低溫環(huán)境對(duì)人工濕地污水處理的影響與強(qiáng)化措施

景 茜，國 潔，羅 曉，龔嘉星

（1.河北科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050018;2.河北科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北省污染防治生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050018）

0 引言

人工濕地是一種模仿自然濕地建造的污水處理系統(tǒng)，利用濕地植物、微生物、基質(zhì)之間的協(xié)同作用來凈化水質(zhì)。

與傳統(tǒng)的水處理工藝相比，人工濕地具有管理維護(hù)簡單、投資少、出水水質(zhì)好、低能耗和高成效等優(yōu)點(diǎn)。

然而，人工濕地在運(yùn)行時(shí)受到多種因素的影響，如：濕地的類型、運(yùn)行方式、水力負(fù)荷、氣溫變化、濕地植物生長情況等，其中溫度變化對(duì)其影響最為顯著，在低溫下，微生物活性降低，濕地植物會(huì)休眠、枯萎甚至死亡，導(dǎo)致污水凈化效果大幅降低，特別是對(duì)氨氮的去除影響較大。

1 人工濕地冬季與春夏對(duì)N 和P 的去除效果

人工濕地冬季與春夏對(duì)N 和P 的去除效果比 較見表1。

表1 人工濕地冬季與春夏對(duì)N、P 的去除效果比較Table 1 Comparison of removal effect of N and P in constructed wetland in winter and spring

由表1 可得，冬季低溫條件下，人工濕地對(duì)NH4+N、TN、TP、COD 的去除率分別比春夏常溫下低19.7%～83.3%、20.89%～85.5%、7.8%～60.2%、29.9%～59.2%。低溫限制了人工濕地在寒冷地區(qū)的廣泛應(yīng)用與推廣。為實(shí)現(xiàn)人工濕地全年穩(wěn)定高效的運(yùn)行目標(biāo)，在分析低溫環(huán)境對(duì)人工濕地系統(tǒng)運(yùn)行效果影響的基礎(chǔ)上，總結(jié)了常用的解決方法，以期為人工濕地在北方寒冷地區(qū)的應(yīng)用和推廣提供參考。

2 低溫對(duì)人工濕地處理效果的影響

人工濕地凈化污水主要靠植物、微生物和基質(zhì)三要素共同作用。在寒冷條件下，人工濕地處理效果較差，主要原因是低溫影響三要素的凈化功能從而影響人工濕地處理效果，了解低溫對(duì)三要素的影響是研究人工濕地系統(tǒng)在寒冷地區(qū)運(yùn)行和強(qiáng)化的難點(diǎn)和重點(diǎn)問題。

2.1 對(duì)植物的影響

植物是人工濕地必不可少的組成部分，對(duì)濕地凈化有重要意義。植物通過吸收氮磷和為濕地微生物提供好氧環(huán)境和反應(yīng)場所來實(shí)現(xiàn)凈化。在北方地區(qū)的冬季，由于低溫使植物進(jìn)入休眠狀態(tài)，植物的新陳代謝速率減慢，復(fù)氧能力降低，進(jìn)而降低了植物對(duì)污染物的吸收和去除能力；同時(shí)，植物腐爛后進(jìn)入濕地會(huì)增加污染物處理負(fù)荷，形成二次污染；因?yàn)榈蜏氐挠绊?，植物在凈化污水方面的能力?huì)顯著降低。權(quán)威的成果提出，低溫主要通過改變植物的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)、酶活性以及抗氧化能力等方面來影響植物的正常生長和去污能力。

2.2 對(duì)微生物的影響

在人工濕地污水處理中，微生物在降解有機(jī)污染物和氮方面做出了巨大的貢獻(xiàn)。具體來說，微生物脫氮主要依靠微生物的硝化作用和反硝化作用來實(shí)現(xiàn)，有機(jī)物則主要通過微生物的好氧代謝來降解除去。然而，在冬季低溫和缺乏溶解氧的條件下，微生物的生命活動(dòng)受到了嚴(yán)重抑制。研究表明，大多數(shù)微生物的正常生長溫度為20～35 ℃，硝化反應(yīng)適宜溫度為20～30 ℃，溫度＜15 ℃反應(yīng)速度急劇下降，5 ℃基本停止；反硝化反應(yīng)適宜溫度為20～40 ℃，但溫度＜15 ℃時(shí)，反硝化反應(yīng)將受到明顯抑制，5 ℃基本停止。當(dāng)水溫＜5 ℃時(shí)，對(duì)有機(jī)物去除、硝化、反硝化作用均具有嚴(yán)重的抑制作用，北方冬季平均氣溫為-5～5 ℃，東北地區(qū)冬季的氣溫可達(dá)到-20 ℃，顯然不利于冬季濕地微生物的生理代謝，從而影響凈化能力。

2.3 對(duì)基質(zhì)的影響

在濕地中，基質(zhì)扮演著重要的角色。它能夠通過攔截、吸附和沉淀等方式來去除污染物，并為植物和微生物提供生長和附著的空間，基質(zhì)可以說是濕地中大多數(shù)反應(yīng)發(fā)生的重要場所。沈?qū)氝M(jìn)的成果提出，濕地基質(zhì)對(duì)污水中總磷的去除率可達(dá)90%以上，基質(zhì)內(nèi)部的鐵、鈣、鋁、鎂等離子與水中的磷酸根離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)并生成沉淀是濕地除磷的主要機(jī)理。

然而，低溫極大的影響了基質(zhì)除磷，其實(shí)質(zhì)是溫度降低會(huì)使基質(zhì)表面的液膜阻力增大，不利于磷進(jìn)入內(nèi)部被基質(zhì)吸附固定，從而影響其除磷效果。低溫還會(huì)降低污水粘性和微生物降解污染物的速率，導(dǎo)致基質(zhì)堵塞，從而使基質(zhì)無法正常發(fā)揮凈化作用。

3 人工濕地低溫運(yùn)行的強(qiáng)化措施

由前人的研究成果可知，低溫對(duì)人工濕地有極大地不利影響，嚴(yán)重影響了濕地的處理效果，采取抗低溫措施是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的有效措施。從濕地內(nèi)部和外部2 方面增強(qiáng)人工濕地的抗逆性，有利于維持人工濕地的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1 內(nèi)部要素優(yōu)化

3.1.1 植物配置

濕地植物的選擇對(duì)濕地污水凈化效果至關(guān)重要。在北方冬季，應(yīng)選擇適應(yīng)能力強(qiáng)、耐寒耐凍、去污能力強(qiáng)、根系豐富、氧氣傳輸效率高、抗逆性強(qiáng)的濕地植物。常見的濕地植物包括蘆葦、鳶尾、香蒲、菖蒲和水葫蘆等。REDDYKR 的成果提出，多種植物配置比單一植物對(duì)水體凈化效果更好。Fan 等在冬季通過在濕地進(jìn)行金縷梅和蘆葦?shù)姆N植搭配在對(duì)COD、TP 和TN 的去除貢獻(xiàn)率上比單一植物種植分別提高了10.1%、17.6%和5.2%。

3.1.2 微生物強(qiáng)化

微生物強(qiáng)化主要從培養(yǎng)耐冷菌、構(gòu)建低溫微生物復(fù)合菌劑、微生物固定化技術(shù)三方面來實(shí)現(xiàn)。在污水處理中大多數(shù)都是常溫菌，低溫使微生物新陳代謝變慢，從而導(dǎo)致去污能力降低，若微生物是耐寒的，則不會(huì)影響微生物的生長，也不會(huì)影響污水凈化效果。趙昕悅提出，添加復(fù)合微生物菌劑可以提高人工濕地在低溫環(huán)境下的處理效率。投加量為0.5%的復(fù)合菌劑在水力停留時(shí)間為24h 時(shí)的低溫條件下可使人工濕地出水COD 達(dá)到一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn)，氨氮和總氮達(dá)到一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。

微生物固定化技術(shù)將功能微生物固定在載體上，減少外部環(huán)境對(duì)微生物的負(fù)面影響，提高了微生物的代謝活性，使菌株可以連續(xù)重復(fù)利用。呂曉冰提出，固定化微生物對(duì)低溫河水中總氮的去除效果比對(duì)照組有較大提升，去除率由4.6%～12.2%提升至26.2%～37.9%。

3.1.3 基質(zhì)選擇

基質(zhì)選擇對(duì)于不同類型的污水很重要。人工濕地的基質(zhì)選擇主要根據(jù)比表面積、孔隙率、穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度等因素。具有較大比表面積和孔隙率的基質(zhì)可以提供支撐作用，并有效解決基質(zhì)堵塞問題；沸石和火山巖等基質(zhì)在脫氮方面效果良好，無煙煤和陶粒則具有較強(qiáng)的磷吸附能力。萬曉東通過構(gòu)建含鐵基質(zhì)人工濕地優(yōu)化系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，添加鐵礦石的濕地可以顯著提高總氮和總磷的去除效果，而未添加鐵礦石的濕地效果較低。

3.2 外部運(yùn)行環(huán)境強(qiáng)化

3.2.1 覆蓋保溫

寒冷地區(qū)的人工濕地可以通過增加覆蓋物來提高內(nèi)部溫度，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。常用的覆蓋方法包括冰層覆蓋、植物覆蓋和地膜覆蓋。冰層覆蓋通過調(diào)節(jié)水位，在冰層和填料之間形成空氣層來保溫，需要定期檢查。植物覆蓋是將濕地植物收割覆蓋在表層，保溫效果不錯(cuò)，但需要在天氣回暖之前處理掉覆蓋植物以防止二次污染。地膜覆蓋是將薄膜覆蓋在濕地表層，該方法鋪設(shè)復(fù)雜、成本高，易造成白色污染。為保障人工濕地在我國北方地區(qū)冬季低溫環(huán)境下正常運(yùn)行，許多學(xué)者對(duì)人工濕地的保溫措施進(jìn)行了研究。

不同保溫措施下的人工濕地運(yùn)行效率見表2。

表2 不同保溫措施下的人工濕地運(yùn)行效率Table 2 Application efficiency of constructed wetlands under various insulation measures

3.2.2 增加水中溶解氧

在低溫環(huán)境下，濕地系統(tǒng)供氧不足，無法完成有機(jī)物分解和硝化反應(yīng)，為增加濕地內(nèi)的溶解氧量，可通過改變濕地運(yùn)行方式來改善，例如采取潮汐流運(yùn)行、間歇曝氣、跌水復(fù)氧及出水回流等；為提高人工濕地系統(tǒng)的復(fù)氧能力，蒲帥等在垂直流人工濕地不同位置投加釋氧材料，以此探究曝氣位置對(duì)垂直流人工濕地脫氮的影響。結(jié)果表明，在濕地下層曝氣，TN 去除率最高；在濕地上層曝氣，NH4+-N 去除率最高。

4 結(jié)論

低溫限制了人工濕地長期高效的穩(wěn)定運(yùn)行，通過植物、微生物、基質(zhì)強(qiáng)化、覆蓋保溫、增加溶解氧等措施，可有效增強(qiáng)寒冷地區(qū)人工濕地的污水凈化能力。未來可加強(qiáng)對(duì)以下方面的研究：

（1）微生物和植物的狀態(tài)與人工濕地的處理效果直接相關(guān)，如何維持微生物的活性和植物的正常生長發(fā)育是解決低溫人工濕地凈化效果差的根本問題，培養(yǎng)耐低溫的微生物和植物是未來需要研究的方向。

（2）現(xiàn)有研究中，多圍繞于人工濕地三要素，忽視了水體動(dòng)物對(duì)人工濕地凈化效果的影響，深入研究水體動(dòng)物和生態(tài)環(huán)境的相互作用機(jī)理很大可能會(huì)促進(jìn)人工濕地的進(jìn)一步發(fā)展。

（3）對(duì)人工濕地的研究大多體現(xiàn)在對(duì)宏觀實(shí)際問題的解決，缺乏系統(tǒng)性的理論指導(dǎo)，未來應(yīng)在深入水體凈化機(jī)理的基礎(chǔ)上，分析宏觀和微觀之間的聯(lián)系，加強(qiáng)人工濕地生態(tài)系統(tǒng)和微生物群落的演替規(guī)律，了解水體和植物根系的微生物群落、植物生理指標(biāo)、水體凈化三者之間存在的相關(guān)性。