人工濕地一到冬天就失靈？寒冷地區(qū)應(yīng)對有策略

　　人工濕地因其成本低廉、易于維護(hù)的技術(shù)優(yōu)勢在此類地區(qū)具有廣泛的應(yīng)用前景。截至目前，人工濕地已被證明是處理生活污水的一種經(jīng)濟(jì)有效的手段，并且已在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用，取得了較理想的效果，成為生活污水處理的主流工藝之一，尤其適宜在農(nóng)村推廣。

　　但從實際運行來看，我國北方寒冷地區(qū)城鎮(zhèn)集約化程度不高,小城鎮(zhèn)數(shù)量眾多、地點分散、污水無害化處理設(shè)施缺乏。受到低溫脅迫的影響，在北方寒冷地區(qū)，人工濕地運行周期短，甚至冬季無法運行，從而限制了該項技術(shù)的推廣應(yīng)用。

低溫對人工濕地去除效率的影響

低溫對有機(jī)物和ss 去除效率的影響低溫條件下，大部分植物枯死，微生物活性降低，限制了去除效率。不溶性有機(jī)物通過濕地的沉降和過濾被生物利用；可溶性有機(jī)物被微生物代謝得到去除，最終生成CO2和H2O。污水中SS的去除是由于植物根系、密集的填料相互協(xié)同，對污染物物理沉降、截留和過濾作用實現(xiàn)的。冬季植物根系仍然可以起到攔截作用，故對SS去除效率較高。

低溫對脫氮除磷的影響

冬季低溫條件下，人工濕地脫氮除磷的效率普遍較低。冬季低溫會阻礙植物的正常生長，導(dǎo)致其生物量和對營養(yǎng)物需求的變化，使 植物 對氮磷去除率下降。低溫條件下，微生物 的新陳代謝受到影響，數(shù)量和活性下降。脫氮微生物受低溫影響較大，有研究表明，硝化作用在4℃以下趨于停止，而硝化作用是除氮的限制步驟，故冬季人工濕地脫氮效率降低。低溫條件下，水體中 溶解氧 的缺乏將影響聚磷菌過量吸收磷，同時微生物原先在好氧環(huán)境下過量吸收的磷又重新釋放。如果水力停留時間縮短，過大的流速可能將系統(tǒng)中沉積的磷素沖出，造成整體上磷去除率的下降。

解決方案

低溫條件下強化人工濕地措施

人工濕地冬季運行效果不佳，是制約著中國北方地區(qū)廣泛應(yīng)用的主要因素之一。通過冬季運行實踐匯總，發(fā)現(xiàn)采取適當(dāng)?shù)亩颈卮胧ㄈ绫砻娓采w、對裸露地面的輸水設(shè)施進(jìn)行保溫等）和優(yōu)化運行管理方式（如強化預(yù)處理、連續(xù)進(jìn)水、定水位出水、保持適當(dāng)進(jìn)水量等），保證了人工濕地冬季的穩(wěn)定運行及各類污染物的高效去除。說明人工濕地在中國北方冬季低溫運行是可行的。在采取適當(dāng)措施后，北方潛流濕地的冬季運行仍可維持較好的處理效果。

保溫

低溫條件下人工濕地在運行過程中應(yīng)注重保溫，覆蓋隔離物是最簡單有效的方法之一。通常認(rèn)為好的覆蓋物應(yīng)具有以下性質(zhì)：分解不會給系統(tǒng)帶來二次負(fù)荷；pH值中性，有營養(yǎng)平衡成份；結(jié)構(gòu)蓬松，隔熱效果好，不會堵塞濾床；保水性好。

優(yōu)化配置

①  優(yōu)化設(shè)計濕地類型

低溫條件下冰凍現(xiàn)象頻繁，表面流人工濕地的水在表層流動，表層冰使水流緩滯，微生物活性降低，同時冰層阻隔了大氣復(fù)氧，使得去除效果不理想。有研究表明，表面流人工濕地在冬季的處理效果下降明顯。潛流人工濕地水在內(nèi)部流動，水力負(fù)荷較高。而土壤層保溫效果好，植物的根系充分發(fā)揮截留污染物的作用，同時微生物受氣溫影響較小，去除污染物效果好。故潛流人工濕地的運行要優(yōu)于表面流人工濕地，設(shè)計時應(yīng)優(yōu)先考慮。

②  優(yōu)化篩選濕地植物

低溫條件下人工濕地應(yīng)選擇耐寒、生長周期相對長的植物。試驗結(jié)果表明，油菜、黃花鳶尾、水芹、燈心草、虎耳草、桂花、花菖蒲可作為冬季人工濕地的選擇植物。研究發(fā)現(xiàn)，在低濃度的含氮磷水環(huán)境中，水蔥脫氮除磷能力較強。利用菹草、伊樂藻和西伯利亞鳶尾組合的人工濕地在冬季也能保持良好的凈化效果。除此之外，適宜冬季人工濕地的植物還有水鱉和浮萍。

③  優(yōu)化選擇濕地基質(zhì)

低溫條件下應(yīng)選用孔隙率大、通氣性好、比表面積大的基質(zhì)?；|(zhì)對磷的吸附主要是化學(xué)吸附，基質(zhì)在濕地除磷方面起主要作用。一般認(rèn)為基質(zhì)的類型有天然基質(zhì)、工業(yè)廢料和人工合成材料等。天然基質(zhì)中除磷效果較好的有頁巖、石灰石、沸石等。工業(yè)廢料中比較優(yōu)越的有鋼渣、高爐渣和煤灰渣，但是鋼渣出水的pH值過高。人工合成材料又包括改性材料、金屬氧化物及鹽類材料等。人工合成材料的處理效果好，但是價格略高。應(yīng)充分發(fā)揮各種基質(zhì)的優(yōu)勢進(jìn)行組合應(yīng)用池，以達(dá)到更好的處理效率。

其他措施

①   預(yù)處理

冬季低溫條件下，濕地前端可以設(shè)置預(yù)處理單元，以減輕濕地的運行負(fù)荷，同時預(yù)處理單元可以降低污染物負(fù)荷。預(yù)處理構(gòu)筑物可以是沉淀池、化糞池和厭氧消化池等。

②   人工曝氣

低溫條件下，人工曝氣會提高水中的溶解氧，提高硝化效率和磷的去除率。曝氣后水流條件改善，可以防止基質(zhì)堵塞。植物和微生物活性的提高、數(shù)量的增殖，也將為氮磷的去除助力。

③   降低水力負(fù)荷

冬季冰凍現(xiàn)象和基質(zhì)的堵塞會導(dǎo)致水力停留時間縮短，無法滿足氮磷去除所需要的時間。同時水力負(fù)荷增大會將系統(tǒng)中原有的磷素帶出，影響處理效率。故在設(shè)計時，應(yīng)適當(dāng)降低水力負(fù)荷。

④   補充碳源

污水中C／N是影響反硝化的關(guān)鍵因素之一，冬季普遍水中的碳源不足而導(dǎo)致氮磷去除效果下降。研究結(jié)果表明，在硝氮濃度高的污水中，補充有機(jī)碳源可以提高除氮效果。研究發(fā)現(xiàn)，C／N對生物溶磷的影響很大，在C／N為35：1之前溶磷量的值與C／N值呈正相關(guān)。

案例總結(jié)

丨 冬季組合工藝處理灌溉尾水的運行效果

一般而言，經(jīng)適度處理后的生活污水可用做灌溉用水、養(yǎng)殖業(yè)的衛(wèi)生用水和環(huán)境用水等。其中灌溉所需的水量最大，且對污水的處理程度的要求相對較低，是比較容易實現(xiàn)的資源化利用途徑，其主要污染物含量與農(nóng)田灌溉用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求比較接近。

采用 “水耕蔬菜人工濕地+垂直流人工濕地” 組合工藝處理灌溉尾水，由于水耕蔬菜人工濕地具有較強的顆粒態(tài)污染物截留去除作用，放置在組合工藝中的前端去除大部分顆粒性污染物，減緩或消除垂直流人工濕地堵塞現(xiàn)象的發(fā)生，并充分利用垂直流人工濕地對溶解態(tài)氮磷去除的優(yōu)勢，進(jìn)一步提高工藝的水質(zhì)凈化效果，有效控制氮磷污染物向環(huán)境的流失。

溫度是影響人工濕地運行效果的重要的因素之一，而冬季由于農(nóng)田需水量的減少，會產(chǎn)生大量農(nóng)灌尾水，因此針對系統(tǒng)冬季的處理效果下降問題，采取保溫強化措施，系統(tǒng)在保溫條件下的污染物去除特性，以及水力負(fù)荷等工藝參數(shù)的優(yōu)化。

丨 水力負(fù)荷對水耕蔬菜人工濕地污染物去除效果的影響

水力負(fù)荷對人工濕地污染物的去除具有重要影響，特別是在冬季其影響更為顯著，在冬季一般采用降低水力負(fù)荷來提高出水水質(zhì)。

采用大棚保溫措施，系統(tǒng)進(jìn)出水水溫均高出未采取保溫強化措施系統(tǒng)2℃左右，但由于整體水溫較低，其中12月至1月溫度尤為低，水路凍結(jié)，實驗暫停。其他期間平均水溫為2~11℃。

普遍存在

運行中其他問題的應(yīng)對策略

濕地堵塞問題

美國EPA對實際運行的100多個濕地的調(diào)查結(jié)果顯示，將近一半的濕地在運行5年后出現(xiàn)了堵塞問題。堵塞是一個多因素共同作用的結(jié)果：

• 一是預(yù)處理不到位。污染負(fù)荷過大致使大量不溶性有機(jī)物進(jìn)入濕地，在基質(zhì)內(nèi)大量積累，從而降低了水力傳導(dǎo)性，導(dǎo)致堵塞。預(yù)處理可以提高濕地處理效率，減輕濕地系統(tǒng)污染負(fù)荷，緩解堵塞的形成，延長使用壽命等。預(yù)處理的方法很多，主要有預(yù)沉、混凝、過濾、吸附、軟化、水解酸化、曝氣、消毒等，目前應(yīng)用的預(yù)處理工藝主要有格柵、濾池、沉淀池、曝氣池、水解酸化池、氧化塘、消毒池等。

• 二是基質(zhì)選擇或搭配不合理，致使基質(zhì)比表面積和孔隙率降低。

• 三是水力負(fù)荷過大導(dǎo)致有機(jī)物短期內(nèi)大量積累形成濕地水流短路。

• 此外，濕地流程、進(jìn)水方式不同，污水在基質(zhì)間流速、流態(tài)發(fā)生改變也會影響基質(zhì)堵塞。

對此可以通過加強系統(tǒng)進(jìn)水預(yù)處理、基質(zhì)粒徑的合理選擇及搭配、采用間歇進(jìn)水、控制水力負(fù)荷及有機(jī)負(fù)荷、與其他工藝的耦合等途徑解決。

除磷能力不足

目前認(rèn)為基質(zhì)在除磷過程中發(fā)揮的作用最大，而篩選對磷吸附能力較高的基質(zhì)、研究新型材料以加強對磷的去除是當(dāng)前除磷研究的重點之一。植物和微生物的耦合作用也是濕地除磷的一個重要機(jī)制。雖然植物和微生物單獨作用對磷直接去除貢獻(xiàn)率較小，但其協(xié)同作用可以通過影響濕地水流流態(tài)、供氧能力等改變濕地中磷素的賦存形態(tài)，從而促進(jìn)磷素去除。可以通過篩選吸收能力強的植物、通過多種植物的優(yōu)化組合等手段強化濕地對磷的去除等。

水力負(fù)荷偏低

與傳統(tǒng)污水處理工藝相比，人工濕地具有工藝簡單、投資少、凈化效果好的優(yōu)點，但同時存在水力負(fù)荷偏低、占地面積偏大的缺點。為了推動濕地在生活污水中的應(yīng)用，需要對不同流程濕地系統(tǒng)中污水的流體力學(xué)特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，深入探討水力負(fù)荷、污水停留時間、出水速率、濕地孔隙率等與凈化效果之間的耦合關(guān)系，以便為濕地的規(guī)劃和設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

設(shè)計規(guī)范欠缺

人工濕地已在我國廣泛應(yīng)用，但目前國內(nèi)尚缺乏系統(tǒng)權(quán)威的設(shè)計、運行和維護(hù)規(guī)范。有關(guān)部門應(yīng)盡快建立健全人工濕地污水處理規(guī)程，為濕地規(guī)劃設(shè)計提供合理的參數(shù)，從而降低建設(shè)風(fēng)險，促進(jìn)人工濕地在生活污水處理等領(lǐng)域的健康快速發(fā)展。

技術(shù)展望

國家環(huán)境保護(hù)總局在《國家農(nóng)村小康環(huán)境保護(hù)行動計劃》中指出，全國農(nóng)村每年產(chǎn)生生活污水約80億t。然而，由于農(nóng)村中長期形成的不良習(xí)慣，環(huán)保意識薄弱，村民將生活污水隨意排放，并且由于廣大農(nóng)村地區(qū)缺乏足夠的資金和專業(yè)的污水處理技術(shù)，90%以上的生活污水未經(jīng)過任何處理，直接就近排入到江河湖泊，使水體受到了污染，農(nóng)村生活污水最理想的處理方式就是進(jìn)行資源化利用，這樣既能充分將污水資源變廢為寶，避免對環(huán)境造成污染，還能大大降低污水的處理費用。

人工濕地作為一種污水處理系統(tǒng)，投資省、運行費用低、處理效果好，但在處理效率上還受諸多因素的限制，尤其低溫條件下處理效率會大幅降低，影響了其推廣應(yīng)用。因此，在低溫條件下，細(xì)化研究植物、基質(zhì)和微生物的微觀協(xié)同作用，以及土壤中去除氮磷優(yōu)勢菌種的強化培養(yǎng)利用；同時，尋求更高效、經(jīng)濟(jì)的措施以強化冬季人工濕地對氮磷的去除效率，包括水體的防凍措施和濕地的運行模式。