人工濕地污水處理技術具有結構簡單、成本低、易操作和運行費用低等優點。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。現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，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。
在總結集成前人研究技術基礎上，我們發展高效復合生態系統技術體系，包括把微生物凈化、植物凈化以及基質凈化等多種技術集成創新，建立生物膜與營養膜系統復合，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復合。在臨安污水處理廠附近(青山湖淹沒區)，首次建設國內最大的尾水高效復合生態系統凈化工程(6 X 1 0^4 t / d )。本研究通過分析該工程不同子系統低溫季節的水質凈化效率，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建設在青山湖淹沒區，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，系統水力停留時間為35 h。本濕地具有5個子生態系統(見圖1):強化生物膜系統、有毒物質高效脫除系統、營養膜凈化生態系統、高效自凈水生態系統和高效生態濾地系統。其中強化生物膜系統、有毒物質脫除系統和營養膜凈化生態系統建有大棚保護，這3個子系統組成大棚系統;高效自凈水系統和高效生態濾地系統組成露天系統。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，采樣點設置在每個子系統的進水日和出水日，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(Skalar San++Automated Wet Chemistry Analyzer,the Netherlands)測定。總氮由TOC/TN(總有機碳/總碳)分析儀(Analytikjena Multi N/C 3100 , the Germany)測定。總磷和COD的測定參照《水和廢水監測分析方法》。溫度和溶解氧由溶解氧測定儀(YSI DO200 , the USA)于采樣處現場測定。
1. 4數據分析與統計方法
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進行常規做圖及數據分析。
2結果與分析
2. 1低溫季節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，在3月份達到最低，4-5月又呈現出上升趨勢(見圖2)。而總出水日氨氮濃度也與進水日表現出一致的變化趨勢，即最高和最低氨氮濃度分別出現在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，平均去除率達到75%左右。在各子系統中，強化生物膜系統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，平均去除貢獻率僅為8. 4%，在3月該子系統貢獻率為最低的一11.1%。而大棚系統包括強化生物膜系統、有毒物質脫除系統、強化營養膜生態系統3個子系統，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。
硝態氮的濃度變化比較穩定，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)。濕地系統對硝態氮去除能力比較低，僅11% -39%(見圖3)。對硝態氮的去除，各個子系統表現較為平均，面積較大的強化營養膜生態系統和高效自凈水系統去除貢獻率最高，約為28 %。而最后一個子系統生態濾地系統，平均去除率貢獻率最低，僅12%。其中，4月強化生物膜系統的去除率貢獻率為-18%，說明在經過該系統后，硝態氮濃度有所上升。大棚系統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，各個系統貢獻隨季節變化而變化。隨著溫度升高，大棚系統的3個子系統貢獻率降低，露天系統的2個子系統貢獻率升高。大棚系統的平均去除貢獻率為62 %，而在1月和2月，大棚系統去除貢獻率較高，均達到了73%。而在溫度最高的5月，大棚系統的貢獻率只有39%。大棚系統在溫度較低的月份里，表現要好于溫度較高的4月和5月。
總體來看，該人工濕地系統對氮的去除效果較好，出水口氨氮、硝態氮和總氮的濃度均達到了GB18918-2002一級A標準。而且大棚系統對低溫季節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，為38%，最低為生態濾地系統，僅11%。整個濕地表現為越靠后的子系統去除貢獻率也越低。子系統去除貢獻率變化與溫度的升高并沒有明顯關系。大棚系統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膜生態系統，為27 %;生態濾地系統的平均貢獻率最低，僅9%。前3個模塊對COD的去除貢獻率相對平均，后2個系統平均貢獻率較低。大棚系統在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由于大棚保護等的作用，為反硝化細菌創造了很好的溫度環境，從而促進了尾水低溫季節氨氮和硝態氮的去除效果。由于本濕地進水總氮以氨氮和硝態氮為主，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吸附和濕地植物吸收。本系統總磷的去除率穩定在很高水平。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，人工濕地基質對磷的吸附能力會隨著溫度的上升而有所提高;而且，傳統露天濕地中，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的去除率也表現出了隨溫度上升而升高的趨勢。盡管低溫季節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各子系統對污染物的去除特性
各子系統主要分為大棚系統和露天系統。前者對氮的去除起主導作用，主要體現在以下兩個方面。首先，強化生物膜系統對氨氮的去除效果最好，但對硝態氮的去除較差。因為影響氨氮與硝態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，氨氮大量轉化為硝態氮，造成了硝態氮在這個系統去除率較低，甚至在4月硝態氮的去除率為負，這是由于4月水體溶解氧明顯高于其余幾個月。其次，營養膜生態系統對硝態氮、總氮的去除貢獻率最高，這是由于這個系統面積大，植物數量多，容易形成厭氧區，這就為氮索去除創造了良好的條件。營養膜生態系統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貢獻率較高，均高于60 %。由于系統總磷進水濃度不高，而大棚位于濕地前半部分，水流經露天系統時，總磷濃度已經較低，影響了系統的去除效果，但露天系統使得濕地對進水總磷濃度的提高有良好的緩沖能力。同樣，大棚系統對COD的去除貢獻率較高，這是由于大棚系統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://m.dongaorq.cn更多相關技術文檔。
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，該人工濕地系統對NH4+ -N的平均去除率達到68%，硝態氮的平均去除率為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，高效復合人工濕地的前半部分系統添加大棚能夠顯著提高冬季氨氮、硝態氮、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。
