人工湿地堵塞 实验方案

实验方案设计

（1）课题的涵义与表述；

课题题目：悬浮颗粒对垂直流湿地的堵塞影响 （2）研究的背景（文献综述）、目的和意义；

背景：堵塞是在所有高负荷污水过滤系统中常见的自然效应，人工湿地实际

上也是个过滤器，如果设计不当或管理不善易出现堵塞现象[1]。湿地中堵塞层的形成是有机固体物在填料内部颗粒间隙的沉积、填料间隙间生物量生长和分解以及填料本身所含物质的化学沉淀反应等产生的[2]。堵塞过程通常可分为过滤速度迅速下降、滤速缓慢下降的平衡状态、过滤装置持续淹水并转为厌氧状态3个阶段[3]。湿地堵塞的过程实质上就是有效孔隙率减少的过程。孔隙率的急剧下降必然会引起湿地过水能力的降低，从而导致大量引入湿地系统的污水直接雍积在湿地表面，雍水还会阻隔氧气向基质层内扩散，进而净化效率将显著下降[4]。目前国内外研究认为可能影响填料的因素有填料粒径、有机负荷、温度、悬浮物浓度、污水投配状况等,但由于试验条件的差异，各文献报道的结果有很大的不同[5]。然而对悬浮物浓度这个影响因素的研究只是较浅的分析[6]，因此本实验在前人研究的基础上，对悬浮物浓度这个因素做更深层次的实验分析，来探索其对垂直流湿地的堵塞影响，以达到适合运行最优化的悬浮物浓度。

目的和意义：为解决设计不当或管理不善等原因造成的湿地堵塞问题，为进

一步研究潜流人工湿地中填料堵塞机制及其防止措施奠定了基础，有利于人工湿地在污水处理实践中合理和有效的使用。 （3）研究目标、研究内容和拟解决的关键问题；

研究目标：探寻悬浮颗粒在垂直流湿地系统中对填料的堵塞机制，为系统的

长期、稳定运行提供参数和依据，以防止构建湿地系统中堵塞现象的发生。

研究内容：在人工湿地淤堵中悬浮颗粒起着重要的作用。本文以污水中的悬浮颗粒为研究对象，从颗粒的分类以及表征人工湿地淤堵的本质特征有效孔隙率、渗透系数的降低人手，结合人工湿地淤堵过程中的进出水水质指标、生物膜增长量以及悬浮颗粒的积累量的研究，试图了解淤堵过程中悬浮颗粒的积累规

律，以此探讨人工湿地填料的淤堵机理。

关键问题：不同的悬浮颗粒及浓度在垂直流湿地系统中出现堵塞时有效孔隙率、渗透系数的变化。

（4）拟采取的研究方法、技术路线和实验方案；

技术路线: 本实验采用6套系统（6个大水桶装置）进行比较平行比较 分析有效孔隙率、渗透系数和进出水水质指标、生物膜增长量 根据数据结果了解规律，探讨堵塞机理 。

实验方案：实验模拟污水由人工配制而成，配制方法如下：i、ii、iii号水源均为自来水，N源为硝酸钾，P源为磷酸氢二钾，有机物来源i、ii号为葡萄糖，ii号为淀粉。为了模拟污水中的不可生物降解悬浮颗粒，在其中添加了细颗粒膨润土(i号污水)，同时将淀粉考虑为可生物降解悬浮颗粒在iii号污水中进行了添加，而ii号污水为无悬浮物(SS)污水。进水水质为自己配制，保证三种污水的TN、TP基本相同，i号污水与iii号污水的TSS相同，ii号污水的TSS接近于零。

本实验采用6套系统进行比较，实验方案如表1所示 由于加大了悬浮颗粒的含量，从实验开始到淤堵发生的时间估计在1个月左右。实验水力负荷设置为850mm/d。实验期间定期测定滤料有效孔隙的变化反映模型内部填料孔隙中微生物膜和截留下来的悬浮颗粒的积累情况，同时观测其进出水TN、TP、COD、SS的变化，测定填料渗透系数随模型运行的变化。

由于人工湿地淤堵实验的周期较长，必须采用多个模型同时进行平行实验，实验装置如图一所示。垂直流人工湿地单元模型采用内衬塑料薄膜的铁皮圆桶，其直径为30cm、高80cm。圆桶底部装填5cm厚配水砾石（10-20mm），砾石上部装填45cm厚粗砂，底部设有可调节水位的出水口。在单元模型的表层种植大花美人蕉，美人蕉采自郑州当地，栽种时平均株高30cm、平均株重0.25kg，栽种密度为14株每平米。人工湿地进水方式为连续流，设有一个容积为60L的配水桶，通过一跟带有流量控制阀的皮管进行配水。

孔隙率（P）指材料内部孔隙体积占其总体积的百分率。 表达式 P=[(V0-V)/V0 ]=[1-V/V0 ] =(1-P0 /P)×100 %

渗透系数又称水力传导系数（hydraulic conductivity)。在各向同性介质中，它定义为单位水力梯度下的单位流量，表示流体通过孔隙骨架的难易程度，表达式为：

κ=kρg/η，式中k为孔隙介质的渗透率，它只与固体骨架的性质有关，κ为渗透系数；η为动力粘滞性系数；ρ为流体密度；g为重力加速度。

图一 垂直流人工湿地系统模型

表1 实验系统分类

第1个桶 进1号水

第2个桶 进1号水

第3个桶 进2号水

第4个桶 进3号水

第5个桶 进3号水

第6个桶 进3号水

无植物系统 有植物系统 无植物系统 有植物系统 无植物系统 有植物系统

（5）可行性分析；

在理论上，有效孔隙率、渗透系数等都可以测。在实验条件和材料上，该实

验只需要小型空间进行实验研究，实验材料、试剂都是普通容易买到的，工作量一般，一个人可以完成。分析方法、实验标准都可以用现成的国标。 （6）本项目的研究特色与创新之处；

通过不同的悬浮颗粒，采用6组平行实验探讨对潜流湿地的堵塞影响，对湿

地功效、微生物生长、孔隙率的变化、对水质的处理效果等指标进行评价，对堵塞进行深层次的分析，为填料堵塞机制的悬浮颗粒影响提供基础数据。 （7）研究进度（阶段任务、目标）和预期研究成果；

第一阶段：4月中旬到5月，买材料、定装置等初期准备。

第二阶段：5月到6月，调试和种植植物，在要求的环境下培养半个月 第三阶段：6月到7月，估计发生堵塞的时间一个月，所以运行一个月，数据记录隔一星期测一次。

第四阶段：7月份到9月，实验的关键阶段，加大监测密度，每隔两天测一次。

第五阶段：数据处理分析与开始写文章。

预期研究成果：写成文章可以在国内外的杂志上发表，进水中悬浮颗粒全部

为无机颗粒的系统较进水中全部为溶解态污染物质的系统更易造成淤堵，如果被截留的有机SS能被微生物及时降解，有机SS对填料淤堵能够在很大程度上缓解。可以认为被填料截留的不可生物降解无机SS、被截留但未能及时降解的可生物降解有机SS，生物膜的生长以及被上述物质吸附的水是导致淤堵的主要原因。

（8）经费预算。

名称 铁皮大水桶 硝酸钾 磷酸氢二钾 葡萄糖 淀粉 砾石、砂等基质 美人蕉 其他实验用品 其他材料 水电费 实验仪器及损耗费 人工费 总计

数量 6个 1瓶 1瓶 1瓶 1瓶 10平方米 18棵 1人 单价（元） 30 20 20 20 20 10 总计 180元 20元 20元 20元 20元 100元 180元 100元 60元 100元 900元 100元 1800元 [1] Ellis, K.V., Aydin, M.E., 1995. Penetration of solids and biological activity into

slow sand filters. Water Research, 29:1333～1341.

[2] De, V.J., 1972. Soil filtration of wastewater effluent and the mechanism of pore

clogging. J. Water Pollution Control Fed. 44:565～573.

[3] Thomas, R.E., Schwarta, W.A., Bendixen, T.W., 1966. Soil chemical changes and

infiltration rate reduction under sewage spreading. Soil Sci. Soc. Am. Proc. 30:641～646.

[4] Avnimelech, Y., Nevo, Z., 1964. Biological clogging of sands. Soil

Science,98:222～226.

[5] Kristiansen, R., 1981. Sand filter trenches for purification of septic tank effluent: Part1: The clogging mechanism and soil physical environment. Journal Environ. Qual.10(3) :353～364.

[6] Jones, J.H., Taylor, G.S., 1965. Septic tank effluent percolation through sands under laboratory conditions. Soil Sci. 99:301～309.