人工濕地技術(shù)低溫運(yùn)行效果及對(duì)策

李亞 孔令為 張義 梅榮武 王曉敏 張宇 譚映宇 王睿 許青蘭 王震

摘要 人工濕地去污效果受溫度影響較大，從而限制了在寒冷地區(qū)的推廣和使用。分析了北方寒冷地區(qū)人工濕地成功案例，探討了低溫下濕地運(yùn)行中存在的問題及解決措施，為人工濕地在北方寒冷地區(qū)的推廣和使用提供了參考。

關(guān)鍵詞 人工濕地；寒冷地區(qū)；存在問題；運(yùn)行措施

中圖分類號(hào) X826 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2018）17-0195-03

Abstract 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擬天然濕地系統(tǒng)，以期在植物、基質(zhì)、微生物的聯(lián)合作用下去除水中污染物的技術(shù)。因其具有投資少、運(yùn)行效率高、管理維護(hù)簡單等特點(diǎn)[1]，自20世紀(jì)70年代以來迅速發(fā)展。我國北方地區(qū)四季分明，冬季氣溫可達(dá)0 ℃以下，濕地植物及微生物進(jìn)入休眠狀態(tài)甚至死亡，去污效率降低，因此，在我國北方寒冷地區(qū)推廣及使用人工濕地受到極大的限制。Tuncsiper[2]研究表明，冬季水平流和垂直流濕地總氮的去除效率與夏季相比均有下降，分別降低6%和11%；王世和等[3]研究表明，人工濕地在冬季對(duì)總磷的去除率較夏季低約15%。然而，通過數(shù)十年對(duì)北美和歐洲人工濕地研究表明，濕地處理污水在冬季仍可推廣使用[4]。筆者列舉了北方寒冷地區(qū)人工濕地成功案例并對(duì)其運(yùn)行效果進(jìn)行分析，探討了人工濕地在低溫運(yùn)行中存在的問題以及常用的解決手段，以期為人工濕地在寒冷地區(qū)的應(yīng)用和推廣提供參考。

1 寒冷地區(qū)工程設(shè)計(jì)案例及運(yùn)行效果分析

為避免低溫對(duì)人工濕地運(yùn)行效果的影響，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的工作，表1為國內(nèi)外部分寒冷地區(qū)人工濕地工程應(yīng)用的案例。寒冷地區(qū)通常采用潛流式人工濕地，在其表層覆蓋填料，可緩解因冬季水蒸發(fā)蒸騰和流動(dòng)造成的能量損失，有助于維持和提高濕地內(nèi)的溫度[5]。但在寒冷地區(qū)也有采用表流濕地系統(tǒng)，秦曉丹等[6]研究了天津地區(qū)表面流人工濕地冬季運(yùn)行情況，結(jié)果表明，在冬季提高濕地水深，以期在水面上層形成一定的冰層厚度，維持水溫的運(yùn)行方式，雖然各污染指標(biāo)去除率在冬季時(shí)相較于其他季節(jié)偏低，但表面流人工濕地在我國北方冬季仍可使用推廣。

2 人工濕地在低溫運(yùn)行中存在的問題

2.1 低溫對(duì)微生物的影響

人工濕地中的有機(jī)物質(zhì)及氮主要依靠微生物的生命代謝活動(dòng)去除，低溫環(huán)境使?jié)竦刂械奈⑸锘钚越档蜕踔了劳觯瑢?duì)污水的凈化作用降低。硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌活性受溫度影響較大，據(jù)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。反硝化細(xì)菌在15 ℃以下反應(yīng)速率迅速下降。冬季運(yùn)行過程中，硝化及反硝化反應(yīng)過程受阻，同時(shí)由于冬季大量植物死亡，造成濕地系統(tǒng)氧氣量不足等，從而造成NH4+-N的去除率降低[3]。寒冷季節(jié)微生物活性降低，可能主要通過吸附作用去除NH4+-N[16]。崔玉波等[17]研究了氣溫為-16～0 ℃時(shí)（一級(jí)濕地進(jìn)水溫度6.0～11.5 ℃）兩級(jí)人工濕地系統(tǒng)的運(yùn)行效果，發(fā)現(xiàn)低溫對(duì)COD去除會(huì)產(chǎn)生一定影響，但不影響總磷的去除率，同時(shí)，當(dāng)水溫<5 ℃時(shí)，對(duì)硝化、反硝化作用具有一定的抑制作用。

2.2 低溫對(duì)濕地植物的影響

植物是人工濕地的重要組成部分，可以通過過濾、攔截、吸收等作用去除水中污染物質(zhì)。植物根區(qū)為微生物提供良好的生存環(huán)境，提高基質(zhì)的過濾效率。此外，收割后的植物還能在冬季結(jié)冰時(shí)支撐冰面，起到保溫的作用。北方冬季氣溫較低，濕地植物進(jìn)入休眠期甚至死亡狀態(tài)，植物的同化作用受阻。根系活性降低，復(fù)氧能力下降，根區(qū)好氧-厭氧環(huán)境遭到破壞[18]，使得植物體內(nèi)及其根部微生物之間的物質(zhì)交換、生命代謝活動(dòng)受阻甚至停滯[19]，濕地去污效率相較于其他季節(jié)大幅降低。

2.3 低溫對(duì)基質(zhì)的影響

基質(zhì)在人工濕地系統(tǒng)中具有過濾攔截、為植物和微生物提供生長介質(zhì)等作用。低溫環(huán)境下，基質(zhì)中的微生物活性降低，顆粒物質(zhì)不能有效降解，水的黏性增加，孔隙率減小，傳遞氧的速率降低，嚴(yán)重影響人工濕地運(yùn)行效果[20]。

3 人工濕地在北方寒冷地區(qū)運(yùn)行措施

3.1 冰雪覆蓋

冰雪覆蓋法是在濕地水面結(jié)冰前，將水位升高，使之在上層形成一定厚度的冰層，然后水位下降，從而在冰層和填料之間形成空氣層，具有保溫作用。也有學(xué)者在加拿大安大略省采用冰層覆蓋的方法成功地進(jìn)行濕地越冬工程[21]。但該方法需要對(duì)冰層進(jìn)行定期檢查，實(shí)際操作具有一定困難，且受溫度等外界因素影響較大。

3.2 植物覆蓋

植物覆蓋即在寒冷冬季把濕地的植物收割覆蓋在床體表面，從而起到保溫的效果。植物覆蓋法能在一定程度上提高冬季濕地處理效率，但也存在缺陷，植物易腐爛從而產(chǎn)生額外的污染物，極易造成二次污染，從而增加了廢水處理難度，因此，必須在溫度回升之前處理掉濕地表面覆蓋物。

3.3 地膜覆蓋

借鑒地膜覆蓋法在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中的應(yīng)用，將其覆蓋在人工濕地表層，進(jìn)而在寒冷冬季起到保溫效果。譚月臣等[22]研究表明，冬季采用薄膜法濕地保溫，COD、NH4+-N、TN的去除率分別30%～45%、35%～60%和40%～60%，相比冰封和溫棚法污染物去除率高出10%～20%。地膜覆蓋法在冬季運(yùn)行期成效顯著，但鋪設(shè)過程復(fù)雜，投資高，同時(shí)易造成白色污染，因此，天氣回暖時(shí)應(yīng)及時(shí)清除。

3.4 管道保溫

我國北方冬季寒冷，溫度可低至-30～-20 ℃，為避免管道凍裂，影響濕地正常運(yùn)行，進(jìn)出水管道需用保溫材料進(jìn)行包裹，并盡量采用暗溝或者埋地的形式。

3.5 溫棚覆蓋

溫室大棚在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用較為廣泛，效果良好。入冬前先將濕地中的植物收割外移，在濕地上部建造大棚，在大棚上覆蓋草席，晴天時(shí)掀起，晚上覆蓋，保持棚內(nèi)適宜的溫度。李靜等[23]對(duì)北京市楊鎮(zhèn)一中人工濕地的研究表明，溫棚法+蒲席覆蓋系統(tǒng)對(duì)總氮的去除效果要好于冰層覆蓋，更適合在北方使用。溫棚法效果較好，但操作運(yùn)行復(fù)雜。人工濕地通常面積大，所以溫棚覆蓋難度較大。不同保濕措施下的人工濕地運(yùn)行效率見表2[8，24-27]。

3.6 人工濕地植物選植

濕地植物的選植應(yīng)考慮植物的適應(yīng)性和去污能力，兼顧經(jīng)濟(jì)價(jià)值和觀賞價(jià)值，優(yōu)先選用“多種、多層、高效、穩(wěn)定”的本土植物品種，形成由“挺水植物-浮葉植物-沉水植物”及沼生植物組成的濕地植被景觀。

根據(jù)生態(tài)濕地總體布置，濕地植物配置的基本原則包括：

①適應(yīng)性原則。根據(jù)植物的生長特性，選擇抗逆性強(qiáng)、適應(yīng)能力強(qiáng)、去污能力好、生物量較大、生長周期長的植物種類。

②景觀性原則。在設(shè)計(jì)人工濕地時(shí)，應(yīng)考慮周邊自然環(huán)境，優(yōu)化群落配置，合理布局，從美觀角度對(duì)植物進(jìn)行選擇和搭配，從而使其與周圍景觀自然融合。

③多樣性原則。每種植物在生長過程中所需要的污染物質(zhì)種類及數(shù)量不同，采用多種植物組合種植，可提高濕地系統(tǒng)的去污能力，同時(shí)增加系統(tǒng)的抗逆性。

④多用途原則。濕地植物成熟收割后可作為原材料用于再生產(chǎn)加工，在去除污染物質(zhì)的同時(shí)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)價(jià)值，減少因植物收割后造成的二次污染問題，實(shí)現(xiàn)環(huán)保經(jīng)濟(jì)雙贏。

3.7 人工濕地基質(zhì)類型優(yōu)選

基質(zhì)的選擇應(yīng)根據(jù)具體的工程案例進(jìn)行配置，通常選用孔隙率和比表面積較大的基質(zhì)，可起到支撐作用，同時(shí)緩解濕地基質(zhì)堵塞現(xiàn)象，使?jié)竦乇３至己玫耐庑Ч瑸槲⑸锷顒?dòng)的正常進(jìn)行創(chuàng)設(shè)良好環(huán)境，從而對(duì)COD和氮保持較好的去除率。此外，多種基質(zhì)組合使用，更好地營造好氧-厭氧環(huán)境，促使人工濕地高效穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)論

人工濕地已取得較快發(fā)展，但仍存在較多問題，去污效果受季節(jié)影響較大。尤其在我國北方地區(qū)，冬季寒冷，運(yùn)行難度較大。目前的保溫措施仍存在不足，若想人工濕地在冬季穩(wěn)定運(yùn)行，需加強(qiáng)對(duì)保溫隔離措施的研究。此外，在具體處理上，應(yīng)對(duì)植物搭配、布水設(shè)計(jì)等多種手段加以強(qiáng)化，最大限度地提高污染物去除率。

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