1 引言
堵塞、短流及死區(qū)問題是制約人工濕地工程化應用的瓶頸.科學的床體結構設計及合理的運行方式是保證人工濕地高效運行的前提.國內外許多學者研究了濕地堵塞的影響.濕地堵塞后水平潛流濕地與垂直流濕地的水力停留時間都發(fā)生了變化.也有學者對人工濕地堵塞的各種物理，化學和生物因素進行了討論.本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)填料滲透系數(shù)將填料進行分層填充的人工濕地在處理微污染水體時取得了凈化效果及水力性能的顯著提升，而在處理污染物濃度相對較高的原生活污水時，人工強化曝氣是保證凈化效果的有效手段.目前關于人工濕地曝氣的研究主要集中在曝氣對有機物、氮、磷等污染物凈化效果的提升、曝氣量的確定等方面，關于曝氣與人工濕地床體堵塞關系方面的研究還鮮有報道.鑒于此，本研究以分層結構人工濕地為主體，通過堵塞物組分分析、電鏡掃描及能譜分析等方法，探討強化曝氣對人工濕地堵塞物分布規(guī)律的影響，研究結果為人工濕地系統(tǒng)的工程應用提供理論依據(jù)和技術支持.
2 材料與方法
2.1 試驗裝置及取樣點
構建曝氣及未曝氣水平潛流人工濕地對比小試實驗系統(tǒng)，兩系統(tǒng)尺寸及結構相同，長度為100 cm，寬度為50 cm，填料高度為85 cm，進水端及出水端各設置長度為10 cm布水區(qū)和集水區(qū)，填充粒徑為30~50 mm鵝卵石，主體填料區(qū)域長度為80 cm，石英砂填料(w(SiO2)%：≥45，w(MgO)%：≥29，w(CaO)%：≤3.5，w(Fe2O3)%：≤1.5)，采用分層填充方式，由表層到底層填料滲透系數(shù)分別為6、12、25、55、143 m·d-1，床體種植美人蕉，種植密度為20株·m-2.曝氣人工濕地中曝氣系統(tǒng)由氣泵、導氣管和穿孔管3部分組成，考慮到進水端水體中污染物濃度較高，易形成厭氧環(huán)境，加之池體底部多為水流死區(qū)，因此，穿孔曝氣管水平鋪設在進水端主體填料區(qū)池底以上10 cm處.
曝氣與未曝氣人工濕地進水采用桂林市七里店污水廠進水井出水，其中氨氮、COD、總磷濃度分別為(21.45±10.81)、(92.67±20.5)及(2.4±1.5)mg·g-1，實驗采用連續(xù)進水的方式，水力停留時間為24 h，其運行過程中凈化效果良好(白少元等，2014)，人工濕地運行近3年后開展本試驗.取樣方法如下：分別在未曝氣人工濕地(A)及曝氣人工濕地(B)中設位置相同的6個取樣點采用五點取樣法進行分層取樣，其中1號取樣點位于距進水溢流堰20 cm處池體中線上，距填料表面10 cm，2、3號點位于1號點正下方，相鄰兩個取樣點間垂直距離為25 cm;4、5、6號點位于距出水溢流堰20 cm處池體中垂線上，與1、2、3號點相對應;未曝氣人工濕地系統(tǒng)6個取樣點相應編號分別為A1、A2、A3、A4、A5、A6，曝氣人工濕地系統(tǒng)取樣點相應的編號依次為B1、B2、B3、B4、B5和B6(圖 1).
圖 1
圖 1 曝氣人工濕地裝置及采樣點示意圖
2.2 試驗方法
2.2.1 累積物分析方法
從6個取樣點各取50 g基質樣品用100 mL蒸餾水輕輕沖洗，將水洗液平均分為兩份，每份50 mL，其中1份經0.45 μm濾膜過濾后在103~105 ℃蒸干后稱重，得到溶解性固體質量，然后在600 ℃下灼燒至恒重，得到溶解性固體灼燒后質量;另1份水洗液則直接經103~105 ℃蒸干后稱重，得到總固體質量，然后在600 ℃下灼燒至恒重，得到總固體灼燒后質量.則50 mL水洗液中：可溶有機物質量=溶解性固體質量—溶解性固體灼燒后質量;不可溶有機物質量=總固體質量-總固體灼燒后質量-可溶有機物質量;水洗液中各種有機物質量分別減去空白值即為基質間各種有機物成分的質量(葉建鋒等，2008).
2.2.2 電鏡及能譜分析
取樣后，將代表性基質樣品分別置于廣口瓶中，并放入100 ℃的烘箱內烘干.樣品干燥后，選擇平整斷面用導電膠將其牢固粘貼在樣品托板上并編號，隨后，將樣品放進真空蒸發(fā)鍍膜儀進行噴鍍金膜，使金粉均勻附在樣品表面，以保證樣品有良好的導電性能，最后用JSM-6380LV型掃描電鏡(日本)進行觀察及X射線能譜儀分析(IE 350，英國).
3 結果與討論
3.1 對比人工濕地基質堵塞物分布規(guī)律
對比人工濕地系統(tǒng)填料堵塞物分布如圖 2所示，其中A1~A6取自未曝氣人工濕地系統(tǒng)，B1~B6為曝氣人工濕地填料樣品，實驗期間兩人工濕地溶解氧分布情況如圖 3所示.兩系統(tǒng)在堵塞物組分、堵塞物隨系統(tǒng)長度及深度方向上分布規(guī)律如下：
圖 2
圖 2 對比人工濕地系統(tǒng)累積物分布
圖 3
圖 3 對比人工濕地系統(tǒng)溶解氧分布
1)在堵塞物組分方面，兩系統(tǒng)中堵塞物累積總量相當，且基質間無機物積累總量均顯著高于有機物積累總量.未曝氣及曝氣填料樣品中，堵塞物平均累積量分別為5.18 mg·g-1及5.21 mg·g-1，其中無機物含量所占比例的平均值分別為71.6%和84.4%，相應的，有機物所占總堵塞物平均比例僅為28.4%和15.6%，且以不可溶有機物為主，這一結果與Pedescoll等研究結論相似(Pedescoll et al.，2009).由此可見，堵塞物中無機物主要來源于兩部分，一是隨原污水進入系統(tǒng)的無機顆粒物，二是水流沖刷床體基質產生的細小無機填料顆粒.對于曝氣系統(tǒng)來說，由于曝氣產生氣流對水流的擾動作用，加速了對填料的沖刷作用，使得填料堵塞物中無機物比例進一步增大，如圖 3所示，未曝氣人工濕地平均溶解氧為2.97 mg·g-1，曝氣人工濕地中的溶解氧為4.19 mg·g-1，相應的，未曝氣系統(tǒng)與曝氣系統(tǒng)無機物平均累積量分別為3.8 mg·g-1及4.4 mg·g-1.曝氣人工濕地系統(tǒng)在較高的溶解氧狀態(tài)下增加了系統(tǒng)中微生物代謝活性，提高了對水體中有機物的代謝能力，使得有機物總累積量降低，未曝氣系統(tǒng)與曝氣系統(tǒng)有機物平均累積量分別為0.77 mg·g-1及0.46 mg·g-1.目前的研究表明，堵塞的形成主要是由于較低的氧化還原電位造成的微生物胞外聚合物的快速蓄積，并與多糖類、聚尿類等物質形成低密度的孔徑為納米級的凝膠網(wǎng)狀結構，攔截無機、有機顆粒物造成的.由此可見，曝氣通過降低有機物累積量，在一定程度上，能夠有效緩解堵塞的形成.
2)堵塞物組分在床體垂直的變化方面，兩系統(tǒng)中，基質累積物總量、可溶有機物、不可溶有機物與無機物含量隨著垂直方向的增加而增大.推測其原因可能在于分層填充方式，使水流分布趨于均勻，底層較大的孔隙率使過水通量增加，顆粒物在水流夾帶及重力作用下進入并積累在填料底層.但值得注意的是，不同累積物組分在垂直方向上分布差異較大.對于未曝氣人工濕地系統(tǒng)來說，表層的堵塞物總量占底層的32.3%，但表層堵塞物中可溶有機物含量及不可溶有機物含量分別占底層的42.2%和42.8%，而表層無機物含量占底層的28.8%.比較而言，曝氣人工濕地系統(tǒng)中，表層的堵塞物總量占底層的36.6%，表層堵塞物中可溶有機物含量及不可溶有機物含量分別占底層的44.8%和46.1%，而表層無機物含量占底層的35.2%，即曝氣使有機物降解較為充分，累積量相對較少，與DO分布情況對比可知，堵塞物含量與溶解氧含量呈負相關關系，溶解氧較高的區(qū)域堵塞物含量較少.此外，曝氣給水流帶來的擾動，使堵塞物在垂向上的分布更為均勻.
3)兩對比系統(tǒng)中出水端堵塞物累積量略高于進水端.未曝氣的人工濕地系統(tǒng)A1~A6 6個樣品中，進水端累積物的總量由表層向底層分別為2.41 mg·g-1、4.53 mg·g-1和7.49 mg·g-1，相應的，出水端累積物總量分別是2.69 mg·g-1、5.87 mg·g-1和8.26 mg·g-1，出水端的累積物總量比進水端分別高出11.60%、29.42%和10.28%;而曝氣系統(tǒng)的B1~B6 6個樣品中，進水端累積物總量由表層向底層分別為2.40 mg·g-1、4.94 mg·g-1和7.37 mg·g-1，相應的出水端累積物總量分別為3.11 mg·g-1、5.62 mg·g-1和7.68 mg·g-1，出水端的累積物總量比進水端分別高出29.50%、13.92%和4.27%，考慮原因與水流在反應器中的推流運行并逐漸積累有關.對比兩系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，進水端底部加裝曝氣裝置后，使出水端表層累積物較未曝氣系統(tǒng)略有增加，而底層累積物略有降低.而總體而言，曝氣使堵塞物累積空間分布略有變化，但總體累積規(guī)律改變不大.
3.2 對比人工濕地基質電鏡及能譜分析 3.2.1 未曝氣人工濕地基質電鏡及能譜分析
未曝氣人工濕地床體表層及底層填料電鏡及能譜分析結果如圖 4、5所示.從圖中可以看出，盡管掃描電鏡樣品經過了脫水、干燥和鍍金等前處理，樣品在一定程度上脫水變形，但仍可以看出，未曝氣人工濕地系統(tǒng)表層基質表面主要呈現(xiàn)片狀結構，且有些許孔隙存在，被認為是底物與營養(yǎng)物質的傳遞通道.比較而言，下層基質表面只要呈現(xiàn)絲縷狀結構，表面緊實，且更為光滑(圖 4).
圖 4
圖 4 未曝氣人工濕地上層基質電鏡及能譜分析圖
元素分析顯示，基質表層的化學組成元素為O、Fe、Si、Al、K、Mg、C、N等元素(未標注的波峰是噴的金)，其中O、Fe、Si出現(xiàn)較大波峰，其主要來源于石英砂填料自身化學組分，而K、Mg、Al、C、N波峰較小，其中C、N、K等元素主要來源于污水中有機物及生物膜物質.床體底層填料主要組分同樣為Si、Fe、Al、C、O等元素，但總體而言且種類比上層基質元素少.這進一步證實了前面對堵塞物組分分析結果，堵塞物以無機物為主，有機物累積量所占比例很小.床體表層與大氣接觸，溶解氧狀態(tài)相對較好，微生物較為活躍，加之植物根系較為密集，因此有較為豐富的C、N、K等元素.
3.2.2 曝氣人工濕地基質電鏡及能譜分析
曝氣人工濕地系統(tǒng)床體表層及底層的填料電鏡及能譜分析結果如圖 6、7所示.圖 5可以看出上層基質表面主要呈顯片狀結構，且有較大孔洞存在，被認為是底物與營養(yǎng)物質的傳遞通道(符波等，2009).比較而言，下層基質表面只要呈現(xiàn)絮狀結構，表面更為平整.
圖 5
圖 5 未曝氣人工濕地下層基質電鏡及能譜分析圖
圖 6
圖 6 曝氣人工濕地下層基質電鏡及能譜分析圖
圖 7
圖 6 曝氣人工濕地上層基質電鏡及能譜分析圖
能譜分析結果顯示，曝氣系統(tǒng)表層及底層元素種類均顯著高于未曝氣系統(tǒng)，在圖 5、6中，除了與未曝氣系統(tǒng)相似的Si、Fe、O等元素峰值較大外，還均出現(xiàn)了Ti、Mn、Al、K、C、N、Ca、P、Cl等生物體有機物組成所必須的元素.由此可見，曝氣系統(tǒng)改善了床體的氧化還原狀況，使微生物在床體表層及底層的分布范圍更為廣泛.具體參見污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關技術文檔。
4 結論
1)兩系統(tǒng)中堵塞物組成均以無機物為主，有機物以不可溶性有機物為主.
2)曝氣對堵塞物化學組分影響較大，曝氣使堵塞物中有機物組分含量減少，無機物含量增加，但對堵塞物總量差異不顯著.
3)曝氣對堵塞物在水平及垂直方向的分布影響不大，在此人工濕地設計及運行條件下，兩系統(tǒng)在堵塞物分布方面呈現(xiàn)相似規(guī)律，即底層累積物含量略高于表層，出水端累積物含量略高于進水端.
4)電鏡及能譜分析結果顯示，由于曝氣提升了床體中溶解氧水平，使得累積物中元素豐度增加，總體表現(xiàn)為，曝氣系統(tǒng)較未曝氣系統(tǒng)豐富，表層元素較底層豐富.
