人工湿地抗低温策略之内部优化

低温对人工湿地的影响是一个没有单一解决方案的综合问题，为了提高人工湿地低温运行效率，国内外学者基于人工湿地内部组成和外部运行操作因素提出了许多抗低温措施，使人工湿地对污染物，特别是对氮磷的去除能力显著提高。本文基于文献报道，梳理了低温对人工湿地主要组成部分的影响机理，从内部组分优化和外部资源配置两方面分析总结了现有应对低温的人工湿地技术措施。

1、植物选择

人工湿地植物选择需基于几点要求：

①植物对当地环境的适应能力；

②根系发达程度与输氧能力；

③抗逆性；

④污染净化能力；

⑤景观价值；

⑥水体营养水平和特征污染物类型。

目前最常用的湿地植物主要是香蒲、菖蒲、芦苇、鸢尾等挺水植物。寒冷地区可选择用耐寒植物替代常用湿地植物。种植西伯利亚鸢尾的水平潜流人工湿地，低温（4.4℃）时仍具有较高的有机物和氮磷去除率。
 

季节性植物选配利用不同植物去除效率随季节的变化，实现人工湿地全年稳定的污染物去除。利用菹草和芦苇生长发育历期差异组成的选配系统，相比于种植芦苇的人工湿地冬季NH₄⁺-N和TP去除率分别提高18.1%和17.6%。植物通过根系分泌化感物质对其他种类植物生长具有促进或者抑制作用，合理的植物搭配能提高污染物去除能力并且增加低温下人工湿地的生态稳定性。因此，近年来寒冷地区湿地植物选配由单一耐寒植物的选择向植物种间协同作用发展。

2、基质选配

基质在满足成本和本地适用性两个基本因素后，还应充分考虑物理、化学和生物特性。例如，基质颗粒大小对水力特性和孔隙度起决定性作用。基质粒径越细人工湿地净化效率越高，但容易造成基质堵塞和表面堆积物桥接，降低人工湿地使用寿命。针对污水类型，选择合适的基质能提高人工湿地的净化效率。目前常用的基质中沸石、火山岩等脱氮效果较好，无烟煤、陶粒等对磷的吸附能力较强。常见基质去污特性为缓解低温对基质污染物去除能力的影响，向基质中添加附加材料可改善基质中氧化还原条件。在添加铁基材料的垂直潜流人工湿地中，低C/N比废水在低温下（0-10℃）TN去除率达到65.5%。此外，还能实现Cu²⁺、Cr⁶⁺等多重污染净化。其机理为Fe²⁺作为电子供体驱动反硝化，提高氮的去除率，并通过离子交换反应实现重金属离子的去除。

3、微生物驯化

随着极地土壤和冰川周围与氨氧化有关的嗜冷菌及嗜冷反硝化细菌的发现，生物强化技术应运而生。固定化微生物技术不仅能有效防止微生物被水流冲走或被捕食，同时还能忍耐高污染负荷、温度和PH扰动。将富集得到的耐冷氨氧化功能菌固定化后投加到人工湿地中，耐冷氨氧化功能菌群强化处理的人工湿地（5℃）氨氮平均去除率比对照组提高24.0%。高效复合微生物技术指利用生态位分离和协同代谢等原理构建低温微生物复合菌剂。按照有机物降解菌、脱氮功能菌与除磷功能菌最优菌液体积比为10：0.5：0.5投加，在10-15℃时仍具有较好的水质净化效果。生物促生剂生物强化技术利用促生剂在原位强化系统中的土著微生物活性，提高人工湿地系统水质净化效果。以垂直流人工湿地系统为研究对象，生物促生剂添加量为5μL/L时，TN、NH4+-N去除率较对照组分别提高了71.5%和31.7%。

4、底栖动物投放

底栖动物是湿地生态系统食物链中的重要一环，在人工湿地中却通常被忽视。底栖动物分布广泛，耐污性强，不仅能通过捕食、富集直接去除水体污染物，同时还能通过扰动改善基质表面积，促进养分交换和人工湿地系统自然通风。将底栖动物引入人工湿地，构建“植物-底栖动物-微生物”综合协同体系，强化人工湿地冬季运行效果。冬季（2-8℃）利用筛选得到的摇蚊幼虫构建菹草-摇蚊幼虫人工湿地系统。相较于空白系统没有出现NH4+-N积累，且TN、NO3--N、TP去除率分别提高15.2%、29.5%和37.6%。这是由于底栖动物呼吸产生的CO2能促进植物光合作用，使植物对氮磷的吸收能力增强；排泄产生的粪便以及对颗粒有机物的矿化作用能提供丰富的碳源，提高污水C/N比，促进微生物反硝化作用；微生物实验结果表明，底栖动物肠道内具有一定数量的硝化和反硝化细菌，因此底栖动物肠道内好氧、厌氧交替环境也有利于废水中氮的去除。