人工湿地污水处理技术具有结构简单、成本低、易操作和运行费用低等优点。由于人工湿地占地面积较大，且都建在室外，因此，人工湿地对污染物的去除受季节影响大。在冬季温度较低的情况下，人工湿地植物枯萎，微生物活性受到抑制，冬季人工湿地的去除效果明显差于夏季。现阶段对低温条件下人工湿地运行的研究较多，但多为理论或小试阶段，对大型人工湿地的冬季运行研究较少。
提高人工湿地冬季运行效果必须要做好保温措施。目前的研究多集中于潜流人工湿地技术，主要措施有覆盖植物和地膜。但是这种方式并不适用于表面流人工湿地，而且这种方式存在二次污染的可能，在春季必须清除覆盖物。对于表面流人工湿地，保温措施主要是建造大棚，大棚在保持水温的同时，能够使植物在冬季正常生长，植物吸收和微生物降解污染物的过程都能正常进行。
在总结集成前人研究技术基础上，我们发展高效复合生态系统技术体系，包括把微生物净化、植物净化以及基质净化等多种技术集成创新，建立生物膜与营养膜系统复合，表面流与潜流系复合以及物理强化净化与生物强化净化系统复合。在临安污水处理厂附近(青山湖淹没区)，首次建设国内最大的尾水高效复合生态系统净化工程(6 X 1 0^4 t / d )。本研究通过分析该工程不同子系统低温季节的水质净化效率，讨论了通过大棚保护技术等提高人工湿地水体修复效果，为人工湿地在冬季高效运行提供了理论依据和指导。
1 实验部分
1. 1尾水高效复合人工湿地概况
临安城市污水处理厂位于青山湖旁，高效复合人工湿地系统建设在青山湖淹没区，用于净化临安污水处理厂的尾水，复合人工湿地总面积达到66 650m2，系统水力停留时间为35 h。本湿地具有5个子生态系统(见图1):强化生物膜系统、有毒物质高效脱除系统、营养膜净化生态系统、高效自净水生态系统和高效生态滤地系统。其中强化生物膜系统、有毒物质脱除系统和营养膜净化生态系统建有大棚保护，这3个子系统组成大棚系统;高效自净水系统和高效生态滤地系统组成露天系统。各模块面积及所种植物如表1所示。
表1 模块的面积及植物种类
1. 2样品采集
本实验进行时I司为2013年12月一2014年5月，每月采集湿地水样，采样点设置在每个子系统的进水日和出水日，共计6个采样点。上午11点左右，用连接橡皮管的注射器采集样品。采样的同时使用溶解氧仪测定温度和溶解氧，每个点采集3个重复。水样采集后放于4℃冰箱保存待测。
1. 3测定方法
NH4+ -N和NO3- -N用流动分析仪(Skalar San++Automated Wet Chemistry Analyzer,the Netherlands)测定。总氮由TOC/TN(总有机碳/总碳)分析仪(Analytikjena Multi N/C 3100 , the Germany)测定。总磷和COD的测定参照《水和废水监测分析方法》。温度和溶解氧由溶解氧测定仪(YSI DO200 , the USA)于采样处现场测定。
1. 4数据分析与统计方法
NH4+ -N、NO3- -N、TP、TN和COD去除率R的计算，见公式(1):
式中:C1为进水口NH4+ -N、NO3- -N、TP、TN和COD的浓度(mg / L ) ; C0为出水口NH4+ -N、NO3- -N、TP、TN和COD的浓度(mg / L)。
各模块去除率贡献率r的计算，见公式(2):
式中:Cin为模块进水口NH4+ -N、NO3- -N、TP、TN和COD的浓度(mg / L) ,Cout为模块出水口NH4+ -N、NO3- -N、TP、TN和COD的浓度(mg / L)。
本文采用Excel进行常规做图及数据分析。
2结果与分析
2. 1低温季节温度与溶解氧的变化
2013年12月一2014年5月期间，湿地总进水日和总出水日水样的温度和溶解氧值变化见表2。从冬季12月到春季5月，这6个月期间水温一直持续升高，12月最低，进水日水温为13. 4 ℃，出水日温度为10. 0 ℃;在5月水温达到最高，进水日温度为25. 1℃，出水日水温为23. 7℃。该湿地由于前半段大棚的保温作用，水温保持较高且相对稳定，在冬季的中午仍然能保持10℃以上的水温。而溶解氧则比较稳定，进水日溶解氧值除3月份较低(仅5. 4 mg / L)外，其他几个月保持稳定，变化在7. 1-7.7mg / L之间;而出水日的溶解氧值变化幅度较大，最低为3月，溶解氧值为6. 0 mg / L，最高4月，溶解氧值达到了8. 4mg / L。
表2 高效复合人工湿地进出水口水样的水温及溶解氧值
2. 2氮的去除效果分析
氨氮进水日浓度变化在0. 32 -3. 63 mg / L之间，12月份的进水日氨氮浓度最高，然后逐渐降低，在3月份达到最低，4-5月又呈现出上升趋势(见图2)。而总出水日氨氮浓度也与进水日表现出一致的变化趋势，即最高和最低氨氮浓度分别出现在12月(0. 73 mg / L)和3月份(0. 14 mg / L)。总体来看氨氮的去除效果比较明显，平均去除率达到75%左右。在各子系统中，强化生物膜系统对氨氮去除贡献最高，平均去除贡献率达到了40.7 %氨氮去除效果最差的是高效自净水系统，平均去除贡献率仅为8. 4%，在3月该子系统贡献率为最低的一11.1%。而大棚系统包括强化生物膜系统、有毒物质脱除系统、强化营养膜生态系统3个子系统，对氨氮的去除起主要作用，平均去除贡献率达到了84 %，在低温的12月一次年3月大棚系统对氨氮的去除贡献仍然维持较高水平，变化在64% - 89%之间。
硝态氮的浓度变化比较稳定，进水口为10. 09一12.91 mg / L，出水口为6. 09一11. 03 mg / L'(见图3)。湿地系统对硝态氮去除能力比较低，仅11% -39%(见图3)。对硝态氮的去除，各个子系统表现较为平均，面积较大的强化营养膜生态系统和高效自净水系统去除贡献率最高，约为28 %。而最后一个子系统生态滤地系统，平均去除率贡献率最低，仅12%。其中，4月强化生物膜系统的去除率贡献率为-18%，说明在经过该系统后，硝态氮浓度有所上升。大棚系统平均去除贡献率仍然较高，平均为61% ; 1月去除贡献率最高，为75% ,4月最低，去除贡献率仅为36%。大棚系统在温度较高的3 -5月去除贡献率有所下降。
总氮的浓度无论是进水口还是出水口变化趋势一致(见图4) ,1月份浓度最低，分别为11. 05和6. 33mg / L ,4月份达最高，进水口和出水口分别为15. 47和10. 96mg / L。出水口总氮浓度达到GB18918-2002一级A标准。总氮去除率变化在29 % -43%之间，低温的12月一次年2月其去除率仍然较高，在37%-43%。总氮的去除中，各个系统贡献随季节变化而变化。随着温度升高，大棚系统的3个子系统贡献率降低，露天系统的2个子系统贡献率升高。大棚系统的平均去除贡献率为62 %，而在1月和2月，大棚系统去除贡献率较高，均达到了73%。而在温度最高的5月，大棚系统的贡献率只有39%。大棚系统在温度较低的月份里，表现要好于温度较高的4月和5月。
总体来看，该人工湿地系统对氮的去除效果较好，出水口氨氮、硝态氮和总氮的浓度均达到了GB18918-2002一级A标准。而且大棚系统对低温季节氮的去除起到了显著作用。
2. 3磷和COD的去除效果分析
由图5可知，本湿地总磷去除效果较好，进水口浓度为0. 19- 0. 41 mg / L，而出水口总磷浓度仅为0. 02 -0. mg / L，去除率为77%一94%。低温季节12月一次年2月，去除率仍高于84 %。总磷的平均去除率贡献率最高的是强化生物膜系统，为38%，最低为生态滤地系统，仅11%。整个湿地表现为越靠后的子系统去除贡献率也越低。子系统去除贡献率变化与温度的升高并没有明显关系。大棚系统对磷的去除起到了主导作用，贡献率为67%一80%。
而进水口COD相对较稳定，变化在51. 55 -59. 98mg / L，出水口为29. 58 -37. 97mg / L(见图6)。去除率从1月份的最低32%有逐月增加的趋势，到5月去除率高达51%，即COD的去除效果有随着温度上升而加强的趋势。COD的去除贡献率最高的是强化营养膜生态系统，为27 %;生态滤地系统的平均贡献率最低，仅9%。前3个模块对COD的去除贡献率相对平均，后2个系统平均贡献率较低。大棚系统在12月贡献率最高，高达91%，在2月贡献率最低，为65 %
因此，本研究的湿地系统对总磷和COD的去除效果比较好，出水日浓度均达到GB 18989-2002一级A标准。大棚系统在运行中对污染物去除起主导作用。
3讨论
3. 1温度变化对污染物的去除效果影响
人工湿地对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动，人工湿地对氮的去除率始终较低。研究表明，硝化反硝化细菌最适宜活动温度在30℃左右，而在5℃以下，硝化反硝化细菌活动基本停止。本高效复合人工湿地系统由于大棚保护等的作用，为反硝化细菌创造了很好的温度环境，从而促进了尾水低温季节氨氮和硝态氮的去除效果。由于本湿地进水总氮以氨氮和硝态氮为主，因此，总氮的去除率在低温的12月一次年2月仍然在40%左右，略高于温度较高的3月一5月。
总磷的去除主要依靠基质吸附和湿地植物吸收。本系统总磷的去除率稳定在很高水平。总磷去除率各个月份能够保持在80 % -90%之间，与王学华等的研究结果一致。研究表明，人工湿地基质对磷的吸附能力会随着温度的上升而有所提高;而且，传统露天湿地中，植物自然凋落后，会向水体释放出磷。而本湿地中，植物在大棚的保护作用下，冬季仍然能够正常生长，基质对吸附磷以及植物吸收磷的作用不会受到影响。所以本湿地中，大棚能够从基质和植物两方面，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。在溶解氧和温度适宜的条件下，COD去除率就会大大提高。本研究中COD的去除率也表现出了随温度上升而升高的趋势。尽管低温季节12月一次年2月COD的去除率会受到影响，但是由于其进水日的浓度仍然较高，该湿地系统对COD的去除效果仍然维持较高，其出水日COD浓度仍然较低，达到了GB 18989-2002一级A标准。
3. 2各子系统对污染物的去除特性
各子系统主要分为大棚系统和露天系统。前者对氮的去除起主导作用，主要体现在以下两个方面。首先，强化生物膜系统对氨氮的去除效果最好，但对硝态氮的去除较差。因为影响氨氮与硝态氮的去除另一重要因索是供氧条件，硝化作用在好氧条件下效果较好，而厌氧条件则有利于反硝化作用。本研究中强化生物膜系统由于有曝气装置，所以水体中溶解氧较高，这促进了硝化作用的进行，但是抑制了反硝化作用，氨氮大量转化为硝态氮，造成了硝态氮在这个系统去除率较低，甚至在4月硝态氮的去除率为负，这是由于4月水体溶解氧明显高于其余几个月。其次，营养膜生态系统对硝态氮、总氮的去除贡献率最高，这是由于这个系统面积大，植物数量多，容易形成厌氧区，这就为氮索去除创造了良好的条件。营养膜生态系统中有大量的植物根系供微生物附着，植物吸收和微生物作用效果明显。
总磷的去除仍然是大棚保护系统贡献率较高，均高于60 %。由于系统总磷进水浓度不高，而大棚位于湿地前半部分，水流经露天系统时，总磷浓度已经较低，影响了系统的去除效果，但露天系统使得湿地对进水总磷浓度的提高有良好的缓冲能力。同样，大棚系统对COD的去除贡献率较高，这是由于大棚系统中植物冬季仍然能够正常生长，根系附着了大量的微生物，植物的存在也能提高微生物的降解能力。具体参见污水宝商城资料或http://www.dowater.com更多相关技术文档。
4结论
具有大棚保护的高效复合人工湿地在冬季低温条件下仍然能保持较高的污染物去除率，在低温的在12月一次年2月间，该人工湿地系统对NH4+ -N的平均去除率达到68%，硝态氮的平均去除率为34 %，总氮的平均去除率为39%，总磷的和COD的平均去除率为87%和34 %。污水处理厂尾水经过高效复合人工湿地处理后，出水日各污染物均达到GB 18918-2002一级A标准。因此，在冬季低温季节，高效复合人工湿地的前半部分系统添加大棚能够显著提高冬季氨氮、硝态氮、总氮、总磷和COD的去除效果，提高复合人工湿地在冬季对污染物去除能力，保持人工湿地全年高效净化运行效率。
