低溫條件下人工濕地處理效果強化技術

1、低溫條件下人工濕地處理效果強化技術研究1、 人工濕地人工濕地對污染物的去除受環(huán)境，特別是溫度的影響較大，溫度過低不僅會影響人工濕地對污染物的處理效果，還可能造成填料層凍結、床體缺氧、管道破裂等多種不良后果，這些都限制了人工濕地在寒冷地區(qū)冬季的應用。 作為一種露天的生態(tài)工程水處理技術,人工濕地受環(huán)境、特別是季節(jié)溫度的影響較大,研究表明,在冬季,氨氮的轉化率會由春夏季的78 %以上降到16 % ,磷酸鹽的去除率會由50 % 以上降低到13 %3 . 而在我國北方,冬季降水相對較少,由此導致河水中污染物濃度較其它季節(jié)相對較高,因此,在冬季如果不對人工濕地工藝采取一定的強化措施,系統(tǒng)的處理出水水質將較

2、夏季出水惡化很多.人工濕地作為一種低成本、低能耗、低技術要求的水處理方法，近年來，其應用的領域不斷拓寬，已成功地用于生活污水、工業(yè)廢水、城市暴雨徑流、農業(yè)廢水的處理與管理和湖泊污染防治。人工濕地技術主要是利用系統(tǒng)中的土壤基質，對污染物進行初步的過濾，吸附，降低懸浮物濃度的同時可以將有機物截留；系統(tǒng)中的植物在進行光和作用的同時，吸收CO2，放出O2，植物的根系有很強的泵氧作用，這為土壤基質中宿住的微生物提供了良好的好氧環(huán)境，有利于微生物的新陳代謝，強化了其對有機物的去除。同時，植物根系分泌大量的植物激素，氨基酸和酶等化學物質，這些物質一方面可以將廢水中的大分子有機物分解，另一方面可以促使根際微生

3、物保持高活性，高密度和高種群多樣性。正是由于植物與微生物的這種互惠作用，使該體系在廢水處理中具有強大的潛力。由于人工濕地是基于生態(tài)、半生態(tài)的處理方式，因此人工濕地技術在北方寒冷的冬季，低溫條件下植物的生長（出現休眠）和微生物（代謝減緩）以及相應的酶活性受到極大限制，進而其運行效果會受到一定影響。污染物去除率與溫度正相關。大多數濕地植物有一個春夏季萌芽、秋冬季枯死的生長周期，在人工濕地這個半自然或人工的生境條件下， 植物生長亦存在著這種現象， 由此導致根區(qū)法污水處理系統(tǒng)冬季的污水凈化效果下降。在寒冷地區(qū)使用人工濕地技術，因為冬35 季嚴寒，能使人工濕地系統(tǒng)凍結，甚至發(fā)生管道破裂等問題，所以在冬季

4、要求對其進行隔離保護。被隔離的人工濕地系統(tǒng)的計算機模型顯示，即使在-20的低溫，適當的隔離也可有效地解決人工濕地系統(tǒng)的冰凍問題。針對北方地區(qū)人工濕地冬季運行環(huán)境溫度較低，污水處理能力變差的實際情況，人工濕地是人工模仿自然濕地功能而構建的一種新型水處理生態(tài)系統(tǒng)。隨著研究的深入與工藝的改進, 人工濕地系統(tǒng)已發(fā)展為一種較為完備和獨立的污水處理技術, 應用范圍亦逐步由城市、生活污水處理擴展到工業(yè)廢水、暴雨徑流及面源污染治理等 1 3 。然而, 在低溫下人工濕地對多種污染物尤其是有機物、氮和磷的去除卻難以達到預期的效果, 因此在污染源分布較為分散的北方地區(qū)的應用受到了限制。2、 應對措施（強化技術）目前

5、，通行的冬季保溫方式包括：采用植物隔離保溫技術、雪層隔離保溫技術、冰層和空氣層保溫技術、暖房保溫技術等，但這些技術都存在著一些明顯的缺點。為適應寒冷氣候條件下的運行，采用強化預處理；濕地系統(tǒng)立體結構，冬夏不同的進水方式；給氧方式采用跌水補氧，植物根系補氧，大氣補氧協(xié)同，交替進水補氧，強制通風補氧等多種措施以保證冬季的運行效果。在第一年試驗中西系統(tǒng)采用冰封的方法，將處理單元內的水位升高,在外界低溫的作用下結成冰層后,再將處理單元內的水位降低,使得冰層和基質之間形成一個空氣層,起到保溫的作用(Francesco Morari et al. ,2009;劉學燕等,2004). 東系統(tǒng)采用溫棚的方法.

6、 先將植物地上部分收割后移出濕地,在原有的處理池上搭建溫棚,在大棚上鋪上草席;溫棚上的草席在白天天氣晴朗時掀起,使得陽光直接照射到溫棚中,提高溫棚內的溫度,但是揭開草席后有可能使得溫棚內溫度下降,所以一般情況下是在天氣晴朗的時候進行; 第二年的試驗中,根據前一年的監(jiān)測結果,將西系統(tǒng)的冰封保溫措施換成薄膜保溫的方法,將已經凋謝的植物收割后,鋪在處理單元內(彭燾等,2007;申歡等,2007;張顯龍等,2005;Sikora et al. ,1995),約40 cm 厚. 再在植物層上鋪塑料薄膜,薄膜四周壓緊,在薄膜中事先預留出曝氣管的出口,使曝氣管在冬季也可以起到曝氣作用. 薄膜法的保溫效果比較

7、好,在冬季對濕地采取了地膜覆蓋的保溫措施,發(fā)現濕地內水溫降低幅度較小。在2左右,氣溫對濕地的影響很小(陳曉東等,2007). 本試驗中,將塑料薄膜和植物體覆蓋相結合,對人工濕地進行保溫,通過監(jiān)測曝氣槽和出水口處的水溫,證明了薄膜（構筑普通大棚所用的塑料?。┖椭参锔采w的保溫措施效果好于冰封和溫棚. 鋪設薄膜的過程中,在薄膜上預留出了曝氣管的通氣孔,將曝氣管露在外面,曝氣管上有保溫物覆蓋,可以隨時揭開進行曝氣. 這樣就保證了在冬季,曝氣管可以繼續(xù)起到曝氣作用,在冬季,將曝氣措施與保溫隔離措施復合應用, 污水處理效果更好(Nivalaa et al. ,2007).但總體而言,國內對低溫微生物的研究

8、與開發(fā)較少,力量還比較薄弱,研究也沒有達到一定的深度,有關人工濕地低溫菌的研究更少(李明堂等,2012). 3. 1 濕地系統(tǒng)構建強化措施( 1) 濕地構建類型優(yōu)選。濕地類型按系統(tǒng)布水方式, 一般分為表面流與潛流型兩種。在冬季低溫氣候下, 表面流人工濕地保溫能力較差, 且易對微生物數量及活性造成影響 13 ; 而潛流型人工濕地污水在地表下運行, 在低溫下可減少因污水蒸發(fā)蒸騰和流動造成的能量損失 14 , 因此有利于維持濕地內的溫度。潛流型人工濕地有水平流與垂直流兩種。由于垂直流濕地的水流處于推流和混合流之間, 交替經過下層厭氧區(qū)和上層好氧區(qū),從而提高了濕地去污能力。崔玉波等 15 采用兩級垂直

9、潛流人工濕地以實現冬季污水的高效去除, 結果表明這種組合式濕地類型可有效去除污水中的有機物和氮磷。因此, 垂直潛流型人工濕地及其組合方式更適合在寒冷地區(qū)應用。( 2) 濕地植物類型優(yōu)選。冬季寒冷地區(qū)大部分植物均進入休眠期, 因此濕地植物的選擇應結合當地條件, 以有較強生存能力及較好去污效率的植物為主。冬季水生植物腐爛會向水體釋放一定的污染物, 增加了濕地污染物處理負荷, 因此有必要對其進行及時收割。（3）。邢奕等 17 研究表明, 耐冷的細菌、放線菌和霉菌在0 e 以下仍有一定的活性, 且在相同條件下混合菌種可使氨氮的去除率提高到67. 2% 。低了沖擊負荷，并且通過前期供氧增加了濕地的處理效

10、果，避免厭氧情況的發(fā)生。(2)在濕地內部采用生物增強技術：除了種植原有的水生植物，在人工濕地系統(tǒng)中采用新型基質，增加其對污染物的吸附；另外向濕地中投加高效低溫功能菌，包括高效降解菌、PSB(光合細菌)、硝化菌等，改善低溫期活性物微生物群落，促進水體營養(yǎng)物質的良性循環(huán)，同時結合合理的工藝調控，實現人工濕地在低溫期的高效穩(wěn)定運行。濕地溫度強化措施：由表可看出, 目前主要通過濕地表層覆蓋保溫材料以達到保溫效率。Jenssen 等 24 認為, 通過計算機模擬, 即使在- 20 e的低溫, 采用適當的隔離物亦可有效改善濕地系統(tǒng)的冰凍問題。對覆蓋物的選擇標準, Wallace等 14 提出應符合如下幾點

11、要求: ¹ 有機物能分解且不增加系統(tǒng)有機負荷; º 平衡的營養(yǎng)成分及能適應周邊環(huán)境的pH 值; » 含有高纖維成分且結構蓬松; ¼能為種子的生長提供良好的生存環(huán)境;½ 有一定的保濕能力。因此, 人工濕地隔離物的選擇不僅要達到保溫的效率, 還應避免給濕地系統(tǒng)帶來二次污染。低溫對北方人工濕地的順利運行帶來了很大的挑戰(zhàn)性。通過對人工濕地去污機理及冬季影響因素的分析, 獲得了溫度與溶解氧是寒冷地區(qū)人工濕地運行最關鍵的制約因素, 提出了人工濕地冬季強化措施, 以期為北方寒冷地區(qū)的應用提供理論參考。人工濕地采用雙層前六人工濕地系統(tǒng)構筑深度遠遠大于常規(guī)濕地，

12、上層采用土壤結臺新型陶粒與煤渣復臺填料，下層采用礫石與火山巖復臺填料。夏季運行上層人工濕地，微生物、基質的聯(lián)臺凈化功能土除水中的污染物，達到深度掙化效果；冬季逆行F層潛流系統(tǒng)，上層的填料層通過形成抹凍層和隔溫層對下層起到保溫作用，避免F層填料層凍結，并站臺生物增強技術，利用高教工程菌劑(包括耐低溫貧營養(yǎng)苗高技COD降解蒔、硝化菌等)，有教提高冬季低溫期凈化效果，使整個系統(tǒng)能過全年穩(wěn)定運行。本文采用/ 短時曝氣0 的A/ O 工藝作為整個處理系統(tǒng)的前處理工藝, 并輔以地膜與秸稈聯(lián)合覆蓋的措施, 研究其在冬季低溫運行時的適應性和凈化效能, 優(yōu)化人工濕地技術在我國北方寒冷地區(qū)的設計工藝。人工濕地系統(tǒng)

13、主要包括A/ O 和水平潛流人工濕地兩部分, 二者通過管路連接( 圖1) 。A/ O 工藝由缺氧池、好氧池、二沉池組成, 其中, 好氧池水力停留時間為3 h, 缺氧池為1 h。地表層鋪設了保溫材料。采用地膜和秸稈聯(lián)合覆蓋的方法,先覆蓋一層地膜, 后覆蓋10 cm 秸稈。目前, 濕地保溫措施最常用的就是植物覆蓋和地膜覆蓋。由于植物覆蓋是將植物的地上部分割去就地覆蓋, 操作較為簡單, 但植物腐爛后會釋放出一定量的污染物, 有可能造成二次污染, 并且植物覆蓋的保溫效果與濕地植物的生長量之間有很大關系。本文采用地膜和植物聯(lián)合覆蓋的保溫措施。由于濕地植物蘆葦的生長量遠不足以滿足保溫的要求, 選用當地的秸

14、稈作為保溫植物。同時, 由于植物腐爛后會釋放出一定量的有機物, 有可能造成二次污染, 首先在濕地表層覆蓋地膜, 再覆蓋秸稈。研究結果表明, 采取地膜和秸稈聯(lián)合覆蓋的措施是可行的, 在室外溫度達到- 30 e , 進水溫度在5 e 左右時, 仍能保證人工濕地對污染物的凈化能力, 且出水滿足城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放一級B 標準。（1）寒冷冬季對處理效果的不利影響的減緩措施北方冬季氣溫低，污染物去除效果降低。相關減緩措施包括：1 適當降低進入濕地工程的水量和污染物負荷量，延長污水水力停留時間，可在一定程度上減緩冬季低溫的不利影響。2 為了保溫，植物收割可在開春后進行，或將冬季收割的植物仍置于濕地地表

15、，開春后再處置。（2）植被收割問題:由于植物收割能有效地去除營養(yǎng)物，因此都需要實施對植物的收割由于冬季氣溫低，為防止進出水管道受凍甚至破裂，進出水管道采用暗溝形式和埋地形式。泵房及出水井均用厚墻保護，并加厚頂覆蓋;人工濕地床的保溫系統(tǒng)：為防止人工濕地系統(tǒng)凍結，對其采用隔離保護。在實驗人工濕地中采用兩種方法進行對比實驗：( 5 cm空氣+ 10 cm冰層保護）和( 5 cm 縫隙+15 cm秸稈隔離保護). 其中沸石床脫氮效果較好，對總氮的平均去除率為 82.7%，且低溫下也能保持對氮素良好的去除效果；針對人工濕地在寒冷地區(qū)冬季所面臨的問題，寒冷地區(qū)人工濕地一般采取潛流式人工濕地作為主要人工濕地

16、類型。潛流型人工濕地被表層填料覆蓋，在冬季可減小因污水蒸發(fā)蒸騰和流動造成的能量損失，有助于維持和提高濕地內的溫度，從而保護人工濕地內部微生物不受外部氣溫的影響68。目前解決寒冷地區(qū)人工濕地在低溫條件下有效運行的辦法主要有保溫隔離措施、人工曝氣、延長水力停留時間以及回流等。人工濕地對污染物的去除受環(huán)境，特別是溫度影響較大，因此，對人工濕地采用保溫措施是必須的，目前在寒冷地區(qū)冬季主要采用保溫隔離設計。Christian R69等指出，人工濕地微環(huán)境對營養(yǎng)元素的去除受氣候的影響，生長季節(jié)去除效果優(yōu)，冬季去除效果變差，但是應用隔離的辦法可以有效降低營養(yǎng)元素在不同季節(jié)的去除效果差異。李亞峰70、申歡71

17、、張建72、海熱提73等分別選擇了蘆葦屑、收割的濕地植物、塑料地膜等物質對人工濕地進行覆蓋保溫，這些保溫方法均可以在一定程度上避免或減輕冬季濕地填料的凍結，并且可以提高對污染物的去除效果。布集水系統(tǒng)的優(yōu)化設計。針對北方寒冷地區(qū)冬季氣溫低及項目現場情況,對所有管道進行適當深埋處理,并采取墊層保溫措施;優(yōu)化設計了雙層穿孔布水管,提高人工濕地布水均勻性的同時,保障了冬季填料床體上層結冰后系統(tǒng)的正常運行;濕地屮司擋墻和水位調節(jié)井的設計,強化人工濕地布水的均勻性,實現對濕地單元水位的控制,詢保污染物的處理效率。專利中的強化措施：1北方低溫地區(qū)潛流人工濕地冬季運行方法失效本發(fā)明的技術方案是，濕地進水管為地

18、埋管，埋深以不凍冰為宜，盡量引取冰下水溫高的水源；濕地單元內高密度種植蘆葦，蘆葦品種選擇高桿粗壯的品種，蘆葦生長后形成的高密度蘆葦蕩冬季不收割，利用蘆葦桿擋風，蘆葦葉自然凋落形成覆蓋層保溫；濕地單元出水處設置水位調節(jié)井，井內設水位調節(jié)管，由水位調節(jié)管控制濕地單元水位低于濕地單元表面1020cm。2濕地+低溫第二頁中國人工濕地構建和運行中需要深入研究的問題節(jié)選2.5人工濕地在北方寒冷地區(qū)越冬和運行問題人工濕地在我國南方地區(qū)因氣溫高，冬季仍可以正常運行，而在北方地區(qū)氣溫可下降到420 以下，因而必須采取保溫措施才能運行。近年來有不少學者對此進了研究，概括起來主要有植物覆蓋（含草碳）、地膜覆蓋、冰雪

19、覆蓋及幾種方法。李亞峰等41選擇炭化后的蘆葦屑作為保溫材料，監(jiān)測出水溫度一直保持穩(wěn)定在9 以上，濕地床內生物反應仍然進行，生化效果明顯。申歡等42利用人工濕地蘆葦等冬季枯敗的濕地植物為覆蓋材料，第二年開春之前將覆蓋植物妥善處理的方法。焦珍等43對河北省承德市某農村生活污水處理中，采用垂直流人工濕地上下兩層布水管網和沙層上部鋪設0.30 m左右的草炭土并利用收割的蘆葦等濕地植物秸稈或當地的玉米秸稈覆蓋的保溫措施,取得了較好處理效果。海熱提和范立維44以吉林省四平市郊區(qū)的兩級潛流人工濕地生活污水處理系統(tǒng)為例，考察了在東北高寒地區(qū)采用長絲草碳和木屑等人工介質進行隔離保溫，對CODcr、BOD5、SS、TN穩(wěn)定的去除效果。陳曉東等45在冬季對濕地單元采取了地膜覆蓋的保溫措施, 發(fā)現比無保溫措施的濕地凍土層深度大約減少400 mm左右，凍土層保持在200 mm以內，濕地內水溫降低幅度較小，保持在2 左右，基本不受外界氣溫的影響。張建等46研究表明，覆蓋地膜能有效提高系統(tǒng)對污染物的去除效果，與植物法相比覆蓋膜易破、鋪設操作較為復雜、投資較高，且