人工濕地污水處理技術在高寒缺氧地區的應用綜述

杜甫義+阿瓊+白瑪旺堆+杜道林+解清杰

摘要：人工濕地作為高效、低能耗新型生態污水處理工藝，在我國西藏等高寒缺氧地區的應用逐漸得到重視。受當地季節、溫度等因素的影響，人工濕地的運行效果下降，特別是氮、磷污染物去除率偏低，限制了其在該地區的推廣應用。結合目前人工濕地在國內外季節性低溫地區的應用情況，系統地分析了影響人工濕地在西藏等高寒缺氧地區運行效果的因素，對提高人工濕地在該地區運行效率的各種強化措施進行了總結。

關鍵詞：高寒缺氧地區；人工濕地；污水處理技術；去除率；運行效果；生態處理；溫室保溫

中圖分類號： X171.1文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）17-0016-04

通信作者：解清杰，博士，教授，主要從事污水處理技術研究。E-mail：xieqingjie73@163.com。人工濕地是一種經人工設計、建造的工程化的新型污水處理工藝，它利用基質、植物及微生物形成的復合生態系統來模擬強化自然濕地自凈能力[1-3]，使水質得到凈化。人工濕地處理污水具有出水水質好、建設運行費用低以及操作簡單[2]等優點，在國際上已經得到廣泛應用，在歐洲有超過 50 000 座的人工濕地污水處理工程，在北美也超過10 000座[4-5]。我國西藏等高寒缺氧地區由于地域廣闊、人口分散、經濟技術相對落后以及自然環境較脆弱等原因，使得人工濕地生態污水處理技術成為該地區應對日益嚴重的水污染問題的首選措施。自1987年第1座人工濕地工程建設運行以來，人工濕地在我國的應用研究也日趨成熟，但在設計、建設以及操作運行上仍然存在諸多問題[6]，在北方等季節性低溫地區表現最為突出的就是冬季低溫問題，而在西藏等高寒缺氧地區除低溫外還有缺氧問題。在我國西藏等高寒缺氧地區，由于常年平均氣溫、含氧量較低及晝夜溫差大的氣候特征，使得人工濕地系統在該地區應用時出現濕地植物長勢較弱甚至休眠、根系微生物代謝減緩甚至停止等現象，進而影響系統的運行除污效率。現有研究結果表明[7-9]，在高寒缺氧地區人工濕地去除污水中有機物[化氧需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）]和懸浮物（SS）含量受低溫的影響較小，主要受濕地床體垂直含氧量分布的影響；而銨態氮（NH4+-N）、總氮（TN）、總磷（TP）的去除率分別比氣溫適宜地區平均低120%～40.0%、12.3%～27.0%、6.1%～34.0%，可見低溫、缺氧對氮、磷的去除效果影響較大。在我國北方及全球中高緯度等季節性低溫地區，通過改進人工濕地結構設計和采用薄膜、樹葉、稻草以及冰雪等覆蓋保溫措施[10-14]，可以保證人工濕地在冬季低溫時期具有較高的去污能力，但在我國西藏等常年低溫地區采用上述措施則不能達到人工濕地正常運行的目的。針對這些問題，西藏等高寒缺氧地區對于人工濕地的結構類型設計、建設、操作運行以及保溫措施等均有特殊的要求。

1人工濕地在高寒缺氧地區運行出現的問題

人工濕地是由水體、基質、植物以及微生物組成的復合生態系統[1]，通過三者之間的物理、化學和生物的協同作用達到對污染物去除的目的[2-3]。一般認為，COD、BOD5、SS等污染物主要通過濕地填料、植物的截留吸附及其附著微生物的消耗降解等機制得到去除[2-4]；NH4+-N主要通過揮發、人工濕地基質和植物的吸收、硝化細菌的硝化作用得到去除；TN則主要通過硝化-反硝化細菌的硝化-反硝化反應得到去除[8]；TP則通過富含Ca、Mg等金屬元素的基質經吸附、沉淀反應以及植物、聚磷菌的過量吸收而得到去除[15]。然而在高寒缺氧及晝夜溫差大的氣候條件下，人工濕地的植物、基質、微生物及其對污染物的處理效率都會受到不同程度的影響。

1.1高寒缺氧氣候對濕地植物的影響

植物是人工濕地作為生態污水處理技術的基礎標志，其主要通過根莖截留吸附、吸收富集等作用去除污水中的污染物[1-2]。濕地植物除直接起到去污作用外，還具有固定人工濕地基質床體、提高基質的滲濾性、為微生物附著生存提供良好的根區微環境、向床體內部輸氧以及有效抗沖擊負荷等作用[4-8]。研究表明，在冬季低溫收割濕地植物植株后，濕地對COD、NH4+-N的去除效果仍然比未種植植物的濕地好[16-17]，植物在低溫和休眠期間，雖然其根部生長停滯但仍然具有呼吸輸氧的能力并保持一定活性，進而促進微生物的生存繁衍及對污染物的去除反應。人工濕地植物大都為草本挺水植物，在我國西藏等高寒缺氧地區，高寒缺氧及晝夜溫差大的氣候條件使得植物出現植株矮小、長勢緩慢、根系纖細、分株能力差及生長周期短等問題，到了寒冷的冬季都會進入休眠狀態或者枯萎甚至死亡，使得濕地植物在生態、形態上都發生了變化，從而使人工濕地總體的凈水效果大幅下降。另外，枯萎死亡的植物如果不及時收割處理，其植株殘體會腐壞、分解出大量有機及氮磷污染物，進而增加濕地的污染負荷影響濕地去污效率。

1.2高寒缺氧氣候對基質的影響

填料基質是人工濕地生態處理系統的“骨架”，在人工濕地中主要起到為植物和微生物的生長提供載體及穩定的依附表面、為污水在人工濕地中的滲流提供良好的水力條件、加強對懸浮固體的截留沉降等的作用[2-4]。高寒缺氧的氣候條件下，填料基質及其內部污水保持較低的溫度，使得污水的黏性增大、沖刷作用增強、擴散速率降低，從而導致根系溶解氧傳遞效率、附著微生物量及其生長代謝、反應速率下降[16-17]，最終致使附著生物膜脫落、有機物顆粒生物降解效率減小并被大量吸附截留在填料基質中而引起基質堵塞[18]，影響人工濕地的運行效率。

1.3高寒缺氧氣候對微生物的影響

人工濕地去除污染物的凈化作用與微生物的數量、活性密切相關[2]。人工濕地植物的根系和填料基質表面都富集了大量的微生物[1-3]，其中包括好氧菌、兼性厭氧菌和厭氧菌，如放線菌、聚磷菌、硝化細菌、亞硝化細菌以及反硝化細菌等。人工濕地污水處理系統中微生物的生存繁殖能力及其活性與床體基質的內部溫度、含氧量有關，隨著溫度的降低微生物活性下降，特別當溫度低于4 ℃時[1]，微生物的生理活動幾乎停止，其最適宜生長溫度在25 ℃以上[11]。我國西藏等高寒缺氧地區常年平均溫度為2～9 ℃，冬季最低可達-15 ℃左右，且晝夜溫差較大，對系統微生物的生長活性及其去污能力造成很大影響。研究表明，硝化和反硝化作用脫氮是人工濕地除氮的主要途徑之一[8]，而硝化速率在10 ℃以下將會受抑制，在6 ℃以下急劇下降，在4 ℃以下趨于停止[10]，反硝化速率在15 ℃以下急劇下降[10-11]。低溫環境下，磷素的去除機理較為復雜，Helmer等在研究聚磷菌的“厭氧釋磷-好氧吸磷”過程時發現，當系統運行溫度從20 ℃降至10 ℃時，聚磷菌的過量吸磷能力下降，但降至5 ℃時卻會迅速提高，溫度繼續下降時，其吸磷能力下降[19]。

2人工濕地在高寒缺氧地區運行解決措施

針對人工濕地在高寒缺氧地區基質、植物、微生物受氣候影響致使運行效率較低的問題，并結合我國北方及全球中高緯度季節性低溫地區人工濕地設計、構建及運行經驗，目前國內外學者主要關注人工濕地的設計、建造、運行操作以及輔助強化措施等方面的研究，以期提高人工濕地在高寒缺氧地區的去污能力，特別是對氮、磷污染物的去除能力。

2.1高寒缺氧地區人工濕地設計

2.1.1結構選型人工濕地分為表面流和潛流2種基本形式，不同類型的人工濕地特性見表1。表面流人工濕地一般由土壤為基質，種植挺水、浮水植物組成的生態系統，附著微生物量較少，且由于水流在濕地床體表層流動，易受外部天氣等因素影響，保溫性能較差；在西藏等高寒缺氧地區，常年低溫、缺氧的氣候條件更加使得微生物活性及水體大氣復氧能力下降，加上濕地植物長勢弱、生命周期短，致使濕地系統運行效果不佳，不適合在該地區應用。潛流式人工濕地根據進水方式，又可以分為水平潛流和垂直潛流人工濕地；潛流式人工濕地是由一定深度的礦物基質為床體，表層種植挺水植物組成的生態系統，其附著微生物量較大，水流在池體內部基質中通過，保溫性能較表面流人工濕地好[11]。采用潛流進水方式使得污水處理充分利用了人工濕地的填料基質和植物根系[14]，增加了微生物的附著表面、改善水力條件、便于提高和維持床體內部污水的溫度和溶氧量[1-2]，以提高其去除污染物的能力。針對人工濕地在高寒缺氧地區所面臨的問題，為保證人工濕地在該地區的高效穩定運行，潛流人工濕地更具優勢，設計、建造時應為首選。表1不同類型人工濕地特性

效果表面流表面漫流低一般強弱弱簡單大低大差好水平潛流水平潛流較高強較強強強一般一般較高一般好好上行垂直流上行垂直流較小強一般較強較強復雜較小高一般一般較好下行垂直流下行垂直流較小強強一般較強復雜較小高一般一般較好

2.1.2基質選擇及裝填人工濕地中的基質別稱填料，是人工濕地構建生態系統的“骨架”。人工濕地基質的選擇應遵循比表面積大、透氣性好、便于取材、經濟適用的原則，在構建水平潛流和垂直潛流人工濕地時，基質的選擇及裝填方式因污水特征污染物和地域的差異而有所不同。疏松多孔、通氣性好、比表面積大的填料基質一方面有利于空氣中的氧氣進入濕地，促進硝化作用；另一方面填料基質含水率高，有助于形成厭氧環境，促進反硝化作用脫氮[10]。富含Ca、Mg、Fe、Al等金屬氧化物的礦物基質能有效地固定磷；酸性條件下，含Fe、Al豐富的填料基質對磷的去除效果較好；堿性條件下，含Ca、Mg豐富的填料基質能有效沉淀除磷[14]。

一般來說，采用潛流人工濕地處理以有機物、懸浮物為特征污染物的污水時，可以選用粗沙、礫石或灰渣中的一種或幾種為基質；以去除氮、磷為目的的人工濕地最好選擇多孔、透氣性能好、比表面積大的西藏等高寒缺氧地區的當地材料，如多孔透氣磚、鐵礦渣、石灰石或頁巖等，不同基質特性見表2。劉佳等認為，潛流人工濕地內填料基質應按級配形式逐層裝填，使濕地床體內部具有良好的水力傳導及大氣復氧能力，為濕地能較好地去除污染物提供保證；其研究的沈陽渾南人工濕地示范工程進水TP含量為3.48～7.21 mg/L，在冬季低溫（低于 0 ℃）條件下TP去除率達到87.75%～92.05%[20]。研究表明，基質通過吸附、沉淀反應除磷屬于物化反應過程，與植物、微生物的作用相比，受氣溫影響較小[21]，因此濕地基質在高寒缺氧地區對污水的凈化作用顯得尤為重要。適合西藏等高寒缺氧地區建造人工濕地的基質填料如表2所示。

2.1.3濕地植物的選擇配置濕地植物是人工濕地作為生態處理技術的基礎，不同的植物種類和生長形態影響其對污染物的吸收、富集能力和附著其生長的微生物量及活性，進而影響有機物、氮、磷的去除效果[1-4]。鑒于西藏等高寒缺氧地區的高原氣候，為保證人工濕地植物的生長狀態，應種植耐寒表2西藏當地的基質填料種類和特性

種類特性礫石人工濕地最常用的填料，吸附容量不高，銨態磷去除能力一般多孔透氣磚內部充滿細微的孔穴和通道，具有很好的吸附性，廣泛用作吸附劑，銨態氮吸附能力強石灰石具有較強的除磷能力，但會提高出水堿度，必須充分考慮植物耐受性，控制石灰石在填料中的比例礦渣分酸性礦渣和堿性礦渣。堿性礦渣孔隙率大，有利于有機物去除，但會提高出水堿度，必須充分考慮植物耐受性，控制礦渣在填料中的比例碎石人工開采的石料經粉碎而成，來源豐富，價格較低，含硅酸鹽較多，有利于磷的吸附粗沙粒徑為0.5～1.0 mm的天然粒料，吸附能力一般

性強、輸氧能力好、繁殖性能好、根區豐富及生物附著量多的當地植物。在濕地植物種類選擇方面張春艷等認為，為增大人工濕地植物附著微生物的種群數及生物量，并提高濕地床體內部的溶氧量，以形成利于去除污染物的根區微環境，應按植株根系垂直長度的不同選擇配置不同的植物[22]。在濕地植物種植方式方面，一般認為不同種類的植物進行混合復配、輪作可延長植被覆蓋時間、增加附著微生物量、促進植物吸收富集[1-3]，提高污染物的去除效率，但也有學者認為不同植物混合配置的人工濕地抗季節變化能力差[23]。通過對比研究西藏地區幾種常見的地方濕地植物的生長狀態及去污性能發現，黑三棱、水蔥、蘆葦、菖蒲等對COD、TP、TN的去除效果明顯好于其他植物，且根系發達、抗逆性強、具有一定的經濟與景觀效應，適合在高寒缺氧地區的人工濕地種植。不同種類植物的建議種植密度見表3。

表3適宜西藏等高寒缺氧地區種植的濕地植物種類和密度

植物種類適宜種植密度

（叢/m2）備注黑三棱（Sparganium stoloniferum）9～162～3株或芽/叢水蔥（Scirpus validus）10～252～3株或芽/叢蘆葦（Phragmites communis）10～252～3株或芽/叢菖蒲（Acorus calamus）9～162～3株或芽/叢藨草（Scirpus triqueter Linn.）10～252～3株或芽/叢杉葉藻（Hippuris vulgaris）9～252～3株或芽/叢

2.1.4負荷最優化在西藏等高寒缺氧地區設計人工濕地時，應考慮過高的水力負荷和有機負荷都會對其在常年低溫缺氧條件下運行產生不利影響。其中，水力負荷過大會導致污水停留時間過短、沖刷作用增大，無法滿足微生物世代生長及降解有機物、氮、磷所需的時間，且可能導致部分微生物、未被充分降解的污染物隨水流流出系統，最終影響系統對污染物的去除能力[16]。此外，較大的有機負荷會導致系統凈化效率降低、基質堵塞程度增強；低溫、缺氧條件下人工濕地表層微生物的活性較低，降低有機負荷可以在滿足微生物生長所需營養的前提下最大限度地使系統達到理想處理效果[2]。張建等在冬季低溫條件下研究了潛流式人工濕地處理污染河水時不同水力負荷對污染物去除效果的影響，結果表明，水力負荷由0.30 m/d降低到0.15 m/d后，NH4+-N去除率增加了25%，COD的平均去除率增加了11%[24]。

2.2運行操作

在西藏等高寒缺氧地區的氣候條件下，人工濕地采用周期間歇式的運行方式可以提高濕地內部溶解氧的傳遞能力，進而提高系統污染物的去除能力。周期間歇式運行，即間隔一定時間向人工濕地周期式地進水、排水；當污水排出人工濕地時，空氣進入床體基質中，當污水排空后重新向人工濕地進水時，空氣被迫從床體基質中排出，通過周期性的氣、水運動，提高了系統的富氧能力，提高了對污染物的凈化能力；另外，還可以在人工濕地中交替形成好氧-厭氧環境、促進硝化-反硝化細菌的脫氮作用[1-2]。周健等研究了人工濕地在低溫（5～10 ℃）下采用周期間歇式運行的微生物脫氮性能，結果表明，NH4+-N、TN的去除率分別達到85.9%、48.4%[25]。崔玉波等在研究低溫（低于11 ℃）下人工濕地周期間歇式（周期停留時間3 d、進出水間隔6 h）運行效果時發現，脫氮效果增加了11.4%[26]。

2.3輔助強化措施

2.3.1人工曝氣強化根據眾多學者對于人工濕地中污染物去除及溶解氧的分布、傳遞機理的研究表明，人工濕地床體內部基質中溶氧量是去除各類污染物的關鍵性限制因素[10]。在西藏等高寒缺氧地區，人工濕地增加底部曝氣可以提高池體基質內溶氧量、增強附著微生物活性、提高低溫和植物枯萎期間根區溶解氧的利用率，且可以減輕污水在濕地內部的流態基質堵塞程度，進而提高對污染物的去除能力[1-2]。在人工濕地床體底部增設曝氣管，使濕地床體具有呼吸功能，可提高人工濕地微生物降解有機物的能力；但底部曝氣作用破壞了濕地床體垂直方向上的好氧-缺氧環境，抑制了反硝化細菌的反硝化脫氮作用[10-14]。

進水預曝氣和濕地前、中、后部局部充氧曝氣是現階段人工濕地主要采用的4種充氧措施。任擁政等研究局部曝氣對人工濕地去除污染物的影響時發現，進水預曝氣對提高濕地床體內溶氧量作用甚微；但在濕地床體的前部和后部進行曝氣，對COD、NH4+-N的平均去除率分別達62.12%、58.09% 和93.5%、96.6%，且系統抗沖擊負荷的能力較強[27]。鄢璐等在研究濕地床體中部充氧曝氣對人工濕地去除污染物的影響時發現，有機物去除率提高約10%，NH4+-N、TN去除率提高60%左右，TP去除效果無明顯提高[28]。以上試驗結果表明，人工曝氣措施對改善人工濕地內部溶解氧分布及污水處理效果的作用很明顯，且對濕地前部、后部采取曝氣措施的處理效果優于中部曝氣措施。

2.3.2溫室保溫隔離措施在西藏等高寒缺氧地區，人工濕地對污染物的去除受溫度影響較大，因此，對其采用保溫措施是必須的。目前在國內外季節性低溫地區主要采用隔離保溫措施，即在濕地床體上覆蓋不同的保溫材料起到保溫作用；國內外學者研究了冰雪、稻草、PVC透氣薄膜、收割濕地植物、炭化后的蘆葦屑、有機填料等覆蓋材料的保溫效果[11]。劉學燕等在冬季低溫（-30～-20 ℃）條件下采用空氣和冰雪隔離層保護研究了潛流式人工濕地對河北省張家口官廳水庫微污染水的凈化效果，結果表明，NH4+-N、TN的去除率分別達到 42.9%、48.4%[14]。申歡等在低溫（-2.5～6 ℃）條件下采用收割的濕地植物覆蓋潛流式人工濕地進行保溫，對 NH4+-N、TN、TP的平均去除率分別達到26.5%、9.6%、314%，和未進行保溫的人工濕地相比分別提高9.7%、50%、15.9%[12]。可見，人工濕地隔離保溫措施能有效提高污染物的去除效果。但在我國西藏等常年氣溫、平均含氧量較低且晝夜溫差大的地區采用上述措施則不能像季節性低溫地區一樣達到人工濕地正常運行的目的。基于人工濕地生態技術在西藏等高寒缺氧地區應用須解決高寒、缺氧問題的考慮，西藏地區是低緯度、高海拔高原，空氣潔凈、太陽輻射強烈（年輻射量高達7 000 MJ/m2），可以充分利用此部分自然能源作為熱源，配合采用農業種植中的溫室保溫技術，人為形成一個半封閉的生態平衡小環境，以維持和提高污水處理以及濕地植物生長所需的溫度和溶氧量。馬津偉等在致力于青藏鐵路沿線站區生活污水處理研究時提出了在生態大棚污水處理系統中將污水處理和大棚保溫技術有機結合的觀點，充分利用太陽能，結果表明，在西藏冬季最冷月，棚內溫度白天仍能保持25 ℃以上，清晨最低棚內溫度也能達到4 ℃以上，完全可以滿足污水處理系統及植物生長的溫度要求；土地處理系統出水水質達到GB 8978—1996《污水綜合排放標準》一級標準，可回收用于沖廁[29]。

2.3.3預處理措施西藏等高寒缺氧地區的氣候條件導致人工濕地植物、微生物活性降低，許多研究者在人工濕地處理系統前增加預處理措施，以保證該地區人工濕地各季節的運行效果較為穩定[14]。目前預處理措施主要是為了在污水進入人工濕地前進行增溫、充氧、增加抗沖擊負荷能力、沉淀懸浮固體防止濾料堵塞、優化污水可生化性及促進微生物的增殖，提高人工濕地的去污能力[3-4]；具體措施主要是增設太陽能調節池[29-30]、沉淀池、厭氧消化池、接觸氧化池[30]等預處理構筑物。翟俊等在西藏昌都地區研究太陽能預熱和接觸氧化作為預處理設施對人工濕地運行的影響，結果表明，在冬季最寒冷季節，出水水質可達到GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》的一級B標準；春、夏、秋季可達到一級A標準[30]。

2.3.4強化深度處理在西藏等高寒缺氧地區的氣候條件下人工濕地處理后的污水仍然存在污染物濃度較高的可能，若直接排入受納水體，將增加自然水體的自凈負荷。國內外學者將人工濕地與穩定塘、土地滲濾系統等串聯起來，人工濕地作為主體，穩定塘、土地滲濾系統作為人工濕地的深度處理，對提高污染物去除率起很大作用。Ham等在冬季低溫（平均溫度-0.2 ℃，最低溫度-12.0 ℃）條件下，應用人工濕地、穩定塘組合系統對分散式農村污水進行處理，研究表明，穩定塘對TN、TP的平均去除率分別為25%、28%，使整個系統對TN、TP的平均去除率分別提高到51%、46%，大大提高了系統對N、P的去除能力[31]。馬津偉等利用生態大棚污水處理系統處理青藏鐵路沿線站區生活污水，利用土地滲濾系統作為深度處理設施，結果表明，土地滲濾系統將銨態氮出水濃度由4.2～6.3 mg/L降低至1.4～2.2 mg/L，總磷出水濃度由0.4～0.8 mg/L降低至0.2～0.5 mg/L[29]。

3結語

人工濕地的植物、基質、微生物3個主要組成部分均易受西藏等高寒缺氧地區的氣候條件影響，導致系統運行效果較差，特別是對氮、磷污染物去除率降低。但可以通過選擇人工濕地的類型、優化配置濕地植物、篩選填充基質、采取溫室保溫措施、優化運行參數、增設預處理及深度處理設施等方法來緩解和改善低溫、缺氧帶來的不利影響，解決人工濕地在西藏等高寒缺氧地區運行難的問題，從而為人工濕地在高寒缺氧地區的推廣使用奠定技術基礎，具有很好的實際意義。

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