人工濕地在寒冷地區(qū)的應(yīng)用和工藝優(yōu)化措施研究

林卉

北控水務(wù)（中國(guó)）投資有限公司

1 人工濕地應(yīng)用現(xiàn)狀

人工濕地是自然污水凈化技術(shù)的典型代表，通常指用人工筑成水池或溝槽，底面鋪設(shè)防滲漏隔水層，充填一定深度的基質(zhì)層，種植水生植物，利用物理、化學(xué)、生物三重協(xié)同作用使污水得到凈化的構(gòu)筑物。由于其低能耗、運(yùn)營(yíng)簡(jiǎn)單、生態(tài)效益高等特征，人工濕地技術(shù)在世界各國(guó)均有廣泛應(yīng)用，例如北美已建成了超過(guò)10000座人工濕地[1]。隨著國(guó)家水污染行動(dòng)計(jì)劃的推進(jìn)，我國(guó)的人工濕地工程不論是處理規(guī)模還是污水類型都向多元化發(fā)展。處理規(guī)模方面，既有30 萬(wàn)m3/d 的山東臨沂武河濕地[2]、8 萬(wàn)m3/d的山西晉城丹河人工濕地等[3]，也有50m3/d以下的小型人工濕地[4]，處理的污水類型包括生活污水、污水廠尾水、河流地表水、礦山廢水等。

2 寒冷氣候人工濕地應(yīng)用進(jìn)展

寒冷氣候下的人工濕地運(yùn)行效果一直是業(yè)界爭(zhēng)議的焦點(diǎn)之一。低溫下，傳統(tǒng)生化處理設(shè)施和人工濕地都面臨處理效率降低的問(wèn)題，尤其是氨氮去除效率受低溫影響較大[5]。同時(shí)，冬季人工濕地植物的地上部分枯萎，對(duì)去除率造成一定影響。此外，冬季可能存在管道凍裂、水面結(jié)冰等情況，也給運(yùn)行帶來(lái)了實(shí)際困難。

實(shí)際上，低溫下人工濕地并不是完全失去凈化功能。首先，吸附、沉淀等物理化學(xué)凈化過(guò)程受溫度影響較小。其次，污水溫度往往高于氣溫，加之污水中有機(jī)物氧化釋放熱量，使人工濕地內(nèi)部能夠保持適宜微生物活動(dòng)的溫度。再次，即使是在水溫極低的情況下，部分耐寒微生物也能夠進(jìn)行新陳代謝。而雖然冬季濕地植物直接吸收的污染物減少，但直接吸收在人工濕地污染凈化總量中的占比不大，據(jù)報(bào)道多個(gè)案例占比在15%以下，因此植物季節(jié)性枯萎不會(huì)造成決定性影響[6]。

在氣候寒冷地區(qū)一直不乏人工濕地應(yīng)用和研究。例如，??vel等人[7]報(bào)道，在愛沙尼亞北緯58°處的一座人工濕地用于處理學(xué)校污水，在進(jìn)水水溫僅為4.8℃的情況下，對(duì)BOD7、TSS、氨氮、總氮、總磷的去除率仍然分別達(dá)到了97.0%、81.3%、88.1%、52%和92%。冷季的去除率和污染物去除負(fù)荷雖然平均值略低于暖季，但從數(shù)值分布上看沒有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。再如，河北官?gòu)d水庫(kù)運(yùn)用人工濕地對(duì)永定河河水進(jìn)行深度凈化，當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?.5℃，年最低氣溫-28.2℃，來(lái)水水質(zhì)接近地表Ⅴ類。經(jīng)研究對(duì)比，低溫期人工濕地對(duì)BOD5、氨氮、總氮和總磷的去除率低于常溫期，但仍然顯著，分別達(dá)到了25%、20%、28%和35%[8]。

Wang等人[9]總結(jié)了來(lái)自各國(guó)寒冷地區(qū)的45座人工濕地的數(shù)據(jù)，將其與58座熱帶亞熱帶的人工濕地進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)寒冷地區(qū)人工濕地對(duì)氮的去除率低于溫暖地區(qū)，但仍有顯著的去除效果，如氨氮的平均去除率達(dá)到40%以上；兩組人工濕地的BOD、COD、總磷去除率沒有顯著差異，而寒冷地區(qū)人工濕地TSS的去除率甚至高于溫暖地區(qū)（應(yīng)注意的是該對(duì)比分析是在忽略了濕地水力負(fù)荷差異的前提下進(jìn)行的）。由此可見，在合理設(shè)計(jì)和運(yùn)維的前提下，人工濕地在寒冷地區(qū)的應(yīng)用是可行的。

3 針對(duì)低溫的人工濕地工藝優(yōu)化

針對(duì)低溫影響進(jìn)行的工藝優(yōu)化主要從以下幾個(gè)角度展開。

（1）優(yōu)化工藝選擇。表流人工濕地一般水深較淺，水流直接與外部空氣接觸，因此在寒冷地區(qū)采用表流人工濕地應(yīng)慎重，可以用結(jié)構(gòu)相似但水深較大的氧化塘系統(tǒng)代替，否則冬季濕地內(nèi)水體完全凍結(jié)，直接影響運(yùn)行。潛流人工濕地的保溫效果相對(duì)較好10，但其內(nèi)部及表面的管道較多，需要特別注意管道保溫的問(wèn)題。

（2）增大人工濕地的面積和容積，按照冬季最低去除效率來(lái)設(shè)計(jì)人工濕地。對(duì)于用地充裕的地區(qū)，該方式是最直接有效的。例如上述愛沙尼亞的人工濕地面積為6.8 m2/人口當(dāng)量[9]，比德國(guó)推薦采用的4 m2/人口當(dāng)量的面積指標(biāo)大70%。而挪威的一座用于處理村莊污水的復(fù)合人工濕地系統(tǒng)[11]，冬季氣溫為-25～-5℃，采取了高達(dá)70 d的水力停留時(shí)間，穩(wěn)定達(dá)到了深度凈化的效果，總磷、總氮、氨氮的出水平均濃度分別為0.25 mg/L、4.07 mg/L和0.13 mg/L。吉林通化的一座設(shè)計(jì)規(guī)模為300 m3/d的農(nóng)村污水濕地則采取了將冬季的污水儲(chǔ)存，待來(lái)年春季再處理的方式[12]，對(duì)于冬季嚴(yán)寒且污水量很少的工程是可以借鑒的。

（2）對(duì)人工濕地進(jìn)行保溫[7]。利用冰雪層保溫是最常用的方式[2]，通過(guò)水位調(diào)節(jié)，在冰層和填料之間形成空氣層，利用冰雪跟空氣層進(jìn)行保溫。保留濕地植物秸稈也能起到保溫作用。Jing等人研究發(fā)現(xiàn)，保留植物的人工濕地的氨氮去除反應(yīng)常數(shù)k比沒有植物的對(duì)照組高一個(gè)數(shù)量級(jí)[10]。申歡等[13]采用收割的濕地植物對(duì)潛流人工濕地進(jìn)行覆蓋保溫，結(jié)果表明覆蓋后濕地表層凍土深度明顯小于對(duì)照濕地，總磷、氨氮和總氮的平均去除率分別提高了15.5%、9.7%和5.0%。還可以通過(guò)上設(shè)溫室結(jié)構(gòu)的方式對(duì)濕地進(jìn)行保溫，例如胡奇等[14]在黑龍江海林市采用雙層陽(yáng)光板構(gòu)建人工濕地溫室，并在室內(nèi)布置暖氣，在室外氣溫最低為-30℃的情況下，使面積為500m2的潛流人工濕地內(nèi)部水溫維持在8℃以上，其中濕地下部的水溫在10℃以上。除了對(duì)人工濕地床體的保溫，對(duì)人工濕地管道的保溫也十分重要。一般要求人工濕地進(jìn)出水管道埋于凍土深度以下，以避免管道凍裂。若管道埋深無(wú)法滿足要求，則應(yīng)在管道外壁加裝保溫材料，如保溫棉、保溫氈等。加大水流流速也是防止管道凍裂的方法之一，可以通過(guò)加大排水管道的坡度或采用水泵輸水的方式[15]。

（3）采取強(qiáng)化冬季處理能力的運(yùn)行措施。例如從連續(xù)進(jìn)水模式變?yōu)殚g歇進(jìn)水模式，或采取強(qiáng)制曝氣手段，可以提高人工濕地內(nèi)的DO 濃度，從而提高氨氮的去除效率[7]。接種耐低溫工程菌劑也是一個(gè)重要的發(fā)展方向。邢奕等[16]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，培養(yǎng)耐冷細(xì)菌、耐冷放線菌和耐冷霉菌，三種菌株在0℃以下均仍有一定活性，在6℃的實(shí)驗(yàn)溫度下，接種上述菌株的人工濕地對(duì)氨氮的去除率分別達(dá)到57.7%、59.0%及58.7%。

4 結(jié)語(yǔ)

世界各國(guó)經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)證明人工濕地在寒冷地區(qū)的應(yīng)用是可行的。尤其是對(duì)于人口分散、用地充裕的寒冷地區(qū)，應(yīng)用人工濕地能夠避免傳統(tǒng)污水處理工藝的高維護(hù)需求，具有良好的應(yīng)用前景。通過(guò)工藝選擇、增大濕地面積、采取保溫措施、增加強(qiáng)化凈化措施等手段，可以保障人工濕地在冬季達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)。其中，強(qiáng)化凈化措施能夠在不顯著增加用地的情況下提高冬季去除率，提高人工濕地在用地緊張地區(qū)的工程經(jīng)濟(jì)性。