人工湿地作为一项污水处理技术,具有高效率、低能耗、抗冲击负荷等优点,在国内外获得了广泛的运用。但是在工程实践中,堵塞成为人工湿地普遍存在的一个问题。本文通过建立垂直流人工湿地模型,探讨了沸石、砾石、陶粒三种填料装置的生物堵塞对污染物去除率的影响及机理。具体研究内容及结论如下:(1)人工湿地生物堵塞过程中的净化能力及微生物种群变化研究结果表明,装置整体渗透系数的下降经历三个阶段:前期缓慢下降、中期大幅度下降、后期下降速度逐渐趋于稳定。堵塞主要发生在装置0-10 cm填料层中。堵塞过程中,COD、氨氮去除率均随时间降低,这说明生物堵塞不利于污染物的去除。观察微生物种群的变化发现,堵塞后微生物种群多样性降低,微生物在属分类水平上各OTU相对丰度变化较大,厌氧类菌在堵塞后明显增加,这是由装置内的缺氧环境造成的。微生物功能组整体在堵塞前后变化较小,仅仅与反硝化有关的功能组略有增加。对比三种填料装置的净化能力及微生物种群差异,发现陶粒装置的COD、氨氮去除率最高。堵塞前后砾石装置微生物多样性均较高,这可能是由各装置堵塞程度不同及微生物间的相互影响造成的。三种填料装置OTU丰度及微生物功能组差异较小,表明填料类型对微生物种群构成影响较小。(2)人工湿地生物堵塞对净化能力的影响机制研究结果表明,各装置随着堵塞的发展生物量逐渐增多、活菌死菌比例下降、底物降解能力有所提高。由底物降解能力的增加及微生物功能组变化较小可知,人工湿地堵塞过程中微生物特性的变化对污染物去除率的影响较低。对比COD去除率及水力特性参数的变化可知,在装置运行第1-10天,真实HRT较长、有效体积率较大、水力效率较高,此时COD去除率较高;而第10天后,真实HRT降低、有效体积率降低、水力效率较低,相应的,COD去除率在第10-30天逐渐下降。综上所述,人工湿地堵塞过程中污染物去除率的降低主要与装置水力特性的改变有关。(3)基于X-CT的人工湿地生物堵塞过程中孔隙结构变化规律研究结果表明,以碘海醇作为造影示踪剂,通过X-CT扫描可有效观测装置生物堵塞过程中填料、堵塞物及死水区、孔隙空间的分布。扫描结果显示,随着湿地的运行,生物膜优先生长在流速较慢及孔隙较小区域。装置达到堵塞状态时,可观测到死水区及优先通道的形成。观察各装置球棍模型参数的变化发现,三个装置孔隙总数、孔隙体积均随时间大幅度降低,装置的孔隙体积下降幅度为58.1%-62.3%。由此可见,生物堵塞可造成装置有效孔隙率大大降低。各装置喉道数量及喉道总横截面积也大幅度下降,喉道总横截面积下降幅度为72.8%-78.5%。喉道为孔隙空间中最狭窄的部位,因此喉道横截面积及数量的降低是装置连通性及渗透系数下降的主要原因之一。