人工湿地抗低温策略之外部资源配置

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、曝气

DO对人工湿地有着十分重要的作用，当水体中DO降低时：①好氧有机物降解效率下降；②发酵成为有机物降解的主要途径，导致水体发黑发臭；③硝化过程成为氮素去除的主要限制因素。植物根系泌氧是人工湿地的主要复氧途径，但根系泌氧速率具有明显的季节变化特征。

为提高人工湿地系统的复氧能力，根据曝气位置分为4种局部曝气强化措施，进水预曝气和人工湿地前、中、后段充氧曝气。通过比较4种方式的污染物去除效果，结果表明进水预曝气对人工湿地DO的提高有限，对改善人工湿地内部氧气环境作用不大；前段曝气模式下人工湿地硝化与反硝化区域功能分区明确，脱氮效果最好。低温下（-8-16℃），前段曝气人工湿地DO平均质量浓度为1.4mg/L，非曝气组仅为1.0mg/L左右。

按曝气时间可将曝气强化措施分为间歇曝气和连续曝气。在底部曝气的水平潜流人工湿地中，连续供氧导致出水NO₃^--N大量累积，出水NO₃^--N浓度比间歇曝气增加约41.7%。由于间歇曝气能为微生物提供厌氧/好氧交替运行环境，具有更好的污染物去除效果且能降低能量损耗，实际应用中以间歇曝气运行为主。

2、保温措施

采取保温措施能从根本上解决低温对人工湿地运行稳定性的负面影响。冰雪覆盖是寒冷地区最为常用的保温措施。但易受温度扰动，保温效果不稳定。选择合适的保温材料覆盖能起到较为稳定的保温效果。沈阳浑南人工湿地工程采用碳化芦苇碎屑作为覆盖物进行保温，当环境温度下降至-17--26℃时，人工湿地水温可保持在11-14℃，且上、中、下层水温没有显著差异。另外，植被覆盖和塑料薄膜覆盖能避免或减轻冬季湿地填料的冻结。但地膜覆盖会阻碍人工湿地大气复氧且易破碎、易造成白色污染。黑龙江省海林农场在温室内的人工湿地能在环境温度降低到-30℃时使水温维持在8℃，NH₄⁺-N（71.0%）、COD（85.0%）去除效果较好。将人工湿地置于温室也是提高寒冷季节运行效果的可行选择。

3、工艺组合

人工湿地组合系统能弥补单独应用一种类型人工湿地存在的不足。目前应用最广泛的几种组合工艺有：表面流与潜流人工湿地组合工艺、水平潜流与垂直潜流人工湿地组合工艺以及多级潜流人工湿地组合工艺等。

表面流-潜流人工湿地组合工艺利用潜流单元有利于去除污水中的NH₄⁺-N、TP和COD，表面流单元有利于去除污水中的TN的特点。在处理生活污水时，冬季出水水质达《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918－2002）一级B标准。爱沙尼亚的一座水平潜流-垂直潜流二级人工湿地，在寒冷气候（-7.7-13.4℃）下出水水质满足爱沙尼亚污水处理厂排放标准。利用三级水平潜流人工湿地和三级垂直潜流人工湿地处理牲畜废水，两种组合型人工湿地均具有比单级人工湿地更好的污染物去除效率，且三级垂直潜流人工湿地污染物去除率最佳。这可能是由于三级垂直潜流人工湿地逐级下跌式的进水方式更有利于人工湿地大气复氧，促进氧气传递，提高有机物降解和硝化反应速率。

4、运行调控

水位是决定人工湿地植物类型的关键因素，并且会通过影响氧化还原电位和DO间接影响生物化学反应。美国俄勒冈州两个河岸草甸湿地的调查结果表明，物种丰富度与地下水位深度呈明显相关性。

进水方式是人工湿地另一重要的运行参数，主要分为连续进水、脉冲进水和间隙进水。脉冲进水具有最好的TN和NO3--N去除率，积水和空水阶段交替运行有利于促进人工湿地床体内氧气的传递和利用速率，形成厌氧和好氧交替的环境，促进含氮污染物的降解。尽管连续进水的氧气条件较差，但进水流量稳定有利于维持人工湿地内部温度稳定，在冬季可起到一定的抗低温效果。水力停留时间反映了污染物与植物根区、基质和微生物的接触时间。美国佛蒙特州四座水平潜流人工湿地的运行结果表明，水力停留时间与BOD5去除率呈正相关。然而，我国宁波运行的塔式混合型人工湿地在低温下（8℃）以不同水力负荷运行时，TN和BOD5去除率却没有明显差异。这表明水力负荷与污染物去除率之间的关系还可能受人工湿地结构影响。实际应用中应当兼顾人工湿地占地面积、运行成本等因素合理选择水力停留时间。