北方低温仿自然湿地脱氮除磷强化净化技术应用

王文冬，王利军，高晓薇，刘学燕，龙元源，赵 佑，蔡婷婷，王慧

（北京市水利规划设计研究院，北京 100048）

人工湿地是通过人工模拟并强化天然湿地功能结构，将低污染浓度的污废水均匀投配到填料床系统（内含填料基质、水生植物、水生动物及微生物），通过发挥吸附过滤、离子交换、植物吸收以及微生物降解多重作用实现对污水中各类污染物的有效去除，与常规的污水处理工艺相比，具有处理效果好、污染物去除能力强，运转维护管理方便、工程基建和运转费用低、对负荷变化适应能力强等显著特点〔1-3〕。

国内传统湿地工程设计大多采用单一的潜流湿地、表流湿地工艺或对其进行简单串联组合，往往产生表流湿地在内部构造、形态结构和外观风貌上接近天然湿地，但抗冲击负荷、污染物净化能力较差；潜流湿地存在形态单一、人工痕迹明显、管护成本较大等系列问题；同时由于传统湿地工艺生境单一、无法形成厌氧/缺氧/好氧交替变化运行条件，造成脱氮除磷去除能力有限〔4-7〕；此外，在北方寒冷地区，冬季低温条件下，植物干枯、微生物代谢活性下降，进一步降低了湿地系统的污染物去除效果，在一定程度上限制了人工湿地技术工艺在北方地区的规模化应用〔8-15〕。

目前，国内外针对提高人工湿地脱氮除磷效率的研究重点集中在筛选强化湿地植物与填料基质方向；应对冬季低温不利条件的技术措施研究，主要是采用冬季植物收割表层覆盖方面；但针对通过改善湿地系统内部厌氧/缺氧/好氧交替变化的微生环境以提升脱氮除磷效果和通过优化填料床内部保温结构、菌群/植物配置以及运行模式以强化湿地低温运行效果的相关研究相对较少。

本研究基于官厅八号桥上游来水低碳高磷高氮的水质特征，结合项目所处区域为典型北方寒冷地区气候的特点，通过构建具有“预处理区+主处理区+后处理区”的官厅八号桥多生境仿自然湿地系统，同时辅以底质调节缓释除磷措施，并通过对湿地系统的填料床结构、菌群/植物配置以及运行模式进行优化集成的方式，突破了传统湿地冬季低温氮磷污染物达标运行困难的技术瓶颈。

1 官厅八号桥仿自然湿地项目概况

官厅八号桥仿自然湿地位于河北省怀来县，永定河入官厅水库口，大秦铁路至八号桥水文站下游3.5 km河道滩地，项目主要处理对象为永定河上游微污染地表水，处理规模为1～3 m3/s，折合约8万～26万m3/d，建设湿地总面积约2.1 km2，设计出水主要指标执行地表水Ⅲ类标准。项目主体湿地部分建设投资35071.27万元，年运行成本为663万元，折合吨水投资和运行费用分别为1348.90元/m3和0.07元/m3。

图1 项目区位图Fig. 1 Project location map

1.1 设计进出水水质

根据官厅八号桥2011年1月—2018年11月逐月水质监测数据（详见表1），项目建设前期区域水质整体为地表水Ⅴ类（主要超标指标为TN、TP和COD），同时断面水质随季节具有一定变化：低温期（2018年11月—2019年5月，外界温度-10～14 ℃，系统水温2～9 ℃）水质最差，为Ⅳ～Ⅴ类，主要超标物质为COD、氨氮和TP；汛期6月—9月，水质明显好转，基本达到Ⅲ～Ⅳ类，但仍存在COD和TP超标的问题。

表1 项目建设前上游逐月来水水质状况Table 1 Monthly water quality status of upstream water before project constructionmg/L

项目根据“水十条”考核要求，结合官厅水库入库水质功能区划，确定官厅八号桥仿自然湿地设计出水应达到地表水Ⅲ类标准，结合同类湿地设计及实际运行经验，最终确定本项目湿地设计进出水水质，详见表2。

表2 湿地进出水水质指标Table 2 Wetland inlet and outlet water quality indicators mg/L

1.2 建设规模与工程布置

1.2.1 建设规模与水力参数设计

根据多年实测数据（详见表3），项目区上游来水平均流量为3.24 m3/s，保证率为36.7%，按照适度原则，确定工程的规模为3.0 m3/s。

表3 2006年—2015年永定河不同流量保证率Table 3 Different flow guarantee rates of Yongding River from 2006 to 2015

参照《人工湿地污水处理工程技术规范》（HJ 2005—2010）进行工程设计，主要设计参数见表4。

表4 湿地水力参数设计Table 4 Wetland hydraulic parameter design

1.2.2 工艺流程与功能分区

1）工艺流程。项目设计按照区域现状空间分布，因地制宜地进行功能区划与湿地布设：整个项目建设区沿河道两侧分布，区域地势平缓；河道主槽与大秦铁路、沙蔚铁路、八号公路桥、丰沙铁路将整个场区分割为10个区域；为充分利用区域土地资源，最大限度发挥湿地的净化功效，本项目对10个湿地功能建设区进行了优化组合，形成了“既有内部串联，又有整体并联”的湿地网络空间，具体见图2、图3。

图2 湿地系统功能分区布置Fig. 2 Wetland system functional zoning layout

图3 工艺流程框架Fig. 3 Process flow diagram

由图2、图3可知，项目湿地沿水流走势，依次布设预处理区、主处理区、后处理区：其中“左一区+左二区”、“右一区+右二区”分别为左岸、右岸的两个预处理区；“左三区”、“右三区”分别为左岸、右岸的两个主处理区；“右四区”为整个系统的后处理区。

2）湿地形式与功能分区。在秉承自然生态设计的理念下，本研究充分利用滩地空间及地形地貌特征，参照人工湿地的设计要点，同时结合溪流、生态塘、表流湿地、潜流湿地功能特性进行优势互补，构建形成以塘为主体，溪流、沟渠、湖泊、岛屿相结合的空间格局，丰富了湿地形态及生境多样性，突破了大尺度近自然湿地构建体系建设。八号桥仿自然湿地总体布置见图4。

图4 八号桥仿自然湿地总体布置Fig. 4 The overall layout of the No. 8 bridge natural simulated wetland

项目湿地沿水流走势，依次布设预处理区、主处理区、后处理区：预处理区通过模拟天然湿地的形态特征，构建以漫流式表流湿地为主的溪流特征湿地，有效占地面积为35.2万m2；主处理区充分利用内部特有的田埂分割以及周边环境形态，打造既具有岛屿形态、又具有湿地功能的岛屿滩涂特征湿地，有效占地面积48.8万m2；后处理区采取对现有坑塘进行修整形成生物稳定塘，并在其下游建造标准尺寸为200 m×60 m的湿地单元，同时项目结合右四区地势较高的特点，设置拦水闸，雍高永定河水水位向生物稳定塘补水，可充分发挥生物稳定塘的水量调节、自然沉淀以及生物净化作用，生物稳定塘出水依靠重力对下游的单元湿地进行均匀配水，后处理区共建有生物稳定塘面积14.7万m2、单元湿地面积47.4万m2。

2 强化脱氮除磷与低温稳定运行技术研究

针对项目区上游来水低碳高磷高氮水质特征、区域冬季低温气候特点，本研究在综合考虑自然湿地形态和生境多样性特征的基础上，充分借鉴传统生物脱氮除磷技术原理，将多生境强化生物脱氮技术、底质调节缓释除磷技术以及仿自然湿地冬季折流冰下运行技术措施进行有效集成，实现了良好的冬季氮磷污染物去除效果。

2.1 多生境强化生物脱氮技术

按照“低扰动、仿自然”相结合的设计思路，结合建设区域地形地貌特征及项目湿地水质净化功能定位，本项目研究构建“预处理区+主处理区+后处理区”组合工艺，形成大尺度、多生境仿自然湿地构建体系，丰富湿地系统生境形态，营造良好的厌氧/缺氧/好氧微生环境，实现良好的脱氮除磷去除效果。

1）预处理区。首端预处理区结合区域森林植被覆盖度高、河道沟渠脉络分明、局部坑塘零星点缀地形地貌特征，通过森林内部疏挖子槽，串联并优化现有河道沟渠、鱼塘形态，形成以坑塘、溪流为主体单元的功能表流湿地系统，通过延长水流路径和水力停留时间至15～20 d，加强水位波动变化，促进物理、化学、生物协同净水作用效果发挥，为主处理区水质净化创造良好条件。

2）主处理区。中段主处理区进水参照折流絮凝池构造原理构建鱼鳞湿地，增设铅丝石笼形成折流丁坝，延长水质净化停留时间，优化传统生物塘构建形式，采用砾石铺设的形式进行土壤底质改良，增大底层微生物富集面积，配合水生植物栽种，促进基质-植物-微生物协同净水作用，强化局部生物净水效率。

3）后处理区。末端后处理区充分利用区域地块田埂分割的特点，通过开挖、强夯形成围埝单元湿地，增设功能填料、微生物菌剂（主要成分为以黄杆菌属、单胞菌属为主体的耐低温微生物群落），并依靠水力高程形成梯级湿地。

后处理区基于生物脱氮除磷原理及研究成果，构建两级潜流湿地与生态塘集成串联的短程硝化反硝化脱氮湿地单元，湿地单元内进行铁屑+焦炭、焦炭、石灰质碎石、活性炭、生物陶粒等基质材料的优化配置。借鉴生物脱氮的原理，通过水位调控措施，促进复氧效率提升，构成“缺氧/厌氧-好氧”微环境，破解传统人工湿地内缺氧/厌氧条件对硝化功能菌生长的限制因素，提升生物脱氮效率。

2.2 底质调节缓释除磷技术

针对表流湿地TP去除能力有限的技术瓶颈，自主研发以生石灰为主要原料的缓释除磷材料，饱和吸附量达到0.2～0.992 mg/g；采用自然渗滤或底质1∶8的掺混调理方式，使表流湿地除磷负荷由0.01 g/（m2·d）提升至0.1～0.87 g/（m2·d），含磷污染物入河消减量达到30%以上，缓释除磷周期延长至3 a。

2.3 低温稳定运行技术

1）天然基质保温覆盖。在后处理区，潜流湿地单元结合基质材料优化配置，研究采用珍珠岩、火山岩等天然基质材料做为保温覆盖物对湿地进行保温隔离，构建形成由下至上依次为承托层（D16～64 mm石灰石碎石400 mm厚）、净化层（D8～32 mm石灰石+火山岩、沸石复合功能填料700 mm厚）、保温层（D4～8 mm珍珠岩+火山岩100 mm厚）的级配式保温复合填料床结构系统，有益于各分区填料净水功能的正常发挥，同时可在填料床表面形成一个绝热保温层，阻断大气低温对湿地内部的影响，有效避免湿地床水温耗散，降低北方人工湿地冬季冰冻的影响。

2）耐低温微生物菌剂强化。进入低温期（水温低于15 ℃）前，在鱼鳞湿地、单元潜流湿地区，通过耐低温基因DNA提取、PCR扩增技术识别湿地优势耐低温微生物菌群，并按照0.5～1 g/（m3·d）的投加比连续投加10 d，筛选构建形成以黄杆菌属、单胞菌属为主体的耐低温微生物群落，强化湿地微生物耐低温性能。

3）冷季型沉水植物优化配置。基于时间生态位互补原则，构建以芦苇、香蒲、水葱为主体的耐低温潜流湿地挺水植物搭配组合，以菹草、狐尾藻为主体的耐低温鱼鳞湿地、生物塘沉水植物搭配组合，强化植株密度形成滤网，发挥对污染物的拦截、过滤作用，并与耐低温微生物相结合，形成湿地耐低温植物-微生物群落结构体系，综合提升北方人工湿地的冬季污染物去除效果。

4）冰下折流取水-高水位调控。结合北方地区冬季气温较低、地温较高、温度纵向梯度变化明显等特点，研究在湿地系统首端进水口处设置跌水闸板，采取胸墙式冰下折流取水方式，利用常温地热能增温保温，有效保证湿地进水口结构不受冰冻影响。同时项目研究在湿地水面冰冻前，采取提高湿地运行水位形成表面冰层，再降低冰下水位的低水位运行方式，结合植物资源利用，将湿地植物秸秆收割进行冰面表层覆盖，提高表层保温效率，最终综合形成了“胸墙式冰下折流取水-低水位冰下运行”的湿地系统调控运行模式。结合填料床表层保温材料覆盖措施，能够将冰下水温控制在2～3 ℃，可进一步发挥耐低温植物/微生物水质净化功能，综合提升低温条件下的湿地出水效果。

3 水质净化与生态景观提升效果分析

3.1 水质监测方案

为充分了解项目湿地的低温季节运行效果，保障系统的出水水质，需对湿地开展水质监测分析。

1）监测点位（图4）。监测点位1，湿地总进水（E115°31′48.60″，N40°21′19.39″）；监测点位2，单元湿地进水（E115°32′21.75″，N40°20′43.19″）；监测点位3，湿地总出水（E115°32′45.05″，N40°20′12.13″）

2）监测指标。监测指标包括COD、氨氮、TP、TN共4项指标。

3）监测时间。项目研究取样检测时间为2019年9月—12月，监测频率为3次/月。

4）取样方法。取样方法参照《水环境监测规范》（SL 219—2013）中相关要求进行。

5）检测方法。COD检测方法采用重铬酸盐法（GB/T 11914—1989）；氨氮检测方法采用纳氏试剂分光光度法（HJ 535—2009）；TN检测方法采用碱性过硫酸钾消解紫外分光法（HJ 636—2012）；TP检测方法采用过硫酸钾消解钼酸铵分光光度法（GB/T 11893—1989）。

3.2 水质净化效果分析

项目运行实际监测结果表明：进入当地秋季9月份，仿自然湿地内部水温约为20 ℃左右；10月中旬，水温在8～13 ℃反复波动，下旬降低至12 ℃以下；11月底，整个仿自然湿地建设范围内表面结冰，冰下水温约为2～3 ℃；连续4个月（9月—12月）水质监测分析结果见图5。

图5 仿自然湿地系统水质净化效果Fig. 5 Water purification effect of natural simulated wetland system

由图5可知，湿地系统低温运行期间，进水中主要污染物指标COD、TN、TP、氨氮等平均质量浓度分别为24.3、2.89、0.4、0.55 mg/L，各水质指标介于地表水Ⅳ～Ⅴ类之间波动。经仿自然湿地净化后，出水中上述污染物指标平均质量浓度分别降低至20.4、1.5、0.224、0.39 mg/L，基本稳定达到甚至优于地表水Ⅲ类标准，实现了低温条件下的水质净化目标。其中，部分时段样本检测COD指标存在出水值高于进水检测值，如在9月6日、11月25日，分析原因在于秋冬季节气温下降，水生植物干枯、枝叶脱落、腐败，造成内源污染，使得湿地系统内部COD上升；加之随着温度波动，微生物的代谢稳定性也受到影响，综合造成湿地出水COD高于进水；分析氨氮指标在10月19日、11月8日、12月12日出水值高于进水检测值的原因在于湿地系统内部水生植物脱落枝叶中有机氮组分经氨化细菌作用转化为氨氮，使得系统氨氮浓度上升，同时气温变化也造成系统硝化作用的波动变化，部分时段硝化作用降低，使得湿地出水氨氮检测值高于进水检测值。

扣除气温波动影响，综合分析各类污染物平均去除效果，湿地系统对COD、TN、TP、氨氮的平均去除率可分别达到22.64%、47.78%、51.67%、21.58%；仿自然湿地的秋冬季污染物去除效果显著，明显优于传统表流湿地的水质净化效果。

3.3 生态景观效果分析

项目参照人工湿地的设计要点，结合溪流、生态塘、表流湿地、潜流湿地的功能及形态特征，突破传统湿地单一形态结构，构建以塘为主体，溪流、沟渠、湖泊、岛屿相结合的仿自然湿地系统空间格局，布局河道、旁路型湿地，天然湿地和人工湿地相结合，实现多种形态湿地的优势互补，形成兼具自然净化与强化净化功能的大尺度、多生境仿自然湿地系统。同时结合沿岸滩涂景观及深潭浅滩水生变化，因地制宜种植芦苇、香蒲、菖蒲等水质净化型水生植物，鸢尾、千屈菜、美人蕉等景观营造型水生植物，苦草、金鱼藻、狐尾藻等生境强化型水生植物，并根据空间规划进行景观分区，开辟水流带，设置人行栈道、景观节点，打造可游、可赏、可玩的仿自然湿地公园，在实现湿地净水、植物造景功能的同时，还增加了周边居民及往来游客的观光体验。

项目有效改善了河滩地单一生境的现状，新增湿地面积1.72 km2，搭配形成多样化生境格局，为水生动植物、水禽和鸟类等提供适宜的生长栖息空间。极大提升了官厅水库周边的生态环境，为永定河生态廊道构建及冬奥会区域高标准水质目标提供了技术保障。

4 结论

针对传统湿地生境单一、氮磷污染物去除水平有限、冬季低温应对能力不足的技术难题，项目研究通过构建多生境仿自然湿地系统，同时辅以底质调节缓释除磷，强化湿地的脱氮除磷去除能力；在此基础之上，通过采取优化填料床结构、菌群/植物配置以及低温运行模式的方式，提高湿地系统的冬季低温污染物去除效果，得出的主要结论包括：

1）由“预处理区+主处理区+后处理区”组成的多生境仿自然湿地系统，能够充分发挥溪流、生态塘、表流湿地、潜流湿地功能互补优势，营造湿地内部厌氧/缺氧/好氧的交替变化微生环境，提升湿地系统的脱氮除磷能力。

2）按照1∶8将土壤与生石灰掺混配置研发形成的缓释除磷材料，饱和吸附量可达0.2～1.0 mg/g，人工投加至表流湿地底部基质内部，可将表流湿地除磷负荷由0.01 g/（m2·d）提升至0.10～0.87 g/（m2·d），将TP入河消减量达到了30%以上。

3）天然基质保温覆盖、冰下折流取水-高水位调控技术措施，可将冰下水温维持在2～3 ℃，有益于进一步发挥冰下耐低温植物/微生物的污染物去除能力，提高湿地系统出水效果。

4）技术研究成果综合应用于官厅八号桥仿自然湿地，实现了低温湿地对COD、TN、TP、氨氮平均去除率分别为22.64%、47.78%、51.67%、21.58%，相比较传统表流湿地，取得了良好的技术增量。