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垂直流人工湿地系统在北方地区运行条件的研究垂直流人工湿地（VFCW）在北方地区应用面临低温、冻融循环、植物休眠及水力负荷受限等特殊挑战。本研究聚焦北方寒旱气候条件（年均温0–8℃，冬季持续冰冻期长达4–6个月），通过中试系统（面积24m²，填料为砾石/炉渣复合层，种植芦苇、香蒲等耐寒植物），系统考察了不同水力负荷（0.1–0.3m³/(m²·d)）、间歇进水周期（4h进水/4h落干）、保温措施（覆土+秸秆覆盖、浅埋式布水）及冬季运行策略对污染物去除效能的影响。结果表明：优化间歇运行可显著提升硝化效率（TN去除率由28%提升至52%），覆土15cm+秸秆覆盖使表层填料温度较裸露系统提高3–5℃，有效延缓冻结深度；植物枯萎期仍依靠生物膜与基质吸附维持COD和SS稳定去除（去除率>65%），但氨氮硝化在–5℃以下明显受抑。研究提出“夏秋蓄能—初冬强化—深冬保底”三阶段运行模式，并构建了基于温度水力负荷耦合的简化设计参数体系，为北方村镇污水处理提供技术支撑与工程适配方案。（398字）
Key words: vertical flow wetland; insulation measures; hydraulic loading; pollution loading
针对北方地区人工湿地冬季运行环境温度较低，污水处理能力变差的实际情况，研究北方地区垂直流人工湿地冬季运行时，湿地单元深度、冬季保温措施、湿地进水水力负荷、污染物负荷等因素对湿地出水化学需氧量、氨氮、总氮和总磷等指标的影响规律，在湿地类型选择、有关设计运营参数、湿地保温防冻措施和优化运行方式等方面，为实际工程设计和运营管理提供依据。
人工湿地试验系统分为两个单元（Ⅰ号池和Ⅱ号池），每池处理区长和宽分别为8000mm和5000mm，每段处理区长宽比为1.6:1。湿地床长度不会造成湿地中死区，利于水位调节和植物栽培。Ⅰ号池湿地床处理区高为1100mm，Ⅱ号池湿地床处理区高为1300mm。
布水管埋设在基质层表面以下20厘米深度处；布水管做成多孔管的形式以便于布水；为防止多孔布水管堵塞，在其周围布设碎石层；湿地系统内水位高度可通过调整出水管口的高度进行调节；经湿地床处理后的污水直接排入下水道。床体侧壁采用240 mm厚度砖墙砌筑，10mm水泥砂浆抹面唐山市北郊污水处理管道施工组织设计，涂刷防水层。床体底部200mm厚三七灰土夯实，土工膜衬底。
图1 垂直流人工湿地布水、集水平面图
实验运行期为 2009年11月至 2011年 6月。监测指标为：B O D、C O D、T N和T P，均采用国家标准方法测定。
湿地基质深度对污染物去除效果的影响试验
试验条件为：两池进水总流量16 m3/d，两池流量平均分配； 进水的COD、SS、TN、TP分别为100~130mg/L，68.21~95.42mg/L，12.10~17.21mg/L，0.32~0.43mg/L；进水温度：14~15℃，出水温度：12~13℃；进水pH值6.9~7.6。
图2 湿地对污染物的去除率
Fig.2 Removal of pollutants in the system
图2 表示了试验期间在其他条件相同情况下，不同基质深度的两池对COD、SS、TN及TP的去除率情况。可以看出，Ⅰ、Ⅱ两池对COD的去处率均在80%以上，相差不大；Ⅰ池对SS、TN、TP的去除率在91%、43%、56%以上，Ⅱ池对SS、TN、TP的去处率在93%、42%、62%以上。说明深度为1300mm的Ⅱ池与深度为1100mm的Ⅰ池相比，不能明显提高人工湿地的处理效果。
保温措施对冬季运行效果的影响试验
本试验时间选在2009年11月21日至2010年3月20日期间进行，在此期间每天测定外界空气温度及进出水温度；每周测定进、出水水质一次。
试验条件为：两池进水总流量范围16m3/d，两池流量平均分配；进水温度：14~15℃；pH值7.09~8.0。
保温措施对湿地水温的影响
图3 冬季湿地进、出水温度
Fig.3 Effluent and influent water temperatures in winter
保温措施对污染物去除效果的影响
大多数湿地植物有一个春夏季萌芽、秋冬季枯死的生长周期，在人工湿地这个半自然或人工的生境条件下， 植物生长亦存在着这种现象， 由此导致根区法污水处理系统冬季的污水净化效果下降[3]。香蒲人工湿地和芦苇床系统也因冬季植株地面部分枯黄， 对污水中氨氮的去除率明显地低于其他季节[4、5]。
（1）COD的去除效果
COD进水浓度92.8~156.6mg/L，COD进水平均浓度为121.70mg/L，Ⅰ池出水浓度23.68~37.6mg/L，Ⅱ池出水浓度16~30.4mg/L人工湿地COD的进出水质量浓度见图4。
图4 人工湿地中COD的进、出水质量浓度变化曲线
Fig.4 The curves of effluent and influent TP concentration for the system
从图4可以看出，采取保温措施的Ⅱ池COD出水浓度低于Ⅰ池。Ⅰ池的COD去除率69%~78%，Ⅱ池COD去除率79%~87%。说明，在Ⅱ号池表面覆盖20cm厚芦苇秸秆起到了较好的保温效果，为微生物提供了适宜的生存环境，能有效提高COD的去除率。
监测时间与COD相同，TN 进水浓度16.34~21.55mg/L，平均浓度为19.01mg/L，Ⅰ池出水浓度10.86~14.32mg/L，Ⅱ池出水浓度7.47~9.94mg/L，人工湿地TN的进出水质量浓度见图5。
图5 人工湿地中TN的进、出水质量浓度变化曲线
Fig.5 The curves of effluent and influent TN concentration for this wetland
由图5可知，Ⅰ池和Ⅱ池TN的出水浓度相差不大，Ⅰ池TN去除率为25%~39%，Ⅱ池TN去除率48%~59%。查阅相关文献知，硝化作用在10℃下会受到抑制，反硝化作用最适宜的运行温度为20~40℃，低于12℃时，反硝化作用将降低。图4.5也证实了出水温度10℃以上Ⅱ池对TN的去处效果好于温度较低的Ⅰ池。
本次试验中，监测时间与COD相同，芦苇根系发达，深入床体达800mm，垂直流人工湿地布水的特点使湿地床体通气性良好，微生物活动频繁。TP 进水浓度0.94~2.28mg/L，平均浓度为1.72mg/L，Ⅰ池出水浓度0.29~1.26mg/L，Ⅱ池出水浓度0.30~1.06mg/L，人工湿地TP的进出水质量浓度见图6。
图6 人工湿地中TP的进、出水质量浓度变化曲线
Fig.6 The curves of effluent and influent TP concentration for this wetland
从图6中可以看出，Ⅰ池TP去除率为60%~73%，Ⅱ池TP去除率65%~77%，两池对TP的去除率相差不大。在试验期间，芦苇干枯，湿地对磷的去除率与芦苇处于生长期的09年9月份相比，相差很小，说明磷的去除主要由基质的吸附和微生物的作用来完成。同时也说明，P的去除受季节性影响较小。
悬浮物在垂直流人工湿地中去除靠絮凝和胶体颗粒的沉淀，流速较低的水流和大的接触表面使系统中的SS去除率较高，大量的植物根系和饱和状态的基质，使污水中的悬浮物被截留和沉淀。试验期间，通过监测，垂直流人工湿地对SS的去除率高达90%，且不受季节性的影响。
水力负荷对湿地运行效果的影响试验
水力负荷试验时间段为2010年4月1日至2010年5月1日。
试验条件：生活污水取自兰州交通大学生活区的化粪池出水，试验在Ⅱ号湿地池进行；试验期间进水COD 104~124mg/L，进水COD平均110mg/L，进水BOD 57~61mg/L；进水温度：14~15℃；进水pH值6.9~7.6。
表1 取样时间及水力负荷
Table 1 Sampling time and hydraulic loading
图7、8、9和图10表示了不同水力负荷情况下的出水污染物浓度及去除率的变化情况。
图7 不同水力负荷下出水COD浓度及COD去除率
Fig.7 Effluent concentration and removal of COD in different hydraulic loading
由图7可见，随着水力负荷的增加，Ⅱ池出水的COD值开始缓慢增加，当水力负荷超过0.2m3/m2·d，Ⅱ池出水的COD值迅速变大到70mg/L某地村配套工程框架楼施工组织设计，并超过《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级中的B标准，COD去除率由94%降到40%。
图8 不同水力负荷下出水TN浓度及TN去除率
Fig.8 Effluent concentration and removal TN in different hydraulic loading
由图8可见，随着水力负荷的增加，Ⅱ池出水的TN值开始缓慢增加，当水力负荷超过0.2m3/m2·d，Ⅱ池出水的TN值迅速变大，TN去除率由76%降到25%。
图9 不同水力负荷下出水TP浓度及TP去除率
Fig.9 Effluent concentration and removal of TP in different hydraulic loading
由图9可见[广东]小区灌注桩施工方案（冲孔灌注桩），随着水力负荷的增加，Ⅱ池出水的TP值开始缓慢增加，当水力负荷超过0.2m3/m2·d，Ⅱ池出水的TP值迅速变大到1.67mg/L，并超过《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级中的B标准，TP去除率由94%降到45%。
污染物负荷对湿地运行效果的影响试验
从人工湿地对污染物的去除机理可知，人工湿地对污染物的承受能力是有限的，只有将湿地污染物负荷控制在合理范围之内，才能保证人工湿地的正常运行。本实验的目的就是验证垂直流人工湿地中试系统对污染物的承受能力，为工程设计提供依据。污染物负荷试验时间段为2010年5月1日至2010年6月1日。