轮休对垂直流人工湿地堵塞恢复的影响及其动力学特性

唐 平，项泽顺，于博海，周永潮



轮休对垂直流人工湿地堵塞恢复的影响及其动力学特性

唐 平1，项泽顺1，于博海2，周永潮2※

（1. 杭州电子科技大学材料与环境工程学院，杭州 310007；2. 浙江大学建筑工程学院市政工程研究所，杭州 310007）

人工湿地是一种常见的污水处理技术，但一直受到不可避免的堵塞问题的困扰。该研究主要以不同堵塞现象下的垂直流人工湿地模型为对象（可溶性有机物堵塞，不溶性有机物堵塞，加入抑菌剂的不溶性有机物堵塞），在轮休操作下持续测量不同时期孔隙率与渗透系数变化情况，研究3种堵塞类型的恢复规律，并对其动力学进行分析。试验结果表明在相同轮休期下，生物膜堵塞和有机颗粒堵塞恢复效果较为明显，其中，可溶性有机物堵塞、不溶性有机物堵塞装置分别轮休至第9天、第20天后基本达到较好的恢复状态，当轮休时间足够充分，这2种堵塞类型基本可以恢复至正常状态。其中可溶性有机物堵塞恢复速度最快，其次是不溶性有机颗粒堵塞。并在规律研究基础上，进一步推导了2种堵塞类型的渗透系数恢复的动力学。研究同时发现，轮休操作对无机颗粒类堵塞基本没有恢复效果。

湿地；动力学；堵塞；垂直流人工湿地；轮休

0 引 言

人工湿地是近几十年发展起来的一种新型污水处理技术，它结合了自然湿地处理污水的特点，利用自然生态系统的物理截留、生物降解等方式处理污染物，使水质得到改善。然而，根据USEPA（美国环保署，U.S. Environmental Protection Agency）对投入使用的100多个人工湿地调查发现，约有一半的人工湿地会在运行5 a内产生各种堵塞现象[1]。Mucha等[2]通过研究Kickuth型湿地的坡面流，发现湿地在运行12 a后的内部多孔介质发生堵塞。中国早期建立的一些人工湿地也产生不同程度堵塞[3]。湿地堵塞过程，其实是湿地填料内有效孔隙减少，渗透系数逐渐降低的过程，该过程将导致水力停留时间缩短，出现表面流，短流等问题，从而严重降低湿地净化能力，甚至出现积水、恶臭等现象，影响周围生态环境[4]。因此，开展湿地堵塞防控措施的研究意义重大。

针对人工湿地填料堵塞问题，国内外学者对堵塞预防及渗透系数恢复方式开展了大量研究。现有的堵塞防控措施主要有2类，一是堵塞预防手段，目的是延缓或者尽可能减少湿地的堵塞；二是采用恢复性手段，使湿地恢复至堵塞前状态，实现正常运行。预防性措施一般包括适当的管理措施[5]、水力负荷控制[6]、进水前处理或者改变湿地的运行条件[7]。Huang等[8]通过优化复合垂直流湿地结构和工艺，使湿地的使用寿命增加至原有系统的2.77倍。吴振斌等[9-10]针对湿地的易堵塞位置设计了补水反冲装置和回流补水装置，从而有效预防堵塞。恢复手段主要可分为替换污染的填料；挖出、清洗并回用污染的填料；直接向填料中加入氧化剂；以及生物恢复法等。Platzer等[11]研究发现在湿地运行期间，湿地中积累的有机物大部分集中在表层，堵塞主要发生在上层0～15 cm处，定期更换湿地系统基质，特别是表层填料，可以有效防止湿地表层堵塞，保证人工湿地的持续稳定运行。Batchelor等[12-13]在一个实际的水平潜流人工湿地中应用了间歇运行和轮休的方法，结果表明湿地表面的堵塞物质减少，湿地渗透系数得到了一定程度的恢复。Hua等[14]通过模拟试验将HCl、NaOH、NaClO分别加入到垂直流湿地中用以去除堵塞物质，分别恢复了基质15%、18%和23%的有效孔隙空间，取得了较好的处理效果。Mulligan等[15-16]研究生物表面活性剂在土壤有机污染修复中的影响，发现生物表面活性剂可以提高生物对低浓度有毒污染物降解有效性。Li等[17]使用了一种新型湿地堵塞恢复方法：投加蚯蚓等微型动物，可以清通基质并清除基质表面的有机沉淀物，从而使人工湿地基质的水力传导性能得到恢复。

但是，更换填料、添加氧化剂等方式或成本高、或影响处理安全。轮休作业是连续流人工湿地通过周期性人为停止进水，使其渗透系数逐渐恢复的运行方法。该操作成本较低，不会破坏湿地，是一种缓解人工湿地堵塞经济有效的方式[18-19]，也是国内目前应用较多的一种堵塞防控手段。然而，目前针对轮休操作下人工湿地渗透系数的恢复规律，特别是不同堵塞类型下恢复规律的研究仍有待深入。为此，本研究以葡萄糖溶液、淀粉悬浊液和淀粉抑菌剂混合悬浊液3种进水的人工湿地的堵塞为研究对象，分别模拟生物膜堵塞、有机颗粒堵塞与无机颗粒堵塞现象，通过轮休操作，分析研究渗透系数的恢复规律，在此基础上，结合生物内源呼吸和底物降解动力学，探讨人工湿地的渗透系数恢复的动力学规律。

1 材料与方法

1.1 试验装置

本试验装置采用的是竖向潜流式人工湿地，装置放置于一个透光避雨平台上。装置为有机玻璃加工，直径为30 cm，装置的底部有10 cm用来填装卵石（粒径3～5 mm），填料层高50 cm，填料为石英砂（粒径：1～2 mm），分别编号1、2、3，依次模拟可溶性有机物堵塞，难溶性有机物堵塞，无机颗粒物堵塞，如图1所示。在装置的侧面设有5个测压管，分别设置在10、20、30、40、50 cm处，这些测压管将填料分为5层，由上至下分别标注为Q1、Q2、Q3、Q4、Q5。由于Q1层变化较大，该层又进一步细分为Q1′和Q1′′两层。填料部分进行避光处理，防止光照对湿地内部造成影响。

装置运行过程采用饱和进水方式，底部采用卵石填充保证出水均匀。装置顶部设有溢流口，保证进水水位恒定，溢流的水重新流入搅拌桶，每个搅拌桶独立运行，从而保证每个试验装置的水力停留时间和水力负荷相同。

1.测压管 2.石英砂 3.溢流口 4.卵石 5出水口 6.输水管 7.搅拌桶 8.搅拌桨

1.Piezometric tube 2.Quartz sand 3.Overflow holes 4.Pebble 5.Outlet 6.Water pipe 7. Mixing tank 8.Mixing propeller

注：Q1~Q5为填料分层的所对应的编号，Q1′和Q1′′为Q1的细分层编号。

Note: Q1-Q5 are the no. of filling material layer, Q1′ and Q1′′ are the hierarchy no. of Q1.

图1 试验装置图

Fig.1 Scheme of experimental setup

1.2 湿地的堵塞

3个试验装置运行前状态一致，均种植相同大小植株的菖蒲。装置1进水为葡萄糖溶液，模拟纯生物膜堵塞；装置2进水淀粉悬浊液，模拟不溶性有机物堵塞；装置3进水为含有抑菌剂的淀粉悬浊液，消除微生物作用影响，模拟无机颗粒物的堵塞。

3种进水的COD质量浓度均为200 mg/L。淀粉悬浮颗粒的粒度分布为0.1=8.8m，0.5=15.2m，0.9=26.1m。

装置组装完成后，对植物进行一个月的培养，然后连续运行2个月，运行参数见表1。

表1 运行参数

根据Tong等[20]的研究，当水流渗透系数达到1.61×10-3cm/s时，湿地可定义为堵塞。以此为标准，装置运行2个月后，1、2号均达到堵塞程度，装置3渗透系数趋于稳定，具体如表2所示。

表2 各装置堵塞时间与累积表面负荷

1.3 装置轮休

在3个装置运行至堵塞末期，采用闲置轮休的方式使其慢慢恢复。考虑到过度轮休会导致人工湿地产生一系列问题，因此轮休将液位控制在距离湿地表面下方20 cm处，以保证其不会因干化裂隙。堵塞层主要分布在0～15 cm，因此轮休运行时将原水液位下降至Q2层底部，除测量孔隙率与渗透系数外，不再对装置进水，停止运行一定时间。

1.4 渗透系数测定

本研究采用达西公式来测定渗透系数。测定方法是通过测定装置2个测压管的液位差，再使用达西渗流公式得出两者之间的渗透系数，如式（1）所示。

式中是填料的饱和渗透系数，m/d；A是过流面积，m2；是流量，m3/d；是2个测点的水平距离，m；Δ表示2个测压管的液位差，m。

1.5 孔隙率与恢复率测定

孔隙率是指湿地内部空隙空间占湿地总体体积的比例。测量方法是在湿地处于饱和的情况下，排空内部液体，测量其体积，从而计算其内部孔隙率。孔隙率测定的频率与渗透系数测定的频率保持一致。分层测定湿地内的孔隙率，测量方法参照Zhao等[21]的方法，具体步骤是先让湿地处于饱和状态，然后打开出水口进行排水并收集，通过观察测压管的水位来确定排水结束的时间。之后，将排出的水在电子秤上进行称量，测定排出水的质量，经换算可以得到排出水的体积。最后，装置孔隙率可以用各层排出水的体积除以相对应的填料的填充体积来得到。恢复率指不同轮休时间下，孔隙率或渗透系数与轮休前的孔隙率或渗透系数的百分比。

2 结果与讨论

2.1 生物膜堵塞的恢复规律分析

装置1在轮休期中，渗透系数、孔隙率的恢复与轮休时间的关系如图2所示。装置轮休至第9天后，各层渗透系数均发生了明显的变化，堵塞得到了明显的恢复（图2a）。在该过程中装置渗透系数恢复率随轮休时间呈增加趋势（图2b）。孔隙率的恢复率也同步随停水时间的增大呈线性增加，之后逐渐趋于稳定（图2c和2d）。

装置1的各层的渗透系数及恢复率呈现了不同的规律。轮休期后，Q1′层的渗透系数最终逐步上升到0.65 cm/s左右，与轮休前相比提高了500～600倍。Q1′′层的渗透系数，最后稳定在0.75 cm/s左右，与轮休前相比提高了数十倍。Hua等[13]通过对堵塞后人工湿地进行轮休10 d，顶层（0～20 cm）渗透系数只达到初始阶段的3倍，这主要是由于适当降低水位以后，增加了上层填料孔隙内堵塞物质与空气的接触，生物膜的内源呼吸将更为彻底。因此，适当降低水位的轮休在渗透系数恢复方面具有更好的优势。Q2层的渗透系数也呈现逐步增大并于第9天恢复稳定在1.2 cm/s左右，与轮休前相比提高了数十倍。Q3、Q4和Q5层的渗透系数变化较小，最后稳定在1.8～2.0 cm/s，恢复率位于100%～350%之间。因此，对于生物膜堵塞的情况，如果采取轮休操作，湿地可以得到极大地恢复，尤其是堵塞最严重的Q1、Q2层，渗透系数恢复效果非常明显。

如图2c和2d所示，随着轮休时间增加，装置1各层的孔隙率及其恢复率呈现了与渗透系数类似的变化规律。轮休期达到9 d后，Q1、Q2、Q3层的空隙率得到了很大的提高，分别达到了初始值的27%、32%、36%，恢复率均达到90%以上。Q4、Q5则由于前期堵塞较弱，孔隙率的变化不大。

由图2可推测，装置1堵塞主要是生物膜生长导致内部孔隙空间发生变化造成的。而对于进水中主要以溶解性有机物为主的人工湿地，孔隙间的堵塞物主要是生物膜及其胞外聚合物等外聚物组成[22]，在轮休期由于处于贫养环境，生物膜开始消耗胞外聚合物或内源呼吸，因此，湿地开始进入了内源呼吸阶段，在这个阶段，湿地自身的营养物质被消耗降解，内部总生物量也开始逐渐减少[13-24]，孔隙率得以恢复，从而填料床内渗透系数逐渐提高。生物的内源呼吸可以用活性污泥模拟的一级动力学方程来进行描述[25]。

式中是生物膜的量，g；是时间，d；是微生物的衰减速率。

在轮休期内，湿地渗透系数的恢复主要是内部生物膜的内源呼吸作用，因此，轮休期孔隙率的恢复动力学可通过生物膜内源呼吸动力学推导。

图2 可溶性有机物堵塞情况下渗透系数和孔隙率及其恢复率随轮休时间的变化（1号装置）

Clement[26-27]等在多孔填料堵塞研究的基础上，得到了渗透系数与生物量之间的关系式，在轮休期，湿地中渗透系数与生物膜量之间的关系可推导如下

式中K为渗透系数；0表示初始渗透系数；n表示固体颗粒表面微生物所占的体积分数；表示总体积；0表示初始孔隙率；0表示初始生物膜总量；表示生物膜干质量与湿质量之比。

根据式（2）、式（3）、式（4），可得湿地渗透系数恢复动力学如式（5）所示。

式（5）中生物膜量的变化可根据湿地孔隙率的变化推算[28]。由于生物膜一般含水率在90%以上，可以假定生物膜密度为1.0 g/cm3。以生物量较丰富的Q1、Q2、Q3为对象，将生物量的变化与轮休时间分别点绘在图上，以Clement推导式以及动力学方程对生物降解量与渗透系数变化进行动力学分析，如图3所示，推导的动力学变化较为符合实测趋势。

2.2 不溶性有机物堵塞的恢复规律

装置2在轮休期中，渗透系数与孔隙率的恢复与轮休时间的关系如图4所示。如图4a和4c所示，该装置的渗透系数和孔隙率恢复较可容性有机物类型堵塞慢，在轮休了1个月的时间后，才逐渐趋于稳定。在前20 d中，装置2渗透系数恢复率随时间呈线性增加，且由图4c可知，在轮休期内Q1和Q2孔隙率的恢复随时间也呈线性增加，之后逐渐趋于稳定。

如图4a所示，Q1′层的渗透系数，在轮休一段时间后，逐渐稳定在1.2 cm/s左右，为试验装置进水运行前渗透系数的46%左右，与轮休前相比提高了约3 000倍。Q1″层的渗透系数，最后稳定在1.0 cm/s左右，为试验装置进水运行前渗透系数的35%左右，与轮休前相比提高了120倍左右。Q2层的渗透系数，最后稳定在1.25 cm/s左右，为试验装置进水运行前渗透系数的37%左右，是轮休前的3～4倍。Q3、Q4和Q5层的渗透系数，在整个轮休操作期间，变化较小，最后稳定在1.7～2.3 cm/s，恢复率位于100%～130%之间。因此，通过观察该装置各层渗透系数在轮休期的恢复规律，可以发现在轮休时间足够的情况下，该装置的渗透系数变化非常大，而且能够基本恢复至装置进水运行前的渗透系数，但与生物膜的堵塞装置相比较慢，需要的轮休时间也较长。

如图4c和4d所示，经过一段轮休期后，装置1的孔隙率及其恢复率也发生明显的变化。与轮休前相比，Q1、Q2、Q3层的孔隙率得到了很大的提高，分别达到了20%、29%、96%，恢复率达到77%、80%、96%。Q4、Q5则由于前期堵塞较弱，孔隙率的变化不大。

图4 不溶性有机物堵塞情况下渗透系数和孔隙率及其恢复率随轮休时间的变化（2号装置）

李怀正等[23]对于湿地堵塞中不可过滤物质分析可知，轮休阶段中湿地内部有机物质减少较快，而装置2产生堵塞主要由于高浓度有机物积累，并在微生物作用下形成致密的黏性网状结构所致，在轮休期中，微生物继续分解孔隙中截虑的有机物，使得空隙逐渐增大，渗透系数得到恢复。因此，对于进水中主要以不溶性有机物为主的堵塞类型，渗透系数的恢复动力学可以根据高浓度有机物降解动力学进行推导。

高浓度有机物降解过程可以使用莫诺特微生物生长模型描述。根据莫诺特方程[29]，可以推导得到底物的降解速率和底物之间的关系，如下式所示

式中是底物浓度，mg/L；是时间，d；max是底物的最大比降解速率，d-1；K是饱和常数，mg/L；是微生物量，mg/L。

装置2的主要堵塞物质为淀粉，相比于装置1，由于有机质含量较高，且主要集中在上层，因此可假设Q1层处于高浓度底物条件下，即>>，上式简化为

因此，可以表明在这种情况下，底物以恒定速率降解，装置内的淀粉所占体积与时间的变化呈线性变化。

Plazer等[11]曾通过研究渗透系数和堵塞物量之间的关系，得到经验公式，如式（8）所示。

=0·exp(−·S) （8）

式中是湿地的渗透系数，cm/s；0是湿地的初始渗透系数，cm/s；S是湿地的累积去除量，g/m2；是描述湿地堵塞趋势的参数，m2/g。

结合上式，渗透系数恢复动力学方程可推导如下：

根据式（9）得到动力学变化曲线，如图5所示，理论推导的渗透系数恢复过程与实际变化基本一致。

2.3 无机颗粒堵塞恢复规律研究

图6a和6b描述装置3渗透系数及其恢复率随轮休时间的变化，图6c和6d描述装置3孔隙率及其恢复率的随轮休时间的变化情况。经过一段时间轮休后，与前2个装置相比，装置3基本可以看作未恢复，由此轮休操作对装置3渗透系数恢复效果不大。Hatt等[30]研究也认为泥沙等细小的无机颗粒随着污水进入基质中，决定了人工湿地的使用寿命。由此可见由于生物膜产生的堵塞更加容易在轮休操作下恢复，无机颗粒物产生的堵塞无法通过轮休操作得到有效控制。

图6 无机颗粒物堵塞情况下渗透系数和孔隙率及其恢复率随轮休时间的变化（3号装置）

3 结 论

通过对比3种不同人工湿地堵塞现象下，轮休操作后堵塞的渗透系数和孔隙率的恢复规律及恢复动力学分析，可以得到以下结论：

1）在湿地轮休期中，除了无机颗粒物堵塞的装置，可溶性有机物和不溶性有机物2个装置的堵塞都出现了十分显著的恢复，分别在第9天和第20天恢复至较好状态。当轮休时间足够长时，这2个装置的渗透系数和孔隙率可以基本恢复到模型装置运行前的状态。其中，生物膜类型的堵塞恢复时间较有机颗粒类的堵塞短。然而轮休操作在实际应用中，应结合人工湿地实际连续运行情况、基质渗透系数恢复目标等因素，合理确定轮休时间。

2）溶解性有机物产生堵塞的人工湿地，渗透系数的恢复主要是由于微生物内源呼吸导致，该类型堵塞下渗透系数的恢复动力学可根据内源呼吸动力学推导。不溶性有机物产生的堵塞，在轮休期渗透系数的恢复是因为微生物将填料内截虑的有机物进一步降解导致，因此，该类型堵塞的渗透系数恢复动力学可根据莫诺特方程进行推导。

3）由于无机颗粒在填料床内产生的堵塞无法通过微生物作用或内源呼吸进行降解，因此，无机颗粒物类型的堵塞无法通过轮休操作恢复渗透系数。

虽然轮休操作可以提高湿地的渗透系数，但轮休后，由于生物量的减少以及不均匀裂隙的出现，的确有可能出现进水短路、处理效率下降等问题。但由于传统示踪方法仅能间接测出短路与死水分布情况，无法发现细小渗流路径的改变，本课题组将进一步深入研究此问题。

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Effect of resting operation on recovery of clogging and its dynamics for virtual flow constructed wetlands

Tang Ping1, Xiang Zeshun1, Yu Bohai2, Zhou Yongchao2※

(1.,,310007,; 2.,,,310007,)

Constructed wetlands (CWs) have been used in wastewater treatment. To understand the characteristic and the dynamics of the recovery of different clogging types forvirtual-flowconstructed wetland (VFCW), three vertical flow constructed wetlands (VFCW), fed glucose solution (bed1), starch suspension with (bed2) and without bacteriostat (bed3) were used to simulate different types clogging (clogging caused by biofilm, insoluble organic matter, and inert organic matter). The hydraulic conductivity and porosity of three VFCWs were measured regularly during the resting operation. The results indicated that the clogging caused by biofilm and organic matters can be recovered through applying resting operation. After resting for 15 days, the hydraulic conductivity recovery rate of the upper layer for bed 1 reached 500-600, and its hydraulic conductivity stabilized at 0.65cm/s. The recovery rate of lower layer (Q3, Q4 and Q5) decreased due to its higher initial value of hydraulic conductivity. The change of porosity had the same rulers.The main reason of clogging recovery of bed 1 were as follows: 1) the EPS was decreased, which made the biofilm became small and dispersive; 2) microorganisms enter an endogenous respiration state due to the short of nutrients, and endogenous respiration involves consumption of cell-internal substrate, which led to a loss of activity and slightly reduced biomass. Thus, the recovery dynamic can be deduced based on the rule ofendogenous respiration rate. The result showed that the theoretical value and the measured value were in good agreement. For bed 2, the hydraulic conductivity increased greatly in the first 20 days of resting operation, and then stabilized at 1.2 cm/s. its recovery rate was more than 3000. Similarly, the hydraulic conductivity recovery rates of Q3, Q4 and Q5 decreased gradually. After the resting operation, the porosity of Q1, Q2 and Q3 increased greatly, and it reached 20%, 29%, 96% of the initial porosity. The porosity recovery rate reached 77%, 80%, 96% respectively. During the resting operation, the trapped particles were decayed in a humid environment, and the porosity of bed 2 increased greatly during the first 12 days resting. After later resting operation, with organic particles decay, the particles’ bridging collapsed, which made the hydraulic conductivity of bed 2 increased greatly.Therefore, based on theorganic compound biodegradation, its hydraulic conductivity recovery dynamics can be deduced. The result showed that the theoretical value and the measured value were in good agreement. The recovery of clogging caused by biofilm and organic matters respectively can be complete basically after resting operation for 9 and 20 days, respectively. The recovery of clogging caused by biofilm was much faster than that of clogging caused by insoluble organic matters. In the actual operation, the resting time should be considered according to the target of recovery rate and the condition of continuum running. On the other hand, it was also found that the clogging caused by inert particles can’t be recovered through applying resting operation,which implies that clogging by inert particles is difficult to recover through applying resting operation.

wetlands; dynamics; clogging; virtual-flow constructed wetland; resting operation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.029

TU998

A

1002-6819(2017)-20-0234-07

2017-05-14

2017-10-10

国家水体污染控制与治理重大专项（2011ZX07301-004）

唐 平，女，博士，山东滕州，副教授，主要从事城市固体废弃物与水环境方面研究。Email：tpshe@163.com

※通信作者：周永潮，浙江绍兴人，副教授，博士，主要从事城市排水与水环境方面研究。Email：zhoutang@zju.edu.cn

唐 平，项泽顺，于博海，周永潮. 轮休对垂直流人工湿地堵塞恢复的影响及其动力学特性[J]. 农业工程学报，2017，33(20)：234－240. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.029 http://www.tcsae.org

Tang Ping, Xiang Zeshun, Yu Bohai, Zhou Yongchao. Effect of resting operation on recovery of clogging and its dynamics for virtual flow constructed wetlands[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(20): 234－240. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.029 http://www.tcsae.org