低温环境对人工湿地污水处理的影响与强化措施

景 茜，国 洁，罗 晓，龚嘉星

（1.河北科技大学 环境科学与工程学院，河北 石家庄 050018;2.河北科技大学 环境科学与工程学院，河北省污染防治生物技术实验室，河北 石家庄 050018）

0 引言

人工湿地是一种模仿自然湿地建造的污水处理系统，利用湿地植物、微生物、基质之间的协同作用来净化水质。

与传统的水处理工艺相比，人工湿地具有管理维护简单、投资少、出水水质好、低能耗和高成效等优点。

然而，人工湿地在运行时受到多种因素的影响，如：湿地的类型、运行方式、水力负荷、气温变化、湿地植物生长情况等，其中温度变化对其影响最为显著，在低温下，微生物活性降低，湿地植物会休眠、枯萎甚至死亡，导致污水净化效果大幅降低，特别是对氨氮的去除影响较大。

1 人工湿地冬季与春夏对N 和P 的去除效果

人工湿地冬季与春夏对N 和P 的去除效果比 较见表1。

表1 人工湿地冬季与春夏对N、P 的去除效果比较Table 1 Comparison of removal effect of N and P in constructed wetland in winter and spring

由表1 可得，冬季低温条件下，人工湿地对NH4+N、TN、TP、COD 的去除率分别比春夏常温下低19.7%～83.3%、20.89%～85.5%、7.8%～60.2%、29.9%～59.2%。低温限制了人工湿地在寒冷地区的广泛应用与推广。为实现人工湿地全年稳定高效的运行目标，在分析低温环境对人工湿地系统运行效果影响的基础上，总结了常用的解决方法，以期为人工湿地在北方寒冷地区的应用和推广提供参考。

2 低温对人工湿地处理效果的影响

人工湿地净化污水主要靠植物、微生物和基质三要素共同作用。在寒冷条件下，人工湿地处理效果较差，主要原因是低温影响三要素的净化功能从而影响人工湿地处理效果，了解低温对三要素的影响是研究人工湿地系统在寒冷地区运行和强化的难点和重点问题。

2.1 对植物的影响

植物是人工湿地必不可少的组成部分，对湿地净化有重要意义。植物通过吸收氮磷和为湿地微生物提供好氧环境和反应场所来实现净化。在北方地区的冬季，由于低温使植物进入休眠状态，植物的新陈代谢速率减慢，复氧能力降低，进而降低了植物对污染物的吸收和去除能力；同时，植物腐烂后进入湿地会增加污染物处理负荷，形成二次污染；因为低温的影响，植物在净化污水方面的能力会显著降低。权威的成果提出，低温主要通过改变植物的细胞膜结构、酶活性以及抗氧化能力等方面来影响植物的正常生长和去污能力。

2.2 对微生物的影响

在人工湿地污水处理中，微生物在降解有机污染物和氮方面做出了巨大的贡献。具体来说，微生物脱氮主要依靠微生物的硝化作用和反硝化作用来实现，有机物则主要通过微生物的好氧代谢来降解除去。然而，在冬季低温和缺乏溶解氧的条件下，微生物的生命活动受到了严重抑制。研究表明，大多数微生物的正常生长温度为20～35 ℃，硝化反应适宜温度为20～30 ℃，温度＜15 ℃反应速度急剧下降，5 ℃基本停止；反硝化反应适宜温度为20～40 ℃，但温度＜15 ℃时，反硝化反应将受到明显抑制，5 ℃基本停止。当水温＜5 ℃时，对有机物去除、硝化、反硝化作用均具有严重的抑制作用，北方冬季平均气温为-5～5 ℃，东北地区冬季的气温可达到-20 ℃，显然不利于冬季湿地微生物的生理代谢，从而影响净化能力。

2.3 对基质的影响

在湿地中，基质扮演着重要的角色。它能够通过拦截、吸附和沉淀等方式来去除污染物，并为植物和微生物提供生长和附着的空间，基质可以说是湿地中大多数反应发生的重要场所。沈宝进的成果提出，湿地基质对污水中总磷的去除率可达90%以上，基质内部的铁、钙、铝、镁等离子与水中的磷酸根离子发生络合反应并生成沉淀是湿地除磷的主要机理。

然而，低温极大的影响了基质除磷，其实质是温度降低会使基质表面的液膜阻力增大，不利于磷进入内部被基质吸附固定，从而影响其除磷效果。低温还会降低污水粘性和微生物降解污染物的速率，导致基质堵塞，从而使基质无法正常发挥净化作用。

3 人工湿地低温运行的强化措施

由前人的研究成果可知，低温对人工湿地有极大地不利影响，严重影响了湿地的处理效果，采取抗低温措施是保证系统正常运行的有效措施。从湿地内部和外部2 方面增强人工湿地的抗逆性，有利于维持人工湿地的高效稳定运行。

3.1 内部要素优化

3.1.1 植物配置

湿地植物的选择对湿地污水净化效果至关重要。在北方冬季，应选择适应能力强、耐寒耐冻、去污能力强、根系丰富、氧气传输效率高、抗逆性强的湿地植物。常见的湿地植物包括芦苇、鸢尾、香蒲、菖蒲和水葫芦等。REDDYKR 的成果提出，多种植物配置比单一植物对水体净化效果更好。Fan 等在冬季通过在湿地进行金缕梅和芦苇的种植搭配在对COD、TP 和TN 的去除贡献率上比单一植物种植分别提高了10.1%、17.6%和5.2%。

3.1.2 微生物强化

微生物强化主要从培养耐冷菌、构建低温微生物复合菌剂、微生物固定化技术三方面来实现。在污水处理中大多数都是常温菌，低温使微生物新陈代谢变慢，从而导致去污能力降低，若微生物是耐寒的，则不会影响微生物的生长，也不会影响污水净化效果。赵昕悦提出，添加复合微生物菌剂可以提高人工湿地在低温环境下的处理效率。投加量为0.5%的复合菌剂在水力停留时间为24h 时的低温条件下可使人工湿地出水COD 达到一级B 标准，氨氮和总氮达到一级A 标准。

微生物固定化技术将功能微生物固定在载体上，减少外部环境对微生物的负面影响，提高了微生物的代谢活性，使菌株可以连续重复利用。吕晓冰提出，固定化微生物对低温河水中总氮的去除效果比对照组有较大提升，去除率由4.6%～12.2%提升至26.2%～37.9%。

3.1.3 基质选择

基质选择对于不同类型的污水很重要。人工湿地的基质选择主要根据比表面积、孔隙率、稳定性、机械强度等因素。具有较大比表面积和孔隙率的基质可以提供支撑作用，并有效解决基质堵塞问题；沸石和火山岩等基质在脱氮方面效果良好，无烟煤和陶粒则具有较强的磷吸附能力。万晓东通过构建含铁基质人工湿地优化系统发现，添加铁矿石的湿地可以显著提高总氮和总磷的去除效果，而未添加铁矿石的湿地效果较低。

3.2 外部运行环境强化

3.2.1 覆盖保温

寒冷地区的人工湿地可以通过增加覆盖物来提高内部温度，确保系统的稳定运行。常用的覆盖方法包括冰层覆盖、植物覆盖和地膜覆盖。冰层覆盖通过调节水位，在冰层和填料之间形成空气层来保温，需要定期检查。植物覆盖是将湿地植物收割覆盖在表层，保温效果不错，但需要在天气回暖之前处理掉覆盖植物以防止二次污染。地膜覆盖是将薄膜覆盖在湿地表层，该方法铺设复杂、成本高，易造成白色污染。为保障人工湿地在我国北方地区冬季低温环境下正常运行，许多学者对人工湿地的保温措施进行了研究。

不同保温措施下的人工湿地运行效率见表2。

表2 不同保温措施下的人工湿地运行效率Table 2 Application efficiency of constructed wetlands under various insulation measures

3.2.2 增加水中溶解氧

在低温环境下，湿地系统供氧不足，无法完成有机物分解和硝化反应，为增加湿地内的溶解氧量，可通过改变湿地运行方式来改善，例如采取潮汐流运行、间歇曝气、跌水复氧及出水回流等；为提高人工湿地系统的复氧能力，蒲帅等在垂直流人工湿地不同位置投加释氧材料，以此探究曝气位置对垂直流人工湿地脱氮的影响。结果表明，在湿地下层曝气，TN 去除率最高；在湿地上层曝气，NH4+-N 去除率最高。

4 结论

低温限制了人工湿地长期高效的稳定运行，通过植物、微生物、基质强化、覆盖保温、增加溶解氧等措施，可有效增强寒冷地区人工湿地的污水净化能力。未来可加强对以下方面的研究：

（1）微生物和植物的状态与人工湿地的处理效果直接相关，如何维持微生物的活性和植物的正常生长发育是解决低温人工湿地净化效果差的根本问题，培养耐低温的微生物和植物是未来需要研究的方向。

（2）现有研究中，多围绕于人工湿地三要素，忽视了水体动物对人工湿地净化效果的影响，深入研究水体动物和生态环境的相互作用机理很大可能会促进人工湿地的进一步发展。

（3）对人工湿地的研究大多体现在对宏观实际问题的解决，缺乏系统性的理论指导，未来应在深入水体净化机理的基础上，分析宏观和微观之间的联系，加强人工湿地生态系统和微生物群落的演替规律，了解水体和植物根系的微生物群落、植物生理指标、水体净化三者之间存在的相关性。