山 东 化 工
收稿日期：２０２０－１２－０２
作者简介：纪 良（１９９５—），硕士，从事海绵城市技术研发工作；通信作者：杨帆，本科，从事海绵城市及城市水环境规划设计工作。
纪 良，杨 帆，吴华波，杜礼珍，汤丁丁
（中建三局绿产业投资有限公司，湖北武汉 ４３００５６）
摘要：人工湿地在长时间运行过程中一个难以解决的问题就是填料的堵塞，通常情况下采用反冲洗、停床轮休、曝气充氧的对策予以缓
解，但不能实质性解决堵塞问题。本文提出填料模块化是解决问题的有效途径，即采用装配式模块装载填料，实现湿地堵塞后的填料模块快速更换，以恢复湿地功能；填料的模块化、产业化、可再生化将是未来人工湿地技术发展与推广的重要方向。关键词：人工湿地；装配式；填料；堵塞中图分类号：Ｘ７０３；Ｘ７９９．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０２１）０４－０２９６－０３
ＤｅｓｉｇｎａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＰｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄＦｉｌｌｅｒＭｏｄｕｌｅｉｎＣｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄＷｅｔｌａｎｄ
ＪｉＬｉａｎｇ，ＹａｎｇＦａｎ，ＷｕＨｕａｂｏ，ＤｕＬｉｚｈｅｎ，ＴａｎｇＤｉｎｇｄｉｎｇ
（ＣｈｉｎａＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＴｈｉｒｄＢｕｒｅａｕＧｒｅｅｎＩｎｄｕｓｔｒｙＩｎｖｅｓｔｍｅｎｔＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ ４３００５６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｌｏｎｇ－ｔｅｒｍｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｗｅｔｌａｎｄ，ｏｎｅｏｆｔｈｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｐｒｏｂｌｅｍｓｔｏｓｏｌｖｅｉｓｔｈｅｂｌｏｃｋａｇｅｏｆｆｉｌｌｅｒ．Ｉｎｇｅｎｅｒａｌ，ｔｈｅＣｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓｏｆｂａｃｋｗａｓｈｉｎｇ，ｂｅｄｓｔｏｐｐｉｎｇａｎｄａｅｒａｔｉｏｎｏｘｙｇｅｎａｔｉｏｎａｒｅｕｓｅｄｔｏａｌｌｅｖｉａｔｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍ，ｂｕｔｔｈｅｂｌｏｃｋｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｃａｎｎｏｔｂｅｓｏｌｖｅｄｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄｔｈａｔｔｈｅｆｉｌｌｅｒｍｏｄｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎｉｓａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｗａｙｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍ，ｔｈａｔｉｓｔｏｕｓｅｔｈｅｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄｍｏｄｕｌｅｔｏｌｏａｄｔｈｅｆｉｌｌｅｒ，ｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｒａｐｉｄｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｆｉｌｌｉｎｇｍｏｄｕｌｅ
ａｆｔｅｒｔｈｅｗｅｔｌａｎｄｂｌｏｃｋａｇｅ
，ｓｏａｓｔｏｒｅｓｔｏｒｅｔｈｅｗｅｔｌａｎｄｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｍｏｄｕｌａｒｉｚａｔ
ｉｏｎ，ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆｆｉｌｌｅｒｓｗｉｌｌｂｅｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｐｒｏｍｏｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｗｅｔｌａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｗｅｔｌａｎｄ；ｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄ；ｆｉｌｌｅｒ；ｂｌｏｃｋａｇｅ
１ 引言
人工湿地通过模拟自然界中天然湿地的污染物消纳机理，
人工构建填料－植物－微生物处理系统，
通过三者的协同作用，使有机及无机污染物在湿地内部发生过滤、吸附、沉淀、离子交换、分解、植物吸收等过程，以实现污染物的去除。填料是人工湿地的核心组成部分，其为微生物提供附着表面、为植物提供生长环境，且自身为良好的污水净化基质。７０％～８７％的
Ｐ通过填料的吸附和沉淀作用去除，ＮＨ＋
４－Ｎ也可通过填料吸附作用去除。kendeji
但是，湿地长时间、高有机负荷运行容易导致湿地堵塞问题。人工湿地在处理污水的过程中，污染物被填料基质－微生物－植物截留，部分污染物在微生物作用下得到分解，部分作为植物、微生物的营养元素被吸收，而不能被分解、吸收的污染物或无机物则会停留在基质孔隙中；且伴随着植物根系、生物膜的不断增加，都将引起湿地堵塞，造成水力停留时间增长、处理效率下降。一般情况下，多采用增设反冲洗装置、改变布水方式、改变填料配比等方式减缓人工湿地堵塞，但实际效果并不理想。
因此，提出一种可快速更换堵塞填料的思路，采用刚性透水外框为载体，其中可填充各类填料基质，制成装配式填料，从而实现堵塞填料的快速模块化更换。还可通过调节填料级配方式，以优化不同进水水质下的污染物去除效率。同时，发生堵塞的装配式填料单元通过反冲洗或更换内部填料后再次使用，实现物料的循环利用。
２ 人工湿地中装配式模块化填料设计
人工湿地运行中，生物膜的生长、填料截留的无机ＳＳ、截留但未被降解的有机ＳＳ都是填料堵塞的主要原因。童巍使用垂直流人工湿地处理ＣＯＤ为２００ｍｇ／Ｌ的模拟污水，发现系统运行６０ｄ后基质孔隙率由２１％降至１３％，且堵塞主要发生在填
料上层［１］
。
传统人工湿地在发生较严重堵塞时，通常需要将系统前端１／３部分的植物及填料挖出，重新更换填料并种植植物［２］
。此方案耗时、工程量大，且施工时人工湿地需要长时间停床。为简化并规范湿地填料更换流程，设计了筐篮型多级装
配式填料模块，如图１所示，
其中可填充各类湿地填料，并可根据进水水质调整填料级配方式。大孔径装配式填料模块用于填充石灰石、沸石、陶粒类填料；小孔径装配式填料模块在大孔径模块基础上，于模块内壁四周及底部贴合一层聚酰胺、聚烯烃类弹性填料或透水无纺布，用于填充粗砂、生物炭、钢渣、土壤类填料，并可有效防止小粒径颗粒向湿地下层迁移造成的堵
塞。
图１ 装配式填料模块Ｆｉｇ．１ Ｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄｆｉｌｌｅｒｍｏｄｕｌｅ
人工湿地发生堵塞后，
通过吊钩将装配式填料模块取出，完成填料更换并安装回湿地中。只需在必要时快速更换填料模块，
而无需对全湿地进行改造。更换下来的填料可作为高有机质肥料，或经晾晒使生物膜脱膜并冲洗后循环使用。
２．１ 垂直潜流人工湿地装配式填料模块
垂直潜流人工湿地中污水沿垂直方向流动，其填料层水位据水量可产生落干或淹没状态，因此其复氧能力强于水平潜流
人工湿地，有利于对ＮＨ＋４－Ｎ的去除［３］
。且垂直流人工湿地充分利用空间，有较小的占地面积及较大的水力负荷，因此广泛应用于污水处理中，但存在更容易堵塞的缺点。有研究表明，垂直流人工湿地堵塞后填料上层渗透系数显著低于中下层，说明悬浮颗粒物多数截留在填料上层，堵塞主要发生在填料上层
部分［
４］
。为解决堵塞后的填料更换问题，引入了筐篮型多级装配式填料模块，如图２所示，发生堵塞时可实现快速更换，并可根据实际情况进行改装。
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６９２·ＳＨＡＮＤＯＮＧＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ ２０２１年第５０卷
电脑备用电源 第４
期图２ 垂直潜流人工湿地装配式填料模块示意图Ｆｉｇ．２ＳｃｈｅｍａｔｉｃＤｉａｇｒａｍｏｆＰｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄＦｉｌｌｅｒＭｏｄｕｌｅｉｎＶｅｒｔｉｃａｌＳｕｂｓｕｒｆａｃｅＦｌｏｗＣｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄＷｅｔｌａｎ
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图３ 垂直潜流人工湿地装配式填料集水层模块俯视图
Ｆｉｇ．３ ＴｏｐＶｉｅｗｏｆＰｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄＦｉｌｌｅｒＷａｔｅｒＣａｔｃｈｍｅｎｔＭｏｄｕｌｅｏｆ
ＶｅｒｔｉｃａｌＳｕｂｓｕｒｆａｃｅＦｌｏｗＣｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄＷｅｔｌａｎ
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塑料表面电晕处理机
图４ 模块间管道连接方式示意图
Ｆｉｇ．４ ＳｃｈｅｍａｔｉｃＤｉａｇｒａｍｏｆＰｉｐｅＣｏｎｎｅｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎＭｏｄｕｌｅｓ 湿地上层、中层为土壤及小粒径填料装配区，由于其中填料比表面较大、生物膜容易生长，且截留了大量ＳＳ，因此堵塞大多发生于此。更换时仅需将装配式填料模块吊起，更换填料后安装回原位。湿地下层为砾石集水区，该层装配式填料模块中内置穿孔集水管（如图３所示），下层模块间管道采用套管连接
方式（如图４所示）
。下层填料需要更换时，先沿逆连接方向水平移动１０ｃｍ，以拔出连接管，而后吊起模块、更换填料并安装回湿地中。
２．２ 水平潜流人工湿地装配式填料模块
水平潜流人工湿地的驱动力为进水和出水间的重力势压差产生的推流，由于水平潜流人工湿地水力流程较长，驱动力平均到单位长度上就很小了。传统人工湿地内污水流动形式除几股主要水流外，大部分是缓慢渗流甚至是短流，长时间运行后就会发生堵塞。因此水平潜流人工湿地的布水多使用高进低出的方式，以提高重力势压和水的流速，但置于底部的出
水管容易发生堵塞［５］
酒罐
。水平潜流人工湿地装配式填料模块采
用如下设计（如图５所示）
，湿地进水及出水端为砾石填料层，其中装有进水管或穿孔出水管。湿地中段为强化处理填料层，可根据进水水质选择特异性强化处理填料。填料需要更换时，中段装配式填料模块可直接进行吊装；进出水段装配式砾石填料层先沿反向水平移动抽出管道，而后进行模块吊装更换，并清洗堵塞管道。以此可方便现场施工，节省人力物力，降低成
本。
图５ 水平潜流人工湿地装配式填料模块示意图
Ｆｉｇ．５ ＳｃｈｅｍａｔｉｃＤｉａｇｒａｍｏｆＰｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄＦｉｌｌｅｒＭｏｄｕｌｅｉｎ
点胶机密封圈
ＨｏｒｉｚｏｎｔａｌＳｕｂｓｕｒｆａｃｅＦｌｏｗＣｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄＷｅｔｌａｎｄ
３ 人工湿地装配式填料应用技术路线
人工湿地装配式填料在湿地建设阶段、堵塞后的维修阶段
中的关键技术节点主要为：人工湿地构筑物修建、填料模块装填（小粒径填料需无纺布包围）、填料模块吊装、管道拼接、植物种植，人工湿地装配式填料模块应用技术路线见图６
。
图６ 人工湿地装配式填料模块应用技术路线
Ｆｉｇ．６ ＴｅｃｈｎｉｃａｌＲｏｕｔｅｏｆＰｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄＦｉｌｌｅｒＭｏｄｕｌｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎＣｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄＷｅｔｌａｎｄ
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７９２·纪 良，等：人工湿地中装配式填料模块设计及应用
山 东 化 工
４ 装配式填料的优势
４．１ 适用于小型人工湿地建设
我国广大农村生活污水仍处于无序散排状态，选择适合农村现实情况的污水处理方式至关重要。以往大量经验表明，无需动力、易运维的人工湿地技术更适用于经济欠发达地区的农村。但农村缺乏专业技术人员，当地施工队水平也参差不齐，因此更需要集成化程度高、施工便利的标准化建设方式。装配式填料模块设计中充分考虑以上因素，利用核心技术集中生产装配式模块化产品，应用于分散式人工湿地建设。此举不仅保证了人工湿地施工质量，且湿地堵塞问题也可通过定期更换填料模块解决，有利于湿地的长期运维管理。
此外，城市公园和小区内部的海绵化改造、滨水驳岸带建设都可利用人工湿地装配式填料模块，使湿地建设快捷化、标准化。
４．２ 可根据不同水质进行填料级配
填料的类型以及比例是影响人工湿地污染物去除率的重要因素之一，人工湿地中常使用多种填料以提高对不同污染物的去除效率，装配式填料模块可通过填充不同种类填料，多种组合形成不同的填料级配方式，以满足对不同进水水质下的填料需求，且装配式模块化填料便于标准化研究、产品线制造。对于高ＮＨ－
４
－Ｎ的污水可采用沸石填料模块［６］，高ＣＯＤ污水可采用麦饭石填料模块，高ＴＰ污水可采用钢渣填料模块［８］等，沿水流方向依次放置对氮素、磷素、ＣＯＤ去除能力较好的填料，以实现多种污染物的高效同步去除。
４．３ 填料可再生利用
人工湿地发生堵塞时，传统人工湿地中的填料经机械挖出后为多种填料混合状态，难以进行分离；而装配式填料模块取出后仍为单种填料基质，方便进行填料再利用。模块中更换下来的粗砂、土壤类填
料富含磷素及有机质，是很好的肥料及土壤改良剂。砾石、粗砂类填料从湿地中取出后，处于好氧状态，可加速分解填料附着的有机物，且微生物新陈代谢需要的营养物质得不到补充，微生物会进入内源呼吸期，消耗自身能源并逐渐老化死亡，造成生物膜脱落；再经高压水冲洗或机械清洗后，还可再次作为湿地填料使用。
５ 结论与展望
通过装配式填料模块设计与加工、施工现场快速装配，可极其便捷地构建人工湿地；且堵塞后的填料模块更换、再生循环是湿地堵塞问题经济高效的解决方案。在农村生活污水治理中，装配式填料模块用于标准化人工湿地建设，非常贴合农村基本情况，有利于建设、运行、维护全流程管控。此外，装配式填料模块还可应用于城市公园和小区内部的海绵化改造、滨水驳岸带建设等方向。未来还需要对模块制造标准化进行研究，包括材料选取、模块尺寸、制备工艺等，以实现湿地填料模块产业化。
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声波驱散器
檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰
）
（上接第２９５页）
（２）原水粪大肠菌污染的加剧对水域游泳等直接身体接触活动人存在明显健康影响，但出厂水粪大肠菌均未检出，并未对居民饮用水产生不利影响。
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［９］杨智敏，黄奕龙，刘雪朋．污水厂尾水回补城市河流的健康风险评价［Ｊ］．人民珠江，２０１６，３７（０４）：８９－９２．
（本文文献格式：曾 灿，郭文路，李倩如，等．湘江流域市区段水源地粪大肠菌污染研究及健康影响［Ｊ］．山东化工，２０２１，５０（０４）：２９４－２９５＋２９８．）
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