寒冷地区人工湿地成套技术的工程实践

刘文杰 石玉敏

( 辽宁省环保集团有限责任公司，辽宁 沈阳110161)

人工湿地是生活污水处理厂尾水深度净化中最为典型和突出的生态处理方法( 廖子清,2017)，具有脱氮除磷率高、建设运营成本低、运行维护管理方便等特点，并具有污水深度净化、提升景观效果、提供野生生物栖息地等多重生态环境效益。近年来人工湿地发展迅速，在辽宁、吉林、山东等地区建设了百余项大型人工湿地，用于处理城市综合生活污水、中水、河湖污染水体和生态修复等( 孔向东, 2015)。我国地域辽阔，不同区域间气候条件和植被类型差异较大，人工湿地技术应用、工程建设与运行存在较大差异。北方地区特别是东北寒冷地区，以辽宁省为例，冬季极端气温可达-40℃，12 月至次年1 月平均气温为-16 ～-25℃，污水处理厂进水平均水温4 ～8℃，人工湿地系统进水平均水温为4 ～6℃，给人工湿地工程的建设和稳定运行带来极为严峻的挑战。本研究依托国家水体污染控制与治理科技重大专项，研发了北方寒冷地区高效人工湿地成套技术及配套设备并进行了工程实践，取得了良好的运行效果，为人工湿地技术在北方寒冷地区的建设、运行与产业化推广提供了重要参考。

1 工程概况

工程位于辽宁省铁岭市西丰县，辽河二级支流寇河西岸，采用 “均匀配水设备+ 复合水平流- 垂直流人工湿地组合+ 功能性强化生物产品+ 液位调节设备” 组合技术，流程如图1 所示。设计规模10 000 m3/d，变化系数Kh=1.2，设计水力停留时间4 d，设计进、出水水质如表1 所示。

表1 设计进出水水质 mg/L Table 1 List of designed inlet and outlet water quality rate mg/L

2 工程建设内容

人工湿地系统主要包括人工湿地均匀配水设备、水平流+垂直流人工湿地系统、人工湿地液位调节设备。

图1 工艺流程Fig.1 Process flow

2.1 人工湿地均匀配水设备

污水处理厂二沉池出水经管线输送至人工湿地前端的均匀布水系统，通过布水系统接入湿地单元。均匀布水系统采用渠堰式均匀布水技术设备，由进水槽、导流槽和布水槽3 部分构件组成，污水依次通过进水槽、导流槽和布水槽均质匀速流入湿地系统内。进水槽由进水槽体、进水口、法兰和进水槽体盖板组成，进水槽通过进水管与上级构筑物相连，将上级构筑物出水引入进水槽，进水槽标高设计保证上级构筑物液面有足够的水差自由流入进水槽。导流槽通过法兰与布水槽相连接，保证水流稳定流动。导流槽内部结构及宽、高与进水槽相同，长度不同。布水槽由布水槽体、溢流堰板、法兰和槽体盖板组成，保证进水均质均速流入湿地系统。

2.2 水平流+ 垂直流人工湿地系统

将基底土平整碾压处理后，铺设900 g/m2HDPE膜，填料深度1.2 m。填料层自下而上依次为粗砂层10 cm、砾石层85 cm（砾石直径20 ～30 mm）、豆石层5 cm( 豆石直径5 ～8 mm)、草炭土2 cm、种植土18 cm。湿地植物选取芦苇、鸢尾、菖蒲和香蒲，按1:1:1:1 比例种植，种植密度为25 株/m2。

2.3 人工湿地液位调节系统

为保证湿地的处理效率，根据季节变化有效控制湿地系统的水位，在湿地系统末端设置液位调节系统，以实现对湿地内液位高度的精准调节。经过人工湿地处理的出水由集水管收集至集水井的内腔，螺旋调节器可调节湿地水位，调节后出水经溢流口排入受纳水体。湿地内的水位受水位调节管高度的影响，可通过更换不同长度的调节管达到调节湿地水位的目的。

3 运行效果分析

3.1 低温对人工湿地系统的影响分析

温度对人工湿地系统的影响主要体现在湿地植物和微生物等方面。湿地系统对污染物的净化作用主要体现在植物通过光合作用、呼吸作用等吸收污水中的有机物、氮、磷等营养物质，同时通过根系的呼吸作用为湿地系统微生物提供好氧环境，形成互利共生的污染物净化体系。低温环境下湿地系统中的植物进入休眠状态、枯萎或者死亡，根系呼吸作用减弱，系统内部含氧量降低，同时低温环境下微生物活性降低，系统硝化与反硝化反应速率降低甚至几乎停止。硝化细菌的适应温度是20 ～30℃，温度低于15℃时反应急速下降，5℃时反应几乎停止( 高廷耀等, 2004)。相关研究表明，湿地中85% 的氮通过反硝化作用实现，反硝化作用是湿地脱氮的最有效途径(Lin et al, 2002)，当温度过低时，反硝化速度下降，氮的净化效果下降。

3.2 冬季低温运行的保温措施

北方寒冷地区冬季多采用湿地植物覆盖、地膜覆盖和冰雪混合覆盖等保温措施。冬季植物覆盖的方式是将枯萎的芦苇、菖蒲、香蒲等湿地植物收割后就地覆盖于湿地表面，是一种经济实用的废弃物综合利用的保温措施，具有一定的保温效果。但植物腐烂会释放一定量的有机物、氮、磷等污染物，增加湿地系统有机物及氮磷等污染物浓度，影响湿地系统的净化效果及出水水质。地膜覆盖主要是通过塑料薄膜覆盖的方式对湿地系统进行保温，塑料薄膜不易降解，且费用较高，易产生白色污染，塑料薄膜损坏后进入湿地系统可能造成湿地系统的内部堵塞。冰雪覆盖的方式主要是通过湿地系统表层的自然结冰和自然降雪形成覆盖层，该方式对湿地系统的保温效果差，湿地系统的热量损失较大，净化效果低。

图2 COD 进出水浓度及去除率变化 Fig.2 Variation of in and out water concentration and removal rate of COD

图3 NH3-N 进出水浓度及去除率变化Fig.3 Variation of in and out water concentration and removal rate of NH3-N

图 4 TN 进出水浓度及去除率变化 Fig.4 Variation of in and out water concentration and removal rate of TN

图 5 TP 进出水浓度及去除率变化 Fig.5 Variation of in and out water concentration and removal rate of TP

利用 “功能性生物强化产品+ 液位调节设备+15 cm 冰层、15 cm 空气” 的组合方式对人工湿地系统进行冬季保温，保证净化效果不降低。当气温达到或接近冰点温度时，向湿地系统投加自主研发的功能性生物强化产品，如按10:0.5:0.5 体积比投加低温有机物降解菌、低温脱氮细菌、低温除磷细菌以及按1:1 浓度比投加低温硝化菌群、低温反硝化细菌，确保低温环境湿地系统微生物量的恒定。液位调节设备采用防堵均匀集水和水位无极调节技术，湿地系统的出水经过集水系统收集至集水设备。根据连通器原理，集水设备内液位高度与湿地系统内液位高度一致，通过调节无极螺旋调节器精准提高湿地系统的液位高度，保证湿地系统液位高度为1.2 m。当湿地表面结冰厚度约15 cm 时，降低湿地液位高度为0.9 m，使湿地表面形成 “15 cm 冰层+15 cm 空气层” 的保护层，减少湿地的热量损失，同时保证湿地的净化效果。

3.3 冬季运行效果分析

本研究对西丰人工湿地处理工程进行了为期5个月冬季净化效果的连续监测，出水COD 平均值为35.47 mg/L，去除率为31.58%，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002) Ⅰ级A 标准要求( 图2)。出水氨氮平均值为7.67 mg/L，去除率为59.8%；总氮平均值为18.32 mg/L，去除率为25.02%； 总磷平均值为0.85 mg/L， 去除率为26.19%，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002) Ⅰ级B 标准要求( 图3 ～图5)。

4 结论

本研究开发的 “均匀配水设备+ 复合水平流-垂直流人工湿地组合+ 功能性强化生物产品+ 液位调节设备” 寒冷地区人工湿地成套处理技术及设备可在工程实践中稳定运行。冬季低温环境下较常规湿地工艺有机物、氮、磷等污染物去除率提升10%左右，削减COD 529.25 t/a，NH3-N 56.58 t/a，大大改善了支流河的河流水质和西丰县居民的生活环境，促进了社会经济的持续发展，为人工湿地技术在寒冷地区的工程建设、运行维护与产业化推广提供了重要参考。