文/張清靖 曲疆奇 賈成霞

作者單位：1.北京市水產(chǎn)科學研究所

2.青海湖裸鯉救護中心

池塘養(yǎng)殖是我國淡水養(yǎng)殖的主要方式，不僅為有效解決城鄉(xiāng)居民“吃魚難”問題做出了突出貢獻，還在改善農(nóng)村經(jīng)濟結構、解決農(nóng)民就業(yè)與脫貧致富、推動農(nóng)村經(jīng)濟社會發(fā)展方面發(fā)揮了巨大作用。由于傳統(tǒng)池塘養(yǎng)殖多追求產(chǎn)量和經(jīng)濟效益，生產(chǎn)方式單一，在養(yǎng)殖過程中殘餌和糞便的積累常常導致養(yǎng)殖水體水質(zhì)惡化，污染日趨嚴重。近年來，根據(jù)漁業(yè)供給側結構性改革和漁業(yè)轉方式、調(diào)結構的戰(zhàn)略部署，以及漁業(yè)“提質(zhì)增效、減量增收、綠色發(fā)展、富裕漁民”總體要求，在發(fā)展資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的水產(chǎn)養(yǎng)殖理念指導下，筆者團隊研發(fā)并應用了一批池塘養(yǎng)殖水體生態(tài)修復技術，加快了生態(tài)和節(jié)水漁業(yè)的發(fā)展步伐，實現(xiàn)了經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)環(huán)境效益的和諧發(fā)展。

人工濕地作為池塘養(yǎng)殖水體凈化的一種新型生態(tài)修復技術，主要依靠濕地自身的生態(tài)修復功能，利用濕地中的基質(zhì)、植物和微生物三大系統(tǒng)，通過一系列物理、化學與生物作用來完成養(yǎng)殖水體水質(zhì)凈化。因此，濕地系統(tǒng)自身以及運行環(huán)境的所有因子都會對濕地系統(tǒng)產(chǎn)生影響，主要包括溫度、溶解氧、pH、水力負荷、水力停留時間、污染負荷、基質(zhì)堵塞以及植物的生理特性等，其中基質(zhì)堵塞是人工濕地技術應用過程中所面臨的主要難題之一。因此，本文系統(tǒng)地總結了基質(zhì)堵塞的影響因素、形成機制與解決措施，以期為人工濕地工程設計、建造和運行提供參考，從而使人工濕地水質(zhì)凈化技術更好地應用于我國池塘養(yǎng)殖實踐。

一、人工濕地的水質(zhì)凈化機理

人工濕地是人工模擬自然濕地而建造的生態(tài)系統(tǒng)，其水質(zhì)凈化機理與自然濕地系統(tǒng)相似，主要利用濕地基質(zhì)、植物和微生物三大體系的協(xié)同作用來完成。研究顯示，植物對污染物的吸收作用只占10%～15%，基質(zhì)對有機污染物的去除主要體現(xiàn)在對磷的吸收上，而微生物在整個濕地的生物化學循環(huán)中占核心地位。成熟的人工濕地中，填料表面形成大量的生物膜，植物的根系廣泛分布，微生物大量繁殖，污水流經(jīng)濕地床時，大量固體懸浮物被填料、植物根系和生物膜系統(tǒng)截留下來，不溶性和難溶性無機物被沉淀為濕地基質(zhì)的一部分，而有機物顆粒則被微生物分解利用，同時可溶性有機物和無機物、N、P以及金屬離子等污水中最主要的成分則通過吸附、過濾、沉淀、離子交換、微生物同化分解和植物吸收等一系列過程得到凈化。人工濕地對N的去除主要靠微生物的氨化、硝化和反硝化作用；而對P的去除主要通過植物吸收、微生物積累及濕地床的物理化學過程等共同完成。

二、人工濕地的基質(zhì)堵塞

濕地的運行效果和水力停留時間有著密切的關系，停留時間過短時，水力負荷較大，濕地的進出水發(fā)生短路，污染物來不及被降解就被出水帶走，導致各污染物的去除效率較低，濕地系統(tǒng)的水質(zhì)凈化效能得不到充分發(fā)揮。停留時間過長時，易形成大量死水區(qū)，導致基質(zhì)層中的溶解氧被大量消耗，新增的溶解氧得不到快速的補充，使?jié)竦貙ξ廴疚镉绕涫菍τ袡C物和氨氮等含氮物質(zhì)的處理效果變差。在實際工程中，為了不影響污水的處理效率，潛流人工濕地水力停留時間一般設為2d～4d。但是合理的水力停留時間在大多數(shù)人工濕地中因為基質(zhì)易發(fā)生堵塞的現(xiàn)象而得不到良好的保證，嚴重時甚至會導致系統(tǒng)癱瘓，是人工濕地技術應用與推廣過程中的技術難點。

（一）基質(zhì)堵塞的成因

堵塞是在所有高負荷污水過濾系統(tǒng)中常見的自然效應，基質(zhì)堵塞是人工濕地常發(fā)生且必須面對的技術難題。引起濕地堵塞的原因是一個綜合因素，污水的預處理不到位、水力負荷過大、基質(zhì)的選擇不合理、濕地植物衰敗、基質(zhì)機械壓縮、生物膜老化脫落、氣體以及微生物及其代謝產(chǎn)物等都會影響基質(zhì)的滲透性能，嚴重時導致填料層堵塞。污水預處理效果不好，會導致系統(tǒng)的進水污染負荷較大，再加上水力負荷較大時，更易造成濕地尤其是布水口附近堵塞層的形成。有研究發(fā)現(xiàn)，進水負荷達到50m左右時，基質(zhì)的滲透性能明顯下降，并出現(xiàn)系統(tǒng)堵塞現(xiàn)象。在垂直潛流人工濕地中布水管下10cm～20cm處的填料層是最易產(chǎn)生堵塞的區(qū)域，基質(zhì)中不可濾無機物積累的程度比不可濾有機物更明顯，且有隨著水流方向遷移的趨勢。有機物質(zhì)積累與基質(zhì)深度基本呈負相關性，雍水后基質(zhì)表層有機質(zhì)含量高于其它各層。

有研究者提出，濕地中堵塞層的形成是固體有機物在基質(zhì)層內(nèi)的沉積、填料間生物量生長和分解以及填料所含物質(zhì)的化學沉淀等作用產(chǎn)生的。進水中有機SS和無機SS是最易被基質(zhì)層吸附、過濾、沉淀的污染物質(zhì)，因此也被認為是大多數(shù)濕地發(fā)生堵塞的最主要原因。同時濕地不間斷地供水為系統(tǒng)中的生物繁衍提供了持續(xù)的營養(yǎng)供應，導致系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的生物量不斷增加也是造成堵塞的一個因素。此外，濕地中積累的腐殖質(zhì)與細菌分泌的一些胞外多聚物很容易形成高含水量、低密度的膠狀淤泥，也會造成基質(zhì)的堵塞。另外，植物的根莖部分在基質(zhì)中具有較大生物量，由植物地下部分大量生長造成填料層的機械壓縮和植物須根系在填料孔隙中的生態(tài)占位，在基質(zhì)淤堵前后由于孔隙變小導致的毛細水體積的增加，以及由微生物活動中產(chǎn)生的NH3、NO2、N2O、N2等氣體所形成的氣泡帶等可能也是導致填料淤堵的重要因素。

（二）基質(zhì)堵塞的形成過程

人工濕地堵塞的實質(zhì)是基質(zhì)有效孔隙率減小的物質(zhì)積累過程，其機理大致可以歸結為物理、化學和生物3個方面，在堵塞形成過程中，它們同時進行并相互影響。一般來講，人工濕地的堵塞形成過程分為三個階段：（1）初期階段：在濕地運行初期，污水中的SS在填料表面和孔隙中進行積聚，使基質(zhì)層的局部氧化還原電位下降并開始形成局部厭氧環(huán)境，同時微生物產(chǎn)生的胞外聚合物也開始積累；（2）中期階段：固體懸浮物和胞外聚合物不斷積累，厭氧區(qū)域的基質(zhì)層逐漸趨于還原狀態(tài)，阻塞進一步加劇，并形成暫時性堵塞；（3）后期階段：到后期基質(zhì)層的結構被破壞，尤其是由土壤團粒結構被破壞所形成的細微粘土分子與大量淤積的SS一起形成致密的不透水層，進一步降低了污水的滲透速率，同時基質(zhì)中積累的腐殖質(zhì)也與一些細菌分泌的胞外多聚物形成高含水量、低密度的膠狀淤泥，一起吸附懸浮或膠體底物，進而形成大粒徑的絮團狀累積物，造成無機物和有機物的共同累積，最終在各種因素的綜合作用下，基質(zhì)層的孔隙完全被堵塞，形成永久性堵塞。

（三）基質(zhì)堵塞對人工濕地運行的影響

濕地堵塞后基質(zhì)的滲透系數(shù)下降，過水能力降低，系統(tǒng)失去正常的污水處理功能，并會在濕地低洼部分形成雍水區(qū)和死水區(qū)，阻隔氧氣向基質(zhì)內(nèi)部擴散，造成地下部分缺氧，致使大量的好氧微生物發(fā)生缺氧性死亡，水體中的有機物和氨氮等污染物質(zhì)得不到有效的生物降解而在濕地床中集聚，逐漸腐壞變質(zhì)，產(chǎn)生異味，夏天還會孳生蚊蠅。而且好氧和兼性菌群的減少致使中、下層厭氧菌的反應底物減少，從而使厭氧細菌反硝化活動受到限制，濕地的水質(zhì)凈化效率和使用壽命都受到嚴重影響。在不同類型人工濕地中，基質(zhì)堵塞發(fā)生的部位也不盡相同。在表面流人工濕地中，污水在基質(zhì)表面流動，污水濃度從入水口到出水口流程中逐漸減小，致使表面流人工濕地在濕地表面前端容易發(fā)生堵塞。而在潛流人工濕地中，由于污水在基質(zhì)中流動，堵塞發(fā)生在基質(zhì)內(nèi)部，且因布水方式不同而不同。總體來講，在進水端附近發(fā)生堵塞的情況比污水流程中后段要嚴重，這是由于人工濕地前段為重點凈化功能區(qū)域和濕地基質(zhì)堵塞特性造成的。

三、人工濕地基質(zhì)堵塞的防治措施

對于人工濕地堵塞的解決措施，總的來說還是采取“預防為主，防治結合”的方法。工程上的預防措施主要有進水預處理、基質(zhì)種類和粒徑的合理選擇及植物搭配、調(diào)節(jié)進出水方式和控制水力負荷及有機負荷，以及停床休作與輪作、設置復氧通氣管等。

預曝氣可以明顯減少填料中胞外聚合物的蓄積。植物根系穿透填料的過程中具有良好的基質(zhì)疏通作用，可以使?jié)竦靥盍峡紫堵势毡樘岣?%～44%，但也要適當控制根系的生物量，可考慮選用根際復氧能力強、分泌難降解物質(zhì)少的植物并定期對地上部分進行收割。理論上雖然可以用大粒徑礫石來解決水力傳導率較低的問題，但不利于微生物的掛膜與生長，同時也不利于植物根系的生長和蔓延，實際應用中常采用對粒徑適中的填料進行反級配的方法來延緩填料堵塞的發(fā)生。

停床休作有利于恢復基質(zhì)表面的吸附位點和吸附性能，一方面可以預防由有機物和懸浮物沉積所造成的孔隙過度堵塞，另一方面可使系統(tǒng)內(nèi)部的淺層剖面上交替形成氧化還原環(huán)境，從而提高系統(tǒng)的污染物凈化功能。

間歇流進水方式能夠充分利用大氣復氧，提高濕地床體內(nèi)的含氧量，有助于提高人工濕地中污染物的去除，因此間歇流人工濕地比連續(xù)流人工濕地在COD和氨氮去除率方面更高。此外在水流間歇期間，基質(zhì)中微生物新陳代謝所需要的各種營養(yǎng)物得不到持續(xù)的補充，逐漸進入內(nèi)源呼吸階段，消耗胞外聚合物或胞內(nèi)成分，漸漸衰亡，有利于基質(zhì)恢復部分水利傳導性能。

在系統(tǒng)中設置復氧通氣管與進水預曝氣的方法相似，都是提高水中DO值來強化有機物硝化過程的有效措施。對于堵塞嚴重的基質(zhì)，可以采取定期更換表層基質(zhì)的方法，而對于大型濕地，可以采取定期耙松濕地表面的方式來改善濕地上層基質(zhì)的通透性，此外亦可施用化學藥劑對有機堵塞物進行清洗或脫除，或對濕地填料進行反沖洗，以解決生物濾料堵塞等。

四、總結

人工濕地作為一種工藝流程簡單、運行管理方便和運行維護費用低廉的高效水生態(tài)修復技術，其基質(zhì)堵塞的形成原因是多方面的。因此，單靠簡單的“治”不是解決濕地堵塞現(xiàn)象的最好方法，在人工濕地水處理過程中要做好污水的預處理，選擇合適粒徑的填料并進行級配，以及種植根深且耐污的植物種類，同時采取濕地局部增氧等預防措施，是保證濕地系統(tǒng)長期高效運行的有力保障。此外，通過建立基質(zhì)堵塞機制的數(shù)學模型對污染負荷、水力負荷、基質(zhì)特性以及有效孔隙率等因素進行模擬分析，準確預測堵塞發(fā)生的進程，以充分發(fā)揮人工濕地低成本和高效率的污水生態(tài)處理優(yōu)勢，為積極采取經(jīng)濟有效的解決措施提供科學的理論依據(jù)。