人工濕地技術低溫運行效果及對策

李亞 孔令為 張義 梅榮武 王曉敏 張宇 譚映宇 王睿 許青蘭 王震

摘要 人工濕地去污效果受溫度影響較大，從而限制了在寒冷地區(qū)的推廣和使用。分析了北方寒冷地區(qū)人工濕地成功案例，探討了低溫下濕地運行中存在的問題及解決措施，為人工濕地在北方寒冷地區(qū)的推廣和使用提供了參考。

關鍵詞 人工濕地；寒冷地區(qū)；存在問題；運行措施

中圖分類號 X826 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）17-0195-03

Abstract The decontamination effect of constructed wetlands is greatly affected by temperature， which limits the popularization and use in northern China. We analyzed the successful cases of constructed wetlands in the cold areas， and pointed out the problems existing in the operation of wetlands at low temperature and their solutions， so as to provide reference for the popularization and use of constructed wetlands in the cold areas.

Key words Constructed wetland；Cold area；Existing problems；Operation measures

人工濕地是由人工建造模擬天然濕地系統(tǒng)，以期在植物、基質(zhì)、微生物的聯(lián)合作用下去除水中污染物的技術。因其具有投資少、運行效率高、管理維護簡單等特點[1]，自20世紀70年代以來迅速發(fā)展。我國北方地區(qū)四季分明，冬季氣溫可達0 ℃以下，濕地植物及微生物進入休眠狀態(tài)甚至死亡，去污效率降低，因此，在我國北方寒冷地區(qū)推廣及使用人工濕地受到極大的限制。Tuncsiper[2]研究表明，冬季水平流和垂直流濕地總氮的去除效率與夏季相比均有下降，分別降低6%和11%；王世和等[3]研究表明，人工濕地在冬季對總磷的去除率較夏季低約15%。然而，通過數(shù)十年對北美和歐洲人工濕地研究表明，濕地處理污水在冬季仍可推廣使用[4]。筆者列舉了北方寒冷地區(qū)人工濕地成功案例并對其運行效果進行分析，探討了人工濕地在低溫運行中存在的問題以及常用的解決手段，以期為人工濕地在寒冷地區(qū)的應用和推廣提供參考。

1 寒冷地區(qū)工程設計案例及運行效果分析

為避免低溫對人工濕地運行效果的影響，國內(nèi)外學者進行了大量的工作，表1為國內(nèi)外部分寒冷地區(qū)人工濕地工程應用的案例。寒冷地區(qū)通常采用潛流式人工濕地，在其表層覆蓋填料，可緩解因冬季水蒸發(fā)蒸騰和流動造成的能量損失，有助于維持和提高濕地內(nèi)的溫度[5]。但在寒冷地區(qū)也有采用表流濕地系統(tǒng)，秦曉丹等[6]研究了天津地區(qū)表面流人工濕地冬季運行情況，結果表明，在冬季提高濕地水深，以期在水面上層形成一定的冰層厚度，維持水溫的運行方式，雖然各污染指標去除率在冬季時相較于其他季節(jié)偏低，但表面流人工濕地在我國北方冬季仍可使用推廣。

2 人工濕地在低溫運行中存在的問題

2.1 低溫對微生物的影響

人工濕地中的有機物質(zhì)及氮主要依靠微生物的生命代謝活動去除，低溫環(huán)境使?jié)竦刂械奈⑸锘钚越档蜕踔了劳?，對污水的凈化作用降低。硝化細菌和反硝化細菌活性受溫度影響較大，據(jù)研究表明，硝化速率在10 ℃以下受抑制，在6 ℃以下迅速下降[15]，在4 ℃以下停止工作。反硝化細菌在15 ℃以下反應速率迅速下降。冬季運行過程中，硝化及反硝化反應過程受阻，同時由于冬季大量植物死亡，造成濕地系統(tǒng)氧氣量不足等，從而造成NH4+-N的去除率降低[3]。寒冷季節(jié)微生物活性降低，可能主要通過吸附作用去除NH4+-N[16]。崔玉波等[17]研究了氣溫為-16～0 ℃時（一級濕地進水溫度6.0～11.5 ℃）兩級人工濕地系統(tǒng)的運行效果，發(fā)現(xiàn)低溫對COD去除會產(chǎn)生一定影響，但不影響總磷的去除率，同時，當水溫<5 ℃時，對硝化、反硝化作用具有一定的抑制作用。

2.2 低溫對濕地植物的影響

植物是人工濕地的重要組成部分，可以通過過濾、攔截、吸收等作用去除水中污染物質(zhì)。植物根區(qū)為微生物提供良好的生存環(huán)境，提高基質(zhì)的過濾效率。此外，收割后的植物還能在冬季結冰時支撐冰面，起到保溫的作用。北方冬季氣溫較低，濕地植物進入休眠期甚至死亡狀態(tài)，植物的同化作用受阻。根系活性降低，復氧能力下降，根區(qū)好氧-厭氧環(huán)境遭到破壞[18]，使得植物體內(nèi)及其根部微生物之間的物質(zhì)交換、生命代謝活動受阻甚至停滯[19]，濕地去污效率相較于其他季節(jié)大幅降低。

2.3 低溫對基質(zhì)的影響

基質(zhì)在人工濕地系統(tǒng)中具有過濾攔截、為植物和微生物提供生長介質(zhì)等作用。低溫環(huán)境下，基質(zhì)中的微生物活性降低，顆粒物質(zhì)不能有效降解，水的黏性增加，孔隙率減小，傳遞氧的速率降低，嚴重影響人工濕地運行效果[20]。

3 人工濕地在北方寒冷地區(qū)運行措施

3.1 冰雪覆蓋

冰雪覆蓋法是在濕地水面結冰前，將水位升高，使之在上層形成一定厚度的冰層，然后水位下降，從而在冰層和填料之間形成空氣層，具有保溫作用。也有學者在加拿大安大略省采用冰層覆蓋的方法成功地進行濕地越冬工程[21]。但該方法需要對冰層進行定期檢查，實際操作具有一定困難，且受溫度等外界因素影響較大。

3.2 植物覆蓋

植物覆蓋即在寒冷冬季把濕地的植物收割覆蓋在床體表面，從而起到保溫的效果。植物覆蓋法能在一定程度上提高冬季濕地處理效率，但也存在缺陷，植物易腐爛從而產(chǎn)生額外的污染物，極易造成二次污染，從而增加了廢水處理難度，因此，必須在溫度回升之前處理掉濕地表面覆蓋物。

3.3 地膜覆蓋

借鑒地膜覆蓋法在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中的應用，將其覆蓋在人工濕地表層，進而在寒冷冬季起到保溫效果。譚月臣等[22]研究表明，冬季采用薄膜法濕地保溫，COD、NH4+-N、TN的去除率分別30%～45%、35%～60%和40%～60%，相比冰封和溫棚法污染物去除率高出10%～20%。地膜覆蓋法在冬季運行期成效顯著，但鋪設過程復雜，投資高，同時易造成白色污染，因此，天氣回暖時應及時清除。

3.4 管道保溫

我國北方冬季寒冷，溫度可低至-30～-20 ℃，為避免管道凍裂，影響濕地正常運行，進出水管道需用保溫材料進行包裹，并盡量采用暗溝或者埋地的形式。

3.5 溫棚覆蓋

溫室大棚在農(nóng)業(yè)上應用較為廣泛，效果良好。入冬前先將濕地中的植物收割外移，在濕地上部建造大棚，在大棚上覆蓋草席，晴天時掀起，晚上覆蓋，保持棚內(nèi)適宜的溫度。李靜等[23]對北京市楊鎮(zhèn)一中人工濕地的研究表明，溫棚法+蒲席覆蓋系統(tǒng)對總氮的去除效果要好于冰層覆蓋，更適合在北方使用。溫棚法效果較好，但操作運行復雜。人工濕地通常面積大，所以溫棚覆蓋難度較大。不同保濕措施下的人工濕地運行效率見表2[8，24-27]。

3.6 人工濕地植物選植

濕地植物的選植應考慮植物的適應性和去污能力，兼顧經(jīng)濟價值和觀賞價值，優(yōu)先選用“多種、多層、高效、穩(wěn)定”的本土植物品種，形成由“挺水植物-浮葉植物-沉水植物”及沼生植物組成的濕地植被景觀。

根據(jù)生態(tài)濕地總體布置，濕地植物配置的基本原則包括：

①適應性原則。根據(jù)植物的生長特性，選擇抗逆性強、適應能力強、去污能力好、生物量較大、生長周期長的植物種類。

②景觀性原則。在設計人工濕地時，應考慮周邊自然環(huán)境，優(yōu)化群落配置，合理布局，從美觀角度對植物進行選擇和搭配，從而使其與周圍景觀自然融合。

③多樣性原則。每種植物在生長過程中所需要的污染物質(zhì)種類及數(shù)量不同，采用多種植物組合種植，可提高濕地系統(tǒng)的去污能力，同時增加系統(tǒng)的抗逆性。

④多用途原則。濕地植物成熟收割后可作為原材料用于再生產(chǎn)加工，在去除污染物質(zhì)的同時產(chǎn)生經(jīng)濟價值，減少因植物收割后造成的二次污染問題，實現(xiàn)環(huán)保經(jīng)濟雙贏。

3.7 人工濕地基質(zhì)類型優(yōu)選

基質(zhì)的選擇應根據(jù)具體的工程案例進行配置，通常選用孔隙率和比表面積較大的基質(zhì)，可起到支撐作用，同時緩解濕地基質(zhì)堵塞現(xiàn)象，使?jié)竦乇３至己玫耐庑Ч瑸槲⑸锷顒拥恼＿M行創(chuàng)設良好環(huán)境，從而對COD和氮保持較好的去除率。此外，多種基質(zhì)組合使用，更好地營造好氧-厭氧環(huán)境，促使人工濕地高效穩(wěn)定運行。

4 結論

人工濕地已取得較快發(fā)展，但仍存在較多問題，去污效果受季節(jié)影響較大。尤其在我國北方地區(qū)，冬季寒冷，運行難度較大。目前的保溫措施仍存在不足，若想人工濕地在冬季穩(wěn)定運行，需加強對保溫隔離措施的研究。此外，在具體處理上，應對植物搭配、布水設計等多種手段加以強化，最大限度地提高污染物去除率。

參考文獻

[1] 盧少勇，張彭義，余剛，等.云南昆明人工濕地冬季運行情況分析[J].中國給水排水，2006，22（12）：59-62.

[2] TUNSIPER B.Nitrogen removal in a combined vertical and horizontal subsurface-flow constructed wetland system[J].Desalination，2009，247（1/2/3）：466-475.

[3] 王世和，王薇，俞燕.潛流式人工濕地的運行特性研究[J].中國給水排水，2003，19（4）：9-11.

[4] TUNSIPER B，DRIZO A，TWOHIG E.Constructed wetlands as a potential management practice for cold climate dairy effluent treatmentVT，USA[J].Catena，2015，135：184-192.

[5] WANG X L，GRADY C P L.Effects of biosorption and dissolution on the biodeg radation of di-n-butyl phthalate [J].Water environment research，1995，67（5）：863-871.

[6] 秦曉丹，孫貽超，李莉，等.天津地區(qū)表流人工濕地冬季運行工藝研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2013，41（15）：6841-6843.

[7] 王勇，張寶莉，湯燦，等.寒冷地區(qū)多級垂直流人工濕地系統(tǒng)設計及氮磷去除效率[J].農(nóng)業(yè)工程學報（自然科學版），2016，32（23）：218-225.

[8] 李亞峰，劉佳，王曉東，等.垂直流人工濕地在寒冷地區(qū)的應用[J].沈陽建筑大學學報（自然科學版），2006，22（2）：281-284.

[9] 海熱提，范立維，謝濤，等.兩級潛流人工濕地在中國東北高寒地區(qū)的應用研究[J].環(huán)境科學，2007，28（11）：2442-2447.

[10] SMITH E，GORDON R，MADANI A，et al.Yearround treatment of dairy wastewater by constructed wetlands in Atlantic Canada[J].Wetlands，2006，26（2）：349-357.

[11] HEYVAERT A C，REUTER J E，GOLDMAN C R，et al.Subalpine，cold climate，stormwater treatment with a constructed surface flow wetland[J].JAWRA Journal of the American Water Resources Association，2006，42（1）：45-54.

[12] RAI U N，UPADHYAY A K，SINGH N K，et al.Seasonal applicability of horizontal subsurface flow constructed wetland for trace elements and nutrient removal from urban wastes to conserve Ganga River water quality at Haridwar，India[J].Ecological engineering，2015，81：115-122.

[13] VANIER S M，DAHAB M F.Startup performance of a subsurface-flow constructed wetland for domestic wastewater treatment[J].Environmental technology，2001，22（5）：587-596.

[14] ROZEMA E R，ROZEMA L R，ZHENG Y B.A vertical flow constructed wetland for the treatment of winery process water and domestic sewage in Ontario，Canada：Six years of performance data[J].Ecological engineering，2016，86：262-268.

[15] PICARD C，F(xiàn)RASER L D.The interacting effects of temperature and plant community type on nutrient removal in wetland microcosms[J].Bioresource technology，2005，96（9）：1039-1047.

[16] 李靜，尹澄清，王為東，等.表流濕地冬季運行效果及植物腐爛影響的初步研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2008，27（4）：1482-1488.

[17] 崔玉波，郭智倩，姜廷亮.低溫下人工濕地去除營養(yǎng)物的機理與效能[J].西安建筑科技大學學報（自然科學版），2008，40（1）：121-125.

[18] KUSCHK P，WIESSNER A，KAPPELMEYER U，et al.Annual cycle of nitrogen removal by a pilotscale subsurface horizontal flow in a constructed wetland under moderate climate[J].Water research，2003，37（17）：4236-4242.

[19] ZHU W L，CUI L H，OUYANG Y，et al.Kinetic adsorption of ammonium nitrogen by substrate materials for constructed wetlands[J].Pedosphere，2011，21（4）：454-463.

[20] 梁威，胡洪營.人工濕地凈化污水過程中的生物作用[J].中國給水排水，2003，19（10）：28-31.

[21] NIVALA J，HOOS M B，CROSS C，et al.Treatment of landfill leachate using an aerated，horizontal subsurfaceflow constructed wetland[J].Science of the total environment，2007，380（1/2/3）：19-27.

[22] 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)境科學學報，2012，32（7）：1653-1661.

[23] 李靜，姜冰冰，王飛宇，等.北京市楊鎮(zhèn)一中人工濕地設計及污水處理效果[J].濕地科學，2012，10（1）：102-108.

[24] 雒維國，王世和，黃娟，等.潛流型人工濕地低溫域脫氮效果研究[J].中國給水排水，2005，21（8）：37-40.

[25] 張建，邵文生，何苗，等.潛流人工濕地處理污染河水冬季運行及升溫強化處理研究[J].環(huán)境科學，2006，27（8）：1560-1564.

[26] 雒維國，王世和，黃娟，等.潛流型人工濕地冬季污水凈化效果[J].中國環(huán)境科學，2006，26（S1）：32-35.

[27] 劉學燕，代明利，劉培斌.人工濕地在我國北方地區(qū)冬季應用的研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2004，23（6）：1077-1081.