人工湿地近年来在我国得到了广泛的推广应用，然而由于人工湿地的生态特性，气候条件一直是其污水处理效果的限制因素，突破低温条件下人工湿地可持续稳定运行的技术瓶颈，提升人工湿地的运行性能和建设价值，无疑是一个亟待解决的重大问题。

人工湿地

人工湿地利用基质吸附、植物吸收、微生物降解、动物捕食等物理、化学、生物协同作用净化污水。与常规技术相比，具有基建投资省、运行费用低、景观优美等优点，在发展中地区流域水污染治理中具有突出的技术优势和广阔的应用前景。

当前人工湿地技术广泛地应用于分散式生活污水、污水处理厂尾水、污染河水等水质净化领域，其处理规模多为1000-20000 m3/d，且人工湿地的数量逐年增加。从人工湿地在我国的应用情况来看（图1），绝大部分集中于中、东部区域，一方面由于经济发展的重心趋向，另一方面则是因为高海拔、高纬度地区的冬季低温问题。由于人工湿地本身的生态特性，其对污染物的降解转化很大程度上依赖于植物、动物和微生物等的生理活动来进行，然而高纬度、高海拔地区在冬季温度较低，人工湿地植物退化、生态结构与功能受损，进而导致了污染物去除能力大幅度下降（图2），严重影响工程应用效果。因此，低温条件下人工湿地的可持续稳定运行是限制其在我国大面积推广应用的关键因素和技术瓶颈。

图1 我国人工湿地的应用情况（黄色的圆圈位置代表在此省有应用，圈的大小代表此省人工湿地的应用面积）

植物、动物、微生物综合协同净化技术

针对人工湿地在低温条件下（10℃以下）由于植物枯亡、动物休眠以及微生物活性下降所带来的运行性能大幅度下降的问题，为发挥微生物对污染物去除过程所缺失的主体作用以及重新使得植物和动物在低温下能够发挥作用，我们课题组在十三五水专项支撑下研发了“抗寒植物-动物-微生物”综合协同净化技术。

1. 季节性植物空间配制技术研究

对比分析典型的湿地植物来考察其在人工湿地冬季运行效果。研究发现，沉水植物（如菹草等）由于其反季节生长的特性（一般秋后萌发，夏末衰退），在冬季低温条件下持续发挥作用，能够弥补低温导致人工湿地水生植物种类大量减少所产生的不利影响。此外，抗寒沉水植物光合作用产生的氧气是水中溶解氧的重要来源，能够显著优化溶解氧微环境，提升湿地对污染物的去除效果。将喜温挺水植物与抗寒沉水植物进行合理配置，构建季节性植物搭配系统，当两类植物的面积比为1:1时，可实现湿地系统在冬季低温条件下氨氮去除率提高18.1%，总磷去除率提高17.6%，为人工湿地实现全年可持续运行提供了技术方案。

2. 底栖动物强化人工湿地污染物去除技术研究

底栖动物在人工湿地中的作用长期以来未受到重视。研究发现，底栖动物（如摇蚊幼虫等）在冬季具有很好的生存活性，其独特的生物扰动作用促进了湿地上覆水中的污染物向基质中的迁移，能够充分发挥基质的作用，并改善微生物生长微环境（比如溶解氧等），有效提升氮磷去除效果（图4）。将摇蚊幼虫按照2g/m2的密度投加至人工湿地，冬季人工湿地对TN和TP去除率分别提高了29.5%、和37.6%，有助于实现污水的全年稳定净化。

3. 季节性“抗寒植物-动物-微生物”耦合去污体系

通过前两方面的研究我们筛选建立了具有生态位互补效应的季节性湿地植物和动物数据库，重构人工湿地生物环（图5）。基于季节适用性湿地生物的协同强化机制研究，我们构建了以完善人工湿地生态系统为目的的喜温、耐寒植物、动物混合配置。这种强化型人工湿地配置能够充分发挥植物提供良好生境和底栖动物优化菌群结构的作用，进而加强了微生物为主体的污染物净化作用。

通过长期的运行效果来看，这种体系能够优化人工湿地碳氮转化路径的同时，使得系统在冬季的低温条件下总氮的平均去除率能够由常规湿地的59%提升到82%，总磷的去除率能够从27%提升到71%，从而实现全年总氮和总磷的同步高效去除。

通过完善湿地生态系统的完整性，改善了湿地内部影响污染物生物脱除的生境条件，保障了湿地系统功能的可持续的发挥。本技术适用于污染河水、城市污水处理厂达标排放的尾水、农业面源污染径流以及河、湖生态修复等。

示范工程应用

为立足建设首都水源涵养功能区和生态环境支撑区，宣化区全面推进生态环境治理保护力度，实施建设洋河湿地治理工程。该示范工程位于河北省张家口市宣化区洋河水库河口区的上游（图6）。示范工程目标是建设2 km2的河道人工湿地，实现在低温条件下湿地削减氮磷污染物在40%以上，从而有效保障冬季时官厅水库八号桥断面水质的稳定达标。

通过前期的河道清淤、边坡整治工作以及部分湿地的施工建设，目前示范工程已初见成效（图7）。为综合评价示范工程效果，课题组对水质、生态等各方面指标定期进行评估。监测结果表明，通过上述关键技术的应用，示范工程对氨氮的去除率为45.5-77.2%，对总磷的去除率为31.3-54.3%，水质得到明显改善，基本上能够保证洋河入库水质质量稳定达标。洋河河口区域的生态环境也得到有效恢复，区域内对污染物的去除起主体作用的微生物（如变形菌门等）数量明显增加，有效支撑了污染物的去除。同时，不同季节底栖动物的分布情况变化也表明耐寒的底栖动物（如摇蚊幼虫等）在区域内成为优势物种，进而有效的支撑了低温条件下水质的改善。

随着洋河湿地建设的推进，洋河河口区域的生态环境已有显著的改善，在洋河湿地冬季越冬的候鸟数量逐渐增加，使得洋河湿地将成为一个优良的越冬的驿站。预计示范工程建设完工后，每年可削减约COD 1500吨，氨氮75吨，总磷15吨。此外，近自然河道湿地运行过程耗电少，处理成本低，环境经济效益显著。

文章来源于JIEI创新实验室 ，作者胡振，张建