摘要：针对北方地区气候特点，开展了人工湿地污水处理技术在北方的单元应用研究与工程示范。在设计上对潜流湿地越冬深度、填料结构、布集水系统和水位调整导淤方式进行优化创新，并采取了预处理与人工湿地组合工艺调节各季节运行效果；通过单元实验研究了湿地应用的工艺条件(深度、水力负荷、污染负荷)，以及湿地的保温效果与全年运行效率，介绍了利用该技术建设的示范工程概况，分析了其产生的经济、社会与环境效益。

关键词：北方人工湿地；潜流；应用研究；示范

1 前言

人工湿地作为一种生态型污水处理技术，目前在国外很多国家得到了普遍关注与应用。这种技术与传统污水生化处理技术相比，具有建设成本与运行成本低、处理效果好、兼有生态修复功能与营造生态景观等特点[1，2]。在我国，人工湿地技术逐渐开始受到了人们的重视，并已经在我国南方的一些城市与农村地区得到了应用，但是在我国的北方寒冷地区开展相关研究的却并不多见。国内的一些研究多为小试、中试水平，实际应用的较少，而且规模小，缺乏工程应用和运行管理经验，这就限制了人工湿地技术在我国北方地区的应用。

本研究针对人工湿地技术在北方地区的气候特点，开展了潜流湿地工程应用单元的设计与相关条件实验研究。同时，通过示范工程的建设和运行，总结人工湿地技术在我国北方地区工程应用的技术与管理经验，实际考核其建设与运行成本，综合分析其社会、环境和经济效益，为我国北方地区人工湿地技术的应用与推广奠定基础。

2 湿地单元实验工艺设计

2．1 潜流湿地单元尺寸设计

潜流式构筑湿地应作为北方地区人工湿地的首选和主要类型。污水处理单元长度通常定为20～50m，过长易造成湿地床中的死区，且使水位难于调节，不利于植物的栽培。也有一些学者建议，潜流湿地处理单元长度应控制在12～30m之间，以防止短路情况的发生[2]。选择适宜的长宽比有利于减少水流短路，使得湿地水流更趋近于推流，同时也利于导淤和工程应用中的布水分配与收集。湿地处理系统长宽比应控制在3：1以下，工程应用中建议采用1：1，减少湿地单元数量，降低建设成本。

考虑到本单元实验将与示范工程建设相结合，综合分析工程应用中的单元建设成本，污水处理对象，水力布设系统和试验基地土地的地形地势与可利用性等因素，本研究中的独立湿地单元长(l：水力路径)26m，宽(b：布水向)25m，有效面积为l×b=26×25=650m2，长宽比为1．04：1。

2．2 填料结构设计

湿地单元四周采用240砖墙、土工膜整体焊接护围。底部平整设坡，坡度采用1 ～2 。湿地结构由湿地防渗膜、湿地填料、湿地植物、集配水系统及导膜管构成。湿地床层自下而上各层填料的分布：夯实粘土，防水土工膜，土壤，不同粒径和功能的砾石级配区(具有布收水、净水、沉淤到膜功能)、表层种植土。深度不同的湿地床，填料的厚度构成不同。

2．3 布水与集水系统设计

为保证湿地的处理效果，使污水在湿地床层内流程顺畅，着重考虑了在湿地整个宽度上均匀布水和集水的问题[3]。穿孔大小及间距取决于进水流量、水质情况、水力停留时间等因素，同时在湿地进水方式上有较为独特的创新，即采用水平潜流与上升式复合垂直布水方式，其好处主要有以下几点：①水平潜流能够保证冬季的正常运行；②上升式垂直流能充分利用植物根系；③水平潜流与上升式复合垂直布水方式能完美地变换湿地内部的水力流态，在植物的不同生长季节进行交替使用，最大空间上利用湿地的效能；④上升式垂直布水方式使得大部分悬浮物以及脱落的生物膜沉积在湿地填料层底部导膜区，便于清淤。

2．4 水位调节、湿地防堵系统设计

湿地能否正常运行，水位控制是非常重要的因素。在本研究中，设置两种水位调节方式，一种是在出水管上设可转动弯管，随弯管的转动来控制调整湿地单元内水位的高低，另一种是在出水渠内设闸板，按要求控制湿地整体水位。

在运行过程中，湿地内部会形成一些生物膜等沉积物，为了有效防止堵塞淤积，为此专门在湿地底部设计一套导膜冲洗系统，定期开启，利用快速的水流将这些沉积物从湿地排出。导膜系统可根据湿地单元的尺寸与构造进行设计，可以在湿地坡降最低处设置单排导膜冲洗系统，亦可在湿地底部设网状导膜冲洗系统。本研究中采用单排塑料管。

2．5 预处理工艺的选择与设计

预处理与人工湿地结合作为北方人工湿地组合工艺的重要意义不仅在于对湿地入水进行初级处理，保证实地系统的安全稳定运行，更重要的是通过调整预处理的处理深度，保证系统各季节的运行效果[4]。春夏秋季充分利用湿地的净水功能，冬季强化预处理进行补充。在保证污水处理效果的前提下，可极大地降低运行成本。

通常出水指标要求较低时，预处理采用常规一级处理即可，比如调节池沉砂池、格栅间、配水井或提升泵房等。当出水指标要求较高时，预处理采用常规一级半处理或一级强化处理，比如水解酸化、高负荷活性污泥法，当出水指标要求更高时，预处理采用二级处理，湿地系统作为深度处理工艺。本研究采用一级强化的浮动生化床作为预处理工艺。

3 湿地单元实验方法

湿地实验单元根据设计要求进行建设，湿地植物根据筛选结果选用北方优势品种芦苇和已在沈阳地区培养种植多年的茭白为主。植物栽种后，定期观察测定生长状况，缓苗达到旺盛生长期后在湿地中进入污水，适应两周后开始进行测试。

入水为沈阳马官桥农大地区的生活污水与严重污染的满堂河河水，农大污水经预处理后，水质控制在cod：100～150mg／l；