人工濕地污水處理技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易操作和運行費用低等優(yōu)點。由于人工濕地占地面積較大，且都建在室外，因此，人工濕地對污染物的去除受季節(jié)影響大。在冬季溫度較低的情況下，人工濕地植物枯萎，微生物活性受到抑制，冬季人工濕地的去除效果明顯差于夏季�，F(xiàn)階段對低溫條件下人工濕地運行的研究較多，但多為理論或小試階段，對大型人工濕地的冬季運行研究較少。
提高人工濕地冬季運行效果必須要做好保溫措施。目前的研究多集中于潛流人工濕地技術(shù)，主要措施有覆蓋植物和地膜。但是這種方式并不適用于表面流人工濕地，而且這種方式存在二次污染的可能，在春季必須清除覆蓋物。對于表面流人工濕地，保溫措施主要是建造大棚，大棚在保持水溫的同時，能夠使植物在冬季正常生長，植物吸收和微生物降解污染物的過程都能正常進行。
在總結(jié)集成前人研究技術(shù)基礎(chǔ)上，我們發(fā)展高效復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)技術(shù)體系，包括把微生物凈化、植物凈化以及基質(zhì)凈化等多種技術(shù)集成創(chuàng)新，建立生物膜與營養(yǎng)膜系統(tǒng)復(fù)合，表面流與潛流系復(fù)合以及物理強化凈化與生物強化凈化系統(tǒng)復(fù)合。在臨安污水處理廠附近(青山湖淹沒區(qū))，首次建設(shè)國內(nèi)最大的尾水高效復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)凈化工程(6 X 1 0^4 t / d )。本研究通過分析該工程不同子系統(tǒng)低溫季節(jié)的水質(zhì)凈化效率，討論了通過大棚保護技術(shù)等提高人工濕地水體修復(fù)效果，為人工濕地在冬季高效運行提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)。
1 實驗部分
1. 1尾水高效復(fù)合人工濕地概況
臨安城市污水處理廠位于青山湖旁，高效復(fù)合人工濕地系統(tǒng)建設(shè)在青山湖淹沒區(qū)，用于凈化臨安污水處理廠的尾水，復(fù)合人工濕地總面積達(dá)到66 650m2，系統(tǒng)水力停留時間為35 h。本濕地具有5個子生態(tài)系統(tǒng)(見圖1):強化生物膜系統(tǒng)、有毒物質(zhì)高效脫除系統(tǒng)、營養(yǎng)膜凈化生態(tài)系統(tǒng)、高效自凈水生態(tài)系統(tǒng)和高效生態(tài)濾地系統(tǒng)。其中強化生物膜系統(tǒng)、有毒物質(zhì)脫除系統(tǒng)和營養(yǎng)膜凈化生態(tài)系統(tǒng)建有大棚保護，這3個子系統(tǒng)組成大棚系統(tǒng);高效自凈水系統(tǒng)和高效生態(tài)濾地系統(tǒng)組成露天系統(tǒng)。各模塊面積及所種植物如表1所示。
表1 模塊的面積及植物種類
1. 2樣品采集
本實驗進行時I司為2013年12月一2014年5月，每月采集濕地水樣，采樣點設(shè)置在每個子系統(tǒng)的進水日和出水日，共計6個采樣點。上午11點左右，用連接橡皮管的注射器采集樣品。采樣的同時使用溶解氧儀測定溫度和溶解氧，每個點采集3個重復(fù)。水樣采集后放于4℃冰箱保存待測。
1. 3測定方法
NH4+ -N和NO3- -N用流動分析儀(Skalar San++Automated Wet Chemistry Analyzer,the Netherlands)測定�？偟蒚OC/TN(總有機碳/總碳)分析儀(Analytikjena Multi N/C 3100 , the Germany)測定�？偭缀虲OD的測定參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》。溫度和溶解氧由溶解氧測定儀(YSI DO200 , the USA)于采樣處現(xiàn)場測定。
1. 4數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計方法
NH4+ -N、NO3- -N、TP、TN和COD去除率R的計算，見公式(1):
式中:C1為進水口NH4+ -N、NO3- -N、TP、TN和COD的濃度(mg / L ) ; C0為出水口NH4+ -N、NO3- -N、TP、TN和COD的濃度(mg / L)。
各模塊去除率貢獻率r的計算，見公式(2):
式中:Cin為模塊進水口NH4+ -N、NO3- -N、TP、TN和COD的濃度(mg / L) ,Cout為模塊出水口NH4+ -N、NO3- -N、TP、TN和COD的濃度(mg / L)。
本文采用Excel進行常規(guī)做圖及數(shù)據(jù)分析。
2結(jié)果與分析
2. 1低溫季節(jié)溫度與溶解氧的變化
2013年12月一2014年5月期間，濕地總進水日和總出水日水樣的溫度和溶解氧值變化見表2。從冬季12月到春季5月，這6個月期間水溫一直持續(xù)升高，12月最低，進水日水溫為13. 4 ℃，出水日溫度為10. 0 ℃;在5月水溫達(dá)到最高，進水日溫度為25. 1℃，出水日水溫為23. 7℃。該濕地由于前半段大棚的保溫作用，水溫保持較高且相對穩(wěn)定，在冬季的中午仍然能保持10℃以上的水溫。而溶解氧則比較穩(wěn)定，進水日溶解氧值除3月份較低(僅5. 4 mg / L)外，其他幾個月保持穩(wěn)定，變化在7. 1-7.7mg / L之間;而出水日的溶解氧值變化幅度較大，最低為3月，溶解氧值為6. 0 mg / L，最高4月，溶解氧值達(dá)到了8. 4mg / L。
表2 高效復(fù)合人工濕地進出水口水樣的水溫及溶解氧值
2. 2氮的去除效果分析
氨氮進水日濃度變化在0. 32 -3. 63 mg / L之間，12月份的進水日氨氮濃度最高，然后逐漸降低，在3月份達(dá)到最低，4-5月又呈現(xiàn)出上升趨勢(見圖2)。而總出水日氨氮濃度也與進水日表現(xiàn)出一致的變化趨勢，即最高和最低氨氮濃度分別出現(xiàn)在12月(0. 73 mg / L)和3月份(0. 14 mg / L)。總體來看氨氮的去除效果比較明顯，平均去除率達(dá)到75%左右。在各子系統(tǒng)中，強化生物膜系統(tǒng)對氨氮去除貢獻最高，平均去除貢獻率達(dá)到了40.7 %氨氮去除效果最差的是高效自凈水系統(tǒng)，平均去除貢獻率僅為8. 4%，在3月該子系統(tǒng)貢獻率為最低的一11.1%。而大棚系統(tǒng)包括強化生物膜系統(tǒng)、有毒物質(zhì)脫除系統(tǒng)、強化營養(yǎng)膜生態(tài)系統(tǒng)3個子系統(tǒng)，對氨氮的去除起主要作用，平均去除貢獻率達(dá)到了84 %，在低溫的12月一次年3月大棚系統(tǒng)對氨氮的去除貢獻仍然維持較高水平，變化在64% - 89%之間。
硝態(tài)氮的濃度變化比較穩(wěn)定，進水口為10. 09一12.91 mg / L，出水口為6. 09一11. 03 mg / L'(見圖3)。濕地系統(tǒng)對硝態(tài)氮去除能力比較低，僅11% -39%(見圖3)。對硝態(tài)氮的去除，各個子系統(tǒng)表現(xiàn)較為平均，面積較大的強化營養(yǎng)膜生態(tài)系統(tǒng)和高效自凈水系統(tǒng)去除貢獻率最高，約為28 %。而最后一個子系統(tǒng)生態(tài)濾地系統(tǒng)，平均去除率貢獻率最低，僅12%。其中，4月強化生物膜系統(tǒng)的去除率貢獻率為-18%，說明在經(jīng)過該系統(tǒng)后，硝態(tài)氮濃度有所上升。大棚系統(tǒng)平均去除貢獻率仍然較高，平均為61% ; 1月去除貢獻率最高，為75% ,4月最低，去除貢獻率僅為36%。大棚系統(tǒng)在溫度較高的3 -5月去除貢獻率有所下降。
總氮的濃度無論是進水口還是出水口變化趨勢一致(見圖4) ,1月份濃度最低，分別為11. 05和6. 33mg / L ,4月份達(dá)最高，進水口和出水口分別為15. 47和10. 96mg / L。出水口總氮濃度達(dá)到GB18918-2002一級A標(biāo)準(zhǔn)。總氮去除率變化在29 % -43%之間，低溫的12月一次年2月其去除率仍然較高，在37%-43%。總氮的去除中，各個系統(tǒng)貢獻隨季節(jié)變化而變化。隨著溫度升高，大棚系統(tǒng)的3個子系統(tǒng)貢獻率降低，露天系統(tǒng)的2個子系統(tǒng)貢獻率升高。大棚系統(tǒng)的平均去除貢獻率為62 %，而在1月和2月，大棚系統(tǒng)去除貢獻率較高，均達(dá)到了73%。而在溫度最高的5月，大棚系統(tǒng)的貢獻率只有39%。大棚系統(tǒng)在溫度較低的月份里，表現(xiàn)要好于溫度較高的4月和5月。
總體來看，該人工濕地系統(tǒng)對氮的去除效果較好，出水口氨氮、硝態(tài)氮和總氮的濃度均達(dá)到了GB18918-2002一級A標(biāo)準(zhǔn)。而且大棚系統(tǒng)對低溫季節(jié)氮的去除起到了顯著作用。
2. 3磷和COD的去除效果分析
由圖5可知，本濕地總磷去除效果較好，進水口濃度為0. 19- 0. 41 mg / L，而出水口總磷濃度僅為0. 02 -0. mg / L，去除率為77%一94%。低溫季節(jié)12月一次年2月，去除率仍高于84 %�？偭椎钠骄コ守暙I率最高的是強化生物膜系統(tǒng)，為38%，最低為生態(tài)濾地系統(tǒng)，僅11%。整個濕地表現(xiàn)為越靠后的子系統(tǒng)去除貢獻率也越低。子系統(tǒng)去除貢獻率變化與溫度的升高并沒有明顯關(guān)系。大棚系統(tǒng)對磷的去除起到了主導(dǎo)作用，貢獻率為67%一80%。
而進水口COD相對較穩(wěn)定，變化在51. 55 -59. 98mg / L，出水口為29. 58 -37. 97mg / L(見圖6)。去除率從1月份的最低32%有逐月增加的趨勢，到5月去除率高達(dá)51%，即COD的去除效果有隨著溫度上升而加強的趨勢。COD的去除貢獻率最高的是強化營養(yǎng)膜生態(tài)系統(tǒng)，為27 %;生態(tài)濾地系統(tǒng)的平均貢獻率最低，僅9%。前3個模塊對COD的去除貢獻率相對平均，后2個系統(tǒng)平均貢獻率較低。大棚系統(tǒng)在12月貢獻率最高，高達(dá)91%，在2月貢獻率最低，為65 %
因此，本研究的濕地系統(tǒng)對總磷和COD的去除效果比較好，出水日濃度均達(dá)到GB 18989-2002一級A標(biāo)準(zhǔn)。大棚系統(tǒng)在運行中對污染物去除起主導(dǎo)作用。
3討論
3. 1溫度變化對污染物的去除效果影響
人工濕地對氮的去除主要是依靠植物吸收和微生物硝化反硝化作用。在冬季，由于植物枯萎，微生物活性降低甚至停止活動，人工濕地對氮的去除率始終較低。研究表明，硝化反硝化細(xì)菌最適宜活動溫度在30℃左右，而在5℃以下，硝化反硝化細(xì)菌活動基本停止。本高效復(fù)合人工濕地系統(tǒng)由于大棚保護等的作用，為反硝化細(xì)菌創(chuàng)造了很好的溫度環(huán)境，從而促進了尾水低溫季節(jié)氨氮和硝態(tài)氮的去除效果。由于本濕地進水總氮以氨氮和硝態(tài)氮為主，因此，總氮的去除率在低溫的12月一次年2月仍然在40%左右，略高于溫度較高的3月一5月。
總磷的去除主要依靠基質(zhì)吸附和濕地植物吸收。本系統(tǒng)總磷的去除率穩(wěn)定在很高水平�？偭兹コ矢鱾�月份能夠保持在80 % -90%之間，與王學(xué)華等的研究結(jié)果一致。研究表明，人工濕地基質(zhì)對磷的吸附能力會隨著溫度的上升而有所提高;而且，傳統(tǒng)露天濕地中，植物自然凋落后，會向水體釋放出磷。而本濕地中，植物在大棚的保護作用下，冬季仍然能夠正常生長，基質(zhì)對吸附磷以及植物吸收磷的作用不會受到影響。所以本濕地中，大棚能夠從基質(zhì)和植物兩方面，提高工程的除磷能力。
COD的去除主要依靠微生物的降解作用。在溶解氧和溫度適宜的條件下，COD去除率就會大大提高。本研究中COD的去除率也表現(xiàn)出了隨溫度上升而升高的趨勢。盡管低溫季節(jié)12月一次年2月COD的去除率會受到影響，但是由于其進水日的濃度仍然較高，該濕地系統(tǒng)對COD的去除效果仍然維持較高，其出水日COD濃度仍然較低，達(dá)到了GB 18989-2002一級A標(biāo)準(zhǔn)。
3. 2各子系統(tǒng)對污染物的去除特性
各子系統(tǒng)主要分為大棚系統(tǒng)和露天系統(tǒng)。前者對氮的去除起主導(dǎo)作用，主要體現(xiàn)在以下兩個方面。首先，強化生物膜系統(tǒng)對氨氮的去除效果最好，但對硝態(tài)氮的去除較差。因為影響氨氮與硝態(tài)氮的去除另一重要因索是供氧條件，硝化作用在好氧條件下效果較好，而厭氧條件則有利于反硝化作用。本研究中強化生物膜系統(tǒng)由于有曝氣裝置，所以水體中溶解氧較高，這促進了硝化作用的進行，但是抑制了反硝化作用，氨氮大量轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，造成了硝態(tài)氮在這個系統(tǒng)去除率較低，甚至在4月硝態(tài)氮的去除率為負(fù)，這是由于4月水體溶解氧明顯高于其余幾個月。其次，營養(yǎng)膜生態(tài)系統(tǒng)對硝態(tài)氮、總氮的去除貢獻率最高，這是由于這個系統(tǒng)面積大，植物數(shù)量多，容易形成厭氧區(qū)，這就為氮索去除創(chuàng)造了良好的條件。營養(yǎng)膜生態(tài)系統(tǒng)中有大量的植物根系供微生物附著，植物吸收和微生物作用效果明顯。
總磷的去除仍然是大棚保護系統(tǒng)貢獻率較高，均高于60 %。由于系統(tǒng)總磷進水濃度不高，而大棚位于濕地前半部分，水流經(jīng)露天系統(tǒng)時，總磷濃度已經(jīng)較低，影響了系統(tǒng)的去除效果，但露天系統(tǒng)使得濕地對進水總磷濃度的提高有良好的緩沖能力。同樣，大棚系統(tǒng)對COD的去除貢獻率較高，這是由于大棚系統(tǒng)中植物冬季仍然能夠正常生長，根系附著了大量的微生物，植物的存在也能提高微生物的降解能力。具體參見污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
4結(jié)論
具有大棚保護的高效復(fù)合人工濕地在冬季低溫條件下仍然能保持較高的污染物去除率，在低溫的在12月一次年2月間，該人工濕地系統(tǒng)對NH4+ -N的平均去除率達(dá)到68%，硝態(tài)氮的平均去除率為34 %，總氮的平均去除率為39%，總磷的和COD的平均去除率為87%和34 %。污水處理廠尾水經(jīng)過高效復(fù)合人工濕地處理后，出水日各污染物均達(dá)到GB 18918-2002一級A標(biāo)準(zhǔn)。因此，在冬季低溫季節(jié)，高效復(fù)合人工濕地的前半部分系統(tǒng)添加大棚能夠顯著提高冬季氨氮、硝態(tài)氮、總氮、總磷和COD的去除效果，提高復(fù)合人工濕地在冬季對污染物去除能力，保持人工濕地全年高效凈化運行效率。
