人工濕地技術(shù)在北方天然徑流匱乏地區(qū)的應(yīng)用研究

王夢(mèng)園　馬勇光　劉翠霞

(1河南省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院河南鄭州4500002鄭州大學(xué)環(huán)境技術(shù)咨詢工程公司河南鄭州450002)

人工濕地技術(shù)在北方天然徑流匱乏地區(qū)的應(yīng)用研究

王夢(mèng)園1馬勇光1劉翠霞2

(1河南省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院河南鄭州4500002鄭州大學(xué)環(huán)境技術(shù)咨詢工程公司河南鄭州450002)

本文在北方人工濕地技術(shù)應(yīng)用實(shí)例調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，指出人工濕地是實(shí)現(xiàn)北方天然徑流匱乏地區(qū)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)與水體環(huán)境功能目標(biāo)有效銜接的污水處理技術(shù)，同時(shí)系統(tǒng)分析了北方地區(qū)冬季人工濕地運(yùn)行不穩(wěn)定的原因，并進(jìn)一步提出低溫運(yùn)行效果優(yōu)化建議，為在北方天然徑流匱乏地區(qū)應(yīng)用人工濕地技術(shù)保障河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)提供理論基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)借鑒。

人工濕地；北方；天然徑流匱乏；水質(zhì)改善；尾水處理；生態(tài)修復(fù)

1　引言

隨著我國(guó)“九五”至“十二五”四個(gè)時(shí)期水污染防治工作的推進(jìn)，水污染防治工作取得了顯著成效，河流水質(zhì)明顯改善。但北方省份大都因天然徑流匱乏，河流水源主要為集中污水處理廠出水，造成河流水質(zhì)與水體功能要求仍存在較大差距。2015年4月國(guó)務(wù)院印發(fā)的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（國(guó)發(fā)〔2015〕17號(hào)）對(duì)全國(guó)水污染防治工作提出：到2020年，七大重點(diǎn)流域水質(zhì)優(yōu)良（達(dá)到或優(yōu)于Ⅲ類）比例總體達(dá)到70%以上。目前，二級(jí)（物化+生化）處理系統(tǒng)在全國(guó)范圍廣泛運(yùn)用，并取得了較好的處理效果，但污水處理達(dá)標(biāo)與河流水體功能達(dá)標(biāo)不同步且氮、磷濃度偏高的問(wèn)題長(zhǎng)期存在[1]。人工濕地作為一種利用基質(zhì)——微生物——植物復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)、生物及其協(xié)同作用來(lái)凈化污水的污水處理技術(shù)[2]，具有工藝簡(jiǎn)單、投資運(yùn)行費(fèi)用低且環(huán)境友好的特點(diǎn)，目前在我國(guó)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但在北方地區(qū)，由于人工時(shí)地受氣候影響，存在冬季去除效率降低等問(wèn)題。本文就目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用于水體生態(tài)修復(fù)和污水處理廠尾水處理的北方人工濕地運(yùn)行情況進(jìn)行了調(diào)研，為在北方天然徑流匱乏地區(qū)應(yīng)用人工濕地技術(shù)保障河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)提供理論基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)借鑒。

2　人工濕地技術(shù)在北方地區(qū)的應(yīng)用實(shí)例

目前，除了氣候條件適宜先驅(qū)進(jìn)行技術(shù)應(yīng)用的廣東、浙江、江蘇等南方省份外，人工濕地污水廠處理技術(shù)在我國(guó)中部及北方的北京、山東、山西、遼寧、河南等省市也得到了較好的應(yīng)用[3,4]。從地域上看，南方人工濕地技術(shù)應(yīng)用以濕地修復(fù)、恢復(fù)的居多（表面流濕地為主，占地面積大，突出景觀效果），北方人工濕地應(yīng)用以功能強(qiáng)化型人工濕地改善水質(zhì)的居多（潛流濕地為主，占地面積小，景觀相對(duì)薄弱）。人工技術(shù)應(yīng)用于北方地區(qū)水體修復(fù)和集中污水處理廠尾水處理的實(shí)例詳見(jiàn)表1、表2。

表1　人工濕地技術(shù)應(yīng)用于北方地區(qū)水體生態(tài)修復(fù)實(shí)例

表2　人工濕地技術(shù)應(yīng)用于北方地區(qū)集中污水處理廠尾水處理實(shí)例

根據(jù)對(duì)北方地區(qū)部分人工濕地系統(tǒng)運(yùn)行情況的調(diào)查可知，在人工濕地進(jìn)水為《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB189118-2002）一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)（即COD≤50mg/L，NH3-N≤5 mg/L）的情況下，人工濕地系統(tǒng)對(duì)COD、氨氮的平均除去效率分別可達(dá)到40%～60%、60%～80%，出水水質(zhì)可接近或達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）Ⅲ類、Ⅳ水質(zhì)要求。但在氣溫較低的冬季，北方的人工濕地系統(tǒng)普遍存在處理能力降低，處理效果大幅下降的問(wèn)題。

3　人工濕地技術(shù)冬季低溫運(yùn)行不穩(wěn)定原因分析

人工濕地作為一種人工的自然系統(tǒng)，凈化水質(zhì)的較佳溫度范圍是20℃～25℃，當(dāng)水溫低于10℃時(shí)人工濕地的處理效率會(huì)明顯下降[2]。主要原因是冬季低溫運(yùn)行，存在植被枯死、微生物活性降低、濕地表面凍結(jié)（床體缺氧）等諸多導(dǎo)致處理效果變差的問(wèn)題。

3.1冬季低溫使微生物降解能力降低

微生物的代謝與溫度有關(guān)，溫度降低使微生物活性也隨之降低。冬季濕地系統(tǒng)溫度和氧含量低易造成微生物活性降低，使微生物對(duì)有機(jī)物的分解能力下降，相關(guān)研究及實(shí)踐證明，當(dāng)水溫低于4℃時(shí)，濕地系統(tǒng)內(nèi)的硝化反應(yīng)基本停滯，COD及BOD5的去除也受到嚴(yán)重影響[5]。

3.2冬季低溫植物的污染物富集及氧傳輸能力降低

冬季低溫條件下，大部分人工濕地中植物生長(zhǎng)停滯進(jìn)入休眠狀態(tài)或枯萎，影響了植物對(duì)污染物的吸收和富集作用，也使得通過(guò)植物轉(zhuǎn)輸入濕地中的氧量降低，影響微生物的降解作用。

3.3冬季低溫更容易造成填料堵塞

冬季低溫氣候使微生物代謝緩慢，從而使有機(jī)物在濕地基質(zhì)中沉積，造成濕地堵塞，同時(shí)也阻礙氧在濕地中的傳遞，減低濕地的水力傳導(dǎo)性，使?jié)竦剡\(yùn)行效率降低。

4　優(yōu)化冬季低溫運(yùn)行效果的建議

國(guó)內(nèi)外在人工濕地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)保溫和冬季運(yùn)行優(yōu)化等方面進(jìn)行了大量研究和實(shí)踐工作[6,7]，雖然目前尚沒(méi)有一個(gè)能徹底解決濕地越冬問(wèn)題的方法，但通過(guò)相應(yīng)措施可有效緩解和改善低溫所帶來(lái)的不利影響。針對(duì)北方冬季低溫的特點(diǎn)，建議從人工濕地設(shè)計(jì)、運(yùn)行及管理上采取以下措施。

4.1優(yōu)化人工濕地系統(tǒng)選型

潛流式人工濕地水流在基質(zhì)表面以下通過(guò)，可有效減少因污水蒸發(fā)和流動(dòng)造成的能量損失，保證冬季人工濕地床體的熱平衡，避免了冬季濕地表面結(jié)冰后抑制大氣復(fù)氧，更適合北方地區(qū)冬季氣溫低的特點(diǎn)。

4.2優(yōu)化植物配置

結(jié)合北方地區(qū)人工濕地技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐，建議宜選擇蘆革、茭白、菖蒲、水芹、香蒲等耐寒、生物量多、根系發(fā)達(dá)、繁殖能力強(qiáng)及轉(zhuǎn)輸氧氣能力好的濕地植物。

4.3優(yōu)化運(yùn)行方式

建議北方地區(qū)人工濕地冬季運(yùn)行，適當(dāng)降低人工濕地的水力負(fù)荷和有機(jī)負(fù)荷，通過(guò)降低水力及有機(jī)負(fù)荷可在一定程度上減緩基質(zhì)冰凍板結(jié)帶來(lái)的不利影響。同時(shí)建議采取間歇式運(yùn)行，即每隔一定時(shí)間規(guī)律的向人工濕地進(jìn)水和排水，通過(guò)有節(jié)奏的氣、水運(yùn)動(dòng)提高了系統(tǒng)的復(fù)氧能力。

4.4人工濕地保溫

為了強(qiáng)化人工濕地冬季的運(yùn)行效果，提高水體溫度，減緩植物的休眠，人工濕地冬季可通過(guò)覆蓋形式進(jìn)行保溫。一般可采用的措施包括覆蓋地膜保溫和植物保溫，地膜保溫隔離措施能使微生物活性得到提高，對(duì)NH3-N和TN的去除效果均有一定改善，但其不適合野外大面積使用，同時(shí)廢氣地膜如處理不當(dāng)，易產(chǎn)生二次污染。植物保溫是指將收割的濕地表面枯萎的植物均勻覆蓋于濕地上。目前，在我國(guó)較多采用濕地表層植物作為越冬的主要覆蓋物，但腐敗的植物容易造成水體的二次污染。

5　結(jié)語(yǔ)

由于人工濕地技術(shù)存在進(jìn)水污染物負(fù)荷低、占地面積大、受氣候影響大等問(wèn)題，并無(wú)法替代傳統(tǒng)的“物化+生化”二級(jí)廢水處理工藝，但其在處理二級(jí)廢水處理后污染物濃度難以進(jìn)一步降低的廢水方面具有突出優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)北方天然徑流匱乏地區(qū)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)與水體環(huán)境功能目標(biāo)有效銜接的污水處理技術(shù)，并在我國(guó)北方地區(qū)取得了較好的應(yīng)用效果，因此建議北方地區(qū)選擇在有天然河道（湖泊）條件的水功能區(qū)目標(biāo)考核關(guān)鍵區(qū)段建設(shè)人工濕地工程，同時(shí)組建專業(yè)管理團(tuán)隊(duì)，從進(jìn)水調(diào)控、冬季植物收割及覆蓋、清淤、堵塞監(jiān)測(cè)等方面加強(qiáng)人工濕地的運(yùn)行管理。

[1]王世和.人工濕地污水處理理論與技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社, 2007:125.

[2]王湛,萬(wàn)佳靜,陳曉東.寒冷地區(qū)人工濕地污水處理技術(shù)研究進(jìn)展[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué),2009,35（2）：30-33.

[3]劉智.河口人工濕地植物配置與景觀建設(shè)維護(hù)研究——以沈陽(yáng)市輝山明渠河口濕地為例[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué),2013,39（5）：31-35.

[4]王淑軍,劉佩樓,徐世鵬.臨沂武河濕地的設(shè)計(jì)及其水質(zhì)凈化效果分析[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué),2011,27（22）：61-64.

[5]譚月臣,姜冰冰，洪劍明.北方地區(qū)潛流人工濕地冬季保溫措施的研究[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué),2012,32（7）：1653-1661.

[6]吳振斌.復(fù)合垂直流人工濕地[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

[7]陳曉東,常文越,王磊,等.北方人工濕地污水處理技術(shù)應(yīng)用研究與示范工程[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué),2007,33（2）：25-28.

王夢(mèng)園（1983—），女，碩士，工程師，主要從事環(huán)境影響評(píng)價(jià)、環(huán)境規(guī)劃及環(huán)境政策方面研究。