人工湿地基质填料研究进展
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作者:张新莲 李林
摘 要：基质是人工湿地重要组成成分，大多数污染物去除过程发生在基质填料层中。同时，基质也紧密联系着植物与微生物两大部分，为其生长提供附着面。因此，基质在人工湿地去除污染物的过程中起着核心作用。本文从基质针对不同污染物的去除机理、基质组合级配以及基质堵塞等方面论述目前研究进展。
关键词：人工湿地 基质 去除机理 堵塞 研究进展
中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）01（b）-0118-02
人工湿地功能组成部分包括有基质、植物、微生物三大部分。其中，基质担任着净化水体、为植物提供生长载体以及提供营养物质，为微生物提供依附面，为水体流动提供良好的水力传导性等作用。它既是联系植物与微生物的纽带、也是植物与微生物发挥作用的基础以及湿地发挥良好水力传导性的重要条件。部分研究认为，大部分的污染物去除过程都发生在基质填料层中，且影响基质功能作用的因素有外部因素和内部因素两个方面。外部因素为进水的有机负荷、水力负荷、水中碳氮比、溶解氧含量;内部因素包括其本身物化性质：粒径、机械强度、化学组成成分、孔隙度、含水率等。丁海静在研究基质结构对人工湿地运行性能的影响分析中用示踪实验证明：多层基质结构人工湿地比单层基质人工湿地有延缓系统堵塞、提高污染物去除效果的功能[1]。
1 基质本身理化性质对污染物净化影响分析
不同基质理化性质不同，导致上面附着的微生物膜的种类、生物活性、生物数量和挂膜速度也不尽相同。因此，基质在净化效果和水力传导性、使用周期上也不同。
基质通过物化作用与生化作用去除污染物，在影响其去除效果的诸多理化性质中，孔隙率与粒径大小直接影响基质对以COD、SS为代表的水体污染物的去除。粒径越小，越有利于微生物挂膜，因为其基质相对表面积越大，微生物膜可以附着的面积越大，在理论意义上其净化效果越好。但是粒径小影响其水力传导性，更容易形成进水短流，形成湿地死水区，从某种意义上也会降低基质净化能力。在赵林丽等的研究中，对于COD的去除中，不同粒径沸石（1～2mm、2～4mm、4～8mm）和无烟煤（2～4mm、3～5mm、6～8mm）均表现为大粒径优于小粒径，且不同粒径之间在0.05水平上差异性显著，砾石去除能力则为4～8mm>8～16mm>2～4mm[2]。因此，基质粒径大小对水中污染物净化效果的影响并不是如一些文献讲述的粒径越小，去除效果越好这么绝对。除上述水力条件外，选择合适的粒径大小要综合考虑湿地水力传导性要求、进水有机负荷、水力负荷等因素。需要去除的常规污染物除了COD、SS外，还有氮和磷。基质脱磷的机理有基质的拦截过滤沉淀、物理化学吸附、离子交换以及微生物转化等。因此，可以从元素含量上面考虑基质选择或者基质改性，来增强对水体污染物的去除。
病原微生物在人工湿地中的去除分为拦截与消亡两种途径。与基质相关的为拦截过程。人工湿地主要通过吸附作用去除微生物，影响因素包括基质种类、粒径大小以及孔隙率等物化性质。其中不同填料对病原微生物的去除有显著性差异[3]。部分研究认为粒径小、比表面积大的基质有利于病原微生物的去除，但有些实验证明结果相反。目前，虽然国内外对病原微生物进行了大量研究，但对其去除机理、时空分布以及与其他污染物的相关性等方面仍有很大的研究空间。
2 基质组合与级配
在人工湿地填料的选配中，根据待处理水质的主要特征污染物，可恰当选择不同的填料组合方式。基质的选择有两方面：一是根据水质处理目标筛选相应的基质;二是科学的基质级配对于水质净化的高效性。
由于单一基质在湿地运行过程中很容易因为提供水力条件单一和基质吸附过程中有机物沉积而形成湿地死水区，导致湿地使用周期短，因此大多数湿地采用多种基质级配组合的方式。在实际应用中，根据不同基质粒径、渗透系数、水力传导率等理化性质上的差异，合理的搭配组合不同基质可以提高湿地的使用周期以及净水能力。而基质搭配组合除了针对去除目标筛选合适基质种类之外，还需要考虑各种基质填料用量比，如表1所示。
但需要注意的是，针对使用何种基质、如何组合配置等技术和方式尚没有统一，在未来的研究中仍需探索人工湿地工程建设中基质应用的科学化、规范化。
3 基质吸附饱和与湿地堵塞
湿地堵塞是人工湿地技术目前遇到的难题之一。调查研究成果表明，有大概50%的垂直流人工湿地在投入五年内遇到不同程度的堵塞。人工湿地堵塞后会造成湿地渗透率降低、水力传导性降低、处理效果下降以及运行寿命缩短等问题。进水大多滞留在湿地表面，隔绝氧气通向湿地内部，不仅造成湿地环境恶化还大幅度降低净水效果。因此人工湿地能否长期稳定运行关键在于湿地基质堵塞的防治。
湿地堵塞的原因可能有进水预处理不到位、进出水不合理、水力负荷以及有机负荷过大、基质选择不合理（孔隙率变化大，含水率高）等。除此之外还有人工湿地设计不合理、运行不善、运行時间过长等因素都可能导致湿地堵塞。这些因素轻则影响基质层渗透效果，重则导致淤堵。对于基质堵塞有前期预防以及后期治理。前期预防包括：进水预处理（格栅处理或沉淀池），合适基质合理级配，湿地局部增氧（设置富氧通气管），调节进出水方式等，后期治理对于小型湿地可定期更换堵塞严重基质层或药物冲洗，大型湿地可耙松湿地表面增强通气。除此之外间歇性进水、停床休作或轮休都可以缓解基质堵塞。其中这些因素中，关于基质重点讨论的就是合适基质选择以及级配问题。
理论上虽然可以用大粒径基质来提高水力传导率，但不利于基质挂膜，也不利于植物根系生长。除了考虑选用基质的粒径以外，可以在基质填料中增加一些水力条件良好的基质来有效缓解湿地堵塞。
4 结语
总而言之，选择机械强度合适以及水力条件良好的基质并进行合理的搭配组合对缓解湿地堵塞有着重要作用。由于关于湿地方面的研究大多是以黑箱或灰箱模式进行，在进行湿地模型的试验时，可以增加示踪剂追踪来探究湿地内部堵塞发生情况，来为积极采取经济有效的解决措施提供科学的理论依据。
参考文献
[1] 丁海静，丁彦礼，游俊杰.基质结构对人工湿地运行性能的影响分析[J].水处理技术，2018（12）：91-95.
[2] 赵林丽.人工湿地不同基质和粒径对污水净化效果的比较[J].环境科学，2018（9）：4236-4241.
[3] 陈迪，郑祥，魏源送，等.4种人工湿地填料的f2噬菌体吸附特性[J].环境科学，2013（10）：3904-3911.
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