间歇停运缓解堵塞：停运时间对蚯蚓滤床耦合人工湿地堵塞物组成、水力特性及处理效果的影响

《Journal of Water Process Engineering》：Intermittent resting for clogging mitigation: Effects of resting duration on clog matter composition, hydraulic characteristics, and treatment performance of a vermifilter-integrated constructed wetland

　　

•间歇性静置有效缓解了CW-VF系统中的渐进性堵塞问题。
•五天静置使COD去除性能达到最佳。
•静置降低了蛋白质/多糖比值，促进生物膜的不稳定性。
•蛋白质主导有机堵塞物，而腐殖酸保持相对稳定。
•五天静置增强了脱氢酶和过氧化氢酶的活性。
引言
构建湿地（CWs）和蚯蚓过滤系统因其可持续性、成本效益和对环境影响最小，已在处理市政和工业废水方面得到广泛应用[1]、[2]、[3]、[4]。这些系统的处理性能由微生物群落、植物和蚯蚓之间的复杂相互作用所决定，并由异质性多孔床料介质提供支持。污染物的去除通过物理过程（沉淀和过滤）、化学过程（吸附和沉淀）以及生物过程（包括微生物降解、植物吸收和蚯蚓介导的转化）的组合来实现[5]、[6]。CWs和蚯蚓过滤系统主要依赖生物膜驱动的生化转化、氧化还原介导的反应和生物扰动来去除有机物、营养物质和悬浮固体[7]。这些机制的协同作用对于维持系统内的处理效率和水力效率至关重要。
在长期运行过程中，由于孔隙空间的阻塞和填充，这些系统的处理性能会逐渐恶化，从而改变了水流路径并限制了水和溶质的传输——这一现象通常被称为堵塞[6]、[8]、[9]。在早期阶段，堵塞通常局限于进水口附近，对系统整体性能影响较小。然而，随着堵塞在过滤床中传播，它会显著降低水力导率，损害传质过程，最终降低处理效率和系统使用寿命[10]。在高浓度废水负荷下，堵塞问题尤为明显，此时有机物质和固体的高流入量超过了系统的处理能力，促进了颗粒物和大分子物质在孔隙中的积累[11]。在此条件下继续运行会导致表面积水、厌氧区的形成以及处理性能的显著下降。这些条件不仅损害了碳的去除效率，还引发了运行和环境问题，包括异味产生、蚊虫滋生和景观恶化，从而限制了这些系统的实际应用[6]、[10]。
堵塞通过三种主要机制发展：物理过程、生物过程和化学过程。物理堵塞源于悬浮固体的积累和拦截，受粒径分布、介质颗粒度和水力负荷条件的控制。生物堵塞主要与微生物增殖和植物来源的有机输入有关，而化学堵塞则源于多孔基质内的矿物沉淀和吸附过程[12]。在这些机制中，生物膜介导的堵塞被广泛认为是主要机制[13]，其中微生物群落分泌胞外聚合物（EPS），形成粘合基质附着在介质表面并逐步阻塞孔隙空间。负责孔隙阻塞的EPS部分主要由高分子量有机成分组成，包括蛋白质（PN）、多糖（PS）、腐殖酸（HA）和核酸（NA），这些成分赋予生物膜结构稳定性和粘附特性[14]。此外，床料介质孔隙中积累的物质被分为无机堵塞物（ICM）和有机堵塞物（OCM）。OCM构成了过滤基质中主要的体积分数，在水力阻塞中发挥着关键作用。包括PN、PS、NA和HA在内的EPS约占OCM的70%[15]。同时，ICM主要由矿物沉淀物、细悬浮固体、化学沉淀物和源于微生物内源衰变的惰性残渣组成[16]。
尽管基于自然的治疗系统在米厂废水（RMW）处理中的应用有限，但本研究小组此前利用蚯蚓过滤器集成的CW（CW-VF）系统处理RMW，并在进水COD范围为1318–4682 mg/L的范围内评估了其堵塞行为[11]。选择此范围是为了涵盖RMW已报告的理化特性变异性，包括pH值4–8.4，化学需氧量（COD）1350–6480 mg/L，五日生化需氧量（BOD?）36–2400 mg/L，总悬浮固体100–1100 mg/L，木质素80.3–182 mg/L，苯酚14.8–16.21 mg/L和硝酸盐12–182 mg/L[11]、[17]、[18]。RMW中的高有机负荷和难降解成分的存在促进了有机质在多孔处理介质中的积累和生物膜的形成，从而增加了运行过程中堵塞的潜在风险。先前的研究表明，堵塞倾向随进水COD的增加而增加，同时随着系统水力导率的损失和总堵塞物（TCM）的积累，COD去除率呈指数下降。值得注意的是，最高进水COD浓度4682 mg/L导致了最大的堵塞和水力性能的恶化[11]。这些发现凸显了需要一种非侵入性的堵塞缓解策略，以延长CW-VF系统处理高浓度RMW的适用性。
堵塞缓解策略大致分为预防性和恢复性方法[6]。预防方法旨在通过优化水力负荷率（HLR）和实施间歇性进料制度、水流反转和反冲洗来延缓孔隙阻塞[19]。相比之下，恢复性干预措施，如介质提取和清洗、化学氧化或蚯蚓生物扰动，通常在渗透性发生较大损失后才采用，且往往运行强度较大[6]、[13]、[20]。虽然每种方法都有其自身优点和局限性，但静置运行作为一种非侵入性且具有成本效益的修复策略已崭露头角，它通过内源呼吸促进生物膜衰变，并使孔隙空间得到部分恢复[21]、[22]。先前的研究已经证实静置是缓解CWs中堵塞的潜在策略。Hua等[23]研究了静置期作为缓解垂直流CWs中生物堵塞的有效措施。在他们的研究中，实验室规模系统在0.5 m3/m2·d的水力负荷率下用BOD?为600 mg/L的合成废水喂养，直到堵塞发生。静置3天、7天和10天改善了水力导率和孔隙率，特别是在系统的上层，这归因于EPS的减少和生物膜的衰变。在测试的时长中，7天静置提供了最高的水力性能改善。然而，该研究主要关注水力恢复和生物堵塞缓解的机制，未实验评估静置时长对处理性能、微生物活性或植物响应的影响。此外，该研究使用的葡萄糖基合成废水不含悬浮固体，限制了其对复杂废水基质的直接相关性。在另一项研究中，Zhou等[20]使用四个实验室规模的垂直流CWs，用不同溶液模拟生物堵塞、有机颗粒堵塞、惰性颗粒堵塞以及生物堵塞和有机颗粒堵塞的组合。静置伴随水位下降被发现在这些条件下能缓解堵塞。然而，静置对处理性能以及生物膜和植被稳定性的影响未被评估。此外，长期静置对微生物活性、活性生物量、植被健康以及后续系统再驯化的后果仍然不够明确。尽管这些研究表明静置后水力性能有所恢复，但缓解堵塞同时保持生物功能和恢复后处理性能所需的时长仍定义不足。最近，Zhang等[22]研究了静置时长对CWs中植物生理、处理性能和微生物动态的影响。他们的研究结果表明，静置通过增加根冠比和根长比增强了植物适应性，并促进了与硝化和氮循环相关的功能基因。与这些响应一致的是，适度静置（2–5天）增强了有氧硝化作用，而长期静置（>5天）则抑制了植物和微生物活性并降低了污染物去除率。然而，该研究使用相对低浓度的废水，COD为326 mg/L，这限制了研究结果对高浓度工业废水的直接适用性。此外，该研究未检查静置期间堵塞物组成或EPS特性的变化，使得静置时长、堵塞缓解与生物响应之间的关系理解不足。
除这些研究外，在理解间歇性静置作为一种非侵入性原位堵塞修复策略方面仍存在重要缺口。特别是，静置时长与EPS特性、水力恢复、堵塞物转化、生物功能和处理性能之间的关系仍未充分理解。静置对EPS组成（包括PN、PS、NA和HA）以及ICM、OCM和TCM的影响受到了有限的关注。此外，关于反复静置周期对处理性能的影响以及蚯蚓、植物和微生物酶活性响应的研究仍然稀缺。此外，先前的研究主要使用简单碳源或低浓度合成废水来诱导堵塞，缺乏关于静置在处理高浓度工业废水的系统中有效性的证据。本研究通过整合不同静置时长下处理高浓度RMW的CW-VF系统中的水力特性、堵塞物组成、EPS、生物响应和处理性能来填补这些缺口。
因此，本研究旨在：(i)评估不同静置制度对处理性能的影响，包括COD去除和水力特性；(ii)表征静置引起的EPS组成变化、堵塞物积累和酶活性；以及(iii)评估蚯蚓和植物对静置的响应，确定适当的静置制度，以平衡处理高浓度RMW的CW-VF系统中的堵塞缓解与生物功能和处理性能。
小宇宙描述
实验系统由三阶段集成CW-VF处理系统组成，包括一个垂直挡板CW，后接两个连续垂直流VF。整个系统保持地下流条件，CW作为一级处理单元，并提供主要水力停留时间（HRT）。CW单元由有机玻璃制成，尺寸为60 cm（长）× 30 cm（宽）× 45 cm（高）。在系统内安装了内部垂直挡板。
各周期系统性能
图2a–b展示了不同静置制度下各连续加载-静置周期实验系统的COD去除性能。到第七个运行周期时，MR系统实现了最高的COD去除效率79.0 ± 2.0%，其次是LR和NR系统，去除效率分别为68.0 ± 1.4%和64.1 ± 0.9%，而HR系统显示最低的去除效率47.9 ± 1.0%，如图2a所示。单因素方差分析显示……
结论
水力导率和有效孔隙率随2天、5天和10天静置时长逐渐增加，表明孔隙结构的恢复。内源呼吸和再氧化缓解了生物量的积累和EPS的分泌，从而最小化了孔隙堵塞的潜在风险。PN构成了OCM的主要组分。此外，长期静置减少了总EPS含量并降低了PN/PS比值。这种结构转变降低了疏水性……
CRediT作者贡献声明
Sudeep Kumar Mishra：原创草稿撰写，可视化，软件，方法论，调查，形式分析，概念化。Puspendu Bhunia：审稿与编辑，监督，概念化。Arindam Sarkar：审稿与编辑，监督，概念化。
资助信息
本项研究工作未获得任何资助机构的财政支持。
利益冲突声明
署名作者之间不存在任何冲突利益，无论是财务方面还是其他方面。
Sudeep Kumar Mishra | Puspendu Bhunia | Arindam Sarkar