農(nóng)村生活污水是面源污染的重要組成部分，全國(guó)50%的非點(diǎn)源污染來(lái)自農(nóng)村廢水的排放，直接威脅著農(nóng)民的生活環(huán)境和飲水安全。對(duì)于農(nóng)村地區(qū)污水，集中污水處理的建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高，難以推廣。傳統(tǒng)的分散式污水處理有人工濕地、氧化塘、土地滲濾系統(tǒng)等，這些技術(shù)由于其低廉的成本已成為現(xiàn)在農(nóng)村處理污水的關(guān)注點(diǎn)。而人工濕地投資低、能耗小、處理成本低、具有較好氮磷去除效果，對(duì)于處理分散的農(nóng)村污水非常適用。分別采用潛流人工濕地與復(fù)合垂直流人工濕地處理村鎮(zhèn)生活污水，在兩種人工濕地的進(jìn)水面積近似相同條件下對(duì)比兩種濕地床對(duì)碳源、氮源的去除效果，以期為人工濕地處理江西地區(qū)村鎮(zhèn)污水的工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與理論設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 試驗(yàn)條件
 
1.1 基地的建設(shè)
 
復(fù)合垂直流人工濕地由下行池和上行池串聯(lián)組成。下行池與上行池底部相連，床體由D 10 mm UPVC塑料板制成，防止污水下滲污染地下水。尺寸2 000 mm×1 800 mm×1 000 mm，每個(gè)床體表面積均為900 mm×900 mm，出水渠寬0.2 m。進(jìn)水采用D 20 mm 穿孔管布水，按0.5%坡度設(shè)計(jì)。

水平潛流人工濕地兩級(jí)串連，由磚和水泥砌成，尺寸5 400 mm×4 500 mm×550 mm。每組濕地床有兩段處理區(qū)，每段處理區(qū)2 500 mm×1 000 mm，處理區(qū)第一段高550 mm，第二段高500 mm，填充粒徑3～ 5 mm的礫石加100 mm當(dāng)?shù)赝翆�。床底坡�?%，污水用UPVC管從生活區(qū)經(jīng)調(diào)節(jié)池（HRT=12 h）引入配水槽，進(jìn)水端配水槽和中間配水槽分別采用三角堰配水使進(jìn)入床體水質(zhì)水量均勻，在出水端設(shè)置旋轉(zhuǎn)彎頭和控制閥門調(diào)節(jié)水位。

1.2 人工濕地試驗(yàn)條件及水質(zhì)
 
人工濕地試驗(yàn)系統(tǒng)基質(zhì)填充完畢后，植物床移入植物，栽完后立即充水使根部泡在水中，一周后植物開始恢復(fù)生長(zhǎng)，此時(shí)系統(tǒng)開始進(jìn)污水。測(cè)試之前先運(yùn)行3個(gè)月，以讓植物快速生長(zhǎng)，處理床掛膜。測(cè)試時(shí)床內(nèi)植株根系發(fā)達(dá)，美人蕉約130 cm，試驗(yàn)歷時(shí)12個(gè)月。采用連續(xù)進(jìn)水連續(xù)出水，研究動(dòng)態(tài)條件下兩種濕地系統(tǒng)的凈化能力。

試驗(yàn)用水采用江西省南昌市昌北區(qū)雙港村某生活區(qū)生活污水 。試驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì)：COD為140~175 mg/L，NH3-N為10.56~12.85 mg/L，TN為19.33~21.21 mg/L，pH為6.9~7.8。

試驗(yàn)分析方法： COD采用COD快速密閉消解法，其他指標(biāo)測(cè)定采用國(guó)標(biāo)法。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論
 
2.1 水力負(fù)荷對(duì)污染物去除效果的影響分析
 
2.1.1 水力負(fù)荷對(duì)COD去除效果的影響分析
 
水力負(fù)荷對(duì)COD處理效果的影響如圖 1所示。

 由圖 1可見，兩種人工濕地床的出水COD與水力負(fù)荷有密切關(guān)系，出水COD均隨水力負(fù)荷的提高而增大。水力負(fù)荷為0.167 m3/（m2·d）時(shí)濕地床出水COD均優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838— 2002）（以下簡(jiǎn)稱水體）Ⅲ（20 mg/L）類水體標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明在此工況下人工濕地對(duì)COD達(dá)到十分顯著的去除效果。水力負(fù)荷＜0.5 m3/（m2·d）時(shí)，濕地床對(duì)碳源均有較好的去除效果，COD去除率均在70%以上，出水均優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）（以下簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn)）一級(jí)A（50 mg/L）標(biāo)準(zhǔn)。繼續(xù)增加水力負(fù)荷達(dá)到0.725 m3/（m2·d），潛流人工濕地床對(duì)COD仍可達(dá)到很好的去除效果，COD去除率為80.25%，出水COD為33 mg/L，出水水質(zhì)優(yōu)于一級(jí)A（50 mg/L）標(biāo)準(zhǔn)，甚至達(dá)到Ⅴ類水體（40 mg/L）標(biāo)準(zhǔn)；而對(duì)于復(fù)合垂直流人工濕地，在水力負(fù)荷為0.725 m3/（m2·d）時(shí)，COD去除率為65.1%，出水COD為58 mg/L，出水水質(zhì)僅能滿足一級(jí)B（60 mg/L）標(biāo)準(zhǔn)。整體而言，相對(duì)于復(fù)合垂直流人工濕地，潛流人工濕地對(duì)碳源的去除效果更佳。這與肖宇芳等的研究結(jié)果一致。此外，還可以看出：對(duì)于碳源的去除，潛流人工濕地床受水力負(fù)荷的影響更為顯著。

進(jìn)水水力負(fù)荷越大，系統(tǒng)的凈化效果越差，殘留COD隨水力負(fù)荷增大而增加。原因在于增加水力負(fù)荷即減小水力停留時(shí)間，濕地系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物的截留與微生物的分解吸收作用越不充分；而濕地在低水力負(fù)荷運(yùn)行工況下，污水停留時(shí)間較長(zhǎng)，植物吸收去除有機(jī)物的量相對(duì)較高，污水通過(guò)濕地系統(tǒng)時(shí)被攔截下來(lái)的有機(jī)物與微生物反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，微生物完全發(fā)揮其作用，有機(jī)物在系統(tǒng)內(nèi)降解較完全。此外低水力負(fù)荷條件下造成污水流速慢，有機(jī)物顆粒容易被濕地系統(tǒng)攔截下來(lái)，部分有機(jī)物可能在濕地系統(tǒng)中長(zhǎng)時(shí)間停留被去除。

2.1.2 水力負(fù)荷對(duì)NH3-N去除效果影響分析
 
水力負(fù)荷對(duì)NH3-N處理效果的影響如圖 2所示。

 由圖 2可見，兩種人工濕地出水NH3-N 均與水力負(fù)荷有密切關(guān)系，對(duì)NH3-N 的處理效果隨水力負(fù)荷增加而變差，垂直流人工濕地在水力負(fù)荷為0.5 m3/（m2·d）時(shí)，NH3-N去除率為35.11%，出水NH3-N 7.79 mg/L，達(dá)到一級(jí)B（8 mg/L）標(biāo)準(zhǔn)；水力負(fù)荷為0.25 m3/（m2·d）時(shí)，NH3-N去除率為67.24%，出水 NH3-N 3.93 mg/L，達(dá)到一級(jí)A（5 mg/L）標(biāo)準(zhǔn)。潛流人工濕地在水力負(fù)荷為0.181 m3/（m2·d）時(shí)，NH3-N有較好的去除效果，NH3-N去除率為34.56%，出水 NH3-N 7.85 mg/L，水質(zhì)均達(dá)到一級(jí)B（8 mg/L）標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)復(fù)合垂直流人工濕地NH3-N去除率為73.5%，出水NH3-N 3.18 mg/L，達(dá)到一級(jí)A（5 mg/L）標(biāo)準(zhǔn)；水力負(fù)荷為0.083 m3/（m2·d）時(shí)，潛流人工濕地NH3-N去除率為64.33%，出水NH3-N 4.28 mg/L，可以達(dá)到一級(jí)A（5 mg/L）標(biāo)準(zhǔn)。復(fù)合垂直流人工濕地處理NH3-N效果更佳，這與其他研究結(jié)果一致。主要由于復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)復(fù)氧能力更好。此外，還可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)于NH3-N的去除，復(fù)合垂直流人工濕地床受水力負(fù)荷的影響更為顯著。

此水力負(fù)荷范圍內(nèi)，復(fù)合垂直流處理效果優(yōu)于潛流，說(shuō)明復(fù)合垂直流人工濕地更適宜硝化菌增長(zhǎng)，硝化反應(yīng)較完全，也證實(shí)了復(fù)合垂直流人工濕地較好的復(fù)氧能力。水力負(fù)荷＜0.365 m3/（m2·d）時(shí)，對(duì)NH3-N去除效果影響較大；水力負(fù)荷>0.365 m3/（m2·d）時(shí)，去除率變化趨于平緩，因?yàn)槲鬯�在系統(tǒng)中停留一定時(shí)間后，大部分NH3-N已被凈化，去除率提高幅度不大。人工濕地影響NH3-N去除的主要因素是系統(tǒng)中的微生物和植物，微生物對(duì)氮的去除占主要地位。水力負(fù)荷大，污水停留時(shí)間較短，無(wú)法達(dá)到硝化菌的世代時(shí)間，抑制了硝化作用，降低NH3-N去除效果。氨化作用無(wú)論在好氧、缺氧還是厭氧條件下都可進(jìn)行，且氨化反應(yīng)速率較快，有機(jī)氮轉(zhuǎn)化成NH3-N及污水中本身存在的NH3-N與硝化菌接觸時(shí)間短，硝化作用不充分，易被帶出濕地系統(tǒng)，出水NH3-N較高，凈化效率低；而低水力負(fù)荷下，硝化菌與污水中NH3-N有充分接觸時(shí)間，將NH3-N轉(zhuǎn)化為氮的其他形式，降低出水NH3-N濃度，提高凈化效果。

2.1.3 水力負(fù)荷對(duì)TN去除效果影響分析
 
水力負(fù)荷對(duì)TN去除效果的影響如圖 3所示。

 由圖 3可見，兩種人工濕地的出水TN指標(biāo)隨水力負(fù)荷增加而變差。水力負(fù)荷為0.725 m3/（m2·d）時(shí)，潛流人工濕地TN去除率為33.29%，出水TN 14.01 mg/L，復(fù)合垂直流濕地去除率為45.65%，出水TN 12.01 mg/L，兩種人工濕地的出水均達(dá)到一級(jí)A（15 mg/L）排放標(biāo)準(zhǔn)；水力負(fù)荷＜0.2 m3/（m2·d）時(shí)，復(fù)合垂直流TN去除率保持在60%以上，而對(duì)于潛流人工濕地，水力負(fù)荷＜0.125 m3/（m2·d）時(shí)，TN去除率保持在60% 以上。

水力負(fù)荷為0.071 m3/（m2·d）時(shí)，出水TN很低但仍不能達(dá)到水體標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明單獨(dú)用任一種人工濕地對(duì)氮的去除是有一定限度的，需要進(jìn)一步對(duì)出水進(jìn)行處理以達(dá)到更高的標(biāo)準(zhǔn)。此外，還可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)于TN的去除，復(fù)合垂直流人工濕地床受水力負(fù)荷的影響更為顯著。復(fù)合垂直流人工濕地處理TN效果更佳，這與靳同霞等的研究結(jié)果一致。

人工濕地對(duì)氮的去除主要依靠微生物的氨化、硝化和反硝化作用。廢水中的無(wú)機(jī)氮可直接被植物吸收并通過(guò)植物收割而去除，但主要作用是通過(guò)微生物硝化、反硝化作用完成。人工濕地系統(tǒng)中TN的去除過(guò)程主要依靠植物根系和基質(zhì)中微生物的硝化與反硝化作用，硝化、反硝化作用的速率成為了氮去除效果的控制因素。復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)中的水流方式與潛流人工濕地不同，系統(tǒng)中包括了下行流和上行流，下行流中隨深度增加溶解氧的濃度降低利于反硝化，而上層溶解氧較高利于硝化，從而增加了復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)的脫氮效果。

2.2 污染物去除的動(dòng)力學(xué)研究
 
潛流人工濕地和復(fù)合垂直流人工濕地動(dòng)力學(xué)擬合曲線如表 1所示。

兩組濕地床的一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了0.85以上，一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型能夠比較好地反映兩組人工濕地床對(duì)COD、NH3-N、TN的去除過(guò)程，表明同一濕地床，在同樣條件下不同污染物的一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程存在一定差異，不同濕地床對(duì)同一污染物的一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程也有一定差異。具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

3 結(jié)論
 
（1）水力負(fù)荷增加，COD、NH3-N、TN的去除效果降低、出水水質(zhì)變差。對(duì)于COD，在水力負(fù)荷為0.5 m3/（m2·d）時(shí)，潛流人工濕地COD去除率為81.41%，出水COD為30.67 mg/L，復(fù)合垂直流濕地去除率70.66%，出水COD為48.41 mg/L，兩種濕地均有較好的去除效果，出水達(dá)到一級(jí)A（50 mg/L）排放標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)于NH3-N，水力負(fù)荷＜0.25 m3/（m2·d）時(shí)，復(fù)合垂直流人工濕地NH3-N去除率保持在60%以上，出水NH3-N 3.93 mg/L；優(yōu)于一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)于TN，水力負(fù)荷＜0.25 m3/（m2·d）時(shí)，復(fù)合垂直流人工濕地TNs去除率保持在60%以上，出水TN ＜8 mg/L，優(yōu)于一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

（2）對(duì)COD去除效果，潛流人工濕地優(yōu)于復(fù)合垂直流人工濕地，而對(duì)于脫氮效果復(fù)合垂直流人工濕地效果更優(yōu)。類似于此類村鎮(zhèn)生活污水，選取潛流人工濕地及復(fù)合垂直流人工濕地均可以達(dá)到較好的處理效果。

（3）一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型較好地?cái)M合了潛流與復(fù)合垂直流人工濕地對(duì)COD、NH3-N、TN的去除規(guī)律。