北方地區(qū)人工濕地污水處理實用技術(shù)研究

孔向東

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司環(huán)境工程設計研究院，北京 100055)

北方地區(qū)人工濕地污水處理實用技術(shù)研究

孔向東

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司環(huán)境工程設計研究院，北京 100055)

針對北方地區(qū)人工濕地冬季低溫下處理效率低的問題，通過文獻資料及北方地區(qū)人工濕地工程現(xiàn)場調(diào)研，分析研究低溫對人工濕地系統(tǒng)中植物、基質(zhì)和微生物等去污影響，總結(jié)人工濕地低溫下運行的有效技術(shù)措施以及相關(guān)技術(shù)參數(shù)。

北方地區(qū)；人工濕地；污水處理；實用技術(shù)

1 概述

人工濕地處理系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的普通活性污泥法、氧化溝法、間歇式活性污泥法、吸附-生物降解法等具有去氮除磷率高、建設與運營成本低、無能耗、管理維護簡便、低CO2排放等優(yōu)勢，并具有污水資源化利用、高景觀價值、為野生生物提供棲息地等多重生態(tài)效益，在近年來發(fā)展迅速，受到世界各國高度重視，應用范圍不斷擴大，在美國、英國、德國、法國、澳大利亞、巴西、荷蘭等國家都有廣泛應用，用于處理城市污水、家畜與家禽糞水、農(nóng)業(yè)面源污染、工業(yè)廢水、暴雨徑流等處理。20世紀90年代起，人工濕地在我國的應用也日趨成熟，北京、深圳、四川、上海、海南、廣東、山東、浙江、重慶、遼寧、山西、吉林等地已先后建立了上百項大型人工濕地，應用于城鎮(zhèn)、城市綜合生活污水、中水、河湖污染水體的處理、深度凈化和修復等。但是由于我國幅員遼闊，北方和南方的氣候、植被等差異很大，南方的濕地運行經(jīng)驗與技術(shù)在北方應用存在不適應性。通過文獻資料及北方地區(qū)人工濕地工程現(xiàn)場調(diào)研，總結(jié)人工濕地技術(shù)在我國北方地區(qū)污水處理工程應用的技術(shù)和管理經(jīng)驗，提出了更具實際操作性的人工濕地低溫下運行的有效技術(shù)措施以及相關(guān)技術(shù)參數(shù)，僅供從事人工濕地工程設計、施工管理等技術(shù)人員參考。

2 人工濕地的凈化機理及工藝流程確定

2.1 人工濕地的凈化機理

人工濕地(Constructed wetlands)是由人工模擬自然濕地建造和控制的，由基質(zhì)(土壤或填料)-植物-微生物形成的生態(tài)系統(tǒng)，利用生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學、生物等的直接和協(xié)同作用，通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物降解來實現(xiàn)對污水的高效凈化處理的一種新型的污水處理技術(shù)[1]。人工濕地對有機物的去除作用是物理的截流沉淀和生物的吸收降解協(xié)同作用的結(jié)果；對氮的去除作用主要通過基質(zhì)的吸附、過濾、沉淀和氨的揮發(fā)，植物的吸收和微生物的硝化、反硝化作用，其中硝化、反硝化作用是人工濕地脫氮的主要機理；對磷的去除主要依靠填料和沉積物的吸附、植物和微生物的吸附及氣態(tài)磷的揮發(fā)等，其中填料和沉積物的吸附是人工濕地除磷的主要機理。

2.2 人工濕地工藝流程確定

按照工程接納的污水類型，人工濕地系統(tǒng)工藝流程主要包括預處理、人工濕地、后處理3個部分[1]。其中，預處理的程度和方式要根據(jù)污水水質(zhì)、人工濕地類型及要求的出水水質(zhì)等確定，預處理工藝主要包括一級處理、一級強化處理及二級處理。我國人工濕地一級處理工藝主要有格柵、調(diào)節(jié)沉砂、初沉等，一級強化處理工藝主要有物化強化法、浮動生物床、AB法前段、水解酸化等，二級處理工藝主要有SBR、氧化溝、A/O、生物接觸氧化法等。人工濕地單元包括集配水裝置、基質(zhì)、防滲層、水生生物及通氣裝置等。后處理是指置于人工濕地單元之后使出水達標排放或滿足相關(guān)回用要求的處理工藝，如活性炭吸附、混凝沉淀、過濾、消毒、穩(wěn)定塘等。

3 人工濕地類型選擇

人工濕地系統(tǒng)根據(jù)其系統(tǒng)布水方式和水體流動方式不同，一般可分為表面流人工濕地、水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地，以及各種類型的組合型人工濕地。濕地的連接方式通常有單一式、串聯(lián)式、并聯(lián)式及綜合式。表面流人工濕地與自然濕地類似，污水在基質(zhì)層表面以上通過從而得到凈化，具有投資低、操作簡單、建設運行費用低等優(yōu)點，缺點是凈化能力較低，占地面積大，難以在低溫下運行，不適合于北方地區(qū)使用。潛流式人工濕地污水在基質(zhì)層表面以下，從池體進水端水平流向出水端或垂直通過池體中的基質(zhì)層，由于冬天人工濕地床體熱量主要由地面和進水補給，目前多采用在其表面覆蓋填料，減少因污水蒸發(fā)和流動造成的能量損失，保證冬季人工濕地床體的熱平衡，提高處理效率，所以目前我國北方地區(qū)人工濕地多采用潛流人工濕地。

4 人工濕地低溫運行存在的問題

4.1 低溫對微生物的影響

人工濕地中微生物的代謝情況與溫度有關(guān)，溫度降低使微生物活性也降低。北方冬季濕地系統(tǒng)溫度和氧含量低造成微生物活性降低，使微生物對有機物的分解能力下降，而且低溫時硝化作用受到影響，硝化細菌的適應溫度是20～30 ℃，溫度過低，低于15 ℃，反應急速下降，5 ℃幾乎停止[2]。反硝化細菌的適宜溫度在5～40 ℃，但低于15 ℃，反應速度也下降。研究表明，濕地中85%的氮是通過反硝化作用實現(xiàn)的，反硝化作用是濕地脫氮的最有效途徑[3]，溫度過低同樣使反硝化作用停止，使污水中氮的去除率降低。

4.2 低溫對植物的影響

植物對人工濕地的去污機理主要是通過植物根莖吸收及其通氣組織傳輸?shù)难鯕鈦頌闈竦匚⑸锾峁┖醚醐h(huán)境。北方地區(qū)冬季氣溫低，大部分植物進入休眠狀態(tài)、枯萎或死亡，造成人工濕地整體的凈水效果大幅下降，枯萎植物的殘體進入污水會分解出含氮和磷的物質(zhì)，使?jié)竦刎摵稍黾印?/p>

4.3 低溫對基質(zhì)的影響

人工濕地的基質(zhì)，應考慮其機械強度、穩(wěn)定性、比表面積、孔隙率及表面粗糙度等因素確定[1]。北方冬季低溫氣候使微生物代謝緩慢，從而使有機物在濕地基質(zhì)中沉積，造成濕地堵塞，同時也阻礙了氧在濕地中的傳遞，減低濕地的水力傳導性，使?jié)竦剡\行效率降低。

5 人工濕地低溫運行的技術(shù)措施

5.1 隔離措施5.1.1 植物保溫隔離措施

人工濕地植物保溫通常將收割的濕地表面枯萎的植物均勻覆蓋于濕地之上。20世紀80年代，美國華萊士[4]等研究表明，覆蓋材料應具有以下特性：能完全分解而不影響系統(tǒng)正常運行；pH值為中性；結(jié)構(gòu)蓬松，纖維含量高，隔熱性好；易使種子在覆蓋物上生長；有較好的濕氣涵養(yǎng)能力。我國北方人工濕地植物保溫 多采用濕地表層植物作為越冬的主要覆蓋物。如沈陽渾南人工濕地選擇炭化后的蘆葦屑作為保溫措施，根據(jù)沈陽渾南人工濕地冬季運行監(jiān)測結(jié)果，采用植物保溫后，人工濕地床體淺層和中層溫度波動幅度不大，溫度在7～12 ℃；床體深層較穩(wěn)定，一般保持在11～13 ℃。沈陽滿堂河人工濕地利用人工濕地在冬季枯敗的濕地蘆葦?shù)戎参镒鳛楦采w保溫材料，既經(jīng)濟又使廢物再利用，同時獲得了良好的保溫效果，污水處理率較夏季僅降低10%～15%，可見植物覆蓋法可有效提高人工濕地冬季的處理效果。

5.1.2 冰雪覆蓋組合保溫隔離措施

20世紀，美國華萊士[4]成功完成了加拿大拉森海洋別墅人工濕地越冬工程，當?shù)囟練鉁貫?4～-18 ℃，采用15 cm覆蓋物隔離，并在覆蓋物下設1個5 cm的空氣縫隙，系統(tǒng)的熱損失估算為0.56 MJ/m2·d。用5 cm的冰層和5 cm的空氣層代替覆蓋物對濕地系統(tǒng)進行隔離，則系統(tǒng)的熱損失為1.22 MJ/m2·d，幾乎是前者的4倍，在寒冷的冬季，如果不能將熱損失減少到能維持的程度，濕地系統(tǒng)將會凍結(jié)，必須用覆蓋物對人工濕地進行保溫隔離。

中國農(nóng)業(yè)大學劉學燕[5]于北京官廳水庫岸邊人工濕地冬季保溫措施研究中，采用兩種對比試驗，即5 cm空氣+10 cm冰層保護和5 cm縫隙+15 cm秸稈隔離保護，結(jié)果表明，兩種方式都能保證人工濕地持續(xù)正常運行，效果良好，但冰層覆蓋的保溫效果不如地膜法，COD去除率較無覆蓋物的濕地單元僅提高7.9%～23.8%，冰雪覆蓋組合保溫隔離措施對微污染的地表水體仍然具有較好的去除凈化效果。由此可見，將污水用覆蓋物隔離，會使因水分蒸發(fā)和流動所造成的熱損失減到最小，可提高污水處理能力。

5.1.3 地膜保溫隔離措施

目前我國北方人工濕地采用農(nóng)村構(gòu)筑普通大棚所用的塑料薄膜對濕地進行保溫，可在植物表面覆蓋地膜或修建陽光棚。濕地冬季運行覆蓋地膜能使微生物活性得到提高，提高污染物的去除率，對NH3-N和TN的去除效果均有一定改善。但地膜覆蓋運行費用較高，其易破裂，產(chǎn)生白色污染，應對廢棄地膜進行妥善處理。山東省淄博市孝婦河人工濕地及沈陽滿堂河人工濕地冬季采取地膜覆蓋的保溫措施，牡丹江海林農(nóng)場人工濕地修建陽光溫室大棚，均達到較為理想的處理效果，而且采用保溫措施的濕地比無保溫措施的濕地凍土層深度大為減少。

5.2 人工濕地植物優(yōu)選

人工濕地植物的選擇是影響冬季運行的因素之一，我國北方地區(qū)人工濕地可選擇的植物種類與南方相比較少。北方人工濕地植物選擇時，應根據(jù)當?shù)貧夂驐l件，選擇植物繁殖性能強、氧氣傳輸能力好、耐寒性植物。

山東省泉河河道走廊、洸府河入湖口人工濕地、金鄉(xiāng)縣老萬福河人工濕地以及東平縣稻屯洼人工濕地等8處人工濕地均依據(jù)當?shù)乇就翝竦刂参锏姆N類進行選擇，主要選擇香蒲、蘆葦、睡蓮、野菱黑藻、金魚藻、苦草等；沈陽滿堂河濕地選用蘆葦及茭白作為濕地植物[6]，均取得了較為滿意的處理效果。目前北方地區(qū)人工濕地主要選擇蘆葦、茭白、薄荷、菖蒲、水芹、香蒲等植物，這些植物對COD、TN、TP的去除效果明顯好于其他植物，蘆葦根系發(fā)達且深，薄荷地下莖擴展寬，越冬后生長旺盛，且具有一定的經(jīng)濟和景觀效應。

5.3 人工濕地基質(zhì)類型優(yōu)選

根據(jù)對北方地區(qū)一些人工濕地調(diào)查情況，人工濕地基質(zhì)選擇各有不同，一般砂子、煤灰渣、青石子、高爐渣、礫石和鋼渣等基質(zhì)填料對氨氮的去除率較高，砂子、煤灰渣、青石子、礫石、鋼渣、高爐渣等基質(zhì)填料對有機物的去除率較高，鋼渣、煤灰渣、砂子、高爐渣、青石子、礫石等基質(zhì)填料對總P的去除率較高，綜合考慮砂子、煤灰渣在處理有機物、氨氮、總P上有較好的效果[7]。北京楊鎮(zhèn)一中人工濕地、沈陽渾南人工濕地、河北承德市某農(nóng)村人工濕地等均采用簡單的土壤、碎石、粗細砂等基質(zhì)。北方地區(qū)部分人工濕地工程基質(zhì)構(gòu)成見表1。

5.4 工藝強化措施

5.4.1 預處理

通過增強人工濕地預處理，可提高冬季人工濕地低溫處理效果，提高出水水質(zhì)。北方地區(qū)部分人工濕地工程預處理設施見表2。

表1 人工濕地基質(zhì)構(gòu)成

表2 人工濕地預處理設施

5.4.2 人工曝氣

人工濕地中氧氣的濃度和各類污染物的去除有著密切關(guān)系，是污染物去除的關(guān)鍵性限制因素[7]。冬季寒冷的氣溫造成種植在濕地上的植物衰敗，使?jié)竦刂械娜芙庋踺^夏季大幅度下降，微生物代謝減緩甚至停止，污水去除率較夏季大幅地降低。目前我國人工濕地采用人工添加氧來改善這種狀態(tài)，在濕地床體的前部、中部和后部設置曝氣管道，提升濕地中溶解氧濃度，且對濕地前部和后部采用曝氣效果優(yōu)于中部曝氣。

華萊士[4]在瓊斯縣愛荷華州人工濕地工程中，用覆蓋物對水平潛流式人工濕地進行隔離和濾床強制通風，根據(jù)進水污染物濃度(BOD為200 mg/L，氨為500 mg/L)，將基本水力負荷定在4 mm/d，盡管系統(tǒng)在非常低的溫度運行，BOD的去除率超過93%，氨的去除率超過90%。由此可見，人工曝氣措施可明顯改善冬季污水處理效果。

5.4.3 延長水力停留時間

濕地微生物與污水要有作用時間才能有較好的凈化處理效果，水力停留時間過短時，水力負荷較大，污染物未經(jīng)處理降解即被排走，致使出水各污染物去除效率較低[6]。冬季濕地氧濃度低下及微生物活性降低，為保證濕地處理效果，可適當延長水力停留時間。沈陽環(huán)境科學研究院在實際設計工作中，為了不影響污水的處理效率，潛流人工濕地一般設為1～3 d。

6 結(jié)語

目前我國北方寒冷地區(qū)工程規(guī)模的人工濕地構(gòu)建較少，高效安全地運行經(jīng)驗積累尚且不足，通過對目前已運行的北方人工濕地工程調(diào)研及相關(guān)文獻，分析人工濕地冬季運行影響因素，提出人工濕地冬季運行可采用增強人工濕地預處理、人工曝氣、延長水力停留時間等工藝強化措施，并采用植物覆蓋、地膜覆蓋等保溫措施，才能保證人工濕地冬季有效穩(wěn)定運行，對未來人工濕地低溫運行提出了研究方向和建議，以期對北方人工濕地的工程設計、施工管理及后續(xù)研究有所助益。

[1] HJ2005—2010人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范[S].

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Study on Practical Technologies in Artificial Wetland Wastewater Treatment in Northern Part of China

KONG Xiang-dong

(Environmental Engineering Design and Research Institute， China Railway Engineering Consulting Group Co.， Ltd.， Beijing 100055， China)

Aiming at the problem of low treatment efficiency of artificial wetland at low temperature in Winter in northern part of China， and with reference to the research literature and artificial wetland project site investigation， this paper analyzes the effect of low temperature on plants， matrix and microbial decontamination in artificial wetland， and derives effective technical measures and related technical parameters from the practices in artificial wetland at low temperature．

Northern part of China; Artificial wetland; Wastewater treatment; Practical technology

2014-04-22；

2015-05-07

孔向東(1965—)，女，高級工程師，1987年畢業(yè)于蘭州鐵道學院環(huán)境工程系給排水專業(yè)，工學學士，E-mail：kxd1112@126.com。

1004-2954(2015)07-0169-04

X703

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.07.038