人工濕地技術在北方天然徑流匱乏地區的應用研究

王夢園　馬勇光　劉翠霞

(1河南省環境保護科學研究院河南鄭州4500002鄭州大學環境技術咨詢工程公司河南鄭州450002)

人工濕地技術在北方天然徑流匱乏地區的應用研究

王夢園1馬勇光1劉翠霞2

(1河南省環境保護科學研究院河南鄭州4500002鄭州大學環境技術咨詢工程公司河南鄭州450002)

本文在北方人工濕地技術應用實例調研分析的基礎上，指出人工濕地是實現北方天然徑流匱乏地區廢水排放標準與水體環境功能目標有效銜接的污水處理技術，同時系統分析了北方地區冬季人工濕地運行不穩定的原因，并進一步提出低溫運行效果優化建議，為在北方天然徑流匱乏地區應用人工濕地技術保障河流水質達標提供理論基礎和經驗借鑒。

人工濕地；北方；天然徑流匱乏；水質改善；尾水處理；生態修復

1　引言

隨著我國“九五”至“十二五”四個時期水污染防治工作的推進，水污染防治工作取得了顯著成效，河流水質明顯改善。但北方省份大都因天然徑流匱乏，河流水源主要為集中污水處理廠出水，造成河流水質與水體功能要求仍存在較大差距。2015年4月國務院印發的《水污染防治行動計劃》（國發〔2015〕17號）對全國水污染防治工作提出：到2020年，七大重點流域水質優良（達到或優于Ⅲ類）比例總體達到70%以上。目前，二級（物化+生化）處理系統在全國范圍廣泛運用，并取得了較好的處理效果，但污水處理達標與河流水體功能達標不同步且氮、磷濃度偏高的問題長期存在[1]。人工濕地作為一種利用基質——微生物——植物復合生態系統的物理、化學、生物及其協同作用來凈化污水的污水處理技術[2]，具有工藝簡單、投資運行費用低且環境友好的特點，目前在我國已經得到了廣泛的應用，但在北方地區，由于人工時地受氣候影響，存在冬季去除效率降低等問題。本文就目前國內應用于水體生態修復和污水處理廠尾水處理的北方人工濕地運行情況進行了調研，為在北方天然徑流匱乏地區應用人工濕地技術保障河流水質達標提供理論基礎和經驗借鑒。

2　人工濕地技術在北方地區的應用實例

目前，除了氣候條件適宜先驅進行技術應用的廣東、浙江、江蘇等南方省份外，人工濕地污水廠處理技術在我國中部及北方的北京、山東、山西、遼寧、河南等省市也得到了較好的應用[3,4]。從地域上看，南方人工濕地技術應用以濕地修復、恢復的居多（表面流濕地為主，占地面積大，突出景觀效果），北方人工濕地應用以功能強化型人工濕地改善水質的居多（潛流濕地為主，占地面積小，景觀相對薄弱）。人工技術應用于北方地區水體修復和集中污水處理廠尾水處理的實例詳見表1、表2。

表1　人工濕地技術應用于北方地區水體生態修復實例

表2　人工濕地技術應用于北方地區集中污水處理廠尾水處理實例

根據對北方地區部分人工濕地系統運行情況的調查可知，在人工濕地進水為《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB189118-2002）一級A標準（即COD≤50mg/L，NH3-N≤5 mg/L）的情況下，人工濕地系統對COD、氨氮的平均除去效率分別可達到40%～60%、60%～80%，出水水質可接近或達到《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）Ⅲ類、Ⅳ水質要求。但在氣溫較低的冬季，北方的人工濕地系統普遍存在處理能力降低，處理效果大幅下降的問題。

3　人工濕地技術冬季低溫運行不穩定原因分析

人工濕地作為一種人工的自然系統，凈化水質的較佳溫度范圍是20℃～25℃，當水溫低于10℃時人工濕地的處理效率會明顯下降[2]。主要原因是冬季低溫運行，存在植被枯死、微生物活性降低、濕地表面凍結（床體缺氧）等諸多導致處理效果變差的問題。

3.1冬季低溫使微生物降解能力降低

微生物的代謝與溫度有關，溫度降低使微生物活性也隨之降低。冬季濕地系統溫度和氧含量低易造成微生物活性降低，使微生物對有機物的分解能力下降，相關研究及實踐證明，當水溫低于4℃時，濕地系統內的硝化反應基本停滯，COD及BOD5的去除也受到嚴重影響[5]。

3.2冬季低溫植物的污染物富集及氧傳輸能力降低

冬季低溫條件下，大部分人工濕地中植物生長停滯進入休眠狀態或枯萎，影響了植物對污染物的吸收和富集作用，也使得通過植物轉輸入濕地中的氧量降低，影響微生物的降解作用。

3.3冬季低溫更容易造成填料堵塞

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中沉積，造成濕地堵塞，同時也阻礙氧在濕地中的傳遞，減低濕地的水力傳導性，使濕地運行效率降低。

4　優化冬季低溫運行效果的建議

國內外在人工濕地系統結構設計、系統保溫和冬季運行優化等方面進行了大量研究和實踐工作[6,7]，雖然目前尚沒有一個能徹底解決濕地越冬問題的方法，但通過相應措施可有效緩解和改善低溫所帶來的不利影響。針對北方冬季低溫的特點，建議從人工濕地設計、運行及管理上采取以下措施。

4.1優化人工濕地系統選型

潛流式人工濕地水流在基質表面以下通過，可有效減少因污水蒸發和流動造成的能量損失，保證冬季人工濕地床體的熱平衡，避免了冬季濕地表面結冰后抑制大氣復氧，更適合北方地區冬季氣溫低的特點。

4.2優化植物配置

結合北方地區人工濕地技術的應用實踐，建議宜選擇蘆革、茭白、菖蒲、水芹、香蒲等耐寒、生物量多、根系發達、繁殖能力強及轉輸氧氣能力好的濕地植物。

4.3優化運行方式

建議北方地區人工濕地冬季運行，適當降低人工濕地的水力負荷和有機負荷，通過降低水力及有機負荷可在一定程度上減緩基質冰凍板結帶來的不利影響。同時建議采取間歇式運行，即每隔一定時間規律的向人工濕地進水和排水，通過有節奏的氣、水運動提高了系統的復氧能力。

4.4人工濕地保溫

為了強化人工濕地冬季的運行效果，提高水體溫度，減緩植物的休眠，人工濕地冬季可通過覆蓋形式進行保溫。一般可采用的措施包括覆蓋地膜保溫和植物保溫，地膜保溫隔離措施能使微生物活性得到提高，對NH3-N和TN的去除效果均有一定改善，但其不適合野外大面積使用，同時廢氣地膜如處理不當，易產生二次污染。植物保溫是指將收割的濕地表面枯萎的植物均勻覆蓋于濕地上。目前，在我國較多采用濕地表層植物作為越冬的主要覆蓋物，但腐敗的植物容易造成水體的二次污染。

5　結語

由于人工濕地技術存在進水污染物負荷低、占地面積大、受氣候影響大等問題，并無法替代傳統的“物化+生化”二級廢水處理工藝，但其在處理二級廢水處理后污染物濃度難以進一步降低的廢水方面具有突出優勢，是實現北方天然徑流匱乏地區廢水排放標準與水體環境功能目標有效銜接的污水處理技術，并在我國北方地區取得了較好的應用效果，因此建議北方地區選擇在有天然河道（湖泊）條件的水功能區目標考核關鍵區段建設人工濕地工程，同時組建專業管理團隊，從進水調控、冬季植物收割及覆蓋、清淤、堵塞監測等方面加強人工濕地的運行管理。

[1]王世和.人工濕地污水處理理論與技術[M].北京：科學出版社, 2007:125.

[2]王湛,萬佳靜,陳曉東.寒冷地區人工濕地污水處理技術研究進展[J].環境保護科學,2009,35（2）：30-33.

[3]劉智.河口人工濕地植物配置與景觀建設維護研究——以沈陽市輝山明渠河口濕地為例[J].環境保護科學,2013,39（5）：31-35.

[4]王淑軍,劉佩樓,徐世鵬.臨沂武河濕地的設計及其水質凈化效果分析[J].環境保護科學,2011,27（22）：61-64.

[5]譚月臣,姜冰冰，洪劍明.北方地區潛流人工濕地冬季保溫措施的研究[J].環境保護科學,2012,32（7）：1653-1661.

[6]吳振斌.復合垂直流人工濕地[M].北京:科學出版社,2008.

[7]陳曉東,常文越,王磊,等.北方人工濕地污水處理技術應用研究與示范工程[J].環境保護科學,2007,33（2）：25-28.

王夢園（1983—），女，碩士，工程師，主要從事環境影響評價、環境規劃及環境政策方面研究。