人工湿地一到冬天就失灵？寒冷地区应对有策略
慧聪水工业网 人工湿地因其成本低廉、易于维护的技术优势在此类地区具有广泛的应用前景。截至目前，人工湿地已被证明是处理生活污水的一种经济有效的手段，并且已在国内外得到广泛应用，取得了较理想的效果，成为生活污水处理的主流工艺之一，尤其适宜在农村推广。
但从实际运行来看，我国北方寒冷地区城镇集约化程度不高,小城镇数量众多、地点分散、污水无害化处理设施缺乏。受到低温胁迫的影响，在北方寒冷地区，人工湿地运行周期短，甚至冬季无法运行，从而限制了该项技术的推广应用。
低温对人工湿地去除效率的影响
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低温对有机物和ss去除效率的影响低温条件下，大部分植物枯死，微生物活性降低，限制了去除效率。不溶性有机物通过湿地的沉降和过滤被生物利用;可溶性有机物被微生物代谢得到去除，最终生成CO2和H2O。污水中SS的去除是由于植物根系、密集的填料相互协同，对污染物物理沉降、截留和过滤作用实现的。冬季植物根系仍然可以起到拦截作用，故对SS去除效率较高。
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低温对脱氮除磷的影响
冬季低温条件下，人工湿地脱氮除磷的效率普遍较低。冬季低温会阻碍植物的正常生长，导致其生物量和对营养物需求的变化，使植物对氮磷去除率下降。低温条件下，微生物的新陈代谢受到影响，数量和活性下降。脱氮微生物受低温影响较大，有研究表明，硝化作用在4℃以下趋于停止，而硝化作用是除氮的限制步骤，故冬季人工湿地脱氮效率降低。低温条件下，水体中溶解氧的缺乏将影响聚磷菌过量吸收磷，同时微生物原先在好氧环境下过量吸收的磷又重新释放。如果水力停留时间缩短，过大的流速可能将系统中沉积的磷素冲出，造成整体上磷去除率的下降。
解决方案
低温条件下强化人工湿地措施
人工湿地冬季运行效果不佳，是制约着中国北方地区广泛应用的主要因素之一。通过冬季运行实践汇总，发现采取适当的冬季保温措施(如表面覆盖、对裸露地面的输水设施进行保温等)和优化运行管理方式(如强化预处理、连续进水、定水位出水、保持适当进水量等)，保证了人工湿地冬季的稳定运行及各类污染物的高效去除。说明人工湿地在中国北方冬季低温运行是可行的。在采取适当措施后，北方潜流湿地的冬季运行仍可维持较好的处理效果。
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保温
低温条件下人工湿地在运行过程中应注重保温，覆盖隔离物是最简单有效的方法之一。通常认为好的覆盖物应具有以下性质：分解不会给系统带来二次负荷;pH值中性，有营养平衡成份;结构蓬松，隔热效果好，不会堵塞滤床;保水性好。
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优化配置
①优化设计湿地类型
低温条件下冰冻现象频繁，表面流人工湿地的水在表层流动，表层冰使水流缓滞，微生物活性降低，同时冰层阻隔了大气复氧，使得去除效果不理想。有研究表明，表面流人工湿地在冬季的处理效果下降明显。潜流人工湿地水在内部流动，水力负荷较高。而土壤层保温效果好，植物的根系充分发挥截留污染物的作用，同时微生物受气温影响较小，去除污染物效果好。故潜流人工湿地的运行要优于表面流人工湿地，设计时应优先考虑。
②优化筛选湿地植物
低温条件下人工湿地应选择耐寒、生长周期相对长的植物。试验结果表明，油菜、黄花鸢尾、水芹、灯心草、虎耳草、桂花、花菖蒲可作为冬季人工湿地的选择植物。研究发现，在低浓度的含氮磷水环境中，水葱脱氮除磷能力较强。利用菹草、伊乐藻和西伯利亚鸢尾组合的人工湿地在冬季也能保持良好的净化效果。除此之外，适宜冬季人工湿地的植物还有水鳖和浮萍。
③优化选择湿地基质
低温条件下应选用孔隙率大、通气性好、比表面积大的基质。基质对磷的吸附主要是化学吸附，基质在湿地除磷方面起主要作用。一般认为基质的类型有天然基质、工业废料和人工合成材料等。天然基质中除磷效果较好的有页岩、石灰石、沸石等。工业废料中比较优越的有钢渣、高炉渣和煤灰渣，但是钢渣出水的pH值过高。人工合成材料又包括改性材料、金属氧化物及盐类材料等。人工合成材料的处理效果好，但是价格略高。应充分发挥各种基质的优势进行组合应用池，以达到更好的处理效率。
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其他措施
①预处理
冬季低温条件下，湿地前端可以设置预处理单元，以减轻湿地的运行负荷，同时预处理单元可以降低污染物负荷。预处理构筑物可以是沉淀池、化粪池和厌氧消化池等。
②人工曝气
低温条件下，人工曝气会提高水中的溶解氧，提高硝化效率和磷的去除率。曝气后水流条件改善，可以防止基质堵塞。植物和微生物活性的提高、数量的增殖，也将为氮磷的去除助力。
③降低水力负荷
冬季冰冻现象和基质的堵塞会导致水力停留时间缩短，无法满足氮磷去除所需要的时间。同时水力负荷增大会将系统中原有的磷素带出，影响处理效率。故在设计时，应适当降低水力负荷。
④补充碳源
污水中C/N是影响反硝化的关键因素之一，冬季普遍水中的碳源不足而导致氮磷去除效果下降。研究结果表明，在硝氮浓度高的污水中，补充有机碳源可以提高除氮效果。研究发现，C/N对生物溶磷的影响很大，在C/N为35：1之前溶磷量的值与C/N值呈正相关。
案例总结
冬季组合工艺处理灌溉尾水的运行效果
一般而言，经适度处理后的生活污水可用做灌溉用水、养殖业的卫生用水和环境用水等。其中灌溉所需的水量最大，且对污水的处理程度的要求相对较低，是比较容易实现的资源化利用途径，其主要污染物含量与农田灌溉用水水质标准的要求比较接近。
采用“水耕蔬菜人工湿地+垂直流人工湿地”组合工艺处理灌溉尾水，由于水耕蔬菜人工湿地具有较强的颗粒态污染物截留去除作用，放置在组合工艺中的前端去除大部分颗粒性污染物，减缓或消除垂直流人工湿地堵塞现象的发生，并充分利用垂直流人工湿地对溶解态氮磷去除的优势，进一步提高工艺的水质净化效果，有效控制氮磷污染物向环境的流失。
温度是影响人工湿地运行效果的重要的因素之一，而冬季由于农田需水量的减少，会产生大量农灌尾水，因此针对系统冬季的处理效果下降问题，采取保温强化措施，系统在保温条件下的污染物去除特性，以及水力负荷等工艺参数的优化。
水力负荷对水耕蔬菜人工湿地污染物去除效果的影响
水力负荷对人工湿地污染物的去除具有重要影响，特别是在冬季其影响更为显著，在冬季一般采用降低水力负荷来提高出水水质。
采用大棚保温措施，系统进出水水温均高出未采取保温强化措施系统2℃左右，但由于整体水温较低，其中12月至1月温度尤为低，水路冻结，实验暂停。其他期间平均水温为2~11℃。
普遍存在
运行中其他问题的应对策略
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湿地堵塞问题
美国EPA对实际运行的100多个湿地的调查结果显示，将近一半的湿地在运行5年后出现了堵塞问题。堵塞是一个多因素共同作用的结果：
一是预处理不到位。污染负荷过大致使大量不溶性有机物进入湿地，在基质内大量积累，从而降低了水力传导性，导致堵塞。预处理可以提高湿地处理效率，减轻湿地系统污染负荷，缓解堵塞的形成，延长使用寿命等。预处理的方法很多，主要有预沉、混凝、过滤、吸附、软化、水解酸化、曝气、消毒等，目前应用的预处理工艺主要有格栅、滤池、沉淀池、曝气池、水解酸化池、氧化塘、消毒池等。
二是基质选择或搭配不合理，致使基质比表面积和孔隙率降低。
三是水力负荷过大导致有机物短期内大量积累形成湿地水流短路。
此外，湿地流程、进水方式不同，污水在基质间流速、流态发生改变也会影响基质堵塞。
对此可以通过加强系统进水预处理、基质粒径的合理选择及搭配、采用间歇进水、控制水力负荷及有机负荷、与其他工艺的耦合等途径解决。
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除磷能力不足
目前认为基质在除磷过程中发挥的作用最大，而筛选对磷吸附能力较高的基质、研究新型材料以加强对磷的去除是当前除磷研究的重点之一。植物和微生物的耦合作用也是湿地除磷的一个重要机制。虽然植物和微生物单独作用对磷直接去除贡献率较小，但其协同作用可以通过影响湿地水流流态、供氧能力等改变湿地中磷素的赋存形态，从而促进磷素去除。可以通过筛选吸收能力强的植物、通过多种植物的优化组合等手段强化湿地对磷的去除等。
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水力负荷偏低
与传统污水处理工艺相比，人工湿地具有工艺简单、投资少、净化效果好的优点，但同时存在水力负荷偏低、占地面积偏大的缺点。为了推动湿地在生活污水中的应用，需要对不同流程湿地系统中污水的流体力学特性进行系统研究，深入探讨水力负荷、污水停留时间、出水速率、湿地孔隙率等与净化效果之间的耦合关系，以便为湿地的规划和设计提供理论基础。
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设计规范欠缺
人工湿地已在我国广泛应用，但目前国内尚缺乏系统权威的设计、运行和维护规范。有关部门应尽快建立健全人工湿地污水处理规程，为湿地规划设计提供合理的参数，从而降低建设风险，促进人工湿地在生活污水处理等领域的健康快速发展。
技术展望
国家环境保护总局在《国家农村小康环境保护行动计划》中指出，全国农村每年产生生活污水约80亿t。然而，由于农村中长期形成的不良习惯，环保意识薄弱，村民将生活污水随意排放，并且由于广大农村地区缺乏足够的资金和专业的污水处理技术，90%以上的生活污水未经过任何处理，直接就近排入到江河湖泊，使水体受到了污染，农村生活污水最理想的处理方式就是进行资源化利用，这样既能充分将污水资源变废为宝，避免对环境造成污染，还能大大降低污水的处理费用。
人工湿地作为一种污水处理系统，投资省、运行费用低、处理效果好，但在处理效率上还受诸多因素的限制，尤其低温条件下处理效率会大幅降低，影响了其推广应用。因此，在低温条件下，细化研究植物、基质和微生物的微观协同作用，以及土壤中去除氮磷优势菌种的强化培养利用;同时，寻求更高效、经济的措施以强化冬季人工湿地对氮磷的去除效率，包括水体的防冻措施和湿地的运行模式。
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