关于入流特性对垂直流构建湿地中堵塞物质影响及其机制的研究

《Bioresource Technology》：Investigation into the influence and mechanism of inflow characteristics on clogging matter in vertical flow constructed wetlands

人工湿地堵塞材料组成及分布受进水特性（水力负荷、化学需氧量、悬浮固体浓度）影响显著，无机物（57-60%）主导，多糖和蛋白质是关键包裹成分。水力负荷通过动能促进无机物沉积，化学需氧量驱动有机物生物堵塞，悬浮固体引发物理堵塞。研究揭示了不同进水特性下堵塞的异质分布规律及作用机制，为精准运维提供依据。

　　

Xinwei Sun | Jianfeng Ye

同济大学环境科学与工程学院，中国上海200092

摘要

入流水特性对垂直流人工湿地堵塞的影响及其潜在机制仍不明确，这严重阻碍了针对堵塞的预防和控制。本研究通过单因素实验（涉及水力负荷（HL）、化学需氧量（COD）和悬浮固体（SS）浓度），探讨了不同入流水条件下堵塞物质的空间分布及其潜在机制。结果表明，积水面积、堵塞堆积层的厚度和体积与水力负荷（HL）之间存在更强且独立的相关性。无机物质（占57–60%）是主要的堵塞物质，多糖和蛋白质作为关键成分包裹无机物质形成堵塞物。高水力负荷产生的动能促进了无机物质在基质表面的密集沉积。高COD提供了丰富的营养物质，促进了细胞外聚合物的积累，增强了以有机物为主的生物堵塞。高SS压缩了微生物的生存空间，导致了以无机物为主的物理堵塞。总体而言，为了提高人工湿地的可持续运行，必须根据不同入流水条件设计科学有效的对策。本研究为人工湿地的设计和精准维护提供了重要启示。

引言

由于成本低、维护方便和能源效率高，人工湿地已被广泛用于废水处理（Lin等人，2025年）。然而，其长期运行可靠性尚未得到充分保障，不当的设计或运行管理容易导致堵塞（Xu等人，2025年）。美国环境保护署（USEPA）对美国100多个运行中的人工湿地进行的调查显示，近50%的湿地在投入使用后的五年内出现了不同程度的堵塞（Jason，2007年）。同样，2014年在马来西亚半岛建立的一个垂直地下流人工湿地到2020年时也出现了严重的堵塞和性能下降（Keng等人，2021年）。一旦发生堵塞，基质的渗透性会显著下降。长时间积水会产生恶臭并恶化运行环境。同时，表面积水会阻碍氧气向基质层的扩散，从而降低污染物去除效率并缩短人工湿地的使用寿命（Fang等人，2022年）。

堵塞严重限制了人工湿地的可持续运行和广泛应用，而科学有效的预防和控制策略的开发从根本上取决于对堵塞形成机制的理解（Mishra等人，2024年）。目前，学者们认为人工湿地的堵塞是由生物、化学和物理效应共同作用的结果，其强度主要受入流水特性、湿地结构参数和运行模式的影响（Wang等人，2021年）。其中，入流水特性尤为重要，因为它们决定了影响湿地设计和运行策略的外部负荷条件。Du等人（2018年）研究了悬浮固体（SS）特性对人工湿地堵塞的影响。结果表明，较高的SS浓度会加速堵塞的发生，粗颗粒主要导致表面堵塞，而细颗粒则更容易引起内部堵塞。Li等人（2021年）研究了不同水力负荷（HL）梯度对人工湿地性能的影响，发现高HL会加速有机物质和悬浮颗粒的积累，超过其矿化速率，从而加剧堵塞。然而，这些研究大多仅停留在描述性阶段，主要关注堵塞现象的统计观察，而对不同入流水条件下的空间分布模式和潜在机制的洞察有限。这种对机制理解的缺乏极大地阻碍了人工湿地精准诊断和针对性预防控制策略的发展。

基于此背景，本研究分析了不同入流水特性（HL、COD、SS）下堵塞物质的组成和空间分布特征。研究目标包括：（1）探讨入流水特性的变化对堵塞物质组成和结构特性的影响；（2）确定控制堵塞物质基本特性的关键入流水特性；（3）阐明不同入流水条件下人工湿地堵塞变化的潜在机制。这项研究有助于填补人工湿地堵塞研究的重要空白，并为制定针对性的修复和管理策略提供科学依据。

部分摘录

垂直流人工湿地系统

垂直流人工湿地（VFCWS）的结构和材料组成详见补充信息说明S1。每个单元由一个上部的聚乙烯圆筒和一个下部的聚乙烯圆锥组成。上部圆筒高60厘米，内径14厘米，壁厚1厘米。下部圆锥高15厘米，上下圆形开口的内径分别为14厘米和2.5厘米。该系统完全填充了石英。

污染物去除效率

不同入流水条件下VFCWS的污染物去除效率如图1所示。结果表明，不同的入流水特性对污染物去除效率和VFCWS的功能稳定性有不同程度的影响。关于水力负荷（HL），第一组的污染物处理效率在28天内保持相对稳定。相比之下，第二组和第三组的污染物去除效率在14天后显著下降（p<0.05）。

结论

本研究探讨了入流水特性对人工湿地中堵塞物质分布的影响。结果表明，不同的入流水条件组合（包括水力负荷（HL）、化学需氧量（COD）浓度和悬浮固体（SS）浓度）通过不同的机制影响堵塞过程，导致人工湿地中堵塞物质的分布不均匀。具体来说，当COD和SS

作者贡献声明

Xinwei Sun：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，研究，数据分析，概念构思。Jianfeng Ye：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，指导，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了云南省科学技术计划项目（项目编号202505AT350002）的财政支持。作者衷心感谢实验室所有成员的帮助和宝贵建议。