人工湿地系统堵塞的预防与恢复

倪 政，王翠红 ，谢可军 ，郭 琪 ，于青漪 ，宋 楠

（1.湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 410128；2.湖南省农业资源与环境保护管理站，湖南 长沙 410005）

人工湿地是指利用基质、水生植物与微生物模拟自然湿地，并通过物理、化学及生物等方法净化污水的一类设施[1]，目前已广泛应用于我国乡村地区分散式的污水净化处理中，在一定程度上解决了我国农村生活污水随意排放而造成的环境污染问题[2]。影响湿地系统长期稳定运行的关键是系统内部的堵塞问题[3]。该研究从人工湿地堵塞的可能原因、系统恢复及预防等方面进行了综述，以期为提高人工湿地设施的功效及其保持长期稳定运行提供指导。

1 人工湿地堵塞的可能原因

人工湿地堵塞的实质是有效孔隙率减小的过程，主要与基质层中不可滤物质的大量积累和渗透系数明显减小[4]有关，具体可以归纳为无机物堵塞、有机物堵塞、微生物与水力负荷的影响等4个方面。

1.1 无机物堵塞

1.1.1 较小粒径填料基质的截留 人工湿地的重要组成部分是填料基质，其粒径大小直接决定了基质孔隙容积。一般来说，基质粒径越小，其堵塞的可能性越大。叶建峰[5]的研究表明，在0.5 m3/（m2·d）水力负荷条件下，采用单一粒径为1.25～5 mm、5～10 mm和10～15 mm 3种高炉渣基质作填料柱，运行一个半月后，基质堵塞全部发生在1.25～5 mm的高炉渣层。

1.1.2 悬浮颗粒物的浓度和负荷的影响 悬浮颗粒物作为人工湿地系统中的重要物质，能显著增加基质的挂膜能力，起到去污强化的效用，但较高浓度或较大负荷的悬浮物，尤其是含有不可降解有机物的悬浮物，却可能增加湿地的堵塞。Bouwer等[6]的研究表明，对于二级处理出水，悬浮物＞10 mg/L将会造成严重的堵塞，人工湿地进水悬浮物最大负荷为8 g/（m2·d）；而Siegrist R L[7]及付贵萍等[8]认为进水悬浮物最大负荷分别为10～20 g/（m2·d）、11 g/（m2·d）。

1.1.3 其他化学反应物质的沉积 一方面可能由于人工湿地中的填料基质孔隙间产生了某些化学物质，它们沉积或沉降从而造成堵塞，如污水中的硅和石灰石、砾石层分解的钙等产生易堵塞的无机凝胶体；另一方面可能与碱性水环境下Ca2+发生沉积造成堵塞有关。

1.2 有机物堵塞

有机物长时间的积累会增加有机负荷及微生物代谢量而导致基质孔隙减小，从而引发湿地处理效果下降、运行寿命缩短等问题。

1.2.1 有机负荷的影响 有机负荷越大、填料渗透系数越小，则堵塞越严重[9]。Platzer等[10]研究发现，在湿地基质的堵塞中有机负荷的影响比进水有机物浓度的影响更大，建议人工湿地的有机负荷

COD宜小于25 g/（m2·d）；Leak[11]认为湿地系统有机物积累到一定程度，特别是平衡之后，沉积在基质表面的有机物会形成一层黑色粘膜，这些物质沉积在孔隙内会导致孔隙的内部堵塞。

1.2.2 植物残留物的影响 湿地植物的残留物和分解产物是湿地系统有机物质的重要来源。

Nguyen[12]研究表明，湿地基质填料顶部10 cm厚度内密集的植物根系会明显限制水的渗透，这些根部物质腐烂后导致有机物的大量积累，加重湿地的淤堵；莫凤鸾等[13]通过种植弊草和水葱发现，湿地基质的渗透性还与植物的种类密切相关。

1.3 微生物影响

微生物对堵塞的影响目前有两种不同的解释：一种认为与微生物过量生长积聚造成直接堵塞[13-14]有关；另一种认为微生物不易导致堵塞。何江涛等[15]根据湿地细菌总数计算微生物生长所占据的孔隙体积百分数，结果表明，1 g土样中的总孔隙体积为146.79 mm3，孔隙度为39.5%，细菌所占孔隙体积的百分数仅为0.213%。目前该方面的相关研究资料较少，作用机理有待于进一步研究。

1.4 水力负荷影响

水力负荷是单位体积或单位面积基质每天可以处理的污水量，它是影响人工湿地基质堵塞的一个重要因素。一般来说，水力负荷越大，污染物的量就越大，则基质间截留的污染颗粒物越多，从而造成人工湿地基质堵塞的可能性越大。

2 人工湿地堵塞的恢复

2.1 基质的清洗或更换

湿地堵塞恢复最彻底的方法是清洗或更换基质填料，包括系统的表层清淤和湿地系统的翻床处理等，周期性更换表层填料可以大大改善湿地的堵塞程度。叶建锋等[16]发现距布水管下10~20 cm处是湿地堵塞层的主要分布区；Platzer等[10]的研究结果表明，填料堵塞层主要发生于填料表层15 cm以内。

2.2 湿地系统停床休作

湿地轮休被公认是防治人工湿地堵塞的最有效措施，即对同一级湿地进行周期性间隙使用，以保证湿地系统功能的修复。间歇时间越长则基质处理能力恢复得越好，其渗透速率也越大；但是间歇时间不能无限延长，应同时考虑处理效率和处理负荷，常用的落干/投配周期比为1/8[17]。Balks等[18]发现屠宰废水灌溉基质因产生大量胞外多糖而堵塞基质孔隙，胞外多糖经23~50 d的干化可完全降解。

2.3 曝气运行

厌氧状态是土壤中胞外聚合物积累的重要条件，对污水进行曝气充氧可以起到一定的预防基质堵塞作用[19]。对污水进行曝气，可以提高污水中的溶解氧，使土壤微生物新陈代谢活性提高，有机质中间代谢产物量降低，因而基质的堵塞情况可得到一定程度的缓解[3]。

3 人工湿地堵塞的预防措施

在湿地系统的运行管理及工艺设计中可采取适当措施预防湿地堵塞的发生。目前国内外主要的预防措施有：加强预处理系统的作用，选择合适的基质和湿地植物，采用适宜的水力负荷、人工湿地布水方式及人工湿地填料级配组合等。

3.1 加强预处理系统的作用

3.1.1 生物法预处理 生物预处理法是利用生物的代谢作用处理各种废水，大致分为厌氧处理法和好氧处理法两类。

周兴伟等[20]采用生物絮凝与三级人工湿地组合工艺处理高浓度生活污水，该系统的预处理集水解酸化、生物絮凝及沉淀为一体，去除有机物的能力较高。试验表明，COD、铵态氮和总磷的去除率分别为93.5%、67.6%和79.6%，其中预处理池去除率分别为62.5%、12.5%和10.1%；卢建等[21]通过水解酸化/生物接触氧化处理系统降低后续人工湿地的进水负荷，减少了后续湿地的堵塞风险。

3.1.2 物理化学法预处理 生物不可降解的悬浮物在人工湿地中长期积累，这是导致基质堵塞的重要因素。经过物理的前处理，能够有效降低悬浮物和有机质的总量。张伟进[22]通过曝气处理人工湿地废水，增加了湿地基质含水量和基质孔隙率，试验结果表明，未曝气湿地与曝气湿地基质孔隙率相差最大达到5%。王磊等[23]采用低溶解氧接触氧化对滇池入湖污染河水进行预处理，降低了后续湿地的堵塞风险。熊佐芳等[24]通过增加导气的方式解决堵塞问题，结果表明，系统在低水力负荷下运行时，自然导气对基质堵塞有显著的改善作用，而在较高水力负荷1.2m3/（m2·d）下运行时作用不明显。

3.2 选择合适的基质

3.2.1 基质的颗粒大小 基质颗粒的大小具有两方面的作用，较大的粒径基质可以有效地防止堵塞发生；但因减少了有效表面积和缩短了水力停留时间，所以明显降低了净化效果。莫凤鸾等[13]将原湿地中的0～4 mm沙子基质更换成4～8 mm和8～16 mm的碎石基质，成功地解决了原系统基质堵塞问题。

3.2.2 基质的种类和性质 人工湿地的基质及组合选择有很多种，但是由于每种基质的化学性质不同，因而对污水的处理能力也不相同。张翔凌等[25]研究结果表明，当水力负荷为1.0～2.5 m3/（m2·d），选用砾石、沸石、无烟煤、页岩、蛭石、陶瓷滤料、高炉钢渣、圆陶粒作基质材料，污水采用连续式投配时，无烟煤、圆陶粒、沸石的去除效率最好；朱夕珍等[26]的研究表明，污水采用间歇式投配，选用石英砂、煤灰渣和高炉渣作基质时，煤灰渣去除有机污染物和总磷最佳，高炉渣去除污水中总磷和总氮最佳，石英砂水力负荷最高，不容易形成堵塞；王媛媛等[27]研究表明，采用间歇式投配，选用沸石、草炭、蛭石、页岩、砂子作基质时，草炭去除污染物的效果最佳。

3.3 选择合适的湿地植物

湿地植物的选择要考虑两个因素：一是植物的种类筛选，二是植物种植密度的控制[28]。应选用根际复氧能力强、分泌难降解物质较少的植物品种，合理种植，定期收割植物的地上部分。徐德福等[29]认为，在芦苇、美人蕉、茭白、黄花鸢中以芦苇最佳；王全金等[30]研究表明，在薏苡、风车草、茭白和美人蕉中，以茭白、美人蕉最佳。魏成等[31]研究表明，不同的植物组合即混合种植模式能提高人工湿地系统对污染物的净化效率和增加效率的稳定性。

3.4 采用适宜的水力负荷

当水力负荷超过人工湿地的承载能力时，微生物将大量生长造成堵塞。熊佐芳等[32]研究结果表明，同一季节间歇式投配，设计水力负荷为0.3~1.2 m3/（m2·d）时，以0.6～0.9 m3/（m2·d）水力负荷为最佳；朱文玲等[33]研究结果表明，同一季节间歇式投配，设计水力负荷为0.2~1.0 m3/（m2·d）时，以0.8 m3/（m2·d）水力负荷为最佳；聂志丹等[34]在不同季节连续式投配，设计水力负荷为0.5~1.5m3/（m2·d），结果以0.8 m3/（m2·d）水力负荷为最佳；汪俊三等[35]在不同季节连续式投配，设计水力负荷为0.8~1.0 m3/（m2·d），结果以1.0m3/（m2·d）水力负荷为最佳。

3.5 采用适宜的人工湿地布水方式

有效的布水方式能够增加水体和基质的接触面，延长水体和基质及植株的反应时间。从水力学上讲，布水流程短、阻力小，将降低堵塞的几率。潘珉等[36]对滇池湖滨福保人工湿地采取大断面、短流程、管道布水的方式进行布水，水平潜流停留时间为17 h，水力负荷为0.79m3/（m2·d）；改造后的人工湿地污水处理量为4 000m3/d，垂直潜流停留时间为11.7 h，水力负荷为1.57 m3/（m2·d）；改造运行1 a后，主要污染物去除率由30%增加到80%，而有效孔隙率、渗透系数与建成初期没有明显变化。

3.6 采用适宜的人工湿地填料级配组合

不同级配组合即正级配（上部填充小粒径基质，下部填充大粒径基质）和反级配（上部填充大粒径基质，下部填充小粒径基质）条件下湿地处理效果有明显区别。王荣等[37]研究了两种级配垂直流人工湿地，比较了COD、TN、TP、NH4+-N去除效率的变化，结果表明，在高水力负荷0.9 m3/（m2·d）和高有机负荷707.69±94.45mg/L运行条件下，反级配系统在保证主要污染物有较高净化效率的同时，能有效地减缓系统的堵塞过程。Zhao等[38]研究了将小试装置内上层4.4±1.5mm粒径的基质与中层9.8±2.7mm粒径的基质互换，结果发现在保证处理效果的同时，反级配人工湿地在延缓基质堵塞方面有明显的优势。

4 研究展望

人工湿地系统灵活性好、去污能力较强，日渐被大众所接受。提高该项技术普及率的主要限制因素是堵塞问题。从目前已有资料来看，该项技术由于成本高、工作量大及其带来的二次环境污染等问题，至今没有一套操作简单、切实可行的解决办法。随着科技水平的不断提高，人工湿地系统设计日益完善，堵塞问题将得到解决，这对于全面推广应用该项技术显得尤为重要。在防止人工湿地系统堵塞问题上应重点加强以下3方面的研究：

（1）提高人工湿地进水的预处理能力，降低湿地入水有机物或悬浮物的浓度，减小湿地有机负荷。

（2）在保证一定去污率的前提下，加强对不同级配条件湿地填料配比度的研究，减缓人工湿地的堵塞。

（3）加强湿地植物组合种植模式的研究，提高人工湿地系统对污染物的净化效率和增加效率的稳定性。

[1] 许春华，周 琪，宋乐平.人工湿地在农业面源污染控制方面的应用[J].重庆环境科学，2001，23（3）：70-72.

[2] 吴振斌，詹德昊，张 晟.复合垂直流构建湿地的设计方法及净化效果[J].武汉大学学报（工学版），2003，36（1）：12-16，41.

[3] 雷 明，李凌云.人工湿地土壤堵塞现象及机理探讨[J].工业水处理，2004，24（10）：9-12.

[4] 朱 洁，陈洪斌.人工湿地堵塞问题的探讨[J].中国给水排水，2009，25（6）：24-28.

[5] 叶建峰.垂直潜流人工湿地中污染物去除机理研究[D].济南：同济大学，2000.

[6] Bouwer H,Rice R C,Lance JC,et al.Rapid-infiltration research at Flushing Mead-onus project，Arizona[J].JournalWater Pollution Control Federation,1980,52:2457-2469.

[7] Siegrist R L.Soil clogging during subsurface wastewater infiltration as affected by effluent composition and loading rate[J].Environ.Qual,1987,16（2）:181-187.

[8] 付贵萍，吴振斌，张 晟，等.构建湿地堵塞问题的研究[J].环境科学，2004，25（3）：144-149.

[9] 詹德昊，吴振斌，徐光来.复合垂直流构建湿地中有机质积累与基质堵塞[J].中国环境科学，2003，23（5）：457-461.

[10]Platzer C，Mauch K.Soil clogging in vertical flow reed beds：mechanisms，parameters，consequences and solutions[J].Water Science Technology，1997，35（5）：175-181.

[11]Leak.Wastewater engineering design for unsewered[J].Water pollute control fed，2002，44：532-535.

[12]Long M.Nguyen.Organic matter composition，microbial biomass andmicrobial activity in gravel-bed constructed wetlands treating farm dairy waste waters[J].Ecological Engineering，2000，16（2）：199-221.

[13]莫凤鸾，王 平，李淑兰，等.人工湿地系统的维护[J].云南环境科学，2004，23（B04）：5-8.

[14]张之崟，雷中方.土壤渗滤法工艺运行中的主要问题及其缓解方案[J].环境科学与管理，2006，31（5）：41-43.

[15]何江涛，马振民，张金炳，等.污水渗滤土地处理系统中的堵塞问题[J].中国环境科学，2003，23（1）：85-89.

[16]叶建锋，徐祖信，李怀正.垂直潜流人工湿地堵塞机制：堵塞成因及堵塞物积累规律[J].环境科学，2008，29（6）：1508-1512.

[17]高拯民，李宪法.城市污水土地处理利用设计手册[M].北京：中国标准出版社，1991.

[18]Balks M R，Malay C D A，Hare foot C G.Determination of the progression in soilmicrobial response and changes in soil permeability following application ofmeat processing effluent to soil[J].Applied Soil Ecology，1997，6：109-116.

[19]张 建，邵长飞，黄 霞，等.污水土地处理工艺中的土壤堵塞问题[J].中国给水排水，2003，19（3）：17-20.

[20]周兴伟，张 勤.“生物絮凝+三级人工湿地”组合工艺处理小城镇高质量浓度生活污水[J].市政技术，2008，26（6）：517-519.

[21]卢 建，杨 扬，尹振娟，等.生物法-人工湿地组合工艺处理小城镇混合污水研究[J].环境工程学报，2010，4（6）：1262-1266.

[22]张伟进.湿地内部曝气对出水水质改善及堵塞防治研究[D].重庆：重庆大学，2011.

[23]王 磊，李文朝，柯 凡，等.低氧接触氧化/微曝气人工湿地工艺净化污染河水[J].中国给水排水，2008，24（5）：22-26.

[24]熊佐芳，冼 萍，周云新，等.自然导气措施对垂直流人工湿地堵塞的影响[J].中国给水排水，2011，27（13）：34-36.

[25]张翔凌，张 晟，贺 锋，等.不同填料在高负荷垂直流人工湿地系统中净化能力的研究[J].农业环境科学学报，2007，26（5）：1905-1910.

[26]朱夕珍，崔理华，温晓露，等.不同基质垂直流人工湿地对城市污水的净化效果[J].农业环境科学学报，2003，22（4）：454-457.[27]王媛媛，张衍林.人工湿地的基质及其深度对生活污水中氮磷去除效果的影响[J].农业环境科学学报，2009，28（3）：581-586.[28]王圣瑞，年跃刚，侯文华，等.人工湿地植物的选择[J].湖泊科学，2004，16（1）：91-96.

[29]徐德福，李映雪，方 华，等.4种湿地植物的生理性状对人工湿地床设计的影响[J].农业环境科学学报，2009，28（3）：587-591.

[30]王全金，李 丽，李忠卫.四种植物潜流人工湿地脱氮除磷的研究[J].环境污染与防治，2008，30（2）：33-36.

[31]魏 成，刘 平.人工湿地污水净化效率与根际微生物群落多样性的相关性研究[J].农业环境科学学报，2008，27（6）：2401-2406.

[32]熊佐芳，周云新，冼 萍，等.水力负荷对垂直流人工湿地堵塞影响研究[J].水处理技术，2011，37（7）：34-38.

[33]朱文玲，郑离妮，崔理华，等.不同碳氮比条件下4种可控因素对垂直流人工湿地总氮去除的影响[J].农业环境科学学报，2010，29（6）：1187-1192.

[34]聂志丹，年跃刚，李林锋，等.水力负荷及季节变化对人工湿地处理效率的影响[J].给水排水，2006，32（11）：28-30.

[35]汪俊三，覃 环.高水力负荷人工湿地处理富营养化湖水[J].中国给水排水，2005，21（1）：1-4.

[36]潘 珉，李 滨，冯慕华，等.潜流式人工湿地基质堵塞问题对策研究[J].环境工程学报，2011，5（5）：67-70.

[37]王 荣，贺 锋，肖 蕾，等.不同级配基质方式下垂直流人工湿地净化效果及渗透性能研究[J].农业环境科学学报，2010，29（5）：969-975.

[38]Zhao Y Q,Sun G,Allen S J.Anti-sized reed bed system for animal waste water treatment：Commiserative study[J].Water Res，2004，38（12）：2907-2917.