北方地区人工湿地污水处理实用技术研究

孔向东

(中铁工程设计咨询集团有限公司环境工程设计研究院，北京 100055)

北方地区人工湿地污水处理实用技术研究

孔向东

(中铁工程设计咨询集团有限公司环境工程设计研究院，北京 100055)

针对北方地区人工湿地冬季低温下处理效率低的问题，通过文献资料及北方地区人工湿地工程现场调研，分析研究低温对人工湿地系统中植物、基质和微生物等去污影响，总结人工湿地低温下运行的有效技术措施以及相关技术参数。

北方地区；人工湿地；污水处理；实用技术

1 概述

人工湿地处理系统相对于传统的普通活性污泥法、氧化沟法、间歇式活性污泥法、吸附-生物降解法等具有去氮除磷率高、建设与运营成本低、无能耗、管理维护简便、低CO2排放等优势，并具有污水资源化利用、高景观价值、为野生生物提供栖息地等多重生态效益，在近年来发展迅速，受到世界各国高度重视，应用范围不断扩大，在美国、英国、德国、法国、澳大利亚、巴西、荷兰等国家都有广泛应用，用于处理城市污水、家畜与家禽粪水、农业面源污染、工业废水、暴雨径流等处理。20世纪90年代起，人工湿地在我国的应用也日趋成熟，北京、深圳、四川、上海、海南、广东、山东、浙江、重庆、辽宁、山西、吉林等地已先后建立了上百项大型人工湿地，应用于城镇、城市综合生活污水、中水、河湖污染水体的处理、深度净化和修复等。但是由于我国幅员辽阔，北方和南方的气候、植被等差异很大，南方的湿地运行经验与技术在北方应用存在不适应性。通过文献资料及北方地区人工湿地工程现场调研，总结人工湿地技术在我国北方地区污水处理工程应用的技术和管理经验，提出了更具实际操作性的人工湿地低温下运行的有效技术措施以及相关技术参数，仅供从事人工湿地工程设计、施工管理等技术人员参考。

2 人工湿地的净化机理及工艺流程确定

2.1 人工湿地的净化机理

人工湿地(Constructed wetlands)是由人工模拟自然湿地建造和控制的，由基质(土壤或填料)-植物-微生物形成的生态系统，利用生态系统中的物理、化学、生物等的直接和协同作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物降解来实现对污水的高效净化处理的一种新型的污水处理技术[1]。人工湿地对有机物的去除作用是物理的截流沉淀和生物的吸收降解协同作用的结果；对氮的去除作用主要通过基质的吸附、过滤、沉淀和氨的挥发，植物的吸收和微生物的硝化、反硝化作用，其中硝化、反硝化作用是人工湿地脱氮的主要机理；对磷的去除主要依靠填料和沉积物的吸附、植物和微生物的吸附及气态磷的挥发等，其中填料和沉积物的吸附是人工湿地除磷的主要机理。

2.2 人工湿地工艺流程确定

按照工程接纳的污水类型，人工湿地系统工艺流程主要包括预处理、人工湿地、后处理3个部分[1]。其中，预处理的程度和方式要根据污水水质、人工湿地类型及要求的出水水质等确定，预处理工艺主要包括一级处理、一级强化处理及二级处理。我国人工湿地一级处理工艺主要有格栅、调节沉砂、初沉等，一级强化处理工艺主要有物化强化法、浮动生物床、AB法前段、水解酸化等，二级处理工艺主要有SBR、氧化沟、A/O、生物接触氧化法等。人工湿地单元包括集配水装置、基质、防渗层、水生生物及通气装置等。后处理是指置于人工湿地单元之后使出水达标排放或满足相关回用要求的处理工艺，如活性炭吸附、混凝沉淀、过滤、消毒、稳定塘等。

3 人工湿地类型选择

人工湿地系统根据其系统布水方式和水体流动方式不同，一般可分为表面流人工湿地、水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地，以及各种类型的组合型人工湿地。湿地的连接方式通常有单一式、串联式、并联式及综合式。表面流人工湿地与自然湿地类似，污水在基质层表面以上通过从而得到净化，具有投资低、操作简单、建设运行费用低等优点，缺点是净化能力较低，占地面积大，难以在低温下运行，不适合于北方地区使用。潜流式人工湿地污水在基质层表面以下，从池体进水端水平流向出水端或垂直通过池体中的基质层，由于冬天人工湿地床体热量主要由地面和进水补给，目前多采用在其表面覆盖填料，减少因污水蒸发和流动造成的能量损失，保证冬季人工湿地床体的热平衡，提高处理效率，所以目前我国北方地区人工湿地多采用潜流人工湿地。

4 人工湿地低温运行存在的问题

4.1 低温对微生物的影响

人工湿地中微生物的代谢情况与温度有关，温度降低使微生物活性也降低。北方冬季湿地系统温度和氧含量低造成微生物活性降低，使微生物对有机物的分解能力下降，而且低温时硝化作用受到影响，硝化细菌的适应温度是20～30 ℃，温度过低，低于15 ℃，反应急速下降，5 ℃几乎停止[2]。反硝化细菌的适宜温度在5～40 ℃，但低于15 ℃，反应速度也下降。研究表明，湿地中85%的氮是通过反硝化作用实现的，反硝化作用是湿地脱氮的最有效途径[3]，温度过低同样使反硝化作用停止，使污水中氮的去除率降低。

4.2 低温对植物的影响

植物对人工湿地的去污机理主要是通过植物根茎吸收及其通气组织传输的氧气来为湿地微生物提供好氧环境。北方地区冬季气温低，大部分植物进入休眠状态、枯萎或死亡，造成人工湿地整体的净水效果大幅下降，枯萎植物的残体进入污水会分解出含氮和磷的物质，使湿地负荷增加。

4.3 低温对基质的影响

人工湿地的基质，应考虑其机械强度、稳定性、比表面积、孔隙率及表面粗糙度等因素确定[1]。北方冬季低温气候使微生物代谢缓慢，从而使有机物在湿地基质中沉积，造成湿地堵塞，同时也阻碍了氧在湿地中的传递，减低湿地的水力传导性，使湿地运行效率降低。

5 人工湿地低温运行的技术措施

5.1 隔离措施5.1.1 植物保温隔离措施

人工湿地植物保温通常将收割的湿地表面枯萎的植物均匀覆盖于湿地之上。20世纪80年代，美国华莱士[4]等研究表明，覆盖材料应具有以下特性：能完全分解而不影响系统正常运行；pH值为中性；结构蓬松，纤维含量高，隔热性好；易使种子在覆盖物上生长；有较好的湿气涵养能力。我国北方人工湿地植物保温 多采用湿地表层植物作为越冬的主要覆盖物。如沈阳浑南人工湿地选择炭化后的芦苇屑作为保温措施，根据沈阳浑南人工湿地冬季运行监测结果，采用植物保温后，人工湿地床体浅层和中层温度波动幅度不大，温度在7～12 ℃；床体深层较稳定，一般保持在11～13 ℃。沈阳满堂河人工湿地利用人工湿地在冬季枯败的湿地芦苇等植物作为覆盖保温材料，既经济又使废物再利用，同时获得了良好的保温效果，污水处理率较夏季仅降低10%～15%，可见植物覆盖法可有效提高人工湿地冬季的处理效果。

5.1.2 冰雪覆盖组合保温隔离措施

20世纪，美国华莱士[4]成功完成了加拿大拉森海洋别墅人工湿地越冬工程，当地冬季气温为-4～-18 ℃，采用15 cm覆盖物隔离，并在覆盖物下设1个5 cm的空气缝隙，系统的热损失估算为0.56 MJ/m2·d。用5 cm的冰层和5 cm的空气层代替覆盖物对湿地系统进行隔离，则系统的热损失为1.22 MJ/m2·d，几乎是前者的4倍，在寒冷的冬季，如果不能将热损失减少到能维持的程度，湿地系统将会冻结，必须用覆盖物对人工湿地进行保温隔离。

中国农业大学刘学燕[5]于北京官厅水库岸边人工湿地冬季保温措施研究中，采用两种对比试验，即5 cm空气+10 cm冰层保护和5 cm缝隙+15 cm秸秆隔离保护，结果表明，两种方式都能保证人工湿地持续正常运行，效果良好，但冰层覆盖的保温效果不如地膜法，COD去除率较无覆盖物的湿地单元仅提高7.9%～23.8%，冰雪覆盖组合保温隔离措施对微污染的地表水体仍然具有较好的去除净化效果。由此可见，将污水用覆盖物隔离，会使因水分蒸发和流动所造成的热损失减到最小，可提高污水处理能力。

5.1.3 地膜保温隔离措施

目前我国北方人工湿地采用农村构筑普通大棚所用的塑料薄膜对湿地进行保温，可在植物表面覆盖地膜或修建阳光棚。湿地冬季运行覆盖地膜能使微生物活性得到提高，提高污染物的去除率，对NH3-N和TN的去除效果均有一定改善。但地膜覆盖运行费用较高，其易破裂，产生白色污染，应对废弃地膜进行妥善处理。山东省淄博市孝妇河人工湿地及沈阳满堂河人工湿地冬季采取地膜覆盖的保温措施，牡丹江海林农场人工湿地修建阳光温室大棚，均达到较为理想的处理效果，而且采用保温措施的湿地比无保温措施的湿地冻土层深度大为减少。

5.2 人工湿地植物优选

人工湿地植物的选择是影响冬季运行的因素之一，我国北方地区人工湿地可选择的植物种类与南方相比较少。北方人工湿地植物选择时，应根据当地气候条件，选择植物繁殖性能强、氧气传输能力好、耐寒性植物。

山东省泉河河道走廊、洸府河入湖口人工湿地、金乡县老万福河人工湿地以及东平县稻屯洼人工湿地等8处人工湿地均依据当地本土湿地植物的种类进行选择，主要选择香蒲、芦苇、睡莲、野菱黑藻、金鱼藻、苦草等；沈阳满堂河湿地选用芦苇及茭白作为湿地植物[6]，均取得了较为满意的处理效果。目前北方地区人工湿地主要选择芦苇、茭白、薄荷、菖蒲、水芹、香蒲等植物，这些植物对COD、TN、TP的去除效果明显好于其他植物，芦苇根系发达且深，薄荷地下茎扩展宽，越冬后生长旺盛，且具有一定的经济和景观效应。

5.3 人工湿地基质类型优选

根据对北方地区一些人工湿地调查情况，人工湿地基质选择各有不同，一般砂子、煤灰渣、青石子、高炉渣、砾石和钢渣等基质填料对氨氮的去除率较高，砂子、煤灰渣、青石子、砾石、钢渣、高炉渣等基质填料对有机物的去除率较高，钢渣、煤灰渣、砂子、高炉渣、青石子、砾石等基质填料对总P的去除率较高，综合考虑砂子、煤灰渣在处理有机物、氨氮、总P上有较好的效果[7]。北京杨镇一中人工湿地、沈阳浑南人工湿地、河北承德市某农村人工湿地等均采用简单的土壤、碎石、粗细砂等基质。北方地区部分人工湿地工程基质构成见表1。

5.4 工艺强化措施

5.4.1 预处理

通过增强人工湿地预处理，可提高冬季人工湿地低温处理效果，提高出水水质。北方地区部分人工湿地工程预处理设施见表2。

表1 人工湿地基质构成

表2 人工湿地预处理设施

5.4.2 人工曝气

人工湿地中氧气的浓度和各类污染物的去除有着密切关系，是污染物去除的关键性限制因素[7]。冬季寒冷的气温造成种植在湿地上的植物衰败，使湿地中的溶解氧较夏季大幅度下降，微生物代谢减缓甚至停止，污水去除率较夏季大幅地降低。目前我国人工湿地采用人工添加氧来改善这种状态，在湿地床体的前部、中部和后部设置曝气管道，提升湿地中溶解氧浓度，且对湿地前部和后部采用曝气效果优于中部曝气。

华莱士[4]在琼斯县爱荷华州人工湿地工程中，用覆盖物对水平潜流式人工湿地进行隔离和滤床强制通风，根据进水污染物浓度(BOD为200 mg/L，氨为500 mg/L)，将基本水力负荷定在4 mm/d，尽管系统在非常低的温度运行，BOD的去除率超过93%，氨的去除率超过90%。由此可见，人工曝气措施可明显改善冬季污水处理效果。

5.4.3 延长水力停留时间

湿地微生物与污水要有作用时间才能有较好的净化处理效果，水力停留时间过短时，水力负荷较大，污染物未经处理降解即被排走，致使出水各污染物去除效率较低[6]。冬季湿地氧浓度低下及微生物活性降低，为保证湿地处理效果，可适当延长水力停留时间。沈阳环境科学研究院在实际设计工作中，为了不影响污水的处理效率，潜流人工湿地一般设为1～3 d。

6 结语

目前我国北方寒冷地区工程规模的人工湿地构建较少，高效安全地运行经验积累尚且不足，通过对目前已运行的北方人工湿地工程调研及相关文献，分析人工湿地冬季运行影响因素，提出人工湿地冬季运行可采用增强人工湿地预处理、人工曝气、延长水力停留时间等工艺强化措施，并采用植物覆盖、地膜覆盖等保温措施，才能保证人工湿地冬季有效稳定运行，对未来人工湿地低温运行提出了研究方向和建议，以期对北方人工湿地的工程设计、施工管理及后续研究有所助益。

[1] HJ2005—2010人工湿地污水处理工程技术规范[S].

[2] 高廷耀，顾国伟.水污染控制工程[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3] Lin Y F， Jing S R， Wang T W， et al. Effeets of Maerophytes and External Carbon Sources on Nitrate Removal from Groundwater in Wetland[J]. Environment Pollut， 2002，119(3):413-420.

[4] S.华莱士，G.帕金，C.考思.寒冷地区污水处理的人工湿地设计与运行[Z].中国环保产业CEPI，2003，6.

[5] 刘学燕，代明利，刘培斌.人工湿地在我国北方地区应用的研究[J].农业环境科学学报，2004，23(6):1077-1081．

[6] 陈晓东，常文越，王磊，等.北方人工湿地污水处理技术应用研究与示范工程[J].环境保护科学，2007，33(2):25-28

[7] 李怀正，叶建锋，徐祖信.几种经济型人工湿地基质的储物效能分析[J].中国给水排水，2007，19.

Study on Practical Technologies in Artificial Wetland Wastewater Treatment in Northern Part of China

KONG Xiang-dong

(Environmental Engineering Design and Research Institute， China Railway Engineering Consulting Group Co.， Ltd.， Beijing 100055， China)

Aiming at the problem of low treatment efficiency of artificial wetland at low temperature in Winter in northern part of China， and with reference to the research literature and artificial wetland project site investigation， this paper analyzes the effect of low temperature on plants， matrix and microbial decontamination in artificial wetland， and derives effective technical measures and related technical parameters from the practices in artificial wetland at low temperature．

Northern part of China; Artificial wetland; Wastewater treatment; Practical technology

2014-04-22；

2015-05-07

孔向东(1965—)，女，高级工程师，1987年毕业于兰州铁道学院环境工程系给排水专业，工学学士，E-mail：kxd1112@126.com。

1004-2954(2015)07-0169-04

X703

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.07.038