人工湿地技术低温运行效果及对策

李亚 孔令为 张义 梅荣武 王晓敏 张宇 谭映宇 王睿 许青兰 王震

摘要 人工湿地去污效果受温度影响较大，从而限制了在寒冷地区的推广和使用。分析了北方寒冷地区人工湿地成功案例，探讨了低温下湿地运行中存在的问题及解决措施，为人工湿地在北方寒冷地区的推广和使用提供了参考。

关键词 人工湿地；寒冷地区；存在问题；运行措施

中图分类号 X826 文献标识码 A 文章编号 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拟天然湿地系统，以期在植物、基质、微生物的联合作用下去除水中污染物的技术。因其具有投资少、运行效率高、管理维护简单等特点[1]，自20世纪70年代以来迅速发展。我国北方地区四季分明，冬季气温可达0 ℃以下，湿地植物及微生物进入休眠状态甚至死亡，去污效率降低，因此，在我国北方寒冷地区推广及使用人工湿地受到极大的限制。Tuncsiper[2]研究表明，冬季水平流和垂直流湿地总氮的去除效率与夏季相比均有下降，分别降低6%和11%；王世和等[3]研究表明，人工湿地在冬季对总磷的去除率较夏季低约15%。然而，通过数十年对北美和欧洲人工湿地研究表明，湿地处理污水在冬季仍可推广使用[4]。笔者列举了北方寒冷地区人工湿地成功案例并对其运行效果进行分析，探讨了人工湿地在低温运行中存在的问题以及常用的解决手段，以期为人工湿地在寒冷地区的应用和推广提供参考。

1 寒冷地区工程设计案例及运行效果分析

为避免低温对人工湿地运行效果的影响，国内外学者进行了大量的工作，表1为国内外部分寒冷地区人工湿地工程应用的案例。寒冷地区通常采用潜流式人工湿地，在其表层覆盖填料，可缓解因冬季水蒸发蒸腾和流动造成的能量损失，有助于维持和提高湿地内的温度[5]。但在寒冷地区也有采用表流湿地系统，秦晓丹等[6]研究了天津地区表面流人工湿地冬季运行情况，结果表明，在冬季提高湿地水深，以期在水面上层形成一定的冰层厚度，维持水温的运行方式，虽然各污染指标去除率在冬季时相较于其他季节偏低，但表面流人工湿地在我国北方冬季仍可使用推广。

2 人工湿地在低温运行中存在的问题

2.1 低温对微生物的影响

人工湿地中的有机物质及氮主要依靠微生物的生命代谢活动去除，低温环境使湿地中的微生物活性降低甚至死亡，对污水的净化作用降低。硝化细菌和反硝化细菌活性受温度影响较大，据研究表明，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。反硝化细菌在15 ℃以下反应速率迅速下降。冬季运行过程中，硝化及反硝化反应过程受阻，同时由于冬季大量植物死亡，造成湿地系统氧气量不足等，从而造成NH4+-N的去除率降低[3]。寒冷季节微生物活性降低，可能主要通过吸附作用去除NH4+-N[16]。崔玉波等[17]研究了气温为-16～0 ℃时（一级湿地进水温度6.0～11.5 ℃）两级人工湿地系统的运行效果，发现低温对COD去除会产生一定影响，但不影响总磷的去除率，同时，当水温<5 ℃时，对硝化、反硝化作用具有一定的抑制作用。

2.2 低温对湿地植物的影响

植物是人工湿地的重要组成部分，可以通过过滤、拦截、吸收等作用去除水中污染物质。植物根区为微生物提供良好的生存环境，提高基质的过滤效率。此外，收割后的植物还能在冬季结冰时支撑冰面，起到保温的作用。北方冬季气温较低，湿地植物进入休眠期甚至死亡状态，植物的同化作用受阻。根系活性降低，复氧能力下降，根区好氧-厌氧环境遭到破坏[18]，使得植物体内及其根部微生物之间的物质交换、生命代谢活动受阻甚至停滞[19]，湿地去污效率相较于其他季节大幅降低。

2.3 低温对基质的影响

基质在人工湿地系统中具有过滤拦截、为植物和微生物提供生长介质等作用。低温环境下，基质中的微生物活性降低，颗粒物质不能有效降解，水的黏性增加，孔隙率减小，传递氧的速率降低，严重影响人工湿地运行效果[20]。

3 人工湿地在北方寒冷地区运行措施

3.1 冰雪覆盖

冰雪覆盖法是在湿地水面结冰前，将水位升高，使之在上层形成一定厚度的冰层，然后水位下降，从而在冰层和填料之间形成空气层，具有保温作用。也有学者在加拿大安大略省采用冰层覆盖的方法成功地进行湿地越冬工程[21]。但该方法需要对冰层进行定期检查，实际操作具有一定困难，且受温度等外界因素影响较大。

3.2 植物覆盖

植物覆盖即在寒冷冬季把湿地的植物收割覆盖在床体表面，从而起到保温的效果。植物覆盖法能在一定程度上提高冬季湿地处理效率，但也存在缺陷，植物易腐烂从而产生额外的污染物，极易造成二次污染，从而增加了废水处理难度，因此，必须在温度回升之前处理掉湿地表面覆盖物。

3.3 地膜覆盖

借鉴地膜覆盖法在农业生产活动中的应用，将其覆盖在人工湿地表层，进而在寒冷冬季起到保温效果。谭月臣等[22]研究表明，冬季采用薄膜法湿地保温，COD、NH4+-N、TN的去除率分别30%～45%、35%～60%和40%～60%，相比冰封和温棚法污染物去除率高出10%～20%。地膜覆盖法在冬季运行期成效显著，但铺设过程复杂，投资高，同时易造成白色污染，因此，天气回暖时应及时清除。

3.4 管道保温

我国北方冬季寒冷，温度可低至-30～-20 ℃，为避免管道冻裂，影响湿地正常运行，进出水管道需用保温材料进行包裹，并尽量采用暗沟或者埋地的形式。

3.5 温棚覆盖

温室大棚在农业上应用较为广泛，效果良好。入冬前先将湿地中的植物收割外移，在湿地上部建造大棚，在大棚上覆盖草席，晴天时掀起，晚上覆盖，保持棚内适宜的温度。李静等[23]对北京市杨镇一中人工湿地的研究表明，温棚法+蒲席覆盖系统对总氮的去除效果要好于冰层覆盖，更适合在北方使用。温棚法效果较好，但操作运行复杂。人工湿地通常面积大，所以温棚覆盖难度较大。不同保湿措施下的人工湿地运行效率见表2[8，24-27]。

3.6 人工湿地植物选植

湿地植物的选植应考虑植物的适应性和去污能力，兼顾经济价值和观赏价值，优先选用“多种、多层、高效、稳定”的本土植物品种，形成由“挺水植物-浮葉植物-沉水植物”及沼生植物组成的湿地植被景观。

根据生态湿地总体布置，湿地植物配置的基本原则包括：

①适应性原则。根据植物的生长特性，选择抗逆性强、适应能力强、去污能力好、生物量较大、生长周期长的植物种类。

②景观性原则。在设计人工湿地时，应考虑周边自然环境，优化群落配置，合理布局，从美观角度对植物进行选择和搭配，从而使其与周围景观自然融合。

③多样性原则。每种植物在生长过程中所需要的污染物质种类及数量不同，采用多种植物组合种植，可提高湿地系统的去污能力，同时增加系统的抗逆性。

④多用途原则。湿地植物成熟收割后可作为原材料用于再生产加工，在去除污染物质的同时产生经济价值，减少因植物收割后造成的二次污染问题，实现环保经济双赢。

3.7 人工湿地基质类型优选

基质的选择应根据具体的工程案例进行配置，通常选用孔隙率和比表面积较大的基质，可起到支撑作用，同时缓解湿地基质堵塞现象，使湿地保持良好的通气效果，为微生物生命活动的正常进行创设良好环境，从而对COD和氮保持较好的去除率。此外，多种基质组合使用，更好地营造好氧-厌氧环境，促使人工湿地高效稳定运行。

4 结论

人工湿地已取得较快发展，但仍存在较多问题，去污效果受季节影响较大。尤其在我国北方地区，冬季寒冷，运行难度较大。目前的保温措施仍存在不足，若想人工湿地在冬季稳定运行，需加强对保温隔离措施的研究。此外，在具体处理上，应对植物搭配、布水设计等多种手段加以强化，最大限度地提高污染物去除率。

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