人工濕地堵塞機制與防治措施研究進展

曾 琳,袁 悅,王 盼,譚學軍

(上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司,上海 200092)

近年來,人工濕地因其成熟的工藝及生態(tài)友好型特點,在污水處理領域中得到了廣泛應用。與傳統(tǒng)污水處理廠相比,人工濕地在建設和運營成本方面具有運行能耗低、工藝設備簡單、運轉維護方便等明顯優(yōu)勢。污水通過人工濕地系統(tǒng)中基質、植物和微生物的協(xié)同作用得到凈化?；|是人工濕地不可或缺的組成部分,大多數(shù)物理、化學和生物反應都在基質中進行。基質不僅支持人工濕地植物的生長,為生物膜提供附著物,而且在污染物去除中發(fā)揮重要作用[1]。研究[2]表明,多種材料可以用作人工濕地的基質,包括天然材料(如礫石和沙子)、農(nóng)業(yè)/工業(yè)廢物(如牡蠣殼和粉煤灰)和人工材料(如活性炭和陶粒)。植物是污水處理的核心,在吸收、降解和去除污水中的污染物方面發(fā)揮著關鍵作用,全世界已有150多種植物在人工濕地中生長,植物對氮、磷污染物去除貢獻率占比較大,其中15%～80%的氮和24%～80%的磷是通過植物去除的[3]。植物還可在污水中積累有毒元素,如重金屬和抗生素[4]。微生物的代謝直接影響人工濕地有機物的降解與轉化,微生物群落是人工濕地物質循環(huán)和高效脫氮的重要保障,微生物參與的硝化反硝化作用是去除污水中氮的主要途徑,可占66.9%～80.5%[5]。

然而,人工濕地在實際應用中也存在許多問題,如所需面積大、冬季處理效率低,其中堵塞問題嚴重影響了人工濕地的可持續(xù)運行[6]。堵塞涉及物理、化學和生物過程,無機和有機顆粒的滯留、化學沉淀物的沉積和積累以及生物膜和植物生物量的發(fā)展和衰變,均能導致基質逐漸堵塞。隨著人工濕地出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象,基質的滲透系數(shù)急劇下降,會導致污水積聚在濕地表面,引發(fā)惡臭和環(huán)境長期惡化,阻隔氧氣向基質層的擴散并降低污染物的去除效率,使出水水質達不到設計標準,同時縮短人工濕地的使用壽命。最初對人工濕地使用壽命的預測在50～100年[7],這一預測已逐漸縮短至10～15年。Hua等[8]研究發(fā)現(xiàn),基質堵塞還會降低微生物群落的豐富性和多樣性,對濕地生態(tài)系統(tǒng)的生物降解過程產(chǎn)生負面影響。因此,系統(tǒng)闡述人工濕地堵塞機制、堵塞評估技術以及防治措施的研究進展,有助于人工濕地的可持續(xù)性運行。

1 人工濕地堵塞機制

人工濕地堵塞主要由物理、生物和化學因素引起。物理因素是指懸浮物質(SS)進入人工濕地降低其孔隙度;生物因素是人工濕地中微生物細胞及其相關代謝產(chǎn)物,如胞外聚合物(EPS)累積造成堵塞;化學因素是指基質和進入人工濕地的不同組分之間,形成了不溶性無機鹽沉淀造成孔隙堵塞[9]。

1.1 物理堵塞

在實際工程應用中,物理堵塞占主導地位,是由沉積在人工濕地表面、基質內(nèi)部的有機和無機SS以及難降解有機物引起的。圖1顯示了人工濕地物理堵塞形成過程。堵塞機理主要為表面堵塞、內(nèi)部堵塞和橋接,粒徑較大的SS無法進入基質孔隙,因此,SS會積聚在表面,并通過形成毯狀沉積層導致表面堵塞,隨后細顆粒的流入會將其壓實;粒徑較小的SS通過孔隙深入基質,會被過濾并困在孔喉中,累積的固體作為“篩子”形成“橋接”,從而進一步限制較大的SS流過,導致內(nèi)部堵塞[10]。人工濕地物理堵塞一開始發(fā)生在表層以下15～30 cm處,最終在整個基質中形成不同程度的堵塞[11]。人工濕地基質過濾的物質由有機物和無機物組成,無機物更容易造成堵塞[12]。Ye等[13]使用5種物質定量描述人工濕地堵塞,發(fā)現(xiàn)堵塞物中蛋白質、多糖、腐植酸、核酸、無機物的比例分別為9.86%、1.90%、5.68%、3.95%、49.87%。而Nguyen[14]發(fā)現(xiàn)濕地的多孔介質被有機物堵塞,90%以上為難降解有機化合物,其中63%～96%為腐植酸和黃腐酸。

圖1 人工濕地物理堵塞形成過程[19]

人工濕地中物理堵塞按來源可分為外源性和內(nèi)源性物理堵塞,外源性物理堵塞物為進水中的SS,內(nèi)源性物理堵塞物包括基質磨損和植物產(chǎn)生的無機碎屑。植物根莖和根系的生長以及殘留物的形成和積累是人工濕地有機物的重要來源之一。Pedescoll等[15]發(fā)現(xiàn),在濕地中種植蘆葦,運行3年后發(fā)生堵塞,濕地中積累的根系占總積累固體的35%～70%。Tanner等[16]發(fā)現(xiàn),未種植植物的人工濕地有機物平均累積量為0.40～2.30 kg/m2,而種植植物的人工濕地接近4.00 kg/m2,美國肯塔基州人工濕地表層植物殘留物的積累量可達2.41 kg/m2。陳曉藝等[17]認為木質素是影響人工濕地滲透系數(shù)的重要因素,相比于香蒲和蘆葦,種植木質素含量低的美人蕉的濕地滲透系數(shù)高,因為,木質素含量低的物質分解速率高。然而,其他研究[18]表明植物可通過根系和根莖生長引起的孔隙空間擴張使基質更具多孔性,進而減輕堵塞,植物的存在可豐富微生物群落結構以提高累積固體的降解速率。

1.2 生物堵塞

圖2 人工濕地生物堵塞形成過程[19]

1.3 化學堵塞

圖3 人工濕地化學堵塞形成過程[19]

2 人工濕地堵塞評估

大多數(shù)堵塞物積累發(fā)生在地下,并且堵塞程度在空間和時間上都有所不同,堵塞的可視化是復雜的。因此,為準確選擇防治措施并解決人工濕地的堵塞問題,可先評估堵塞物的分布及堵塞程度。

2.1 常用堵塞評估技術

目前,水力傳導率測量、示蹤試驗和分析堵塞物性質等是評估人工濕地堵塞程度常用的技術方法。水力傳導率法是通過測量不同點位的水力梯度,再使用達西定律計算測量點位間的平均水力傳導率,但其反映的是測量點間的平均滲透系數(shù),并不能反映濕地具體位置的滲透系數(shù)[28]。示蹤試驗是將示蹤劑注入人工濕地,并連續(xù)監(jiān)測出水濃度,通過繪制示蹤劑濃度隨時間的響應曲線(RTD)研究系統(tǒng)水力停留時間、內(nèi)部流體動力學,以及判斷短流、死區(qū)比例,常用的示蹤劑包括熒光素、羅丹明、氯離子和溴化物離子,但由于其高持久性,可能會給下游帶來環(huán)境風險,且單個示蹤劑試驗的結果并不具代表性[29]。堵塞物表征方法包括累積固體分析及床層孔隙率測定。

2.2 現(xiàn)場監(jiān)測堵塞技術

現(xiàn)場監(jiān)測堵塞技術,如電阻率法、探地雷達(GPR)和微生物燃料電池(MFC)也已被用于量化堵塞物,其在人工濕地系統(tǒng)內(nèi)造成的干擾較小,可以快速、有效反映濕地堵塞程度。Liu等[30]研究發(fā)現(xiàn),濕地電阻率通常與堵塞物的體積分數(shù)呈負相關性,電阻率法為評估堵塞程度提供了一種有效的方法,但其橫向定位較為準確,縱向探測效果不佳。Matos等[28]發(fā)現(xiàn),GPR可通過分析孔隙中的圖像和波響應間接估算孔隙率,得到人工濕地內(nèi)部的能量衰減圖像,是表征濕地堵塞程度合適的非侵入性方法。MFC是一種生物電化學裝置,可定量評估基質中保留的有機顆?？偭?。Corbella等[31]研究表明,MFC中積聚的污泥對其產(chǎn)電性能有直接影響,隨著人工濕地堵塞程度的增加,MFC中污泥量增多而轉移的電子量減少,導致電壓減小。但這些監(jiān)測方法專業(yè)性較強,通常操作復雜且成本較高,其實用性需進一步討論。

2.3 數(shù)學模型模擬技術

數(shù)學模型也越來越多地應用于研究人工濕地的水力特性,預測濕地內(nèi)部水和溶質的傳輸過程,應用最廣泛的數(shù)學模型主要包括Ryszard-Blazejewski模型、Langergraber模型和Kozeny-Gaman模型[19]。Samso等[32]使用COMSOL Multiphysics和MATLAB開發(fā)數(shù)學模型,模擬了人工濕地中的生物堵塞。Hua等[33]提出的模型綜合考慮人工濕地中累積的SS、生物膜和植物根系來研究堵塞,該復合模型能夠定量評估人工濕地系統(tǒng)的堵塞行為和運行特性。目前研究還未全面了解濕地堵塞的機理,而現(xiàn)有模型僅反映了當前已知的堵塞場景,因此,單一模型或復合模型并不能完全揭示堵塞過程。

3 人工濕地堵塞防治措施

基于人工濕地堵塞機制并結合堵塞評估結果,總結了應對人工濕地堵塞的常用措施,包括預防措施和治理措施,如表1所示。預防措施旨在延遲或最小化堵塞相關的負面影響,而治理措施是通過采用相應修復措施實現(xiàn)原位修復。

表1 人工濕地堵塞控制技術

3.1 預防措施

3.1.1 預處理

3.1.2 優(yōu)化操作負荷

在高水力負荷、高有機負荷和高SS負荷條件下,人工濕地發(fā)生堵塞的可能性更高。Winter等[46]在對德國21個人工濕地的調(diào)查中發(fā)現(xiàn),TSS和COD的負荷率與堵塞的嚴重程度呈正相關性;Platzer等[35]建議將濕地的有機負荷控制在25 g BOD/(m2·d)內(nèi)。我國制定的人工濕地技術標準中,如生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《人工濕地污水處理工程技術規(guī)范》(HJ 2005—2010),也對COD負荷、BOD5負荷、水力負荷等指標作出規(guī)定,各標準中建議的BOD5負荷設計值大多在12 g/(m2·d)以下[47],生態(tài)環(huán)境部規(guī)范對進水SS限值為80mg/L,水平潛流人工濕地的最高水力負荷為500 L/(m2·d),而垂直潛流人工濕地最高為1 000 L/(m2·d)。Li等[48]調(diào)查研究1988年—2016年中國168個人工濕地工程案例,發(fā)現(xiàn)垂直潛流人工濕地的BOD5負荷多為10.6～55.3 g/(m2·d),而西方國家多為6～10 g/(m2·d)。

3.1.3 基質優(yōu)化

基質的吸附、粒徑、孔隙率和級配與基質滲透性密切相關,直接影響人工濕地的堵塞程度。具有小尺寸和不均勻級配的基底有利于過濾SS,然而基質尺寸越小,孔隙率降低速率越高,更容易發(fā)生堵塞。在滿足出水水質的條件下,盡量選擇粒徑大、孔隙率高的基質,增大滲透性。使用具有較大孔隙率和滲透率的陶瓷砂、蛋殼、粉煤灰陶粒和水泥磚作為濕地基質有助于緩解堵塞[49]。Yang等[50]研究表明,當沸石基質的粒徑為3～4 mm時,在保證凈化效果的同時可以防止堵塞,《人工濕地污水處理技術規(guī)程》(DG/TJ 08-2100—2012)中建議基質粒徑為2～6 mm,《農(nóng)村生活污水人工濕地處理工程技術規(guī)范》(DB 11/T 1376—2016)建議粒徑為0.2～5 mm[47]。

單一基質填配方式容易造成堵塞,堵塞一般發(fā)生在人工濕地表層,使進水不能深入底層,填料得不到充分利用,且表層溶解氧不能深入底層,微生物的有氧活動只能部分進行,造成人工濕地整體處理效果下降,因此,可以采取在人工濕地不同深度設置不同類型的基質,以防止堵塞。Zhao等[51]使用正級配(即上部小粒徑基質,下部大粒徑基質)和反級配(即上部大粒徑基質,下部小粒徑基質)模式,發(fā)現(xiàn)反級配人工濕地不僅能取得很好的去除效果,而且在延緩基質堵塞方面有著明顯的優(yōu)勢。詹德昊等[37]通過使用反級配模式,最大有機物累積量可減少約70%。王國強等[52]采用沸石/礫石填料組合優(yōu)化潛流人工濕地的填料基質,延長了基質運行壽命。

對于物理堵塞,具有高孔隙率和低磨損的基質(如塑料、橡膠、膨脹黏土和復合基材)優(yōu)于耐磨基材(如礫石和高爐礦渣),低磨損基質可減少物理堵塞物質[49];化學堵塞主要發(fā)生在去除磷和金屬的過程中,導致膠體或沉淀物的積聚,一些基質,如礫石、土壤、錳砂、沸石和椰子殼,具有良好的金屬去除性能,容易導致金屬堵塞,而除磷效率高、易產(chǎn)生含磷沉淀物的基質材料有貝殼、鋼渣、高爐渣、沸石和土壤等[1];對于生物堵塞,生物炭具有多種官能團,可以改變胞外蛋白的結構、可溶性微生物產(chǎn)物含量和微生物群落結構,以緩解生物堵塞。Deng等[36]研究在人工濕地中添加0、10%、20%和30%的生物炭,總EPS含量分別為1 182.65、1 113.50、994.04 g/m3和741.28 g/m3,生物炭添加使EPS含量降低5.85%～37.32%。

3.1.4 停床輪休

停床輪休是指基質運行一段時間后閑置,一方面使氧氣進入濕地系統(tǒng),增加好氧微生物的活性,加快降解有機物速率;另一方面輪休時系統(tǒng)停止進水,營養(yǎng)物得不到持續(xù)補充,微生物進入內(nèi)源呼吸期,消耗自身EPS并逐漸老化死亡,避免了濕地中EPS積累,有效緩解濕地生物堵塞。Hua等[53]在垂直潛流人工濕地中應用靜息操作,結果表明人工濕地休息3、7、10 d后,導水率分別增加了2.0、2.6、3.5倍,EPS減少、生物膜衰變以及生物膜結構變化是靜息操作緩解堵塞的主要原因。唐平等[38]研究發(fā)現(xiàn),可溶性有機物堵塞、不溶性有機物堵塞裝置分別輪休至第9 d、第20 d,人工濕地基質的滲透率恢復超過70%。然而,由于輪休后EPS和生物量減少,人工濕地的處理性能降低,TN、TP和COD的去除率都比輪休前低。因此,應結合人工濕地實際運行情況、基質滲透系數(shù)恢復目標等因素,合理確定輪休時間。

3.2 堵塞治理措施

3.2.1 基質更換與反洗

Platzer等[35]研究發(fā)現(xiàn),在濕地運行期間,積累的有機物大部分集中在表層,堵塞主要發(fā)生在上層0～15 cm處,定期更換濕地系統(tǒng)基質,特別是表層填料,可以有效治理濕地表層堵塞,保證人工濕地的持續(xù)穩(wěn)定運行。馬飛等[39]使用反沖洗方法,通過氣泵將空氣泵入反沖洗進水管形成氣液兩相流,對濕地進行大強度反沖洗,可以將堵塞在孔隙中的有機物和無機物沖洗脫落,隨水流流出達到緩解堵塞的目的。但據(jù)統(tǒng)計[19],反沖洗操作經(jīng)濟成本約為0.2元/(m3·次),且會對濕地內(nèi)部微生物膜造成破壞,后續(xù)掛膜需要較長時間。為減少對人工濕地中植物的影響,反沖洗宜在植物枯萎的秋冬季進行。

3.2.2 植物修復

濕地中大型植物的根系為微生物生長繁殖和生物膜形成提供了載體,反過來又促進了根際修復過程,如根際過濾、根際降解,生長的根系有助于降解有機污染物,并通過制造管道避免人工濕地堵塞[54]。濕地植物具有吸收、轉化和分泌氧氣能力,這有助于延緩堵塞。蘆葦、狹葉香蒲、睡蓮和美人蕉等植物的根系表現(xiàn)出很強的富氧能力,且很少分泌難降解物質[55],在緩解基質堵塞和顯著提高水力效率方面發(fā)揮了積極作用。王為東等[56]通過白洋淀自然濕地現(xiàn)場研究,發(fā)現(xiàn)大型水生植物組成了龐大的濕地根孔網(wǎng)絡,其水分入滲率是基質土壤的20倍左右。宋志鑫等[57]研究發(fā)現(xiàn),美人蕉根系對人工濕地水力特性有較明顯的改善作用,水力效率由64%提高到83%。Teixeira等[40]發(fā)現(xiàn)植物根系僅占基質孔隙的3%～4%,對堵塞過程影響不大,根系在基質中形成許多微小的氣室和間隙,提高了人工濕地的導水性,使水流更加均勻。此外,植物根部的通氣組織會從根部釋放氧氣。文獻[58]報道,蘆葦屬植物的氧釋放速率為0.02～12 g O2/(m2·d),沉水植物為0.5～5.2 g O2/(m2·d),漂浮植物為0.25～9.6 g O2/(m2·d)。但是,植物葉片和根系的死亡和腐爛會積累大量有機物,加劇基質堵塞。Nguyen等[14]建議人工濕地選擇分泌難降解物質少的植物,并定期收割植物地上部分。

3.2.3 原位修復

原位修復指通過向人工濕地投加強氧化劑、表面活性劑等化學藥劑或者濕地動物(如蚯蚓和泥鰍),破壞堵塞物的絮凝結構,溶解部分有機物質,從而恢復基質滲透性。由于對環(huán)境影響較小、能最大程度地緩解堵塞、避免損害人工濕地、節(jié)約成本,原位修復正被廣泛使用。Hua等[41]向人工濕地中添加HCl、NaOH和NaClO可分別恢復15%、18%和23%的有效孔隙率,NaOH和NaClO溶解了有機物中的蛋白質、多糖成分,而HCl釋放了被有機物包裹的氣體。但化學藥劑會對濕地植物造成不可修復損害,因此,實際應用的工程案例較少,多停留在試驗階段。具有良好溶解效果和環(huán)境友好性的枯草桿菌、酶與生物表面活性劑等成為原位修復首選。Tang等[59]研究采用添加枯草桿菌來減少垂直流人工濕地的生物堵塞,發(fā)現(xiàn)其可以降解堵塞物中的多糖,從而增加基質孔隙率。Tang等[60]向人工濕地添加α-糖化酶和β-葡聚糖酶,發(fā)現(xiàn)酶處理大大減少了生物堵塞,處理后的峰值導水率增加了16倍。酶能有效催化水解大分子聚合物,且易于分解,但其成本較高。Cao等[42]研究添加生物表面活性劑鼠李糖脂(RL)減少人工濕地的生物堵塞,發(fā)現(xiàn)其能有效溶解和分散EPS,使人工濕地有效孔隙率恢復到初始值的83%。RL可生物降解,具有低毒性和成本低的優(yōu)點,但其對濕地的長期影響未知。

研究預測蚯蚓可以在人工濕地中運輸轉化或分解代謝堵塞物,且其鉆土等生命活動會在濕地內(nèi)部形成微小孔道,從而減輕濕地的堵塞狀況。Wang等[43]將蚯蚓引入人工濕地后,上部基質(0～20 cm)的有效孔隙率增加了11%～13%,滲透率增加了0.015～0.026 cm/s。Ye等[61]發(fā)現(xiàn)蚯蚓的代謝和吸收可有效降低堵塞物含量,蛋白質和多糖減少,堵塞物黏度降低了0.008 2 mPa·s/(g·d),蚯蚓能以0.33 mL/(g·d)的速率增加基質孔隙度,但蚯蚓生物技術使用受到其適應性的限制。

4 結論

人工濕地因其處理效果好、管理簡便和環(huán)境友好等特點,具有經(jīng)濟、社會、環(huán)境三重效應,在污水處理領域得到廣泛應用。然而,堵塞成為影響人工濕地工程應用的主要因素。雖然相關研究已對人工濕地堵塞機理、影響因素、評估技術和緩解措施做了探討,但是人工濕地堵塞問題仍然日益突出。因此,人工濕地堵塞相關研究仍需從以下幾個方面進一步開展。

(1)水力傳導率測量、示蹤測試和堵塞物的物理化學特性等方法可對人工濕地堵塞進行評估,每種方法都提供了其他方法無法提供的信息,目前現(xiàn)場監(jiān)測技術和數(shù)學模型方法也取得了進展,將數(shù)值模擬與多種現(xiàn)場監(jiān)測方法相結合進行堵塞預測和預警,可以更準確描述和理解人工濕地的堵塞動力學。

(2)預處理、優(yōu)化操作負荷和選擇合適的基質來可以使堵塞的負面影響最小化。其中,開發(fā)具有適當粒度、高孔隙度、高導水性的基質研究有待進一步加強。一方面,利用工業(yè)副產(chǎn)品作為基質實現(xiàn)資源利用;另一方面,探索新型材料,更可控且易更換,針對性地解決濕地堵塞,如生物炭基質可降低EPS含量緩解生物堵塞。