人工湿地技术在北方天然径流匮乏地区的应用研究

王梦园　马勇光　刘翠霞

(1河南省环境保护科学研究院河南郑州4500002郑州大学环境技术咨询工程公司河南郑州450002)

人工湿地技术在北方天然径流匮乏地区的应用研究

王梦园1马勇光1刘翠霞2

(1河南省环境保护科学研究院河南郑州4500002郑州大学环境技术咨询工程公司河南郑州450002)

本文在北方人工湿地技术应用实例调研分析的基础上，指出人工湿地是实现北方天然径流匮乏地区废水排放标准与水体环境功能目标有效衔接的污水处理技术，同时系统分析了北方地区冬季人工湿地运行不稳定的原因，并进一步提出低温运行效果优化建议，为在北方天然径流匮乏地区应用人工湿地技术保障河流水质达标提供理论基础和经验借鉴。

人工湿地；北方；天然径流匮乏；水质改善；尾水处理；生态修复

1　引言

随着我国“九五”至“十二五”四个时期水污染防治工作的推进，水污染防治工作取得了显著成效，河流水质明显改善。但北方省份大都因天然径流匮乏，河流水源主要为集中污水处理厂出水，造成河流水质与水体功能要求仍存在较大差距。2015年4月国务院印发的《水污染防治行动计划》（国发〔2015〕17号）对全国水污染防治工作提出：到2020年，七大重点流域水质优良（达到或优于Ⅲ类）比例总体达到70%以上。目前，二级（物化+生化）处理系统在全国范围广泛运用，并取得了较好的处理效果，但污水处理达标与河流水体功能达标不同步且氮、磷浓度偏高的问题长期存在[1]。人工湿地作为一种利用基质——微生物——植物复合生态系统的物理、化学、生物及其协同作用来净化污水的污水处理技术[2]，具有工艺简单、投资运行费用低且环境友好的特点，目前在我国已经得到了广泛的应用，但在北方地区，由于人工时地受气候影响，存在冬季去除效率降低等问题。本文就目前国内应用于水体生态修复和污水处理厂尾水处理的北方人工湿地运行情况进行了调研，为在北方天然径流匮乏地区应用人工湿地技术保障河流水质达标提供理论基础和经验借鉴。

2　人工湿地技术在北方地区的应用实例

目前，除了气候条件适宜先驱进行技术应用的广东、浙江、江苏等南方省份外，人工湿地污水厂处理技术在我国中部及北方的北京、山东、山西、辽宁、河南等省市也得到了较好的应用[3,4]。从地域上看，南方人工湿地技术应用以湿地修复、恢复的居多（表面流湿地为主，占地面积大，突出景观效果），北方人工湿地应用以功能强化型人工湿地改善水质的居多（潜流湿地为主，占地面积小，景观相对薄弱）。人工技术应用于北方地区水体修复和集中污水处理厂尾水处理的实例详见表1、表2。

表1　人工湿地技术应用于北方地区水体生态修复实例

表2　人工湿地技术应用于北方地区集中污水处理厂尾水处理实例

根据对北方地区部分人工湿地系统运行情况的调查可知，在人工湿地进水为《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB189118-2002）一级A标准（即COD≤50mg/L，NH3-N≤5 mg/L）的情况下，人工湿地系统对COD、氨氮的平均除去效率分别可达到40%～60%、60%～80%，出水水质可接近或达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅲ类、Ⅳ水质要求。但在气温较低的冬季，北方的人工湿地系统普遍存在处理能力降低，处理效果大幅下降的问题。

3　人工湿地技术冬季低温运行不稳定原因分析

人工湿地作为一种人工的自然系统，净化水质的较佳温度范围是20℃～25℃，当水温低于10℃时人工湿地的处理效率会明显下降[2]。主要原因是冬季低温运行，存在植被枯死、微生物活性降低、湿地表面冻结（床体缺氧）等诸多导致处理效果变差的问题。

3.1冬季低温使微生物降解能力降低

微生物的代谢与温度有关，温度降低使微生物活性也随之降低。冬季湿地系统温度和氧含量低易造成微生物活性降低，使微生物对有机物的分解能力下降，相关研究及实践证明，当水温低于4℃时，湿地系统内的硝化反应基本停滞，COD及BOD5的去除也受到严重影响[5]。

3.2冬季低温植物的污染物富集及氧传输能力降低

冬季低温条件下，大部分人工湿地中植物生长停滞进入休眠状态或枯萎，影响了植物对污染物的吸收和富集作用，也使得通过植物转输入湿地中的氧量降低，影响微生物的降解作用。

3.3冬季低温更容易造成填料堵塞

冬季低温气候使微生物代谢缓慢，从而使有机物在湿地基质中沉积，造成湿地堵塞，同时也阻碍氧在湿地中的传递，减低湿地的水力传导性，使湿地运行效率降低。

4　优化冬季低温运行效果的建议

国内外在人工湿地系统结构设计、系统保温和冬季运行优化等方面进行了大量研究和实践工作[6,7]，虽然目前尚没有一个能彻底解决湿地越冬问题的方法，但通过相应措施可有效缓解和改善低温所带来的不利影响。针对北方冬季低温的特点，建议从人工湿地设计、运行及管理上采取以下措施。

4.1优化人工湿地系统选型

潜流式人工湿地水流在基质表面以下通过，可有效减少因污水蒸发和流动造成的能量损失，保证冬季人工湿地床体的热平衡，避免了冬季湿地表面结冰后抑制大气复氧，更适合北方地区冬季气温低的特点。

4.2优化植物配置

结合北方地区人工湿地技术的应用实践，建议宜选择芦革、茭白、菖蒲、水芹、香蒲等耐寒、生物量多、根系发达、繁殖能力强及转输氧气能力好的湿地植物。

4.3优化运行方式

建议北方地区人工湿地冬季运行，适当降低人工湿地的水力负荷和有机负荷，通过降低水力及有机负荷可在一定程度上减缓基质冰冻板结带来的不利影响。同时建议采取间歇式运行，即每隔一定时间规律的向人工湿地进水和排水，通过有节奏的气、水运动提高了系统的复氧能力。

4.4人工湿地保温

为了强化人工湿地冬季的运行效果，提高水体温度，减缓植物的休眠，人工湿地冬季可通过覆盖形式进行保温。一般可采用的措施包括覆盖地膜保温和植物保温，地膜保温隔离措施能使微生物活性得到提高，对NH3-N和TN的去除效果均有一定改善，但其不适合野外大面积使用，同时废气地膜如处理不当，易产生二次污染。植物保温是指将收割的湿地表面枯萎的植物均匀覆盖于湿地上。目前，在我国较多采用湿地表层植物作为越冬的主要覆盖物，但腐败的植物容易造成水体的二次污染。

5　结语

由于人工湿地技术存在进水污染物负荷低、占地面积大、受气候影响大等问题，并无法替代传统的“物化+生化”二级废水处理工艺，但其在处理二级废水处理后污染物浓度难以进一步降低的废水方面具有突出优势，是实现北方天然径流匮乏地区废水排放标准与水体环境功能目标有效衔接的污水处理技术，并在我国北方地区取得了较好的应用效果，因此建议北方地区选择在有天然河道（湖泊）条件的水功能区目标考核关键区段建设人工湿地工程，同时组建专业管理团队，从进水调控、冬季植物收割及覆盖、清淤、堵塞监测等方面加强人工湿地的运行管理。

[1]王世和.人工湿地污水处理理论与技术[M].北京：科学出版社, 2007:125.

[2]王湛,万佳静,陈晓东.寒冷地区人工湿地污水处理技术研究进展[J].环境保护科学,2009,35（2）：30-33.

[3]刘智.河口人工湿地植物配置与景观建设维护研究——以沈阳市辉山明渠河口湿地为例[J].环境保护科学,2013,39（5）：31-35.

[4]王淑军,刘佩楼,徐世鹏.临沂武河湿地的设计及其水质净化效果分析[J].环境保护科学,2011,27（22）：61-64.

[5]谭月臣,姜冰冰，洪剑明.北方地区潜流人工湿地冬季保温措施的研究[J].环境保护科学,2012,32（7）：1653-1661.

[6]吴振斌.复合垂直流人工湿地[M].北京:科学出版社,2008.

[7]陈晓东,常文越,王磊,等.北方人工湿地污水处理技术应用研究与示范工程[J].环境保护科学,2007,33（2）：25-28.

王梦园（1983—），女，硕士，工程师，主要从事环境影响评价、环境规划及环境政策方面研究。