我国农村人口数量多，且分布较分散，随着农村经济水平的提高，农村居民生活用水量不断增加，污染程度也在逐渐加深。
人工湿地技术是一种无动力，低投入、高效率、易维护的污水处理技术，作为农村散户生活污水深度处理单元得到广泛应用。研究表明，水生植物、基质及微生物协同作用促使污水中C、N 和P 的同步去除，且微生物的硝化/ 反硝化作用与湿地水生植物的生理生长特性密切相关，目前应用于农村散户生活污水处理的人工湿地并不理想，存在效率低( 特别是冬季) 、易堵塞、经济价值低等问题。为此，本课题对四种基质进行了试验研究并针对春夏秋三季和冬季分别构建了四种复合型( 景观型水生植物 + 蔬菜型植物) 人工湿地系统，以筛选出最优的基质类型、基质级配及适应于不同季节的复合型水生植物，这对于指导人工湿地的设计和提高系统的高效稳定运行效能及经济价值具有重要的理论和现实意义。
1 材料与方法
1. 1 试验材料
选取页岩陶粒、卵石、火山岩、绿沸石、石英砂为人工湿地基质; 基质均采购于长沙某公司。
选取旱伞草、美人蕉、黄菖蒲、香蒲、空心菜、水芹菜为水生植物，旱伞草、美人蕉、黄菖蒲采购于长沙某花卉市场，空心菜、水芹菜为实验室播种培育而成的幼苗。
1. 2 试验装置及试验水质
1. 2. 1 试验装置
人工湿地池由玻璃制成，并置于实验室外露天空地上以模拟自然条件使湿地植物能够接受充足的日照，试验装置尺寸为长 800 mm、宽 500 mm、高 500mm，试验装置如图 1 所示。具体基质类型、基质尺寸及铺设厚度将根据吸附试验结果确定。每个玻璃箱种植 1 种景观型植物和 1 种蔬菜型植物，景观型植物: 4 株/ 盆，蔬菜型植物: 6 株/ 盆，试验重复 3 次，共 24 盆。
图 1 水平潜流复合型人工湿地示意图
1. 2. 2 试验水质
吸附试验及人工湿地池进水均采用某农户三格化粪池出水，其水质见表 1。
表 1 试验水质
|
成分 |
COD |
NH3 － N |
TP |
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含量/ mg·L － 1 |
150. 53 ～ 200. 16 |
25. 21 ～ 35. 13 |
5. 84 ～ 8. 25 |
1. 3 试验方法
1. 3. 1 基质吸附试验
取一定量的页岩陶粒、卵石、火山岩、绿沸石 ( Φ3 ～ 6 mm) 于 105 ℃ 下干燥 2 h 后称取 5 g，放置于不同的 250 mL 锥形瓶中并加入浓度为表 1 的供试溶液 150 mL，在恒温 150 r / min 条件下，连续震荡 4 h，8 h，12 h，24 h，48 h，振动结束后离心取样( 9 000 r / min，8 min) 试验重复 3 次，结果取平均值。
1. 3. 2 人工湿地研究试验
根据吸附试验结果，确定复合型人工湿地基质组成并按表 2 分别套种不同的复合型水生植物。
表 2 景观型与蔬菜型水生植物组合类型
1. 不同复合型水生植物对污染物去除效果试验: 在秋季和冬季，分别对不同复合湿地系统进行试验研究，每天连续进水 12 h 并连续 7 d 定时取样，试验结果取平均值。
2. 不同水力停留时间对污染物去除效果试验:以最优复合型人工湿地系统为研究对象，控制 HRT为 1 d、2 d、3 d、4 d，每天连续进水 12 h 并连续 7 d定时取样，试验结果取平均值。
3. 分别以秋季和冬季最优人工湿地系统为研究对象，开展为期 30 d 的连续稳定性试验。
1. 4 测试方法
水样检测指标包括 CODcr、NH3 - N、TP，测定方法均采用国家标准方法测定[4]，COD 采用重铬酸钾法，NH3 - N 采用纳氏试剂比色法，TP 采用过硫酸钾消解 - 钼酸铵分光光度法。
1 结果与讨论
2. 1 不同基质对 NH3 - N、TP 的吸附效率
本试验以页岩陶粒、卵石、火山岩、绿沸石为研究对象，当 NH3 - N = 26. 31 mg / L，TP = 6. 13 mg / L时，生活污水中 NH3 - N 和 TP 浓度随时间的变化如图 2 所示。
从图 2( a) 可知，随着试验的进行，生活污水中的氨氮浓度逐渐降低，从而表明，页岩陶粒、卵石、火山岩、绿沸石对氨氮都有一定的吸附去除能力，但不同基质对氨氮的吸附存在明显的差异性，如经过 48h 的吸附试验，沸石可将生活污水中氨氮浓度降低至1. 89 mg / L，去除率达 99% 以上，而卵石对污水中氨氮浓度的去除效果有限，吸附试验结束时，污水中氨氮浓度仍然有 17. 12 mg / L。各基质对氨氮去除率由高到低的顺序为绿沸石 > 火山岩 > 页岩陶粒 > 卵石，据分析，基质的净化能力主要取决于基质本身的物理化学性质[5]，而绿沸石是一种具有空旷的骨架结构的碱或碱土金属的硅铝酸盐矿物，内表面积大、孔穴多，且能与铵离子进行离子交换，因而对铵离子具有较高的吸附效果。
从图 2( b) 可知，各基质对总磷的吸附表现出与氨氮相同的变化趋势。但从整体去除效果来看，各基质对总磷的吸附去除效果要低于对氨氮的吸附去除，经过 48 h 的吸附试验后，吸附效果最好的页岩陶粒，其去除率仅为 82. 38% ，剩余总磷浓度仍然有1. 08mg / L，各基质对总磷去除率由高到低的顺序为
图 2 NH3 － N 和 TP 总磷浓度随时间的变化曲线
页岩陶粒 > 绿沸石 > 火山岩 > 卵石，据分析，基质对污水中 TP 的去除原理有: ( 1) 基质表面孔道对磷酸盐的物理吸附作用，在溶液中磷主要以磷酸盐的形式存在，其分子半径要远大于铵离子，导致物理吸附作用有限; ( 2) 基质中含有的钙、铝、锰等金属离子与磷酸盐形成沉淀。页岩陶粒中含有一定量的自生矿物即铁、铝、锰的氧化物与氢氧化物等，为此基质中游离氧化铁、铝和胶体氧化铁、铝可将污水中磷酸盐固定，形成磷酸铁盐和磷酸铝盐等沉淀物而将污水中 TP 去除。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
基质的选择取决于其水力渗透性和去污能力。低水力渗透性会导致系统堵塞，极大地降低系统的效率; 弱吸收能力会影响人工湿地长期的净化性能。根据吸附试验的试验结果，并考虑基质的水力渗透性及设备制作成本，确定人工湿地基质铺设方式为: 从下到上面依次铺设 Φ32 ～ 50 mm 卵石， Φ16 ～ 25 mm 火山岩，Φ8 ～ 16 mm 页岩陶粒，Φ3 ～ 6mm 绿沸石、石英砂，每种基质铺设 100 mm。
1. 2 不同水生植物组成的复合型人工湿地对 COD、 NH3 - N 和 TP 去除效果
考虑到试验的连贯性，景观型水生植物 + 空心菜构建的复合型人工湿地试验在秋季进行，秋季 -四种复合型人工湿地对 COD、NH3 - N、TP 的去除效果如图 3 所示。
图 3 秋季 － 四种复合型人工湿地对 COD、NH3 － N、TP 的去除效果
由图 3( a) 可知，在秋季，四种复合型水生植物构建的人工湿地系统对农村散户生活污水中的 COD 都有较好的去除效果，去除效果最好的为旱伞草 + 空心菜复合型人工湿地，去除率在 75% ～ 80% 之间，经处理后污水中剩余的 COD < 50 mg / L，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》( GB 18918 - 2002) 中的一级 A标准; 其次为美人蕉 + 空心菜、黄菖蒲 + 空心菜、香蒲+ 空心菜，其中去除效率最低的香蒲 + 空心菜复合型人工湿地系统对 COD 的去除率也大于 60% ，出水中 COD < 100 mg / L，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》( GB 18918 - 2002) 中的二级标准。
由图 3( b) 可以看出，四种复合型水生植物构建的人工湿地系统对 NH3 - N 也表现出较高的去除率，去除率最高的仍然为旱伞草 + 空心菜，其氨氮去除率达到 80% 以上，污水中剩余的 NH3 - N 在 5 ～ 7mg / L 之间，四种复合型人工湿地系统对氨氮的去除率由高到低为旱伞草 + 空心菜、美人蕉 + 空心菜、黄菖蒲 + 空心菜、香蒲 + 空心菜。人工湿地系统去除氨氮的主要途径有: 微生物的硝化/ 反硝化作用、植物生长时的吸收同化作用以及基质填料的吸附作用。在本试验设计时，在保证湿地系统较高渗透系数的情况下，使用了对氨氮具有选择性吸附的绿沸石及其它多孔基质，以提高基质对氨氮的吸附去除率及为微生物生长附着提供场地; 选取生物量大，根系发达的水生植物作为试验植物，以提高植物生长对污水中氨氮的吸收同化作用及为微生物硝化去除氨氮提供足够的氧气，同时将景观型水生植物和蔬菜型水生植物进行套种，以充分利用太阳光照以进一步提高生物量。旱伞草因植株分蘖快、生物量大、根系扩展能力强、根系密度大且成海绵状分布等优点对氨氮具有较高的去除率，同时空心菜也具有生物量大的优点，为此旱伞草 + 空心菜复合型人工湿地可在保证对污水中氨氮高效去除的同时为农户提供优质的蔬菜，提高人工湿地系统的经济价值。
由图 3( c) 可知，四种复合型水生植物构建的人工湿地系统对 TP 的去除以美人蕉 + 空心菜效果最佳，其 TP 去除率在 66% ～ 72% 之间。其它三种湿地系统对 TP 的去除率由高到低其次为旱伞草 + 空心菜、黄菖蒲 + 空心菜、香蒲 + 空心菜，其去除率分别为 59% ～ 63% 、53% ～ 56% 、45% ～ 48% ，水体中总磷主要包括正磷酸盐、酸式水解磷酸盐、可溶性有机磷酸盐和单质磷等，在系统达到稳定后，各种形式磷的去除是通过植物的同化作用而去除，而单质磷主要是通过根的吸附和过滤被去除的。本试验过程中，旱伞草、美人蕉、黄菖蒲、香蒲、空心菜都有较大的生物量，但美人蕉生物量最大，对磷肥需求最多，使得美人蕉 + 空心菜湿地系统对 TP 的去除率最大。
冬季气温低，水生植物会进入休眠或生长衰退期，生物量大大降低，同时微生物活动也随着温度的降低而减弱，为此人工湿地系统去除污染物的效率在冬季大幅下降。水芹菜的生长周期为 9 月 ～ 次年1 月，一种耐寒的多年生匍匐植物，即使在 - 10 ℃ 的低温下仍可大量生长，是冬季重要的蔬菜之一，因此在冬季以水芹菜代替空心菜，构建水芹菜与其它四种景观型水生植物的复合型人工湿地以研究冬季复合人工湿地对污水中污染物的去除效率。冬季 - 四种复合型人工湿地对 COD、NH3 - N、TP 的去除效果如图 4 所示。
图 4 冬季 － 四种复合型人工湿地对 COD、NH3 － N、TP 的去除效果
由图 4 可知，在冬季，四种复合型人工湿地系统对污水中 COD、NH3 - N、TP 都有去除效果，虽然整体去除效率要低于秋季由空心菜构建的人工湿地系统，但人工湿地系统对 COD、NH3 - N、TP 的最高去除效率仍然可达到 68% ～ 72% ，74% ～ 77% 和 53%～ 57% ，处理后的出水中 COD < 100 mg / L，NH3 - N< 15 mg / L，TP < 3 mg / L。四种复合型人工湿地系统对 COD、NH3 - N、TP 的去除率由高到低都为旱伞草 + 水芹菜、黄菖蒲 + 水芹菜、香蒲 + 水芹菜、美人蕉 + 水芹菜，这主要是因为在冬季旱伞草、黄菖蒲、香蒲都有一定的生物量，而美人蕉基本处于休眠状态，生物量低，微生物活性也大大降低，因而对污水中污染物去除有限。
本次试验在秋季和冬季构建了不同类型的复合型人工湿地系统，通过试验结果可看出旱伞草 + 空心菜/ 水芹菜复合人工湿地由于其生物量大，根系分蘖快、扩展能力强等优势对污水中污染物都有较高的去除率，为此选择旱伞草 + 空心菜/ 水芹菜复合人工湿地系统进行后续试验研究。
2. 3 不同水力停留时间对 COD、NH3 - N 和 TP 的去除效果
不同水力停留时间对 COD、NH3 - N 和 TP 的去除效果如图 5 所示。
从图 5 可知，随着水力停留时间的增加，人工湿地系统对农村散户生活污水中的 COD、NH3 - N、TP去除率随之增加，这是因为当 HRT = 1 d 时，生活污水中的大部分污染物还没来得及被植物吸收利用或被微生物的降解就排出人工湿地系统，从而使人工湿地系统去除污染物的能力相对较低。当 HRT 延长时，污染物与植物、微生物及基质的接触时间增长，污 染 物 能 被 植 物、微生物及基质吸收降 解，为此人工湿地系统去除污染物的能力大大提高;
图 5 不同水力停留时间下对 COD、NH3 － N 和 TP 的去除效果
但从图 5 中也可看出，当 HRT 由 3 d 增加至 4 d，人工湿地对污染物的去除率有所提高，但提高的幅度不大，这是因为人工湿地系统中植物、微生物及基质只能吸收或降解一定量的污染物。通过以上试验结果及考虑到设备制作的经济性，长期稳定性试验的HRT 设计为 3 d。
2. 4 长期运行稳定性试验
以旱伞草 + 空心菜/ 水芹菜人工湿地系统为研究对象，分别在秋季和冬季采用三格化粪池出水为系统进水，HRT = 3 d 时，进行了为期 30 d 的稳定性试验，试验结果如图 6 所示。
图 6 秋季 － 旱伞草 + 空心菜、冬季 － 旱伞草 + 水芹菜复合型人工湿地系统的长期稳定性研究
从图 6 可知，在旱伞草 + 空心菜/ 水芹菜复合型人工湿地，在秋季和冬季对污水中 COD、NH3 - N、TP的去除率都比较稳定。旱伞草 + 空心菜对污水中COD、NH3 - N、TP 的去除率分别保持在 85% 、80% 、65% 左右，旱伞草 + 水芹菜对污水中 COD、NH3 - N、TP 的去除率分别保持在 80% 、70% 、55% 左右。从试验数据表明，在秋季和冬季旱伞草 + 空心菜和旱伞草 + 水芹菜都表现出较好的污染物去除效果且系统稳定性较好，为此复合型人工湿地在保证一年四季对污水中污染物去除效率的同时还能提供优质蔬菜、美化农村环境，具有较好的观赏和经济价值。
3 小 结
1. 四种基质( 绿沸石、火山岩、页岩陶粒、卵石)对 NH3 - N 和 TP 的吸附去除存在明显差异，对 NH3- N 吸附去除效果最好的为绿沸石，对 TP 吸附去除效果最好的为页岩陶粒。
2. 人工湿地系统基质类型及铺设方式: 从下到上面依次铺设 Φ32 ～ 50 mm 卵石，Φ16 ～ 25 mm 火山岩，Φ8 ～ 16 mm 黏土陶粒，Φ3 ～ 6 mm 绿沸石和石英砂，每种基质铺设 100 mm。
3. 秋季四种复合型水生植物人工湿地系统对COD、NH3 - N 的去除率由高到低为旱伞草 + 空心菜、美人蕉 + 空心菜、黄菖蒲 + 空心菜、香蒲 + 空心菜; 对 TP 的去除率由高到低为美人蕉 + 空心菜、旱伞草 + 空心菜、黄菖蒲 + 空心菜、香蒲 +空心菜。冬季四种复合型水生植物人工湿地系统对 COD、NH3- N、TP 的去除率由高到低都为旱伞草 + 水芹菜、黄菖蒲 + 水芹菜、香蒲 + 空心菜、美人蕉 + 空心菜。
4. 通过长期稳定性试验研究，表明旱伞草 + 空心菜/ 水芹菜所构建的人工湿地系统具有较好的长期稳定性，出水水质稳定，为此旱伞草 + 空心菜/ 水芹菜构建的人工湿地系统在保证一年四季对污水中污染物去除效率的同时还能提供优质蔬菜、美化农村环境，具有较好的观赏和经济价值及应用前景。(来源：长沙市玺成工程技术咨询有限责任公司)