低溫環(huán)境人工濕地處理技術(shù)強(qiáng)化措施與應(yīng)用

孫靖越，王亞娥，李 杰

(蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

1 引言

在當(dāng)前廢水處理技術(shù)要求低成本、低化學(xué)投入、低環(huán)境影響、高效率的背景下，人工濕地技術(shù)因其能夠通過微生物、基質(zhì)、植物和水的復(fù)雜生態(tài)相互作用從廢水和徑流水中去除有機(jī)物、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、微量元素、病原體和其他污染物[1]，在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用已經(jīng)得到了良好的示范，有較高的污染物去除效率和生態(tài)效益[2]。然而，溫度的變化是對(duì)濕地系統(tǒng)最主要的威脅，就總氮、總磷和化學(xué)需氧量的去除而言，在較低的溫度下人工濕地處理性能往往會(huì)下降，主要是由于低溫導(dǎo)致濕地系統(tǒng)出現(xiàn)結(jié)冰、水力缺陷、生物和非生物部件的故障等問題。已有大量研究[3～5]指出低溫環(huán)境對(duì)濕地處理效果的影響，冬季濕地系統(tǒng)的平均脫氮效率比夏季低6%～11%，秋冬季節(jié)濕地系統(tǒng)有機(jī)物的去除率明顯低于春夏兩季。這些研究表明，硝化和反硝化作用受到溫度的限制，溫度與有機(jī)物去除和特定微生物活性明顯相關(guān)[1]。因此，為了提高人工濕地在低溫條件的處理效果，需要采取特定的強(qiáng)化措施。

2 人工濕地在低溫環(huán)境中存在的問題

2.1 低溫對(duì)濕地系統(tǒng)中生物的影響

2.1.1 植物

植物是濕地處理中不可或缺的組成部分，因?yàn)樗鼈兛梢栽谧陨砩L(zhǎng)的同時(shí)利用廢水中的氮和磷等物質(zhì)，參與碳物質(zhì)循環(huán)并進(jìn)行氧轉(zhuǎn)移[6]。在濕地系統(tǒng)中，溫度對(duì)植物的有效運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，有研究發(fā)現(xiàn)[7]，大型水生植物的平均光合速率和蒸發(fā)速率與溫度有關(guān)。低溫抑制植物的新陳代謝，使植物根莖缺氧，進(jìn)而影響濕地系統(tǒng)中微生物的生命活動(dòng)[7,8]。一般來講，植物生長(zhǎng)的溫度在4～36 ℃的范圍內(nèi)，基準(zhǔn)溫度為5～10 ℃[7]，當(dāng)溫度低于10 ℃時(shí)，水葫蘆停止生長(zhǎng)[9]，當(dāng)溫度低于5 ℃時(shí)，70%的蘆葦葉和50%的香蒲葉變黃[10]。由于低溫狀態(tài)下植物逐漸衰老，故出現(xiàn)了濕地系統(tǒng)處理效果降低的現(xiàn)象。

2.1.2 微生物

微生物在降解有機(jī)物和脫氮除磷方面起著關(guān)鍵的作用，有助于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和有機(jī)污染物質(zhì)間的循環(huán)與轉(zhuǎn)化。有機(jī)物的降解主要由微生物的硝化反硝化作用來完成，脫氮除磷主要由濕地系統(tǒng)中的脫氮菌和除磷菌發(fā)揮作用[11，12]。然而，溫度變化顯著影響微生物的生長(zhǎng)和繁殖，微生物氨化作用和硝化作用尤其受到溫度的影響[7]。由于脫氮細(xì)菌的生長(zhǎng)和活性受到抑制，脫氮效率受到很大限制。濕地中的微生物進(jìn)行生命活動(dòng)的最佳溫度范圍為15～25 ℃，低于這個(gè)范圍硝化和反硝化細(xì)菌的代謝和活性降低，從而影響反硝化過程，導(dǎo)致濕地系統(tǒng)運(yùn)行速率下降。當(dāng)溫度降至6 ℃以下時(shí)，反硝化作用幾乎完全停止[1]。在低溫環(huán)境中，濕地微生物活性和代謝率降低的同時(shí)也嚴(yán)重阻礙了異養(yǎng)細(xì)菌分解有機(jī)污染物[13]，導(dǎo)致有機(jī)物降解效果明顯下降。

2.2 低溫對(duì)濕地系統(tǒng)非生物結(jié)構(gòu)的影響

3 解決措施

3.1 內(nèi)部改善和優(yōu)化

3.1.1 植物配置優(yōu)化

3.1.2 生物強(qiáng)化

生物強(qiáng)化是以添加生物的方式增強(qiáng)污染物質(zhì)降解效果的過程。生物強(qiáng)化以如下三種方式為主：一是投加嗜冷菌。在低溫環(huán)境下，在濕地系統(tǒng)中投加嗜冷菌能更好地適應(yīng)溫度波動(dòng)，使?jié)竦叵到y(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行[25]。有研究發(fā)現(xiàn)[1]，將低于4～7 ℃的溫度下生長(zhǎng)的嗜冷細(xì)菌[26]應(yīng)用于中試規(guī)模的污水處理系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除率為57.7%。二是投加負(fù)荷微生物菌劑。在濕地系統(tǒng)中投加復(fù)合微生物菌劑通過轉(zhuǎn)化土壤微生物群落結(jié)構(gòu)中氮相關(guān)細(xì)菌的內(nèi)在物種同質(zhì)性，原位形成新的微生物群落平衡[27]。有研究指出[28]，低溫條件下向濕地投加耐鹽細(xì)菌、光合細(xì)菌、低溫除磷和脫氮細(xì)菌等復(fù)合微生物菌劑，表面流人工濕地的氨氮去除率為35.4%，總氮去除率為33.6%，總磷去除率為28%，化學(xué)需氧量去除率為30%。三是投加蚯蚓。蚯蚓存在于不同類型的水生棲息地以及下水道系統(tǒng)中，能在低溫下生存，并且蚯蚓的蠕動(dòng)可以刺激沉積物代謝和微生物群落[29,30]。有研究發(fā)現(xiàn)[31]投加蚯蚓后人工濕地對(duì)氮和磷的去除率分別比沒有蚯蚓的人工濕地高2%～5%和12%。投加蚯蚓后濕地中微孔結(jié)構(gòu)增多，提高了濕地的孔隙率和比表面積，可應(yīng)用于低溫下的化學(xué)需氧量去除和反硝化處理，具有節(jié)約勞動(dòng)力和通過減少泵的能量補(bǔ)充進(jìn)而節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。

3.1.3 基質(zhì)優(yōu)化

人工濕地系統(tǒng)中基質(zhì)選擇的參考因素主要有機(jī)械強(qiáng)度、穩(wěn)定性、比表面積、孔隙率和表面粗糙度等[15]。為了降低低溫對(duì)濕地基質(zhì)的不利影響，有學(xué)者進(jìn)行了大量研究[32]，利用人工濕地植物多孔莖葉的微觀特性制備蘆竹生物炭，將其填充到基質(zhì)中以增強(qiáng)對(duì)氮的吸附，結(jié)果表明總氮去除效率比無(wú)生物炭處理提高了50%。由于水生植物的多孔結(jié)構(gòu)，這種具有高孔隙率和大表面積的植物生物炭為反硝化細(xì)菌提供了許多附著位點(diǎn)和生物可利用碳，有利于氮的轉(zhuǎn)化。基于植物管理和資源回收的概念，生物炭的使用對(duì)于在低溫下增強(qiáng)濕地性能是有效和必要的，循環(huán)利用廢棄植物生物質(zhì)資源，并且防止水體的二次污染。Zhao等[33]將鐵基材料添加到垂直潛流人工濕地中，以增強(qiáng)離子交換和微生物反應(yīng)，結(jié)果表明該處理在0～10 ℃環(huán)境下的低碳氮比廢水中實(shí)現(xiàn)了65.62%的總氮去除效率。在除磷方面，除了使用常規(guī)砂過濾介質(zhì)外，還添加了松枝、活性物質(zhì)活性污泥、鐵渣和石灰石，以增強(qiáng)磷與Ca2+和Fe3+陽(yáng)離子之間的交換。

3.2 外部措施

3.2.1 濕地保溫

濕地保溫是通過自然或者人工隔熱的方式，利用覆蓋材料使低溫下的濕地保持溫度在穩(wěn)定的范圍，一定程度上防止?jié)竦貎鼋Y(jié)[18]。覆蓋材料一般為雪、稻草、透氣膜(聚氯乙烯)、碳化蘆葦和有機(jī)填料等，覆蓋在濕地表面的材料可以減少?gòu)U水蒸發(fā)、輸送和流動(dòng)造成的能量損失，保護(hù)濕地內(nèi)部微生物免受外部低溫的不利影響[34]。以碳化蘆葦為例，添加到濕地中的碳化蘆葦秸稈可以將濕地廢水溫度保持在11～13 ℃。為減少二次污染，用于濕地絕緣的覆蓋物的特性應(yīng)能充分分解，無(wú)任何二次有機(jī)負(fù)載，并具有中性的pH值、高纖維含量、平衡的營(yíng)養(yǎng)成分、良好的隔熱性和高保濕能力[35]。Wallace[19]在加拿大利用水面與冰層間的空氣層在4～18 ℃的水面和冰面之間進(jìn)行保溫，雖然冰層覆蓋不會(huì)像植物覆蓋一樣造成二次污染問題，但需要定期檢查，并且在積雪有限的寒冷時(shí)期，冰雪覆蓋并不足以隔離濕地。Kato等[36～38]利用廢玻璃制成的輕質(zhì)漂浮材料作漂浮蓋，當(dāng)濕地表面被部分堵塞時(shí)漂浮在被淹沒的表面上，從而作為屏障截留大量有機(jī)物，只讓水流穿孔進(jìn)入旁通管道。漂浮蓋起到絕緣材料的作用，防止系統(tǒng)出現(xiàn)零下條件，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)需氧量減少70%～96%，總氮減少39%～90%，總磷降低70%～93%，氨氮降低36%～82%。濕地溫室是捕集熱量和保持所需濕地溫度的改進(jìn)方法，研究發(fā)現(xiàn)[39]即使大氣溫度降至-30 ℃，溫室結(jié)構(gòu)的存在使廢水溫度基本保持在8 ℃以上。當(dāng)研究溫度為2.3～5.3 ℃時(shí)，化學(xué)需氧量年平均去除率達(dá)85.01%、氨氮年平均去除率達(dá)70.98%以及總磷年平均去除率達(dá)36.48%，該方法適宜應(yīng)用于寒冷地區(qū)，可以大大提高寒冷氣候下污染物的去除效率。

3.2.2 人工曝氣

3.3 工藝組合

在常見的濕地類型中，受地下隔熱性能的影響，垂直流人工濕地在寒冷地區(qū)處理效果相對(duì)較好，更適合低溫地區(qū)。但是，對(duì)于污染物質(zhì)濃度較高的尾水，建議將人工濕地與其他污水處理技術(shù)組合使用。邊喜龍[43]研究發(fā)現(xiàn)，黑龍江省年平均氣溫為2.3～5.3 ℃，農(nóng)村生活污水處理采用“生物接觸氧化+人工濕地”工藝，出水水質(zhì)滿足《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5084-2005)。除了去除一般污染物，對(duì)于特殊污染物質(zhì)的去除可以采用藻類池塘、光催化氧化法和金屬氧化還原法與人工濕地相結(jié)合的方式[44]。相比于單一濕地處理技術(shù)，其工藝組合可以改善濕地中污染物的綜合處理。

4 思考與建議

(1)對(duì)濕地收割后的植物進(jìn)行資源化利用。為節(jié)約資源和避免二次污染，可以考慮將濕地植物作為低溫環(huán)境濕地的保溫材料，也可以將收割的植物作為外加碳源以強(qiáng)化濕地系統(tǒng)的脫氮能力，還可以作為飼料或用于沼氣發(fā)酵等。

(2)強(qiáng)化濕地基質(zhì)作用。濕地基質(zhì)是微生物附著的主要場(chǎng)所，是去除污染物質(zhì)的關(guān)鍵濕地結(jié)構(gòu)。濕地基質(zhì)材料特性各不相同，未來可以重點(diǎn)研究濕地材料的特性使其在濕地系統(tǒng)中充分發(fā)揮作用，可以考慮將多種基質(zhì)材料組合配置，以強(qiáng)化基質(zhì)對(duì)污染物質(zhì)的去除效果，減弱濕地基質(zhì)受低溫環(huán)境的影響。

(3)提高溫室大棚經(jīng)濟(jì)效益。針對(duì)濕地的保溫措施，可以考慮在構(gòu)建溫室大棚時(shí)，在大棚中種植經(jīng)濟(jì)作物，并將污水回用，解決了污水處理問題的同時(shí)對(duì)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到促進(jìn)作用，具有巨大的潛在價(jià)值。

(4)外部措施與工藝組合配合使用。濕地在低溫下運(yùn)行時(shí)將濕地與其他處理工藝配合使用的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意通過保溫措施提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也應(yīng)當(dāng)考慮通過人工曝氣提高濕地內(nèi)部的復(fù)氧能力，使?jié)竦靥幚砑夹g(shù)在低溫地區(qū)可以高效、穩(wěn)定的運(yùn)行。