人工湿地技术低温运行效果及对策.docx

    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Summary 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Key 人工湿地；寒冷地区；存在问题；运行措施X826 A 0517-6611（2018）17-0195-03Abstract 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Reference[1] 卢少勇，张彭义，余刚，等.云南昆明人工湿地冬季运行情况分析[J].中国给水排水，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.潜流式人工湿地的运行特性研究[J].中国给水排水，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] 秦晓丹，孙贻超，李莉，等.天津地区表流人工湿地冬季运行工艺研究[J].安徽农业科学，2013，41（15）：6841-6843.[7] 王勇，张宝莉，汤灿，等.寒冷地区多级垂直流人工湿地系统设计及氮磷去除效率[J].农业工程学报（自然科学版），2016，32（23）：218-225.[8] 李亚峰，刘佳，王晓东，等.垂直流人工湿地在寒冷地区的应用[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版），2006，22（2）：281-284.[9] 海热提，范立维，谢涛，等.两级潜流人工湿地在中国东北高寒地区的应用研究[J].环境科学，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。