据住房和城乡建设部调查显示，我国约96% 的村庄没有排水渠道和污水处理系统。未经处理的农村生活污水将各类污染物带入河湖，导致河湖出现了诸多生态环境问题。有资料显示，湖泊污染负荷的50% 以上来自于农村非点源污染。人工湿地是一种模拟自然湿地功能来改善水质的污水处理生态工程技术，具有投资省、能耗低、管理操作方便等优势，在小城镇和农村地区的污水处理中具有很好的适用性和应用前景。普通垂直流人工湿地虽然能有效地处理生活污水，但也存在一些不足，如单位面积水力负荷和有机负荷较低、抗冲击能力弱。
微电解法利用新型铁碳填料引起的电化学反应达到提高水中污染物去除率的效果，在工业废水处理中已有较多应用，具有抗负荷能力强、投资省、运行成本低等优点。杨晓明[5]研究发现，当铁碳质量比为1∶1、焙烧温度1000 ℃、焙烧时间2h、废水pH3～4、反应时间2h 时，铁碳微电解法处理酸性品红的效果很好，COD 去除率为36.0%，色度去除率可达85% 以上。贾雪雷等采用微电解法处理含磷废水时发现，当 pH=4、进水总磷质量浓度为16 mg/L、水力停留时间(HRT)为60 min、废铁屑和活性炭体积比为2∶1、运行时间为20 min 时，总磷去除率达到88%。孙广芳等将微电解法与水生植物进行组合来净化水质，研究发现，对 COD 和总磷去除效果均较好。因此，本研究提出微电解法和垂直流人工湿地进行有机结合，设计了上升垂直流微电解耦合人工湿地和复合垂直流微电解耦合人工湿地，以强化生活污水 COD、总磷和氨氮的处理效果，为农村生活污水的处理提供可行解决方案。
1 材料和方法
1.1 人工湿地装置
图1(a)是普通垂直流人工湿地装置，装置直径为20cm，基石(粒径2～3cm)层厚5cm、砾石(粒径0.5～1.0cm)层厚30cm、细砂(粒径3～5 mm)层厚30cm，总高度为65cm。图1(b)是上升垂直流微电解耦合人工湿地装置，把普通垂直流人工湿地装置中的砾石层更换为铁碳(粒径1.0～2.0cm)层即可得到。图1(c)是由两个上升垂直流微电解耦合人工湿地装置串联而成的复合垂直流微电解耦合人工湿地。植物均种植美人蕉(Cannas)，由植物生长补光灯控制每天光照时间为10h。铁碳材料由铁粉、活性炭粉末、高岭土和氯化铵按照质量比3.00∶3.00∶4.00∶0.05 充分混合后加水调匀，手工捏制成球形，在400 ℃下焙烧10 min，然后升温至1150℃焙烧15 min，自然冷却至室温后得到。
1.2 人工湿地运行条件
2016年12 月1 日开始，用桂林某城市污水处理厂出水启动人工湿地，采用连续进水方式，HRT设置为 ，待污染物去除率稳定运行至少 个月后认为启动完成，开始进行后续实验。
实验污水由葡萄糖 (400 mg/L)、乙 酸钠 (54mg/L)、磷 酸 二 氢 钾 (15 mg/L)、硫 酸 铵 (108mg/L)、碳酸氢钠(111 mg/L)和氯化钙(30 mg/L)人工配置而成，污水水质情况如表1 所示。采用连续进水的方式，分别设置HRT为1、2、3d，考察COD、
图１ 人工湿地装置示意图
表１ 实验污水水质
总磷和氨氮的去除效果。实验期间湿地植物生长良好，没有出现冻害和病虫害。
1.3 测定方法
定时采集湿地系统出水，采用重铬酸盐法测定COD，采用连续流动-钼酸铵分光光度法测定总磷，采用纳氏试剂分光光度法测定氨氮，用 PHS-3C 数字酸度计测定pH。
2 结果与讨论
2.1 启动过程分析
启动阶段，仅考虑 COD 和总磷，由图2 可知，3种人工湿地启动阶段前期 COD 和总磷的去除率波动较大，两种垂直流微电解耦合人工湿地在30d 后基本趋于稳定，湿地植物生长正常，而普通垂直流人工湿地56d后才趋于稳定，并且两种垂直流微电解耦合人工湿地的 COD 和总磷去除率始终大于普通垂直流人工湿地，其中复合垂直流微电解耦合人工湿地的去除率相对更高。启动阶段前期由于湿地系统中微生物群落和微生物膜未稳定形成，且植物根际仍处于初期生长阶段，故去除率相对较低且不稳定;而后期系统生物膜和植物根际生长已稳定，故去除率逐渐升高且趋于稳定。两种垂直流微电解耦合
图２ 启动过程中人工湿地对 ＣＯＤ 和总磷的去除率
人工湿地的去除率高于普通垂直流人工湿地，且启动时间缩短了近一半，这可能是微电解耦合人工湿地中，铁碳层的铁和碳反应产生了具有较强还原能力的 Fe2+ ，使有机物开环裂解，大分子有机物分解为小分子物质，并被植物吸收，达到明显、快速、高效、稳定启动的效果，与文献[11]的研究结果基本一致。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
2.2 处理效果
2.2.1 氨 氮
图3为3 种人工湿地在不同 HRT 条件下对氨氮的处理效果。在 HRT 为1d时，普通垂直流人工湿地、上升垂直流微电解耦合人工湿地和复合垂直流微电解耦合人工湿地的氨氮平均去除率分别为22.52%、23.54%、23.72%，统 计学上无显著差异(P=0.15>0.05)。在 HRT 为2d时，上述3 个人工湿地的氨氮平均去除率分别为40.55%、42.10%、42.31%，统计学上无显著差异(P =0.09>0.05)。在 HRT 为3d时，上述3个人工湿地的氨氮平均去除率分别为51.35%、52.38%、52.94%，统计学上亦无显著差异(P=0.09>0.05)。综上可知，两种垂直流微电解耦合人工湿地对氨氮的去除率与普通垂直流人工湿地无显著差异。
2.2.2 COD
图4 为 3 种人工湿地在不同 HRT 条件下对COD 的处理效果。在不同 HRT 条件下，3 种人工湿地稳定运行时，COD 去除效果稳定，去除率大小均表现为：复合垂直流微电解耦合人工湿地> 上升垂直流微电解耦合人工湿地> 普通垂直流人工湿地。随着 HRT 的延长，COD 去除率升高。HRT为1d时，普通垂直流人工湿地、上升垂直流微电解耦合人工湿地和复合垂直流微电解耦合人工湿地的COD 平均去除率分别为64.51%、75.50%、81.50%，出水 COD 平均质量浓度分别为 128.62、86.74、65.57 mg/L，均未达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的 一级 A 排放要求 (50mg/L)。HRT 为2d时，上述3个人工湿地的COD平均去除率分别为81.07%、88.60%、92.18%，出水COD 平 均 质 量 浓 度 分 别 为 67.47、40.58、27.89mg/L。HRT 为3d时，上述3 个人工湿地的 COD平均去除率分别为83.50%、92.00%、95.00%，出水COD 平 均 质 量 浓 度 分 别 为 58.54、29.06、19.86mg/L。当 HRT≥2d时，两种微电解耦合人工湿地出水 COD 平均浓度均能达到 GB18918—2002 的一级 A 排放要求。
图３ 氨氮的处理效果
两种微电解耦合人工湿地对 COD 的处理效果优于普通垂直流人工湿地主要因为这两种人工湿地除依靠填料对污染物的吸附、微生物和植物根系降解、吸收外，可能还与铁碳填料的高比表面积及微电解作用有关。通过植物根系渗透进入人工湿地的溶解氧，通过 Fe2+ 催化，在水中产生具有较高氧化还原电位的羟基自由基，使难降解的有机物的碳链断
图４ ＣＯＤ 的处理效果
裂，分解为小分子物质。
2.2.3 总 磷
图5为3 种人工湿地在不同 HRT 条件下对总磷的处理效果。与 COD 类似，在 不同 HRT 条件下，3 种人工湿地稳定运行时总磷去除效果稳定，去除率大小均表现为：复合垂直流微电解耦合人工湿地>上升垂直流微电解耦合人工湿地>普通垂直流
图５ 总磷的处理效果
人工湿地。HRT 为1d 时，普通垂直流人工湿地、上升垂直流微电解耦合人工湿地和复合垂直流微电解耦合人工湿地的总磷平均去除率分别为20.21%、49.14%、54.04%，出 水总磷平均质量浓度分别为2.51、1.79、1.61 mg/L，均未达到 GB18918—2002的一级A 排放要求(0.5mg/L)。HRT 为2d时，上述3个人工湿地的总磷平均去除率分别为27.21%、69.14%、74.04%，出水总磷平均质量浓度分别2.49、1.09、0.87 mg/L，仍未达到 GB18918—2002的一级A 排放要求。HRT 为3d时，上述3 个人工湿地的总磷平均去除率分别为72.15%、87.10%、89.04%，出水总磷平均质量浓度分别为0.99、0.46、0.39mg/L，两 种 微 电 解 耦 合 人 工 湿 地 达 到 了 GB18918—2002 的一级 A 排放要求。常邦等研究表明，铁碳填料的加入可以使生活污水的磷的去除率达到90% 以上。Fe2+ 持续稳定地溶出是铁碳填料除磷的基础。实验开始时，填料表面与污水直接接触，铁碳填料形成原 电池，在 阳极生成 Fe2+ ，4Fe2+ 又会被氧化成 Fe3+ ;Fe3+ 与 OH- 、PO3- 反应生成沉淀。
3 总 结
(1)两种微电解耦合人工湿地启动时间比普通垂直流人工湿地缩短近一半。长期稳定运行，微电解耦合人工湿地均未出现铁屑表面钝化、板结、堵塞等现象。
(2)3种人工湿地对氨氮的去除率无显著差异。对 COD 和总磷的去除率大小均表现为：复合垂直流微电解耦合人工湿地>上升垂直流微电解耦合人工湿地>普通垂直流人工湿地。
(3)3 种人工湿地对 COD 和总磷的去除率随HRT 的延长而升高。HRT 为3d 时，上升垂直流微电解耦合人工湿地和复合垂直流微电解耦合人工湿地的出水 COD 平均质量浓度分别为29.06、19.86mg/L，总磷分别为0.46、0.39 mg/L，均达到了 GB18918—2002的一级 A 排放要求。
(4)由于复合流垂直流微电解耦合人工湿地相对于上升垂直流微电解耦合人工湿地构造复杂，工程建设费用要高，而对 COD 和总磷去除率的提高又不是很明显，因此推荐使用上升垂直流微电解耦合人工湿地。(来源：广西师范大学环境与资源学院)