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2024 , Vol. 22 >Issue 4: 594 - 602

DOI: https://doi.org/10.13248/j.cnki.wetlandsci.2024.04.014

Research Progress on Blockage Problem Solutions for Subsurface Flow Constructed Wetlands

  • SU Yuanjun ,
  • LIU Shuang ,
  • XIE Shuting
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Received date: 2023-09-22

  Revised date: 2023-11-14

  Online published: 2026-03-12

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Abstract

Due to the better pollutant removal effect and smaller footprint area, the subsurface flow constructed wetland is widely used in the purification of tail water from sewage treatment plants. However, with the operation of subsurface flow constructed wetland, the clogging problem occurs, which seriously affects the pollutant removal effect of the subsurface flow constructed wetland. In this paper, the clogging mechanism, clogging monitoring and evaluation methods of subsurface flow constructed wetland were reviewed. The clogging solution of subsurface flow constructed wetland was put forward from the early design stage and the later operation & maintenance management, so as to provide some reference for solving the clogging, prolonging the service life and maintaining the stable operation of subsurface flow constructed wetland.

Cite this article

SU Yuanjun , LIU Shuang , XIE Shuting . Research Progress on Blockage Problem Solutions for Subsurface Flow Constructed Wetlands[J]. Wetland Science, 2024 , 22(4) : 594 -602 . DOI: 10.13248/j.cnki.wetlandsci.2024.04.014

人工湿地是人为模拟天然湿地的一种生态系统[1]。潜流人工湿地利用植物、基质和微生物共同作用，对污水进行生态化处理，按照潜流湿地中污水的不同流态，可以将潜流人工湿地分为水平潜流人工湿地、垂直潜流人工湿地[2-3]。相对水平潜流人工湿地而言，垂直潜流人工湿地对污染物去除率更高、占地面积更小，被广泛用于污水处理厂尾水及生活污水处理。潜流人工湿地堵塞会影响人工湿地的寿命和污水处理效果，长时间运行后，污水中携带的悬浮固体、微生物胞外聚合物及脱落菌团等，会堵塞基质空隙，使渗透系数降低，水力负荷和污染物去除率下降，甚至造成湿地渍水，引发恶臭，滋生蚊蝇，严重影响人工湿地整体景观效果和公共环境。研究发现，运行5 a内，超过一半的人工湿地出现了不同程度的阻塞，很多建设年限较久的人工湿地因堵塞严重被迫停止运行[4-5]。
人工湿地堵塞是影响其运行效率和使用寿命的关键，堵塞监测是对人工湿地堵塞的定期测量、计算，以此评估其堵塞程度，进而采取措施，缓解或解除堵塞，以保障人工湿地的稳定运行。通过阐述人工湿地堵塞的原因及机制，综述了针对不同堵塞的监测、评价方法，总结目前常见堵塞解决方案，并对更优的堵塞解决方案进行总结，以期为解决潜流人工湿地堵塞，维持其稳定持续运行提供技术支撑。

1 潜流人工湿地堵塞的原因

1.1 物理堵塞的原因

人工湿地物理堵塞主要是由于固体悬浮物进入人工湿地系统，使得其孔隙率逐渐减小而导致的，固体悬浮物包括无机颗粒和有机颗粒。影响物理堵塞的主要因素有基质、植物、有机负荷和水力负荷等。

1.1.1 基质

人工湿地在运行和更换基质的过程中，基质被碰撞等过程分解为更小的颗粒，滞留在人工湿地中，久而久之形成了内源性无机颗粒，无机颗粒引起的堵塞不可恢复。基质的种类、粒径和级配等都对堵塞有较大影响。在研究人工湿地堵塞物质时发现，累积物质的主要成分是石英和碳酸钙，推测累积物质可能是基质破碎形成的细小颗粒[6]，基质长期浸水会膨胀裂解为细小颗粒，在水流的迁移作用下，向下移动变成不透水层，引起人工湿地系统发生堵塞[7]。有研究用粒径为4~16 mm的碎石代替沙子增加基质间孔隙，可以有效缓解人工湿地的堵塞[8]。研究发现，人工湿地中基质粒径为11 mm的水力传导率为基质粒径为6 mm的3倍，虽然对污染物的去除效率影响不大，但粒径为11 mm的基质可以预防人工湿地发生堵塞[9]。人工湿地中单一基质不利于水流的均匀分布，将水力传导率较小的基质放在人工湿地床体表层，水力传导率较大的基质填料放在床体底层，有利于水流均匀分布，从而减缓堵塞发生[10]。研究发现，基质按照煤矸石 ∶沸石 ∶砾石=4 ∶4 ∶3的比例结合，可以减缓人工湿地的堵塞，提高对污染物的去除能力[11]。

1.1.2 植物

植物根际分泌物和植物凋零对潜流人工湿地堵塞物质的积累有重要影响。研究发现，植物会使人工湿地基质的导水率降低，在人工湿地中种植香蒲(Typha orientalis)累积的生物量比种植芦苇(Phragmites australis)多，说明种植香蒲更易造成人工湿地堵塞[12]。在植物生长过程中，没有及时进行收割，植物叶片的脱落和其他器官的死亡，会使表面累积的物质和有机固体转移到人工湿地深处，造成堵塞[13-14]。研究发现，植物的根系和地下茎会造成人工湿地中27%的基质间隙发生堵塞，部分地上残留物和水流流入的有机质会造成73%的基质堵塞[15]。

1.1.3 有机负荷和有机固体悬浮物

有机负荷过高或有机固体悬浮物粒径过大都会造成人工湿地堵塞。研究发现，当人工湿地进水有机负荷超过25 g/(m2·d)时，人工湿地容易发生堵塞[16]。研究发现，当有机负荷增大时，会抑制硝化作用[17]，此时人工湿地中的硝化微生物数量不足以分解有机负荷，经过长时间运行，最终造成堵塞。当进水有机固体悬浮物粒径大于50 μm时，基质会发生物理堵塞，影响基质的导水率，导致人工湿地渗透性下降[18]。

1.1.4 水力负荷

人工湿地中高水力负荷比低水力负荷更易发生堵塞。在低水力负荷[1.0~1.5 m3/(m2·d)]条件下，人工湿地系统可以运行半年左右；在稍微高一点的水力负荷[2.0 m3/(m2·d)]条件下，人工湿地能运行3个月左右[19]，这说明适当减小水力负荷可以减缓基质发生堵塞。研究4种不同水力负荷对垂直流人工湿地堵塞的影响以及对污染物去除能力的影响发现，当水力负荷小于0.3 m3/(m2·d)时，人工湿地不易发生堵塞，无机物的累积量比有机物高，基质表层易发生堵塞[20]。通过建立不同基质的雨水径流模型发现，人工湿地堵塞的主要原因是水的流通率，当污水流速较高时，单位时间内进入人工湿地的固体悬浮物较多，更易发生堵塞，当污水流速低时，对污水的处理效率会显著增加，人工湿地不易发生堵塞[21]。

1.2 化学堵塞的原因

化学堵塞主要是由于基质与进入人工湿地污水的不同组分之间形成不溶性无机盐沉淀而造成的孔隙堵塞。入水中的颗粒物首先会通过沉降和基质拦截停在基质层中，累积的颗粒物会促进微生物的生长，与金属化合物形成沉淀，最后促进固体物质的积累[22]。一般基质都存在Ca2+，当进水中有Na+、H+和SO42-时，就会发生置换反应，生成难溶性固体化合物，使基质孔隙率降低发生堵塞[7]。当进水中有大量CO32-、PO43-和SO42-等阴离子时，可以与人工湿地中的Fe2+、Al3+、Ca2+和Mg3+等阳离子发生沉淀反应产生不可溶性沉淀，使人工湿地孔隙率降低[23]。有研究发现，处理垃圾渗滤液后的人工湿地，基质之间存在严重的垢，可能原因是湿地氧化电位高，垃圾渗滤液中存在Fe2+，产生了氢氧化铁沉淀[24]。有学者研究离子对布水管出水口的堵塞，通过测量堵塞物质的干质量和堵塞物质的成分，发现Fe2+在铁还原菌的作用下与固体颗粒形成铁盐沉淀，使布水管出水口发生堵塞[25]。

1.3 生物堵塞的原因

人工湿地生物堵塞是因为微生物代谢过程中会分泌大量胞外聚合物，形成高含水量和低密度胶体污泥，堵塞基质[26]。这些胞外聚合物会与其他物质产生络合反应，使胞外聚合物体积变大，降低基质的孔隙率[27]。
胞外聚合物适量积累会增强人工湿地中微生物膜的稳定性，但过量增长会使基质的孔隙率降低，形成生物堵塞[18]。通过示踪实验观察生物堵塞的渗透柱中渗透水力特征的变化规律发现，生物堵塞初期生物膜累积有利于流场分布均匀，提升污染物的去除率，生物堵塞后期，渗透柱中出现死水区，水力渗透系数下降，污染物的去除率大幅下降[28]。有学者利用渗透柱模拟人工湿地生物堵塞过程，分析环境因素的影响发现，胞外聚合物累积量最大的渗透柱渗透性最小，水力传导率也最低[29]。通过电子显微镜观察胞外聚合物发现，胞外聚合物中的多糖具有高黏性和亲水性而成为基质堵塞的重要成分[30]。
外界环境通过温度、含氧量等条件影响微生物的生长与繁殖，进而影响人工湿地发生堵塞。研究发现，当水温较低时，微生物活性被抑制，污水中的有机物质来不及被降解，基质易被有机物质堵塞，当水温过高时，微生物生长与繁殖过快，会分泌大量胞外聚合物，也容易造成生物膜堵塞基质[31]。研究发现，适当增加氧气可以提高微生物的活性，增强微生物对堵塞物质的降解[32]。

2 潜流人工湿地堵塞的监测和堵塞状况评价方法

目前，常见的对人工湿地堵塞监测和堵塞状况评价的方法有渗透系数法、示踪剂法、生物电池法和物质分析法，其他方法还包括时域反射探针、探地雷达法、核磁共振技术和电阻法等。

2.1 渗透系数法

渗透系数法根据渗透系数大小反映堵塞的程度，一般而言，渗透系数越小，堵塞程度越严重，渗透系数的原理是基于达西定律和能量守恒方程。其优点是可以原位测量具体点位的堵塞程度，有配套的设备[33]；缺点是工作量大，对人工湿地具有一定的破坏和扰动[34]。其计算公式为：
K = Q L S ( h 1 - h 2 )
公式(1)中，K(m/d)为人工湿地基质的渗透系数；Q(m3/d)为水体的流量；L(m)为水流两端之间的距离；S(m2)为水体沿轴流动的横截面积；h1(m)为初始水位水头损失；h2(m)为最后水位水头损失。
经过推导，垂直方向的渗透系数可由变水头法测定。原理为：测得某一个较浅点的渗透系数为K1，将这个点上面的所有填料移走，用同样的方法测定下一个深度的点的渗透系数K2，K1和K2都可以直接计算得出，根据下面公式，可以推导出K。推导公式为：
1 K = 1 K 1 + 1 K 2
公式(2)中，K(m/d)为某点位的平均渗透系数；K1(m/d)为某点位浅层处渗透系数；K2(m/d)为某点位深层处渗透系数。
通过计算浅层渗透系数和深层基质渗透系数，得到平均渗透系数[35]。有学者以渗透系数法为原理，结合压力探测和数据处理，开发了一种测定人工湿地堵塞程度的测定仪，将输出压力进行换算，显示堵塞系数，堵塞系数越大，堵塞越严重[36]。

2.2 示踪剂法

将示踪剂沿进水口注入人工湿地中，一段时间后，测量出水口处的示踪剂的浓度，判断人工湿地水流的变化，揭示人工湿地的堵塞情况。示踪剂法优点是成本低、操作简单[37]，缺点是示踪剂易被植物吸收，难以辨别堵塞位置和堵塞程度，测定周期比较长，并且大量使用会产生二次污染[38-39]。有研究通过示踪技术，研究人工湿地中短流引起系统堵塞带来的水流变化，短流值变小，堵塞程度加深[40]。利用NaCl作为示踪剂测定人工湿地的停留时间发现，人工湿地的实际水力停留时间比理论水力停留时间短，原因是人工湿地运行过程中可能会发生淤泥堵塞，发生短流，产生了优先路径，使实际的水力停留时间变短[41]。利用溴化物和氚示踪法研究水流的变化情况，显示出3个峰值，表明该人工湿地系统中存在3条优先路径，间接反映出人工湿地的堵塞程度[42]。

2.3 生物电池法

生物电池法一般由阳极、阴极、外电路和隔板组成，阳极附近的微生物氧化污水中的有机物产生质子和电子，质子随着污水的流动通过隔板到达阴极，电子由外电路到达阴极，质子和电子在阴极区产生还原反应，形成一个完整的电路。其优点是可以精准定位人工湿地的堵塞点位及堵塞程度，并且对缓解人工湿地堵塞有一定效果；缺点是受温度、溶解氧浓度、底物类型、电导率等影响较大[43]。利用微生物燃料电池输出电压的大小来判断人工湿地的堵塞程度发现，输出电压越低，堵塞越严重[44]。利用微生物燃料电池评估人工湿地的堵塞程度发现，随着人工湿地堵塞程度的加深，微生物燃料电池中污泥会增加，电子转移减少，输出的电压也减小[45]。

2.4 物质分析法

有机物积累是造成人工湿地堵塞的主要原因，当人工湿地中有机物积累到一定量时，就会在基质上生成黑色的团状生物膜，可以拦截有机和无机颗粒，阻塞过水通道，造成人工湿地堵塞[46]。通过测定基质中有机物质量，可以定量判断人工湿地的堵塞程度。有两种方式测定，一种为直接灼烧法，提取一定量的填料，清洗填料上的堵塞物质，在105 ℃条件下烘干至恒质量，在600 ℃条件下灼烧可以得到堵塞物质有机物的质量；另一种为重铬酸钾法，将采集到的填料风干后，过0.15 mm筛，称取适量填料加入重铬酸钾，油浴5 min(170~180 ℃)，冷却后使用标准硫酸亚铁溶液进行滴定，最后计算有机质的含量[13,47]。其优点是通过堵塞物质的有机质量评估人工湿地堵塞程度；缺点是深层取样比较困难，对基质和植物有较大的破坏性[48]。在堵塞人工湿地的物质中，90%以上是难降解有机化合物[15]，基质的渗透性参数通常和堵塞物质的质量显著负相关，渗透系数越大，堵塞的物质越少[49]。
对人工湿地各种堵塞监测方法的优缺点进行了比较，详见表1。
1 潜流人工湿地堵塞监测和堵塞状况评价方法的优点和缺点

Advantages and disadvantages of clogging monitoring and evaluating clogging conditions methods in subsurface flow constructed wetland

方法编号 堵塞检测方法 优点 缺点
1 渗透系数法 有配套的设备，可以原位测量具体点位的堵塞
程度[33]		 难以实现对规模化人工湿地堵塞状况的全面测定，对基质有一定破坏性[34]
2 示踪剂法 成本低、操作简单[37] 示踪剂易被植物吸收，消耗量大，造成二次污染[38-39]
3 生物电池法 灵敏度高、成本低、可连续监测[43] 受温度、溶解氧、底物类型、电导率等影响[43]
4 物质分析法 可以通过有机质量评估人工湿地堵塞程度[48] 深层取样比较困难，对基质和植物的破坏性大[48]
5 探地雷达法 速度快、精度较高、能得到人工湿地的衰减图像[50] 成本高、纵向尺度不精确、探测精度不够[51]
6 时域反射探针 精度高、测量范围广、远距离多点自动监测[51] 成本高、堵塞物质含水率要求较高[51]
7 核磁共振技术 不对基质的结构造成破坏[51] 成本较高、探测范围比较小[51]
8 电阻率法 操作快速，对湿地无损[52] 对湿地干扰大、纵向尺度探测效果不太好、干扰因素比较多[52]

3 现有潜流人工湿地堵塞问题的解决方案

3.1 前期工艺参数设计

在人工湿地设计阶段，预防人工湿地堵塞的方式主要包括水力负荷设置、基质级配、湿地长宽比、植物种植类型和布水管方式等。研究发现，提前对污水进行预处理可以有效降低有机固体浓度，降低人工湿地中的有机负荷，提高有机物的生化性，控制人工湿地中有机固体的积累[53]。基质的级配和材质也影响着人工湿地堵塞的过程，选择石英含量大于80%、光滑和正粒径级配的基质不易产生基质堵塞，其中，正粒径级配是指基质粒径沿着水流方向逐渐增大[54-55]。研究发现，填料粒径分级的潜流人工湿地对污染物的去除率相对粒径不分级的去除率高，正粒径级配的垂直潜流人工湿地可以截留大部分固体悬浮物，缓解人工湿地内部堵塞[56]。行业标准建议潜流人工湿地长宽比最好控制在3 ∶1以下，基质深度小于1.6 m，可以有效减少人工湿地漫流现象，延缓堵塞[57]。优化布水方式同样可以缓解堵塞，降低堵塞风险，有学者将人工湿地进水口设置为“H”和“T”形，可以使水流更加均匀，避免水流不均匀造成基质堵塞[58]。全横断面均匀进水相对于侧表面均匀进水和中间集中进水的布水方式，人工湿地的水力效率分别提高了17.06%和155.60%，且可以有效缓解人工湿地堵塞[59]。人工湿地覆土层种植的植物类型对基质的堵塞存在影响，种植美人蕉(Canna indica)的人工湿地的寿命比种植莎草(Cyperus rotundus)的长[60]，这主要是由于不同植物的扎根深度、根系特征不同，扎根越深、根冠幅越大，越容易造成堵塞。

3.2 后期运行和维护管理措施

3.2.1 物理措施

人工湿地后期维护主要通过更换模块化材料、定期进行停床整修、曝气、定期对湿地植物进行收割、更换基质和电化学等方式进行。研究表明，布水管下30 cm左右容易发生物理堵塞[47]，在布水管下30 cm左右设置模块化填料，当人工湿地发生堵塞后，可以更换模块化填料，彻底解决基质堵塞。曝气可以促进人工湿地中微生物的生长，促进积累有机物质的矿化，缓解人工湿地系统堵塞。定期停床整修能有效缓解堵塞，有学者对人工湿地进行了排空处理，经过不同时间段的排空运行，发现排空时间越长，湿地再运行后基质的渗透能力加强越明显[61]。研究发现，对人工湿地进行间歇运行，一段时间后湿地表层的堵塞物减少，基质的渗透性得到提升[40]。也有研究发现，人工湿地在间歇运行时，基质之间的氧气含量增加，可以提高微生物活性，增强微生物对堵塞物质的降解[32]。定期收割植物，能减少造成人工湿地堵塞的风险源，研究发现，在夏季收割植物不仅能增强植物对污染物的吸收能力，还能减少茎叶进入湿地中，降低基质表层有机固体的累积[62]。植物的收割频率取决于植物的生长周期，应该在营养物质转移到地面之前收割植物，一般在夏季和秋季收割植物[63]。有学者提出更换基质可以彻底解决堵塞，但这种方法对人工湿地破坏性大，成本也较高，在没有其他解决的办法下才采用更换基质的办法[64]。据调查，基质清洗与更换基质价格差异不大，费用相对较高[51]。电化学燃料电池产生的弱电场也可以缓解湿地堵塞。研究发现，微生物燃料电池产生的弱电场对胞外聚合物中的多糖有明显的降解作用，对人工湿地堵塞有一定缓解作用[65]。利用双室微生物电池设置开路组和闭路组对胞外聚合物中的多糖和蛋白质进行处理发现，增大电压对多糖和蛋白质的降解作用更明显，胞外聚合物可以作为微生物燃料电池的底物且实现能源回收[66]。培养并富集专性的电活性多糖(蛋白)降解菌以及异养反硝化菌，可以为实际应用奠定基础。

3.2.2 生物措施

生物措施主要通过向人工湿地中投加生物或微生物，从而降解基质堵塞物，缓解人工湿地堵塞，恢复人工湿地正常功能。在人工湿地中添加蚯蚓，通过蚯蚓运动可以去除基质表面的有机沉积物，恢复人工湿地的导水性。研究发现，将蚯蚓引入人工湿地中，可以使基质的渗透性增加60%以上[67]；蚯蚓的代谢和摄取也可以减少人工湿地中的堵塞物质，将蚯蚓引入人工湿地中发现，基质中的固体悬浮物降低了45%，缓解了人工湿地的堵塞[68]；研究发现，蚯蚓对有机负荷的平均清除率为0.155 mg/(g·d)[5]。在基质中添加微生物菌剂，可以降解胞外聚合物中的多糖和蛋白质，缓解生物堵塞，增大人工湿地孔隙率。通过高通量测序对垂直人工湿地中的微生物进行监测，结果显示，随着垂直人工湿地堵塞程度的增加，微生物群落的丰度和多样性在降低[69]。说明胞外聚合物的大量增加不仅容易堵塞人工湿地，同时也是微生物生长状态变差的预警，需要对多余的胞外聚合物进行清除，为微生物提供良好的繁殖空间，同时减缓堵塞。在人工湿地中添加枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)发现，枯草芽孢杆菌可以产生α-淀粉酶和β-葡聚糖酶，它们可以降解多糖，分散胞外聚合物，来缓解生物堵塞[70]。但是，现有微生物容易受季节和温度的影响，且成本较高，受环境影响小且成本较低的缓解人工湿地堵塞微生物产品或其替代产品值得进一步研究。

3.2.3 化学措施

向人工湿地中添加增溶剂或氧化剂可以溶解有机物，降解胞外聚合物，改善人工湿地堵塞状况。有学者在堵塞的人工湿地中添加了NaOH、HCl和NaClO，有效孔隙率分别增大了18%、15%和23%，NaClO对堵塞的处理效果最好，NaClO能将部分有机固体氧化分解，HCl能释放基质中包裹的厌氧气体[71]。使用鼠李糖表面活性剂对胞外聚合物进行处理发现，鼠李糖表面活性剂可以有效降低基质中胞外聚合物的含量，基质的渗透性可以提升50%以上[46]。使用鼠李糖-柠檬酸化合物作为增溶剂对人工湿地进行处理，人工湿地的有效孔隙率恢复增加了83%左右，鼠李糖-柠檬酸化合物能抑制细胞的表面黏附，将胞外聚合物分解为小颗粒，降低了胞外聚合物的凝聚能力，缓解了人工湿地生物堵塞[72]。在人工湿地中添加多种可以分解多糖的酶(α-葡糖淀粉酶和β-葡聚糖酶)，处理后的基质渗透性提升了16倍，变形菌门(Proteobacteria)微生物丰度增加了89.4%，添加分解多糖的酶可以缓解生物堵塞[73]。研究发现，在人工湿地中添加H2O2可以有效缓解基质堵塞，但H2O2是一种强氧化剂，对植物和生物膜有负面影响[74]。在人工湿地中添加试剂可以有效缓解基质堵塞，提高人工湿地的渗透性，但化学试剂一般存在破坏湿地生态的风险，不利于植物的生长及微生物的繁殖，价格也较高，在应急情况下可以考虑使用对人工湿地影响较小的化学试剂，但是需要对其安全性进行评估。
对上述解决潜流人工湿地堵塞的方法进行归纳和总结，详见图1。
1 潜流人工湿地堵塞问题解决方案

Solutions for clogging problems of subsurface flow constructed wetland

4 结论

现有的对人工湿地堵塞的监测方法主要为渗透系数法和示踪剂法，但是两种方法都存在一定问题。渗透系数法单个监测点只能反映该监测点的堵塞情况，监测效率较低，且其侵入性会对人工湿地基质造成干扰，使监测结果可能不具有代表性。示踪剂法能反映整体的堵塞情况，但是不能标识出堵塞具体点位以帮助解决堵塞，示踪剂的添加可能被微生物或植物吸收，破坏人工湿地生态，且示踪剂法存在测量时间较长、工作量大等问题。
潜流人工湿地布水管下30 cm附近的物理堵塞以及更深位置的生物堵塞是造成人工湿地堵塞的主要原因，物理堵塞一般可以通过更换填料的方式解决，采用模块化湿地能提高更换填料的效率，采用停床整修的方式可以有效缓解生物堵塞。
总体而言，在规划设计时，选择合适的水力负荷、基质级配（包括种类、粒径大小、分层与否等）、植物，能很好地预防人工湿地堵塞；运维过程中，定期对植物进行收割、更换模块化填料、对污水进行预处理等都能减缓人工湿地堵塞；湿地堵塞后，采用生物或化学方法能解除或缓解堵塞，具体需要根据人工湿地堵塞状况进一步确定，必要时，可以更换填料。

References

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