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（research)多集中于潛流人工濕地技術，主要措施有覆蓋（Cover)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(zǒng jié)集成前人研究技術基礎上，我們發(fā)展高效復合生態(tài)系統(tǒng)技術體系，包括把微生物凈化、植物凈化以及基質(zhì)凈化等多種技術集成創(chuàng)新，建立生物膜與營養(yǎng)膜系統(tǒng)復合，表面流與潛流系復合以及物理強化凈化與生物強化凈化系統(tǒng)復合。在臨安污水處理(chǔ lǐ)廠附近，首次建設國內(nèi)最大的尾水高效復合生態(tài)系統(tǒng)凈化工程。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(efficiency)，討論了通過大棚保護技術等提高人工濕地水體修復效果，為人工濕地在冬季高效運行提供了理論依據(jù)和指導。
1 實驗部分
1. 1尾水高效復合人工濕地概況
臨安城市污水處理廠位于青山湖旁，高效復合人工濕地系統(tǒng)建設在青山湖淹沒區(qū)，用于凈化臨安污水處理廠的尾水，復合人工濕地總面積達到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):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12月一5月，每月采集濕地水樣，采樣點設置在每個子系統(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。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用流動分析儀測定。總氮由TOC/TN分析儀測定。總磷和COD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、T
P、TN和COD去除率R的計算，見公式:
式中:C1為進水口NH4+ -
N、NO3- -
N、T
P、TN和COD的濃度 ; C0為出水口NH4+ -
N、NO3- -
N、T
P、TN和COD的濃度。
各模塊去除率貢獻率r的計算，見公式:
式中:Cin為模塊進水口NH4+ -
N、NO3- -
N、T
P、TN和COD的濃度 ,Cout為模塊出水口NH4+ -
N、NO3- -
N、T
P、TN和COD的濃度。
本文采用Excel進行常規(guī)做圖及數(shù)據(jù)分析。
2結果與分析
2. 1低溫季節(jié)溫度與溶解氧的變化
12月一5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月水溫達到最高，進水日溫度為
2
5. 1℃，出水日水溫為
2
3. 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，溶解氧值達到了
8. 4mg / L。
表2 高效復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（reduce)，在3月份達到最低，4-5月又呈現(xiàn)出上升趨勢。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月和3月份。總體來看氨氮的去除效果比較明顯，平均去除率達到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)(system)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'。膜生物反應器膜分離技術與生物處理技術有機結合之新型態(tài)廢水處理系統(tǒng)。以膜組件取代傳統(tǒng)生物處理技術末端二沉池，在生物反應器中保持高活性污泥濃度，提高生物處理有機負荷，從而減少污水處理設施占地面積，并通過保持低污泥負荷減少剩余污泥量。主要利用沉浸于好氧生物池內(nèi)之膜分離設備截留槽內(nèi)的活性污泥與大分子有機物。膜生物反應器系統(tǒng)內(nèi)活性污泥（MLSS）濃度可提升至8000~10,000mg/L，甚至更高；污泥齡(SRT)可延長至30天以上。濕地系統(tǒng)對硝態(tài)氮去除能力比較低，僅11% -39%。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（指效能高的）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 ,1月份濃度最低，分別為
11. 05和
6. 33mg / L ,4月份達最高，進水口和出水口分別為
15. 47和
10. 96mg / L。出水口總氮濃度達到GB18918-2002一級A標準。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)(system)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到了GB18918-2002一級A標準。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，本濕地總磷篩除效果較好，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 %。總磷的平均去除率貢獻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系。大棚系統(tǒng)對磷的去除起到了主導作用，貢獻率為67%一80%。
而進水口COD相對較穩(wěn)定，變化在5
1. 55 -5
9. 98mg / L，出水口為
2
9. 58 -3
7. 97mg / L。中空纖維膜紡絲機外形像纖維狀，具有自支撐作用的膜。它是非對稱膜的一種，其致密層可位于纖維的外表面／如反滲透膜，也可位于纖維的內(nèi)表面(如微濾膜和超濾膜)。對氣體分離膜來說，致密層位于內(nèi)表面或外表面均可。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，出水日濃度均達到GB 18989-2002一級A標準。大棚系統(tǒng)在運行中對污染物去除起主導作用。
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，硝化反硝化細菌最適宜活動溫度在30℃左右，而在5℃以下，硝化反硝化細菌活動基本停止。本高效復合人工濕地系統(tǒng)由于大棚保護等的作用，為反硝化細菌創(chuàng)造了很好的溫度環(huán)境，從而促進了尾水低溫季節(jié)氨（化學式：NH3） 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。總磷去除率各個月份能夠保持在80 % -90%之間，與王學華等的研究結果一致。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的篩除主要依靠微生物(Micro-Organism)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比較高，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，達到了GB 18989-2002一級A標準。
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(Oxygen)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，所以水體中溶合氧比較高，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，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(P)的篩除仍然是大棚保護系統(tǒng)貢獻率較高，均高于60 %。膜生物反應器在污水處理，水資源再利用領域，MBR又稱膜生物反應器（Membrane Bio-Reactor ）,是一種由膜分離單元與生物處理單元相結合的新型水處理技術。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
4結論
具有大棚保護的高效復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)過高效復合人工濕地處理后，出水日各污染物均達到GB 18918-2002一級A標準。因此，在冬季低溫季節(jié)，高效復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。
