低温环境人工湿地处理技术强化措施与应用

孙靖越，王亚娥，李 杰

(兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070)

1 引言

在当前废水处理技术要求低成本、低化学投入、低环境影响、高效率的背景下，人工湿地技术因其能够通过微生物、基质、植物和水的复杂生态相互作用从废水和径流水中去除有机物、营养物质、微量元素、病原体和其他污染物[1]，在实验室和现场的应用已经得到了良好的示范，有较高的污染物去除效率和生态效益[2]。然而，温度的变化是对湿地系统最主要的威胁，就总氮、总磷和化学需氧量的去除而言，在较低的温度下人工湿地处理性能往往会下降，主要是由于低温导致湿地系统出现结冰、水力缺陷、生物和非生物部件的故障等问题。已有大量研究[3～5]指出低温环境对湿地处理效果的影响，冬季湿地系统的平均脱氮效率比夏季低6%～11%，秋冬季节湿地系统有机物的去除率明显低于春夏两季。这些研究表明，硝化和反硝化作用受到温度的限制，温度与有机物去除和特定微生物活性明显相关[1]。因此，为了提高人工湿地在低温条件的处理效果，需要采取特定的强化措施。

2 人工湿地在低温环境中存在的问题

2.1 低温对湿地系统中生物的影响

2.1.1 植物

植物是湿地处理中不可或缺的组成部分，因为它们可以在自身生长的同时利用废水中的氮和磷等物质，参与碳物质循环并进行氧转移[6]。在湿地系统中，温度对植物的有效运行起着至关重要的作用，有研究发现[7]，大型水生植物的平均光合速率和蒸发速率与温度有关。低温抑制植物的新陈代谢，使植物根茎缺氧，进而影响湿地系统中微生物的生命活动[7,8]。一般来讲，植物生长的温度在4～36 ℃的范围内，基准温度为5～10 ℃[7]，当温度低于10 ℃时，水葫芦停止生长[9]，当温度低于5 ℃时，70%的芦苇叶和50%的香蒲叶变黄[10]。由于低温状态下植物逐渐衰老，故出现了湿地系统处理效果降低的现象。

2.1.2 微生物

微生物在降解有机物和脱氮除磷方面起着关键的作用，有助于营养物质和有机污染物质间的循环与转化。有机物的降解主要由微生物的硝化反硝化作用来完成，脱氮除磷主要由湿地系统中的脱氮菌和除磷菌发挥作用[11，12]。然而，温度变化显著影响微生物的生长和繁殖，微生物氨化作用和硝化作用尤其受到温度的影响[7]。由于脱氮细菌的生长和活性受到抑制，脱氮效率受到很大限制。湿地中的微生物进行生命活动的最佳温度范围为15～25 ℃，低于这个范围硝化和反硝化细菌的代谢和活性降低，从而影响反硝化过程，导致湿地系统运行速率下降。当温度降至6 ℃以下时，反硝化作用几乎完全停止[1]。在低温环境中，湿地微生物活性和代谢率降低的同时也严重阻碍了异养细菌分解有机污染物[13]，导致有机物降解效果明显下降。

2.2 低温对湿地系统非生物结构的影响

3 解决措施

3.1 内部改善和优化

3.1.1 植物配置优化

3.1.2 生物强化

生物强化是以添加生物的方式增强污染物质降解效果的过程。生物强化以如下三种方式为主：一是投加嗜冷菌。在低温环境下，在湿地系统中投加嗜冷菌能更好地适应温度波动，使湿地系统持续稳定运行[25]。有研究发现[1]，将低于4～7 ℃的温度下生长的嗜冷细菌[26]应用于中试规模的污水处理系统对氨氮的去除率为57.7%。二是投加负荷微生物菌剂。在湿地系统中投加复合微生物菌剂通过转化土壤微生物群落结构中氮相关细菌的内在物种同质性，原位形成新的微生物群落平衡[27]。有研究指出[28]，低温条件下向湿地投加耐盐细菌、光合细菌、低温除磷和脱氮细菌等复合微生物菌剂，表面流人工湿地的氨氮去除率为35.4%，总氮去除率为33.6%，总磷去除率为28%，化学需氧量去除率为30%。三是投加蚯蚓。蚯蚓存在于不同类型的水生栖息地以及下水道系统中，能在低温下生存，并且蚯蚓的蠕动可以刺激沉积物代谢和微生物群落[29,30]。有研究发现[31]投加蚯蚓后人工湿地对氮和磷的去除率分别比没有蚯蚓的人工湿地高2%～5%和12%。投加蚯蚓后湿地中微孔结构增多，提高了湿地的孔隙率和比表面积，可应用于低温下的化学需氧量去除和反硝化处理，具有节约劳动力和通过减少泵的能量补充进而节能的优点。

3.1.3 基质优化

人工湿地系统中基质选择的参考因素主要有机械强度、稳定性、比表面积、孔隙率和表面粗糙度等[15]。为了降低低温对湿地基质的不利影响，有学者进行了大量研究[32]，利用人工湿地植物多孔茎叶的微观特性制备芦竹生物炭，将其填充到基质中以增强对氮的吸附，结果表明总氮去除效率比无生物炭处理提高了50%。由于水生植物的多孔结构，这种具有高孔隙率和大表面积的植物生物炭为反硝化细菌提供了许多附着位点和生物可利用碳，有利于氮的转化。基于植物管理和资源回收的概念，生物炭的使用对于在低温下增强湿地性能是有效和必要的，循环利用废弃植物生物质资源，并且防止水体的二次污染。Zhao等[33]将铁基材料添加到垂直潜流人工湿地中，以增强离子交换和微生物反应，结果表明该处理在0～10 ℃环境下的低碳氮比废水中实现了65.62%的总氮去除效率。在除磷方面，除了使用常规砂过滤介质外，还添加了松枝、活性物质活性污泥、铁渣和石灰石，以增强磷与Ca2+和Fe3+阳离子之间的交换。

3.2 外部措施

3.2.1 湿地保温

湿地保温是通过自然或者人工隔热的方式，利用覆盖材料使低温下的湿地保持温度在稳定的范围，一定程度上防止湿地冻结[18]。覆盖材料一般为雪、稻草、透气膜(聚氯乙烯)、碳化芦苇和有机填料等，覆盖在湿地表面的材料可以减少废水蒸发、输送和流动造成的能量损失，保护湿地内部微生物免受外部低温的不利影响[34]。以碳化芦苇为例，添加到湿地中的碳化芦苇秸秆可以将湿地废水温度保持在11～13 ℃。为减少二次污染，用于湿地绝缘的覆盖物的特性应能充分分解，无任何二次有机负载，并具有中性的pH值、高纤维含量、平衡的营养成分、良好的隔热性和高保湿能力[35]。Wallace[19]在加拿大利用水面与冰层间的空气层在4～18 ℃的水面和冰面之间进行保温，虽然冰层覆盖不会像植物覆盖一样造成二次污染问题，但需要定期检查，并且在积雪有限的寒冷时期，冰雪覆盖并不足以隔离湿地。Kato等[36～38]利用废玻璃制成的轻质漂浮材料作漂浮盖，当湿地表面被部分堵塞时漂浮在被淹没的表面上，从而作为屏障截留大量有机物，只让水流穿孔进入旁通管道。漂浮盖起到绝缘材料的作用，防止系统出现零下条件，实现了化学需氧量减少70%～96%，总氮减少39%～90%，总磷降低70%～93%，氨氮降低36%～82%。湿地温室是捕集热量和保持所需湿地温度的改进方法，研究发现[39]即使大气温度降至-30 ℃，温室结构的存在使废水温度基本保持在8 ℃以上。当研究温度为2.3～5.3 ℃时，化学需氧量年平均去除率达85.01%、氨氮年平均去除率达70.98%以及总磷年平均去除率达36.48%，该方法适宜应用于寒冷地区，可以大大提高寒冷气候下污染物的去除效率。

3.2.2 人工曝气

3.3 工艺组合

在常见的湿地类型中，受地下隔热性能的影响，垂直流人工湿地在寒冷地区处理效果相对较好，更适合低温地区。但是，对于污染物质浓度较高的尾水，建议将人工湿地与其他污水处理技术组合使用。边喜龙[43]研究发现，黑龙江省年平均气温为2.3～5.3 ℃，农村生活污水处理采用“生物接触氧化+人工湿地”工艺，出水水质满足《农田灌溉水质标准》(GB 5084-2005)。除了去除一般污染物，对于特殊污染物质的去除可以采用藻类池塘、光催化氧化法和金属氧化还原法与人工湿地相结合的方式[44]。相比于单一湿地处理技术，其工艺组合可以改善湿地中污染物的综合处理。

4 思考与建议

(1)对湿地收割后的植物进行资源化利用。为节约资源和避免二次污染，可以考虑将湿地植物作为低温环境湿地的保温材料，也可以将收割的植物作为外加碳源以强化湿地系统的脱氮能力，还可以作为饲料或用于沼气发酵等。

(2)强化湿地基质作用。湿地基质是微生物附着的主要场所，是去除污染物质的关键湿地结构。湿地基质材料特性各不相同，未来可以重点研究湿地材料的特性使其在湿地系统中充分发挥作用，可以考虑将多种基质材料组合配置，以强化基质对污染物质的去除效果，减弱湿地基质受低温环境的影响。

(3)提高温室大棚经济效益。针对湿地的保温措施，可以考虑在构建温室大棚时，在大棚中种植经济作物，并将污水回用，解决了污水处理问题的同时对农村经济发展起到促进作用，具有巨大的潜在价值。

(4)外部措施与工艺组合配合使用。湿地在低温下运行时将湿地与其他处理工艺配合使用的同时，应当注意通过保温措施提高系统的稳定性，也应当考虑通过人工曝气提高湿地内部的复氧能力，使湿地处理技术在低温地区可以高效、稳定的运行。