叻r 法习 屯 1 1 选题背景 第一章绪论 污水的人工湿地处理技术自7 0 年代起源于德国以来，因其具有投资小、能耗低、 运行管理方便、对环境友好等特点得到了迅速的发展。英国的p a i l lc 0 0 p l 】总结了人工 湿地发展2 0 年来的历程：从8 0 年代最初的简单表面流湿地发展到9 0 年代初的垂直流 人工湿地，再到9 0 年代后期的混合复杂型的人工湿地；从最初用于处理b o d 5 和t s s 发展到用于脱氮除磷等；在欧洲有数以万计的人工湿地用于家庭生活污水处理、社区生 活污水处理、城市生活污水二级和三级深度处理和工业污水处理；以英国为例，1 9 8 5 年英国建立的人工湿地是2 座，到2 0 0 7 年增长到了1 0 1 2 座【i 】o 我国“七五”开始对人工湿地污水处理技术进行应用研究。1 9 9 0 年在北京昌平建成用 于处理生活污水和工业废水规模为5 0 0 们的人工湿地【2 】。1 9 9 0 年7 月在深圳建成我国 第一个人工湿地污水处理示范工程一自泥坑人工湿地污水处理系统，处理规模为3 1 0 0 m 3 d 【3 】，通过对深圳白泥坑人工湿地污水系统进行分析，得到了一些人工湿地污水处理 系统的设计参数。经过多年的研究探索，人工湿地处理技术已成为我国净化受污染水体 的有效途径之一。全国各地建成了许多人工湿地系统，如雁田人工湿地【3 】、深圳宝安区 的石岩河人工湿地【4 】、深圳市沙田人工湿地翻、荣城人工湿地f 6 】、四川成都活水公园阴 等。目前人工湿地处理的对象从生活污水扩大到造纸废水【酊、农业面源污染嘲、垃圾渗 滤液f 】o 】、奶牛养殖废水叫、制革废水埘、电镀废水【1 3 1 、炼油废水f 堋、富营养化的河湖 泊水【1 5 】等。 目前国内外按照水流方式的差异将人工湿地分为自由表面流、垂直流和水平潜流三 种类型。三种类型的湿地各有其特点。自由表面流人工湿地，污水从湿地表面流过，湿 地系统复氧能力比较好，有利于去除水中的有机物和氨氮。自由表面流人工湿地不易发 生堵塞，即使发生悬浮物沉积导致的堵塞也较易解决。但是自由表面流人工湿地不能充 分发挥植物根系和填料的去污能力，去除污染物的能力有限，同时运行受气温影响较大， 卫生条件比较差，夏季容易孳生蚊蝇。自由表面流人工湿地常用作污水预处理系统。水 ，立瀛人工滔u 乜羞羽霄罐阴蠢问题及群p 央力哼自阿f 究 平潜流湿地污水从一端水平流过基质床，能较好的利用湿地基质、植物和微生物之间的 协同作用来降解污染物，对c o d 、b o d 、s s 去除效果较好，且卫生条件较好，保温性 能也较好。但是水平潜流人工湿地对氮磷等污染物质的去除效果较差且易发生堵塞现 象。垂直流人工湿地分上行流和下行流两种。其中常见的是下行流人工湿地，污水从上 到下流到基质的底部。垂直流人工湿地应用斜度、管道等特殊设计使污水在基质内部垂 直分布，布水均匀。垂直流人工湿地的系统的构造有利于微生物的生长和硝化反应的进 行，对氮磷的去除率较高，且占地面积小。但是垂直流人工湿地建造要求较高，运行管 理相对复杂，易发生堵塞现象。 虽然人工湿地在世界范围内得到了广泛的应用，但是其作为污水处理技术仍然面临 一些难以解决的问题和挑战。英国学者p a ：1 1 1c 0 0 耐u 指出：目前人工湿地面临的问题有 提高除磷效率和人工湿地维护问题主要是指人工湿地堵塞的解决。我国学者吴振斌 1 1 6 】分析了1 0 年前人工湿地在我国推广使用进程缓慢的原因指出：人工湿地堵塞，影响 处理效果，相关的修复、维护和管理问题尚未明确是其中因素之一。根据美国环境保护 署对1 0 0 多个运行着的人工湿地污水处理系统进行调查【l 刀，有5 0 的人工湿地污水处理 系统在5 年内出现了不同程度的堵塞。国内人工湿地的堵塞现象也有不少的报道。陈韫 真、叶纪良的研究报道【3 】，我国深圳白泥坑人工湿地运行初期就出现了堵塞现象。滇池 入河口的大清河口人工湿地同样存在堵塞问题【1 8 1 。奠凤鸷1 9 1 等对深圳洪湖公园的人工湿 地研究中指出在1 9 9 7 年至1 9 9 9 年5 月间湿地系统共发生5 次堵塞。可见基质堵塞问题 是人工湿地运行管理中遇到的一道难题。人工湿地基质发生堵塞后，净化能力会受到影 响，影响人工湿地系统的稳定运行，同时，由于堵塞后填料表面易雍水，卫生条件恶化， 使得蚊蝇更容易滋生。张翔凌的研究指出【2 0 】：对于复合垂直流人工湿地堵塞后的填料渗 透系数减小，水流渗透速度减缓，实际水力停留时间延长；堵塞导致垂直流人工湿地水 流不畅，极易造成下行池表面严重滞水，表面的积水层严重阻碍了基质层的大气复氧， 造成基质内好氧微生物活性降低，因此堵塞后b o d 5 、c o d 去除率下降。 2 直瀛入工沮地囊曲霄坷鸭鼻问题及搿p 央方法习”宅 1 2 人工湿地堵塞机理 1 2 1 堵塞过程 人工湿地堵塞是一个复杂的过程。国内外专家学者已对人工湿地堵塞的机制进行专 门的研究。k r i s t i a n s 钮r 【2 1 】认为人工湿地基质堵塞的机制分为三个阶段：第一阶段，湿 地基质的渗透速率缓慢的下降，下降速率不明显，这一阶段的时间长短不一；第二阶段， 基质渗透速率逐渐稳定下降；第三阶段，人工湿地基质表面持续雍水，使人工湿地处于 厌氧状态。朱洁和陈洪斌的研究瞄】认为人工湿地基质的堵塞过程是：污水中的s s 在植 物茎叶及填料的截留作用下，一部分在植物茎叶间，一部分在基质表面及孔隙中聚集， 基质的部分孔隙被堵塞，大气复氧能力减弱，导致局部基质的氧化还原电位降低，进而 厌氧微环境逐渐形成；基质中微生物的氧化能力强弱由氧化还原电位高低反映出来，氧 化还原电位高则微生物的氧化能力强，胞外聚合物的蓄积比较缓慢；氧化还原电位低， 胞外聚合物在孔隙内聚集较快；随着污水在基质问不断渗流，基质中的厌氧区域渐渐处 于低氧化还原电位状态，胞外聚合物的累积速度加快，基质的孔隙被进一步堵塞：随着 胞外聚合物积累的进行，胶体状态或不同粒径悬浮态的底物不断地被胞外聚合物吸附和 凝聚，从而形成较大粒径的絮团状聚积物，致使无机物和有机物的共同累积，加速了基 质孔隙堵塞的进行；最终在各种因素的综合作用下，基质的孔隙被完全堵塞，净化能力 减弱。g f h l 一冽的研究认为人工湿地的堵塞也分为三个阶段：第一阶段，污染物沉积 阶段；第二阶段，层积毯状层的形成阶段；第三阶段，堵塞层的形成和压缩阶段。 1 2 2 堵塞物成分 在堵塞物成分的分析方面，国内外学者也进行了相关的研究。砒c h 阱】的研究认为人 工湿地中堵塞物的成分由具有较高含水率的多聚物和腐殖质组成。l 0 n gmn 刚【2 5 】研 究人工湿地用于处理奶厂废水时有机物的组成、微生物数量和微生物活性，认为：有机 物积累是湿地基质堵塞的主要原因，这些难降解的有机物由腐殖酸、黄腐酸和胡敏素组 成。叶建锋等瞄】在研究垂直流人工湿地堵塞机制中认为基质层中不可滤物质的积累是垂 直流人工湿地堵塞的主要成因，不可滤物质由不可滤无机物和不可滤有机物组成。j q 眦i a 【2 7 】的研究认为s s 的沉积和微生物生物量的生长是垂直流人工湿地堵塞的主要原 3 广西大掣顷士学位孛e 哆巴 睛毫入工湿地囊甜贾堵，巳j 向题及殚醣失方法研究 因。 1 2 3 堵塞的位置 关于人工湿地基质堵塞的位置，各文献报道的有所偏差。在付贵萍，吴振斌等瞄】 的研究中认为，人工湿地基质渗透系数最小的填料层不是在最表层，而是在表层以下的 1 5 3 0c m 处。叶建锋等闭的研究认为垂直流人工湿地的堵塞层发生在布水管下1 0 2 0 c m 处。而h gmn g u y 【2 5 】的研究认为砾石床人工湿地最表层的1 0c m 有机物的积累 是底下层的2 倍以上。g f h 唿团】研究垂直流人工湿地堵塞模式时认为8 0 9 0 的固体 物质积累在人工湿地表面的0 c m 层。尽管各学者研究有所偏差，人工湿地堵塞的部 位为基质的中上层。 1 3 人工湿地堵塞影响因素分析 1 3 1 填料的影响 基质是人工湿地的重要组成部分。基质填料的选择直接影响到人工湿地对污染物的 去除效果和湿地的稳定运行。粒径是填料选择的一个重要因素，粒径的分布决定了基质 孔隙的大小和水力渗透性能。选择粒径大的填料虽然可以解决水力传导率低的问题，但 是污水在湿地系统中的停留时间短，微生物不容易在基质上挂膜，从而影响出水效果。 填料堵塞的一个重要原因就是由于基质的孔隙率较低，因为填料的粒径小，因而表面积 较大，因此微生物容易附着，同时可以使大部分污染物被截留。砾石填料的常用尺寸为 3 “、5 1 0 、6 1 2n m 。付贵萍、吴振斌等幽】采用直径为2 5 衄的砂粒作为复合垂直 流人工湿地中的填料，试验5 年中未发生填料堵塞现象。除填料粒径外，不同填料粒径 的配比选择对人工湿地基质堵塞也有重要影响。莫凤鸾等1 1 9 j 的研究中通过将堵塞后的人 工湿地下行流中的沙填料( 其粒径为o 4 扛吼厚为6 0 0 衄) 更换成粒径是4 8 髓( 厚 为2 5 0 n l m ) 和8 1 6 衄( 厚为3 5 0 衄) 的碎石填料，上行流中叫舢呱厚为5 0 0 删 的细沙换成叫衄( 厚3 0 0 衄) 和4 8 衄( 厚1 0 0 衄) 碎石代替，成功解决了原 复合垂直流人工湿地系统基质的堵塞问题。y q z h o 幽】用填料从上到下粒径依次增大和 反级配的两套人工湿地系统处理牲畜废水时表明反级配系统有延缓堵塞的作用。除填料 4 ，l 漶人工灌地基质堵囊i 问题a j 幂决方法习 宅 粒径、填料粒径配比和级配外，填料的种类也是影响污染物去除和基质堵塞的重要因素。 雷明和李凌云【3 川的研究认为：砾石中分解的钙会和废水中含有的硅进行反应，形成无 机凝胶体堵塞基质；另外c a c 0 3 在较低p h 下会沉淀下来堵塞基质。 1 3 2 有机负荷的影响 污水中的有机物通过微生物分解代谢和合成代谢作用去除。其去除机理是：微生物 的分解代谢将污水中的有机物分解为水、二氧化碳和氨气，并提供微生物生长所需要的 能量；而微生物的合成代谢将水中的有机物合成新的细胞物质，使得生物膜得以增长； 内源呼吸作用将大部分新的细胞物质氧化分解成水、二氧化碳和氨气，一部分生成不可 生物降解的残留物。微生物可以直接利用污水中的小分子有机物，而淀粉等大分子有机 物则需要先在水解酶的作用下水解为小分子物质后才能再被微生物所利用。有机负荷对 垂直流人工湿地堵塞有重要影响。过高的机负荷可能导致有机物不能及时被分解而沉积 进而导致堵塞。有很多研究发现有机负荷是基质堵塞的主要影响因素。p l a 嘶和m 卸c h 研究【3 1 1 发现：有机负荷过高是人工湿地堵塞的重要影响因素；在中欧平常气候下，人工 湿地有机负荷超过2 5g b o d d ) 就会发生堵塞。thf w 0 n g 和l 锄k 认为圈：有机负 荷在人工湿地系统平衡中起到及其重要的作用，堵塞后，由于湿地系统中的功能性微生 物较少，因此在恢复平衡以前，微生物不能分解过高的有机负荷，从而形成堵塞。l a a k 【蠲 的研究表明，有机物的累积情况也是湿地系统平衡中的一个重要影响因素，随着有机物 的积累，其沉积在湿地表面形成黑色的粘膜，由于温度较低，一些未发生变化的有机物 导致了基质的外部堵塞，同时，孔隙内部的沉积物直接导致了内部堵塞。付贵萍等网 指出，影响填料的一些性质如：缓冲性、通气状况等是由于其中含有大量的有机质所引 起的，这些有机质在湿地系统的平衡中起着重要的作用。詹德昊【3 2 1 等研究发现，渗透系 数是一个重要参数，它与有机质的含量呈现负相关关系，同时，它是反应湿地系统是否 平衡的指向性参数。 1 3 3 悬浮固体的影响 人工湿地中的悬浮物尤其是不可生化降解的悬浮物是基质堵塞的重要影响因素。童 巍等【3 3 1 研究了影响填料有效孔隙率的主要因素，包括截留悬浮颗粒物总量、c o d 去除 5 垂晴t 人工湿地蠢谢意堵塞问题及牟盼舞芍哼去习”电 率等，研究发现无机颗粒进水系统更容易导致人工湿地系统的堵塞，同时指出系统截留 的s s 在4g c m 3 以上。w m t c r 等瞰1 发现，进水的c o d 和直径 5 0 岬的悬浮物在湿地堵 塞过程中起主要作用。 1 3 4 植物的影响 湿地植物对于防基质堵塞有一定的作用。王晟等【3 5 】研究了芦苇、旱伞草、灯芯草、 美人蕉4 种不同根系特征的植物，通过控制分蘖数并借助反应器理论研究植物根系对基 质水力条件及水质净化的影响，表明植物根系向下穿透基质的时候，可起到一定的疏通 作用，使基质孔隙率提高3 州；但是植物根系在穿透过程中会产生横向的压力，使 填料断面孔隙均一化；结论认为植物起到了一定的防堵塞作用，但不是决定性的作用； 但是植物地上部分枯落的残留物、根系及根系的分泌物会造成有机物积累的加快。t a 硼脚 瞵】等通过对比研究种有植物和无植物的处理经厌氧塘和好氧塘预处理的奶牛养殖场废 水的砾石床人工湿地堵塞后基质中有机颗粒累积情况，得出结论，无植物的人工湿地有 机物积累量平均为0 4 - 2 3k g m 2 ，而种有植物的有机物累积量平均为4k g ，1 n 2 ；还发现有 植物的人工湿地系统保持了较高的填料渗透性，但更多的有机物也累积在其基质问。 l 0 n g n 鲫忙n 【2 5 】的研究认为，污水的渗透会受到表层1 0c m 基质内的植物根部限制，且 植物根部腐烂后会引起有机物的累积，降低基质的孔隙率，影响其堵塞。莫凤鸾【1 9 】等的 研究发现，种植弊草的人工湿地系统比种植水葱的湿地系统基质堵塞严重。 1 3 5 运行方式的影响 大部分的研究表明人工湿地间歇进水有利于减缓湿地基质堵塞。湿地基质中溶解氧 的浓度会直接受到湿地运行方式的影响，其与基质内整体的氧化还原电位呈正相关关 系。长时间的连续进水方式会使湿地系统复氧的能力减弱，导致系统的基质处于还原状 态，而间歇运行有利于湿地系统复氧。d e 、跖e sj 的研究7 】表明间歇进水的运行方式有 利于人工湿地基质层保持氧水平在好氧状态，加快生物降解有机物的速度，可以有效地 减缓堵塞。w 啦0 n 等【3 8 】研究也认为，采用间歇投配污水会使土壤得到一定的恢复，保 持土壤一定程度的好氧状态，避免胞外聚合物的过度积累，可防止土壤堵塞。付贵萍等 瞄】的研究采用了曲1 0m i n 进水时间的间歇投配污水方式，缩短了人工湿地基质被水淹 6 垂，嘱蠢入工薯l 地基质硝旧问题刀d i 和奂：a 吩表习”宅 没的时间，有利于基质的间歇复氧，有效地避免了发生基质堵塞现象。但是也有个别的 学者通过实验得出相反的结论，如k r i s t i a i n 的研究【2 1 】表明间歇进水导致人工湿地基质 更快地发生堵塞。间歇式运行方式在日本、美国等在得到了广泛应用间歇投配方式在我 国的许多试验和工程中也得到了重视和应用。一般来说，人工湿地进水的间歇时间越长 其对污染物的处理能力恢复得越好，其对污水的渗透速率也越大，但是考虑延缓堵塞的 同时还要考虑到处理负荷和处理效率，间歇时间不会无限地延长，常选用的落干投配比 是1 8 。 1 4 各种解决人工湿地基质堵塞的方法分析 1 4 1 对废水预处理 在人工湿地的前端加强预处理措施，可以尽可能地去除污水中的悬浮物等不利于湿 地处理过程进行的物质，从而减少它们在湿地基质中沉积，防止其堵塞。工程上常用的 加强预处理工艺有筛网、格栅、水解酸化、混凝沉淀，还有低溶解氧接触氧化、生物滤 池等。预处理是延缓基质堵塞的有效方法，但是其避免不了湿地基质的堵塞。 1 4 2 更换湿地系统表层基质 p l a t z e r 【3 1 1 、付贵萍c 2 8 1 的研究表明，湿地堵塞的部位主要是基质上层。l 趾g 郫驰b e r 【3 9 1 的研究表明，人工湿地发生堵塞前，上层的基质最小含水量呈现出指数增长的趋势，并 最后达到完全饱和；上层基质中水的渗透速率过小引起下层的最大含水量呈现出下降趋 势；这也表明了人工湿地基质的堵塞部位主要是上层。因此更换已堵塞湿地的表层基质 可有效地恢复其原有能力。对大规模的湿地而言，更换表层基质的缺点是更换困难、工 程量浩大、更换的时候湿地需要停床休息并且更换耗时较长。 1 4 3 停床休作与轮休 停床休作指的是人工湿地堵塞后，停止其运行进行休息来恢复基质的孔隙率。轮休 是指运行时平行的湿地间轮流运行和轮流休息。轮休措施被认为是预防人工湿地堵塞的 有效措施。轮休运行有利于垂直流人工湿地基质的通风和基质床体内有机物的快速降 7 1 l 滚入工湿捌翻皈堵囊i 问：暇a j 目与k 力，亭去习阳宅 解。保持基质的好氧条件可有效预防垂直流人工湿地基质的堵塞。国外通常将堵塞后的 人工湿地进行停床休作来恢复基质的部分渗透性能。休作与轮休可以从两个方面来改善 堵塞状况。第一个方面是休作与轮休时，基质的大气复氧能力增强，基质中氧水平的提 高有利于增强基质中好氧微生物的活性，加快其对沉积污染物的降解。第二个方面是湿 地系统停止进水，基质中的微生物会因为所需营养物质得不到补充而进入内源呼吸阶 段，消耗胞内成分或者胞外聚合物，逐渐老化并死亡。p l a t 2 钎和m a u c h 【3 l 】以及 l 孤g e r i 弘_ b c r 等【3 9 】的研究结果均表明连续运行的人工湿地最容易发生基质堵塞。莫凤鸾 等【1 9 】的研究表明，当人工湿地系统因有机物质累积引起堵塞时，停止运行约1 5d ，基质 的渗透性能可以得到很大程度的改善，可以缓解基质堵塞问题。李怀正【加】等研究了轮休 措施对堵塞的垂直潜流人工湿地的影响，研究结果表明，轮休措施对解决垂直流人工湿 地的堵塞有显著的改善作用，采取轮休措施后不可滤物质的含量比轮休前降低，其中不 可滤有机物的减少量非常明显，不可滤无机物的含量，短期轮休后基本稳定，而长时间 轮休后，有较大幅度的降低。短期轮休后t n 、t p 和c o d 的去除率都比轮休前低，氨 氮的去除率比轮休前提高了 这两种措施需要建造多个平行湿地，以能保证污水处理站的正常处理水平。这样会 大幅度增加湿地系统的投资费用。 1 4 4 生物修复法 生物强化技术最早的应用领域之一是土壤的生物修复。堵塞物的过度积累是垂直流 人工湿地基质堵塞的原因之一。理论上说，向人工湿地中投加能高效降解污染物的菌种 降解累积物中可生物降解的部分来解决由于堵塞物过度积累造成的堵塞是行之有效的 办法。土壤动物在分解有机物中也起到不可忽视的作用。蚯蚓是土壤中常见的杂食性动 物，他在土壤中活动，以土壤为食，在提高基质孔隙率的同时可以降解部分有机物。l d a v i n h 【4 1 】通过实验发现蚯蚓可以清除基质表面的有机沉淀物以及疏通基质，从而恢复 人工湿地基质的水力传导性能。付大能等【4 2 】将赤子爱胜蚓引入潜流人工湿地进行强化运 行发现蚯蚓的觅食活动增强了土壤的透气性。目前这种措施还处于研究阶段，实际的工 程应用效果还有待验证。 8 广西大肖翰弧士掌位嵌譬，l 漶 工汪地j 姐时堵囊i 问题召d 黻力r 寺基习 宅 1 4 5 加抑制剂和溶脱剂 堵塞填料孔隙的物质中有一部分是微生物代谢过程中产生的胞外聚合物。因此，寻 找杀死部分或某种微生物的方法以及抑制胞外聚合物大量产生的方法来防止基质堵塞 是众多学者们研究的热点。s 1 1 a w 等【4 3 】的研究中将5 的n a c l 0 3 加入进水中，细菌被杀 死并且胞外多糖被溶解，基质的水力传导性能可以得到完全恢复。朱伟等等的实验研 究表明，用氢氧化钠、次氯酸钠、盐酸、加酶洗衣粉可以使有效孔隙率和渗透系数均有 不同程度的增加，以次氯酸钠最为明显，可以使渗透系数恢复到原来的6 9 ；氢氧化钠、 次氯酸钠、盐酸三种溶液都对基质中的微生物类群和基质酶产生了伤害，但是经过7d 可以基本恢复。说明化学溶脱法对解决人工湿地的堵塞问题有一定的作用。 但是人工湿地去除污水中污染物主要依靠的是微生物的新陈代谢活动，这种杀死微 生物或抑制其活性的方法来解决堵塞尚需进行更深入的研究。 1 4 6 曝气充氧 曝气充氧分两种，一种是对进入人工湿地的污水进行预曝气来预防基质的堵塞，另 一种是运行过程中在基质内进行曝气来预防堵塞。对导致基质中胞外聚合物积累的重要 原因是人工湿地基质中缺氧，因此对污水进行预曝气充氧可以起到一定的预防堵塞作 用。预曝气法常采用自然跌水复氧和自然沟槽复氧法复氧【4 5 】。运行过程中在基质内曝气 通常通过管道布设曝气装置来完成。王磊等晰】用轮换式微曝气系统，通过进水管中布设 曝气管，对人工湿地系统进行微曝气，结果表明垂直流人工湿地中的溶解氧环境得到了 改善，悬浮物及脱落的生物膜在气流作用下不易沉降下来堵塞基质孔隙。在布水管周围 供给空气可以补充由于渗透过程溶解氧的降低值并提高溶解氧的浓度，维持基质中降解 污染物所需的氧量，维持了微生物的分解作用，同时还可以预防胞外聚合物在基质中蓄 积。在基质中布设曝气系统，增加了人工湿地的基建费用和运行费用。 9 l 瀛工麓u 也| ；质爿旧t 问题刀u p 奂：若峙表研究 1 5 课题的研究意义和研究内容 1 5 1 研究意义 垂直流人工湿地基质堵塞是湿地在运行中遇到的难题。垂直流人工湿地水流由上向 下流动，堵塞后填料的渗透系数减小，水流的渗透速度减慢，极易造成水流不畅，造成 表面严重积水。积水层严重阻隔空气中的氧气向人工湿地基质层内扩散，进而降低污染 物的去除效果，同时也影响了人工湿地的正常使用寿命。此外还易滋生蚊蝇产生恶臭等 影响湿地周围的环境卫生。对于人工湿地基质堵塞问题的研究中，主要集中于基质种类 和粒径、有机负荷、s s 、进水方式等因素对基质堵塞的影响以及堵塞后人工湿地系统中 的水力学变化特征、堵塞物质的单位体积积累量、填料孔隙率的变化等问题。这些问题 的研究中，不同的研究者得出的结论存在着一定的差异，对堵塞的机理还没形成统一的 认识。而对于基质堵塞后的解决措施中，目前国内还没有很好的方法使堵塞后的湿地恢 复到堵塞前的水平。因此研究人工湿地基质堵塞的影响因素，明确人工湿地基质堵塞的 机理，优化垂直流人工湿地运行参数，预防其堵塞，并寻找低投入高效率的解决基质堵 塞问题的方法是垂直流人工湿地运行中必须解决的问题，展开此方面的研究十分必要。 采用自然导气措施来解决湿地堵塞问题和湿地基质堵塞后，停止进水，对湿地基质进行 曝气来尽快恢复填料孔隙率，这两种方法鲜见报道。本研究对影响垂直流人工湿地堵塞 的因素以及上述两种解决措施进行研究，以便为工程应用提供必要的理论依据和参数。 1 5 2 研究内容 本文以垂直流人工湿地为研究对象，研究垂直流人工湿地的水力负荷、有机负荷和 轮休方式等影响堵塞的因素。同时拟采用自然导气运行、机械曝气和自然降解措施解决 垂直流人工湿地基质层的堵塞问题。 具体研究内容如下： ( 1 ) 水力负荷对垂直流人工湿地堵塞的影响实验研究 逐渐改变水力负荷，探讨不同水力负荷对垂直流人工湿地基质层堵塞及其对污染物 的去除效果的影响，来确定对污染物去除效果较好又不易堵塞的水力负荷范围。 ( 2 ) 有机负荷对垂直流人工湿地堵塞的影响实验研究 1 0 垂，嘱t 工湿地基质堪鸭蠢问题及翻酶爽力哼去研究 采用固定水力负荷，探讨不同有机负荷对基质层堵塞及其对污染物去除效果的影 响，确定较优的进水有机负荷范围。 ( 3 ) 轮休措施对垂直流人工湿地堵塞的影响实验研究 采用固定的水力负荷、有机负荷，探讨轮休方式对基质层堵塞机理及其对污染物去 除效果的影响，确定轮休的方式。 ( 4 ) 自然导气法解决人工湿地基质堵塞实验研究 在不同的水力负荷条件下运行，探讨自然导气措施解决人工湿地基质堵塞的能力及 其对污染物的去除能力。 ( 5 ) 鼓风曝气法解决人工湿地基质堵塞实验研究 采用恒定的水力负荷、有机负荷和进水方式使基质层堵塞，改变曝气条件，探讨曝 气参数对解决堵塞的能力影响。 ( 6 ) 自然降解法解决人工湿地基质堵塞实验研究 研究自然降解措施对解决湿地堵塞的能力和所需时间。 广西大掌硕士掣啦论文l 直漶人工江地墓质昀簟问题刀d 晖决才哼基研究 第二章水力负荷对垂直流人工湿地堵塞的影响实验研究 2 1 前言 水力负荷是垂直流人工湿地设计运行中的重要参数。其大小不仅影响垂直流人工湿 地的对污染物的去除效果和去除能力，而且影响其基质的渗透能力。本章通过探讨不同 水力负荷下运行时间对孔隙率的影响、水力负荷对基质问堵塞物的影响和水力负荷对污 染物去除效果的影响，来确定能对污染物去除效果较好且不易堵塞的水力负荷范围，为 人工湿地的设计运行提供依据。 2 2 实验材料与方法 2 2 1 实验材料 实验装置如图2 1 所示规格为o 2 l m 的p v c 管。实验装置内填料高度为0 9m ， 至上而下填充的首先是o 2m 厚的当地粘性原土，具粒径范围为o o 0 0 5 m ，渗透系数为 6 4 3 1 0 - 3c m s ；其次是0 2m 厚的煤渣，粒径范围为0 o 0 0 8m ，渗透系数为5 2 3 1 0 之 锄s ；再次是0 2 5m 厚的细沙，粒径范围为0 o 0 0 4m ，渗透系数为8 2 7 1 0 。2c 州s ；最 后是o 2 5m 厚的鹅卵石，粒径范围为0 0 l o 0 3m ，渗透系数为6 3 l 1 0 d 毗。实验装 置表面设布水系统、底部设排水管。基质内设一根o 0 1 6m ，周围穿有圆形小孔的空气 管。装置的侧身设置从上到下依次编号为a 、b 、c 和d4 个基质取样口，位置分别距实 验装置顶端为0 1 5m 、0 4 0m 、0 6 5m 、0 9 0m 处。设置4 个基质取样口的目的是为了 在停止运行后取不同深度的基质以测定堵塞物的含量。实验装置内种植的植物为象草。 1 2 叠直 寰人工蠲e 地基质堵，i 问题a d 晖决方法习 宅 2 2 2 实验用水 图2 1 垂直流人工湿地系统示意图 f i 孚2 1s c h e m a 士i co f v e n i c a l n o wc 伽s 臼删w e t i a n ds y s t e m 实验用水取自广西大学东校园教工宿舍区污水干管窨井生活污水。污水取回静置8h ， 去除表面浮渣及沉淀物后备用。进水水质见表2 1 。 表2 1 垂直流人工湿地进水水质 r a b l e2 lp o l l u t a i i t sc o n c e m 硎。衄o f 硼u e n ti i lm ev e n i c a l - f i o wc 伽s 仃u 曲e d 、e t l 锄ds ) 噶t e 脚 2 2 3 实验过程 实验设置4 个水力负荷依次为o 3 川、o 6 删、0 9 础、1 2 枷。进水采用连续 进水的方式，污水从高位槽经布水装置均匀进入实验装置表面，经过一定的时间渗透后， 1 3 叠，直演工沮地墓质堵囊i