人工湿地在寒冷地区的应用和工艺优化措施研究

林卉

北控水务（中国）投资有限公司

1 人工湿地应用现状

人工湿地是自然污水净化技术的典型代表，通常指用人工筑成水池或沟槽，底面铺设防渗漏隔水层，充填一定深度的基质层，种植水生植物，利用物理、化学、生物三重协同作用使污水得到净化的构筑物。由于其低能耗、运营简单、生态效益高等特征，人工湿地技术在世界各国均有广泛应用，例如北美已建成了超过10000座人工湿地[1]。随着国家水污染行动计划的推进，我国的人工湿地工程不论是处理规模还是污水类型都向多元化发展。处理规模方面，既有30 万m3/d 的山东临沂武河湿地[2]、8 万m3/d的山西晋城丹河人工湿地等[3]，也有50m3/d以下的小型人工湿地[4]，处理的污水类型包括生活污水、污水厂尾水、河流地表水、矿山废水等。

2 寒冷气候人工湿地应用进展

寒冷气候下的人工湿地运行效果一直是业界争议的焦点之一。低温下，传统生化处理设施和人工湿地都面临处理效率降低的问题，尤其是氨氮去除效率受低温影响较大[5]。同时，冬季人工湿地植物的地上部分枯萎，对去除率造成一定影响。此外，冬季可能存在管道冻裂、水面结冰等情况，也给运行带来了实际困难。

实际上，低温下人工湿地并不是完全失去净化功能。首先，吸附、沉淀等物理化学净化过程受温度影响较小。其次，污水温度往往高于气温，加之污水中有机物氧化释放热量，使人工湿地内部能够保持适宜微生物活动的温度。再次，即使是在水温极低的情况下，部分耐寒微生物也能够进行新陈代谢。而虽然冬季湿地植物直接吸收的污染物减少，但直接吸收在人工湿地污染净化总量中的占比不大，据报道多个案例占比在15%以下，因此植物季节性枯萎不会造成决定性影响[6]。

在气候寒冷地区一直不乏人工湿地应用和研究。例如，Öövel等人[7]报道，在爱沙尼亚北纬58°处的一座人工湿地用于处理学校污水，在进水水温仅为4.8℃的情况下，对BOD7、TSS、氨氮、总氮、总磷的去除率仍然分别达到了97.0%、81.3%、88.1%、52%和92%。冷季的去除率和污染物去除负荷虽然平均值略低于暖季，但从数值分布上看没有显著的统计学差异。再如，河北官厅水库运用人工湿地对永定河河水进行深度净化，当地年平均气温5.5℃，年最低气温-28.2℃，来水水质接近地表Ⅴ类。经研究对比，低温期人工湿地对BOD5、氨氮、总氮和总磷的去除率低于常温期，但仍然显著，分别达到了25%、20%、28%和35%[8]。

Wang等人[9]总结了来自各国寒冷地区的45座人工湿地的数据，将其与58座热带亚热带的人工湿地进行对比，发现寒冷地区人工湿地对氮的去除率低于温暖地区，但仍有显著的去除效果，如氨氮的平均去除率达到40%以上；两组人工湿地的BOD、COD、总磷去除率没有显著差异，而寒冷地区人工湿地TSS的去除率甚至高于温暖地区（应注意的是该对比分析是在忽略了湿地水力负荷差异的前提下进行的）。由此可见，在合理设计和运维的前提下，人工湿地在寒冷地区的应用是可行的。

3 针对低温的人工湿地工艺优化

针对低温影响进行的工艺优化主要从以下几个角度展开。

（1）优化工艺选择。表流人工湿地一般水深较浅，水流直接与外部空气接触，因此在寒冷地区采用表流人工湿地应慎重，可以用结构相似但水深较大的氧化塘系统代替，否则冬季湿地内水体完全冻结，直接影响运行。潜流人工湿地的保温效果相对较好10，但其内部及表面的管道较多，需要特别注意管道保温的问题。

（2）增大人工湿地的面积和容积，按照冬季最低去除效率来设计人工湿地。对于用地充裕的地区，该方式是最直接有效的。例如上述爱沙尼亚的人工湿地面积为6.8 m2/人口当量[9]，比德国推荐采用的4 m2/人口当量的面积指标大70%。而挪威的一座用于处理村庄污水的复合人工湿地系统[11]，冬季气温为-25～-5℃，采取了高达70 d的水力停留时间，稳定达到了深度净化的效果，总磷、总氮、氨氮的出水平均浓度分别为0.25 mg/L、4.07 mg/L和0.13 mg/L。吉林通化的一座设计规模为300 m3/d的农村污水湿地则采取了将冬季的污水储存，待来年春季再处理的方式[12]，对于冬季严寒且污水量很少的工程是可以借鉴的。

（2）对人工湿地进行保温[7]。利用冰雪层保温是最常用的方式[2]，通过水位调节，在冰层和填料之间形成空气层，利用冰雪跟空气层进行保温。保留湿地植物秸秆也能起到保温作用。Jing等人研究发现，保留植物的人工湿地的氨氮去除反应常数k比没有植物的对照组高一个数量级[10]。申欢等[13]采用收割的湿地植物对潜流人工湿地进行覆盖保温，结果表明覆盖后湿地表层冻土深度明显小于对照湿地，总磷、氨氮和总氮的平均去除率分别提高了15.5%、9.7%和5.0%。还可以通过上设温室结构的方式对湿地进行保温，例如胡奇等[14]在黑龙江海林市采用双层阳光板构建人工湿地温室，并在室内布置暖气，在室外气温最低为-30℃的情况下，使面积为500m2的潜流人工湿地内部水温维持在8℃以上，其中湿地下部的水温在10℃以上。除了对人工湿地床体的保温，对人工湿地管道的保温也十分重要。一般要求人工湿地进出水管道埋于冻土深度以下，以避免管道冻裂。若管道埋深无法满足要求，则应在管道外壁加装保温材料，如保温棉、保温毡等。加大水流流速也是防止管道冻裂的方法之一，可以通过加大排水管道的坡度或采用水泵输水的方式[15]。

（3）采取强化冬季处理能力的运行措施。例如从连续进水模式变为间歇进水模式，或采取强制曝气手段，可以提高人工湿地内的DO 浓度，从而提高氨氮的去除效率[7]。接种耐低温工程菌剂也是一个重要的发展方向。邢奕等[16]通过实验研究，培养耐冷细菌、耐冷放线菌和耐冷霉菌，三种菌株在0℃以下均仍有一定活性，在6℃的实验温度下，接种上述菌株的人工湿地对氨氮的去除率分别达到57.7%、59.0%及58.7%。

4 结语

世界各国经验已经证明人工湿地在寒冷地区的应用是可行的。尤其是对于人口分散、用地充裕的寒冷地区，应用人工湿地能够避免传统污水处理工艺的高维护需求，具有良好的应用前景。通过工艺选择、增大湿地面积、采取保温措施、增加强化净化措施等手段，可以保障人工湿地在冬季达到水质目标。其中，强化净化措施能够在不显著增加用地的情况下提高冬季去除率，提高人工湿地在用地紧张地区的工程经济性。