人工湿地处理技术于低温环境的强化措施与应用

前言：人工湿地处理技术因在低温环境中去除效果相对较差，致使其在低温地区的推广和应用受到限制，目前已有大量研究表明温度可限制硝化和反硝化作用，且温度与有机物去除和特定微生物活性明显相关。研究数据显示，冬季湿地系统的平均脱氮效率比夏季低6％-11％，秋冬季节湿地系统有机物的去除率明显低于春夏两季，由此指出低温环境对湿地处理效果的影响。因此，为了提高人工湿地在低温条件的处理效果，需要采取特定的强化措施，本文将针对此种情况介绍人工湿地在低温环境中存在的问题及解决措施，以期为低温地区湿地系统的推广与应用提供技术参考。
一、人工湿地在低温环境中存在的问题

1. 低温对湿地系统中生物的影响

（1）.植物

植物是湿地处理中不可或缺的组成部分，因为它们可以在自身生长的同时利用废水中的氮和磷等物质，参与碳物质循环并进行氧转移。在湿地系统中，温度对植物的有效运行起着至关重要的作用，有研究发现，大型水生植物的平均光合速率和蒸发速率与温度有关。低温抑制植物的新陈代谢，使植物根茎缺氧，进而影响湿地系统中微生物的生命活动。一般来讲，植物生长的温度在4-36℃的范围内，基准温度为5-10℃，当温度低于10℃时，水葫芦停止生长，当温度低于5℃时，70％的芦苇叶和50％的香蒲叶变黄。由于低温状态下植物逐渐衰老，故出现了湿地系统处理效果降低的现象。

（2）.微生物

微生物在降解有机物和脱氮除磷方面起着关键的作用，有助于营养物质和有机污染物质间的循环与转化。有机物的降解主要由微生物的硝化反硝化作用来完成，脱氮除磷主要由湿地系统中的脱氮菌和除磷菌发挥作用。然而，温度变化显著影响微生物的生长和繁殖，微生物氨化作用和硝化作用尤其受到温度的影响。由于脱氮细菌的生长和活性受到抑制，脱氮效率受到很大限制。湿地中的微生物进行生命活动的最佳温度范围为15-25℃，低于这个范围硝化和反硝化细菌的代谢和活性降低，从而影响反硝化过程，导致湿地系统运行速率下降。当温度降至6℃以下时，反硝化作用几乎完全停止。在低温环境中，湿地微生物活性和代谢率降低的同时也严重阻碍了异养细菌分解有机污染物，导致有机物降解效果明显下降。

2.低温对湿地系统非生物结构的影响

湿地系统的基质是绝大部分的物理、化学和生物反应的重要场所，湿地的性能很大程度上取决于湿地介质的有效利用，常用的基质材料包括天然材料、工业废物和合成材料。基质为湿地系统中水生植物提供生长介质，为微生物生长提供稳定的附着介质，并且具有较高的水力传导性，避免污水出现短路现象。基质对污水中磷的吸附是湿地除磷的主要方式，当处于低温环境，基质液膜阻力的能力减弱，有效地将磷沿着基质的孔隙迁移到内部，从而减小了吸附位点的表面积，从而降低了磷的吸附能力。有研究指出，与高于15℃相比，15℃下PO₄^3-和TP的平均去除效率分别降低了28.5％和28.3％。温度降低会加快湿地基质冻结和堵塞的程度和速度，使污染物质去除效率大幅降低，同时地层冻结和管道堵塞可能会导致管道破裂。

二、解决措施

1.内部改善和优化

 

（1）植物配置优化

湿地系统的植物配置一般基于植物对当地气候的适应性、水体营养水平、植物根系大小、植物防污防冻特性以及抗冲击负荷能力。大型植物根系为微生物的生长提供介质，而植物覆盖层为湿地提供了隔热，并在寒冷的季节保持基质无霜冻。目前，根据各种植物对污染物的去除效果，湿地系统中芦苇、香蒲、水葫芦、菖蒲等植物较为常见，芦苇、多年生黑麦草、茭白和香蒲多在低温地区湿地栽培。为了应对人工湿地系统受低温环境的影响，有学者对一些植物进行栽培以获得更好的污染物质去除效果，例如，常绿多年生黑麦草凭借其强大的氮吸收能力，可以在0.2-2.6℃的温度下去除92.5％的NH₄⁺-N，水生苔草通过其光合活性辐射模式，在0-5℃使NH₄⁺-N浓度降低了78％。为使低温地区湿地系统持续且稳定运行，湿地配置优化具有重要意义。Zhou等人研究发现，当温度由25.5℃降至8.9℃ 时，美人蕉和千屈菜混合栽培的湿地对NH₄⁺-N的去除效率略低于柳叶菜单独栽培的湿地，说明与单一栽培植物湿地相比，混合培养植物的湿地污染物去除效果更好。Zhang等人研究发现，在我国北方地区由菹草和芦苇配置的湿地系统比仅在冬季栽培南方红豆杉的湿地NH4+-N和TP去除效率明显提高，实现了全年植物的可持续生长和养分吸收，植物配置优化对化学需氧量、总磷和总氮的去除贡献率分别提高了18％、13％和9％，显著提高了系统的性能。

（2）生物强化

生物强化是以添加生物的方式增强污染物质降解效果的过程。生物强化以如下三种方式为主：一是投加嗜冷菌。在低温环境下，在湿地系统中投加嗜冷菌能更好地适应温度波动，使湿地系统持续稳定运行。有研究发现，将低于4-7℃的温度下生长的嗜冷细菌应用于中试规模的污水处理系统对氨氮的去除率为57.7％。二是投加负荷微生物菌剂。在湿地系统中投加复合微生物菌剂通过转化土壤微生物群落结构中氮相关细菌的内在物种同质性，原位形成新的微生物群落平衡。有研究指出，低温条件下向湿地投加耐盐细菌、光合细菌、低温除磷和脱氮细菌等复合微生物菌剂，表面流人工湿地的氨氮去除率为35.4％，总氮去除率为33.6％，总磷去除率为28％，化学需氧量去除率为30％。三是投加蚯蚓。蚯蚓存在于不同类型的水生栖息地以及下水道系统中，能在低温下生存，并且蚯蚓的蠕动可以刺激沉积物代谢和微生物群落。有研究发现投加蚯蚓后人工湿地对氮和磷的去除率分别比没有蚯蚓的人工湿地高2％-5％和12％。投加蚯蚓后湿地中微孔结构增多，提高了湿地的孔隙率和比表面积，可应用于低温下的化学需氧量去除和反硝化处理，具有节约劳动力和通过减少泵的能量补充进而节能的优点。

 

（3）基质优化

人工湿地系统中基质选择的参考因素主要有机械强度、稳定性、比表面积、孔隙率和表面粗糙度等。为了降低低温对湿地基质的不利影响，有学者进行了大量研究，利用人工湿地植物多孔茎叶的微观特性制备芦竹生物炭，将其填充到基质中以增强对氮的吸附，结果表明总氮去除效率比无生物炭处理提高了50％。由于水生植物的多孔结构，这种具有高孔隙率和大表面积的植物生物炭为反硝化细菌提供了许多附着位点和生物可利用碳，有利于氮的转化。基于植物管理和资源回收的概念，生物炭的使用对于在低温下增强湿地性能是有效和必要的，循环利用废弃植物生物质资源，并且防止水体的二次污染。Zhao等人将铁基材料添加到垂直潜流人工湿地中，以增强离子交换和微生物反应，结果表明该处理在0-10℃环境下的低碳氮比废水中实现了65.62％的总氮去除效率。在除磷方面，除了使用常规砂过滤介质外，还添加了松枝、活性物质活性污泥、铁渣和石灰石，以增强磷与Ca2+和Fe3+阳离子之间的交换。

 

2. 以钢渣-灰岩为基质的人工湿地系统
（1）外部措施
湿地保温：湿地保温是通过自然或者人工隔热的方式，利用覆盖材料使低温下的湿地保持温度在稳定的范围，一定程度上防止湿地冻结。覆盖材料一般为雪、稻草、透气膜（聚氯乙烯）、碳化芦苇和有机填料等，覆盖在湿地表面的材料可以减少废水蒸发、输送和流动造成的能量损失，保护湿地内部微生物免受外部低温的不利影响。以碳化芦苇为例，添加到湿地中的碳化芦苇秸秆可以将湿地废水温度保持在11-13℃。为减少二次污染，用于湿地绝缘的覆盖物的特性应能充分分解，无任何二次有机负载，并具有中性的PH值、高纤维含量、平衡的营养成分、良好的隔热性和高保湿能力。Wallace在加拿大利用水面与冰层间的空气层在4-18℃的水面和冰面之间进行保温，虽然冰层覆盖不会像植物覆盖一样造成二次污染问题，但需要定期检查，并且在积雪有限的寒冷时期，冰雪覆盖并不足以隔离湿地。Kato等人利用废玻璃制成的轻质漂浮材料作漂浮盖，当湿地表面被部分堵塞时漂浮在被淹没的表面上，从而作为屏障截留大量有机物，只让水流穿孔进入旁通管道。漂浮盖起到绝缘材料的作用，防止系统出现零下条件，实现了化学需氧量减少70％-96％，总氮减少39％-90％，总磷降低70％-93％，氨氮降低36％-82％。

湿地温室：捕集热量和保持所需湿地温度的改进方法，研究发现即使大气温度降至-30℃，温室结构的存在使废水温度基本保持在8℃以上。当研究温度为2.3-5.3℃时，化学需氧量年平均去除率达85.01％、氨氮年平均去除率达70.98％以及总磷年平均去除率达36.48％，该方法适宜应用于寒冷地区，可以大大提高寒冷气候下污染物的去除效率。

 

（2）防寒通气保温的潜流式人工湿地系统
人工曝气在低温环境中，湿地水体持氧能力下降，系统供氧不足，降低了微生物对有机物的降解效果。随着颗粒在介质中的积累，由于孔隙空间的减少，后续去除效果通常会降低。由于低温环境植物处于休眠状态，无法提供足够的氧气来完成有机物的分解和随后的硝化作用，为了给需氧处理系统提供足够的氧气，温度较低时可以采用人工曝气的方式促进氧化反应发生，获得增强的净化作用。由于湿地底部的水从地下吸收热量，它们的温度比其余的水高，一旦曝气系统启动，底部的温水和表面的冷水会不断混合，这种混合有助于保持适中的温度，从而防止废水冻结。同时，通过刺激异养细菌活性，人工曝气可以达到40％-60％的总氮去除效率。硝化完成与人工湿地中的氧浓度密切相关，连续曝气显著提高了NH4+-N向NO3--N的转化率，但连续供氧会抑制后续的反硝化作用。然而，间歇曝气模式能够有效地平衡硝化和反硝化的过程。有研究发现，人工曝气可以提高难降解有机污染物的去除效果，温度低于-20℃，对湿地进行人工曝气后苯胺的去除率为94％，硝基苯的去除率为93％。

 

（3）工艺组合

在常见的湿地类型中，受地下隔热性能的影响，垂直流人工湿地在寒冷地区处理效果相对较好，更适合低温地区。但是，对于污染物质浓度较高的尾水，建议将人工湿地与其他污水处理技术组合使用。边喜龙研究发现，黑龙江省年平均气温为2.3-5.3℃，农村生活污水处理采用“生物接触氧化＋人工湿地”工艺，出水水质满足《农田灌溉水质标准》（GB 5084-2005）。除了去除一般污染物，对于特殊污染物质的去除可以采用藻类池塘、光催化氧化法和金属氧化还原法与人工湿地相结合的方式。相比于单一湿地处理技术，其工艺组合可以改善湿地中污染物的综合处理。