人工湿地堵塞问题的探讨

人工湿地堵塞问题的探讨 朱 洁, 陈洪斌 (同济大学 环境科学与学院, 上海 200092) 摘 要: 近 20年发展起来的人工湿地,作为一种对传统污水处理技术的廉价替代,越来 越受到世界各国的普遍重视。通过对人工湿地运行过程中出现的填料堵塞现象进行全面分析, 归 纳和总结了人工湿地堵塞的影响因素,对其堵塞机理和堵塞模型进行了探讨,提出了避免堵塞的工 程化解决措施和湿地堵塞后的恢复方法。 关键词: 人工湿地; 填料; 堵塞; 机理; 修复 中图分类号: X703 文献标识码: B 文章编号: 1000- 4602( 2009) 06- 0024- 06 D iscu ssion on Con structedW etlands C logging ZHU Jie, CHENH ong2bin (Colleg e of Environmenta l Science and Engineering, Tongji University, Shangha i 200092, China ) Ab stra ct: As a low cost alternative to tradit iona l sewage purification, the technology of constructed wet lands has been deve loped in recen t 20 years and many coun tries have pa id much attent ion to i.t A comprehensive analysis of soil clogging phenom ena in the operat ion of constructedwetlands is performed, and the factors related to soil c logging are summarized. The clogging mechan isms and mode ls are dis2 cussed. Some solut ions of avoid ing clogging andmethods for remedying the clogging are put forward. K ey words: constructed wetlands; carriers; c logging; mechan isms; remediation 基金项目: 科技部国际合作课题资助 ( 2007DFA90280); 国家科技支撑项目 ( 2006BAJ08B06) 人工湿地是指人工建造的、可控制的和工程化 的湿地系统,其设计和建造是通过对湿地生态系统 中的物理、化学和生物作用等优化组合来进行污 (废 )水处理。它一般由人工基质和生长在其中的 水生植物 (如芦苇、香蒲等 )组成, 是一个独特的生 态系统。据美国环保局对 100多个运行中人工湿地 的调查, 有将近一半的湿地系统在投入使用后的 5 年内出现了堵塞问题,其水力传导系数降低,除污效 果变差,运行寿命缩短 [ 1]。人工湿地的堵塞问题越 来越成为其应用的障碍,弄清人工湿地堵塞的机理, 探寻相应的解决措施和预防对策十分必要而迫切。 笔者从人工湿地堵塞机制和影响因素入手, 总结了 国内外在本领域的研究进展,提出了堵塞的解决措 施和预防对策,以供借鉴和参考。 1 人工湿地的堵塞机制 堵塞是所有高负荷污水过滤系统中常见的自然 效应,其表现在两个方面:首先, 堵塞层是一个很好 的生物过滤器,能提高湿地系统的处理效率,适度的 基质孔隙堵塞可以扩大湿地处理系统内部的非饱和 流动区域,提高处理效果;其次, 堵塞会使湿地的水 力性能变差,从而影响水流路径, 最终影响到湿地的 处理效果和运行寿命 [ 1~ 3]。 人工湿地一般由防渗层、基质层、腐质层和湿地 植物等结构单元组成,其堵塞实质上是有效孔隙率 减小的过程,长时间的堵塞会导致厌氧环境的产生, 加速系统的堵塞。人工湿地堵塞的形成机制可分为 #24# 第 25卷 第 6期 2009年 3月 中 国 给 水排 水 CH INAWATER & WASTEWATER Vo.l 25 No. 6 Mar. 2009 Administrator 文本下划线工具 Administrator 文本下划线工具 Administrator 文本下划线工具 三个阶段: ¹渗透速率接近开始的运行水平,但呈下 降趋势; º渗透速率缓慢稳定下降; »基质表面间歇 渗透直到持续积水。 在人工湿地的渗透初期,污水中的 SS开始在湿 地填料表面和孔隙中聚集,堵塞部分填料孔隙,使基 质层局部的氧化还原电位下降并开始形成厌氧微环 境。氧化还原电位高则反映了基质层中微生物的氧 化能力强,胞外聚合物的蓄积较缓慢;反之, 则还原 水平高,微生物产生的胞外聚合物在填料孔隙内越 聚越多,具有很高的堵塞潜能。 随着污水渗透的进行,厌氧区域的基质层逐渐 趋于还原状态,微生物的胞外聚合物不断积累,进一 步堵塞了填料孔隙, 使厌氧形成过程进一步加速。 此时的堵塞称为暂时性堵塞。由于细菌胞外多聚物 的高含水性, 这种堵塞经一段时间的落干 (即湿地 不过水而干化 )后可以消除。 在堵塞过程的后期, 基质层的结构特别是土壤 的团粒结构被破坏, 所形成的细微粘土粒子与许多 淤积的 SS共同组成致密不透水层, 胞外聚合物不断 凝聚和吸附不同粒径的悬浮或胶体状态的底物,进 而形成大粒径絮团状的累积物,造成有机物和无机 物共同积累,加速并继续堵塞填料孔隙。随着生物 量的增加,进水区的厌氧化程度加剧,有机固体颗粒 的累积加速 [ 4] , 最终在各种因素的综合作用下, 基 质层的孔隙被完全堵塞,净化能力消失,此时形成的 堵塞很难再通过落干等操作消除, 可以认为是一种 永久性的堵塞 [ 5]。当堵塞现象发生时, 水体的有效 停留时间缩短,出现短流或绕流等现象。 可见, 人工湿地的堵塞是由沉降和被过滤的固 体颗粒在微生物作用下累积而成, 填料表面的堵塞 层和空隙中的截留物质由厌氧分解产物 (如多糖类 物质、胞外聚合物 )以及未能降解的有机化合物组 成。Ryszard[ 2]指出, 高温下生物膜的增长、植物根 的渗透作用、低 pH值下碳酸钙的沉淀和分解以及 低渗滤条件下湿地自净能力的缺乏均会造成湿地堵 塞。 2 人工湿地堵塞的成因和影响因素 人工湿地有表面流和潜流两种, 从目前的研究 来看, 潜流湿地的除污效果优于表面流湿地,但其运 行管理复杂,且容易发生堵塞。因此,对人工湿地堵 塞的研究主要集中于潜流人工湿地系统。普遍认 为,造成湿地堵塞的原因是基质层中固体颗粒的累 积。目前,对该方面的研究大都集中在积累的主要 成分是有机物还是无机物以及进水有机负荷、填料、 运行方式、湿地植物的作用等对颗粒积累程度的影 响上。 211 固体颗粒的累积 针对垂直潜流人工湿地处理系统中的填料堵塞 问题所开展的诸多研究认为, 有机质和无机质等固 体颗粒积累是导致垂直潜流人工湿地填料堵塞的重 要原因 [ 6~ 8]。 叶建锋等认为, 垂直潜流式人工湿地发生堵塞 的成因主要是基质层中非过滤性成分的积累所致。 经进一步的分析发现堵塞并不是进水中粒径 > 5. 0 Lm的不可滤物质被直接截留的结果, 而是由基质 层中不可滤成分积累造成的, 当基质表面生物膜形 成后,污水中不同粒径的悬浮物或胶体状态的底物 凝聚和吸附在微生物的表面, 进而形成大粒径絮团 状的累积物,从而造成有机物和无机物的共同积累。 目前, 虽然普遍认为固体颗粒物的积累是造成 堵塞的主要原因, 但是在积累物成分主要是有机物 还是无机物问题上还存在分歧。 21111 有机负荷与有机质累积 许多研究表明, 有机负荷对基质层的堵塞有很 大影响。由于有充足的水和营养供应,人工湿地中 的植物年生产力很高 (地上部分干质量可达到 7 131~ 8 155 kg/m2 ), 导致较高的潜在有机负荷。 因此,在季节转换时,应将湿地植物的地下部分也一 并清除, 减小有机负荷以保证湿地的长期运行。 Platzer和Mauch建议人工湿地的有机负荷不要超过 25 gBOD/(m2# d) [ 9]。T. H. F. Wong和 Laak认为, 堵塞与湿地系统达到平衡状态前的有机负荷有关。 平衡状态前,湿地系统中的微生物种类少,或者处理 某种污水的功能性微生物数量不足, 过高的有机负 荷不能被及时分解,进而导致堵塞。Laak进一步指 出, 湿地系统达到平衡之后堵塞与有机物的积累有 关, 当有机物积累到一定程度,沉积在湿地表面的有 机物形成了一层黑色粘膜, 以及由于受低温限制而 没有发生化学变化的有机化合物导致系统孔隙的外 部堵塞,而沉积在孔隙内的有机物则导致了孔隙内 部的堵塞。 人工湿地的有机物累积主要发生在表面和深度 约 100 mm以上的填料层。付贵萍等 [ 10 ]研究表明, 填料中的有机质直接影响填料的缓冲性、渗透性、通 #25# www. watergasheat. com 朱 洁,等:人工湿地堵塞问题的探讨 第 25卷 第 6期 Administrator 文本下划线工具 Administrator 文本下划线工具 气状况和填料温度等, 对填料是否堵塞起着关键作 用,是一项需掌握的重要指标。詹德昊 [ 11]等人的研 究表明,湿地系统中有机质含量与基质渗透系数呈 明显的负相关关系, 而渗透系数是反映湿地系统是 否堵塞的重要参数,因此, 他们提出有机质积累是导 致湿地堵塞的一个重要原因。 21112 无机颗粒 虽然多数学者认为有机质积累是人工湿地堵塞 的重要原因,但是就低有机负荷的潜流人工湿地处 理受污染河水系统而言, 其填料堵塞机制可能存在 较大的不同。靖玉明等人 [ 12 ]的研究表明,填料孔隙 的堵塞现象主要发生在中试系统的前段 (沿水流方 向距进水点约 0~ 5 m),堵塞物主要为无机颗粒物, 因此他们认为必须加强能够有效去除无机颗粒物的 预处理。童巍等 [ 13]采用垂直流人工湿地单元 模型, 测定了填料的有效孔隙率与截留 SS总量、 COD降解量、生物膜增长量之间的关系, 结果表明 进水中悬浮颗粒全部为无机颗粒的系统更易造成淤 堵。W inter等发现, 在湿地堵塞过程中, 进水的 COD和直径 > 50 Lm的悬浮物起主要作用 [ 14]。 212 填料 在潜流人工湿地中, 一般采用砾石填料和土壤 或砂构成基质层。除此之外, 一些新型填料 (如沸 石、粉煤灰、煤渣等 )也逐渐得到应用。基质层是湿 地系统的核心部分, 填料的选择直接影响湿地对污 染物的去除效率和基质层的堵塞, 选择合适的填料 对人工湿地系统十分关键。在选择填料时需要考虑 水力负荷、微生物的生长活性以及是否适合植物生 长等因素,在此基础上,砂子、砾石、土壤、工业副产 品 (如炉渣、钢渣、粉煤灰等 )等按不同比例、不同粒 径混合都可以作为人工湿地的基质材料。 ¹ 砾石填料 砾石的典型尺寸为 ( 3~ 6)、( 5~ 10)、( 6~ 12) mm, 在欧洲砾石填料使用最多的尺寸为 8~ 16mm。 另外, 一些欧洲国家还使用破碎的石灰石或压碎的 岩石作为人工湿地的填料。然而, 大粒径的卵石或 砾石虽然可以解决水力传导率较低的问题, 但是不 利于微生物的挂膜生长。此外,大的、有棱角的基质 对植物根系的生长和蔓延也不利。因此, 综合考虑 进、出水水质和预防填料堵塞等两方面的影响来选 择合适的填料粒径是必要的。 º 土壤填料 多数植物在沙壤土中生长良好, 过多的岩石和 粘土则不利于其生长,过于酸性或碱性的土壤也会 限制植物对营养物质的摄取。高拯民等认为 [ 15] , 作 为填料的壤性土和砂性土具有较大的孔隙率, 污水 中的悬浮物、化学反应沉淀物、微生物代谢产物等在 土壤中积累而造成孔隙减小的过程缓慢;对于粘土 粒子含量高、有效孔隙率小的土壤,上述物质在土壤 颗粒表面的聚集非常迅速, 由此导致土壤渗透速率 迅速下降。 » 砂填料 一般情况下, 在湿地中渗透扩散的污水 DO浓 度很低,而 DO浓度越低, 胞外聚合物越容易聚集, 从而堵塞现象越容易发生。付贵萍等 [ 10]在复合垂 直流人工湿地中采用了直径为 2~ 5 mm的砂粒, 试 验中未发生填料堵塞现象。一般情况下,粒径较小 的基质为微生物提供了更多的附着表面,并截留大 量污染物,但也更容易降低基质的有效孔隙率,从而 导致填料堵塞。 ¼ 其他填料 在国外, 破碎的炉渣、轻质膨胀粘土颗粒 (陶 粒 )、破碎的玻璃等都可作为人工湿地的基质。在 国内,一些通透性好、比表面积大、具有吸附能力的 多孔介质 (如沸石、粉煤灰、煤渣、草炭、石灰石等 ) 也被填充到人工湿地系统中。张翔凌等 [ 16]选取砾 石、沸石、无烟煤、页岩、蛭石、陶瓷滤料、高炉钢渣、 圆陶粒等填料,在较高水力负荷 ( 1. 0~ 2. 5 m /d)条 件下研究了填料孔隙率的变化规律, 发现蛭石和砾 石的孔隙率减小幅度最大,有机物和氮、磷等污染物 在这两种填料中的积累最为明显, 污染物易富集在 填料表面,发生堵塞的几率也有所增大。 对于有多层填料的垂直流人工湿地, 除填料粒 径外,不同粒径填料之间的配比选择和级配对防止 堵塞也十分重要。莫凤鸾等 [ 17]通过将原湿地中的 0~ 4 mm(厚为 600 mm)的细沙基质更换成厚为 250 mm的 4~ 8 mm及厚为 350 mm的 8~ 16 mm的碎 石基质,成功解决了原系统基质的堵塞问题,这充分 说明了合适的填料级配能有效防止基质的堵塞。 Y. Q. Zhao等 [ 18]发现, 反级配人工湿地在延缓基质 堵塞方面也有明显的优势。 213 湿地的运行方式 湿地的运行方式直接影响湿地基质环境中的溶 解氧浓度,并与基质层整体的氧化还原电位呈正相 #26# 第 25卷 第 6期 中 国 给 水 排 水 www. wate rgasheat. com 关关系,长时间的连续进水会使系统的基质层一直 处于还原状态, 而间歇性运行则有利于湿地复氧。 Ryszard Blazejewsk i等 [ 3]认为, 厌氧条件加速了系统 的堵塞,因而间歇进水方式和适当的湿地干化期对 于系统避免堵塞是必要的。Watson等 [ 19]也认为,采 用间歇投配污水 (即落干和投配交替运行 )会使土 壤得到 /休息 0, 保证土壤一定的好氧状态, 避免胞 外聚合物的过度积累,防止土壤堵塞。 一般情况下,人工湿地的间歇时间越长则处理 能力恢复得越好,其渗透速率也越大,但间歇时间不 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。H. Bouwer等研究表 明,夏季适宜的恢复时间为 10 d,冬季为 20 d。间歇 式运行方式在美国、日本等国家得到了广泛应用,我 国的许多工程和试验中, 间歇投配方式也得到了重 视和应用。 214 湿地植物 研究表明, 湿地植物有助于防止基质堵塞。李 世斌等 [ 20]的研究表明,湿地系统栽种植物后,植物 根系给微生物生长提供了空间和氧气, 使得微生物 数量大幅度增长,从而提高了处理效率。王晟等 [ 21] 发现, 种植植物使湿地基质孔隙率普遍提高了 3% ~ 44% ,表明根在穿透基质的过程中发挥了疏通作 用。但是,根系的过度发达也会横向压实基质,因此 他们认为植物起到了一定的但不是决定性的防堵塞 作用。 由于湿地植物能够向系统中贡献较多的有机 物,一些学者认为湿地植物会加速湿地系统的堵塞。 Tanner[ 22]的研究表明, 有植被的人工湿地明显保持 了较高的砂砾渗透性, 但同时也出现了更多的有机 物累积。Long. Nguyen[ 23 ]认为,基质顶部 100mm厚 度内的植物根部物质 [ 0. 17 kg /(m2 # a) ]将会限制 水的渗透,并且这些根部物质死亡和腐烂后会导致 大量的有机物积累,进而导致基质堵塞。 为了减少植物对堵塞的影响, 可考虑选用根际 复氧能力强、分泌难降解物质较少的植物作为湿地 植物;同时定期收割植物的地上部分以及定期去除 系统表面积累的有机物粘膜。 3 人工湿地堵塞的对策 311 预处理 预处理可以降低湿地进水中的悬浮物和有机负 荷,有效预防人工湿地堵塞的发生。常见的预处理 工艺有格栅、厌氧沉淀、混凝沉淀等。有研究表明, 用序批式厌氧收集池预处理城市生活污水能够将悬 浮固体降到极低水平,可有效预防人工湿地堵塞的 发生。Magesan等采用快速渗滤系统处理具有高碳 氮比 ( C/N值为 66) 的废水时, 土壤填料过水能力 会迅速降低 80% , 而在进水中添加硝化抑制剂和多 糖降解酶则可以将土壤填料的渗透系数提高到堵塞 时的 2. 8倍 [ 24]。这些措施虽可有效推迟基质堵塞 发生的时间,却不能杜绝基质堵塞的发生,并会增大 系统的投资、运行成本以及维护管理难度。是否适 合采用此类方法需要在由此引起的费用增加和基质 堵塞后更换基质所需费用之间进行权衡。 312 曝气充氧 由于厌氧状态是导致基质中胞外聚合物积累的 重要原因,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 [ 5]。由于污水在渗透过程中其 DO值会迅速降低, 而在散水管周围供给空气则可 以有效提高污水的 DO浓度, 维持基质中的好氧状 态, 使微生物的分解作用得以维持,同时还可以防止 基质中胞外聚合物的蓄积。 313 停床、轮休 人工湿地受堵塞后,国外通行的做法是让床体 经过几个星期的停床休整来恢复部分渗透性, 而轮 休期的长短则取决于天气条件 [ 4]。通过停床休作 与轮作,一方面可以使大气中的氧进入湿地内部,加 快降解基质中沉积的有机物;另一方面微生物新陈 代谢需要的各种营养物得不到持续的补充, 基质中 的微生物会逐渐进入内源呼吸期, 消耗胞外聚合物 或胞内成分,逐渐老化死亡。但这类措施需要建造 多个平行湿地, 会大幅度增加湿地系统的投资费 用 [ 17]。 314 更换湿地表层基质 Langergraber等 [ 25 ]研究发现,在堵塞发生之前, 上层基质的最小含水量呈指数增长, 并最终达到完 全饱和状态;下层基质的最大含水量呈下降趋势,这 主要是由于上层基质中水的渗透速率不够造成的, 这说明基质的堵塞主要发生在上层。为此, 通过更 换湿地表层基质可以有效恢复人工湿地的功能, 缺 点是对大规模的湿地而言工程量较大、更换困难、更 换时人工湿地需要停床且更换所花时间长。 315 投加蚯蚓 L. Davisonh等认为,蚯蚓可以清通基质以及清 #27# www. watergasheat. com 朱 洁,等:人工湿地堵塞问题的探讨 第 25卷 第 6期 Administrator 文本下划线工具 Administrator 文本下划线工具 除基质表面的有机沉淀物, 从而恢复人工湿地基质 的水力传导性能 [ 26]。但这种方法还处于初步研究 阶段, 实际工程的效果还有待进一步验证。 316 施用微生物抑制剂或溶菌剂 体积很小的微生物本身直接堵塞填料孔隙的可 能性不大,而微生物代谢过程中产生的胞外聚合物 (具有较大的体积 )会堵塞填料孔隙。因此, 如何抑 制胞外聚合物的大量产生, 或将某种或部分微生物 杀死进而防止填料堵塞是许多学者正在研究的课 题。Shaw等在进水中添加 5%的次氯酸钠以杀死细 菌并溶解胞外多糖, 可以完全恢复基质的水力传导 能力 [ 5]。人工湿地处理工艺主要依靠微生物的代 谢活动去除污染物质, 这种抑制微生物活性或杀死 微生物的防治基质堵塞措施还需深入研究。 4 展望 引起人工湿地基质堵塞的因素较多, 相应的预 防措施和恢复对策也很多,但效果差别很大,且往往 治标不治本。这主要是因为人工湿地是个 /黑箱 0 系统, 各影响因素的重要程度没有得到量化。因此, 在今后很长一段时间里, 堵塞问题将成为人工湿地 污水处理技术研究中的重点,研究方向主要集中在 以下几方面: ¹ 对人工湿地的基质 ) 微生物 ) 植物生态系 统的协同互利机制进行分析, 对各种污染物 (特别 是氮、磷、重金属 )在进入基质层后的迁移转化过程 的定量化研究,并建立数学模型全面了解人工湿地 的运行机理是解决堵塞问题的基础。 º 选择开发更加合适、成本低廉的人工湿地 基质填料。如何选择一些通透性好、比表面积大、具 有强吸附能力的基质填料, 在保证污水处理效果的 同时, 还能有效防止堵塞也是湿地堵塞研究的热点。 » 对湿地进水进行预处理, 采取其他水处理 技术与人工湿地结合的工艺,提高污水处理率防止 湿地堵塞将是以后的研究重点。 ¼ 基质层填料的堵塞是一个非常复杂的过 程,涉及物理、化学和生物等各个领域, 建立填料堵 塞的数学模型以揭示其堵塞机理, 并采取有效的预 防措施是研究的重要方面。 参考文献: [ 1 ] USEPA. 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