人工濕地處理技術因具備投資低，處理效果穩定，維護管理簡便等特點，在農村生活污水處理和生態修復工程上已廣泛應用［1］。但人工濕地易堵塞、負荷低等問題使得其進一步推廣應用受到較大限制。為從根本上解決人工濕地易堵塞和占地多的問題，提高人工濕地除磷脫氮效果，我們研發出多級跌水有機填料型人工濕地技術，已成功應用于50 個農村生活污水處理示范工程，六合張灣村生活污水處理示范工程屬其中之一。
1 工程概況
六合張灣村為2012 年江蘇省村莊環境整治三星級村莊。污水收集涉及戶數200 戶，合計共700 人。根據張灣村集中居住點的實際情況，取用水量100 L/(人·d) ，計算得出示范工程覆蓋區域總用水量為70 m3/d。生活污水排放量一般為總用水量的75% ～90%。根據該村的現實情況，污水量取用水量的85%，總污水量為59. 5 m3/d，工程設計處理污水量取60 m3/d。污水主要來源于每戶化糞池出水、洗滌洗浴用水及初期雨水。根據污水量設計厭氧池總容積為40 m3，停留時間為12 h; 人工濕地面積為12. 5 m×4. 5 m = 56. 25 m2，水力負荷達1. 05 m3/m2。該工程于2012 年5月份完工，工程總投資15 萬元。工藝流程如圖1 所示。
多級跌水有機填料型人工濕地共分4 級，污水由泵從厭氧池提升至布水區，進入第一級跌水充氧導流槽后再導入該級人工濕地，自下而上流入第二級跌水充氧導流槽后導入第二級人工濕地，如此循環往復后最終由集水區排出。人工濕地由混凝土隔板分為上下兩部分，上部由植物栽植層、5 cm厚粒徑0. 005 ～0. 01 m 細石子層和15 cm厚粒徑0. 03～0. 05 m 加氣混凝土砌塊層組成，下部為有機填料層。污水水面控制在加氣混凝土砌塊層上端，栽種植物為美人蕉。構造如圖2 所示。
污水經跌水充氧后進入有機填料型人工濕地，較好地改善了濕地內溶氧環境，為微生物繁殖和除磷脫氮創造條件。同時有機填料(彈性立體填料) 取代砂石等傳統無機填料，孔隙率和比表面積大幅提高，孔隙率達99%，比表面積達265 m3/m2，不易堵塞，附著生物量高; 設置脫除有機填料上附著的陳舊生物膜措施，避免出現水流不暢。
2 試驗部分
2. 1 試驗過程
張灣村污水處理工程自2012 年7月25 日至2013 年4月13 日，先后對人工濕地系統凈化效果進行了12 次測試，測試季節歷經夏季、秋季、冬季和初春4 個季節。取水點自厭氧池進水至濕地末端分別為厭氧池進水、厭氧池出水、一級跌水、二級跌水、三級跌水和濕地出水6 處，測試指標包括COD、TN、NH4+-N、NO3--N、TP 等5 個指標。
2. 2 檢測方法及儀器
根據水和廢水監測分析方法規定，水樣采集后保存于聚乙烯瓶中，TP、NH4+-N、TN 立即測定，COD 在24 h 內測定。
COD: 重鉻酸鉀法，全玻璃回流裝置; NH4+-N: 絮凝沉淀-納氏試劑光度法; TN: 堿性過硫酸鉀-消解紫外分光光度法; NO3--N: 酚二磺酸光度法; TP: 過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法。
3 結果與分析
3. 1 有機物去除情況
圖3 為COD 濃度變化圖。由圖3 可知: 進水ρ(COD) 波動較大，最高可達260 mg/L，最低為113 mg/L，整體來看，自厭氧池進水至濕地出水，COD濃度呈逐漸降低趨勢，尤其是在二級跌水前，COD 濃度降幅較大，表明污水中COD 的去除主要發生在二級跌水前。分析認為COD 去除主要通過沉淀、過濾、微生物吸附及厭氧好氧生物新陳代謝等去除［2］，有機物經厭氧發酵、好氧微生物吸附吸收及分解后至二級跌水處濃度已降低至100 mg/L 左右，經三級跌水后濃度降低逐漸減緩。
從圖4 可以看出: 濕地開始運轉的前2 次去除效率較低，此時厭氧池及濕地內填料尚未掛膜，植物沒有完全復蘇生長，根系不發達，從而導致去除率較低。隨著季節變化，COD 去除率明顯提高，一般均保持在60%以上，最高可達73. 3%，即使冬季COD 去除率也能維持較高水平(出水ρ(COD) = 61 mg/L) ，表明盡管冬季氣溫較低，微生物活動減弱，但一方面跌水的設計增加了污水中溶解氧濃度，另一方面彈性填料取代石子、黃沙等傳統填料也大大增加了濕地內部微生物數量，因此，在冬季仍表現出較高的COD 去除效率。
3. 2 TN 去除情況
在濕地中氮主要通過水生植物吸收、微生物的硝化和反硝化以及氮的揮發等途徑去除［3］。本示范工程在實施過程中，主要是通過選擇對氮素有高吸收效率的美人蕉作為濕地主要植物，將傳統填料改為塑料填料，采用多級跌水，強化硝化反硝化的有機填料型人工濕地等措施來實現對氮素的有效去除。
由圖5 的檢測結果看，進水TN 濃度自檢測開始至2012 年12月2 日，TN 濃度明顯偏高，在5 次檢測中4次均在75 mg/L 以上; 2012 年12月2 日后，進水TN 濃度明顯降低，維持在48. 3～58. 2 mg/L，分析認為可能與居民用水量減少有關。出水TN 濃度除2012 年9月19 日—11月20 日4 次維持在30 mg/L 以下外，其余6次全部超過30 mg/L，最高達54. 3 mg/L，出水濃度偏高。分析認為可能由于跌水導致濕地內部溶解氧較為充足，無法形成厭氧環境導致部分NO3--N 無法還原，從2013 年1月10 日的檢測數據中可以看出，NO3--N濃度從濕地進水到出水不降反升。
由圖6 可見: 9—12月初，盡管進水TN 濃度較高，但去除率均在50% 以上，其中最高可達65. 3%。冬季和早春，盡管進水中TN 濃度較低，但去除效率整體偏低，其中，最低出現在2013 年1月10 日，TN去除率僅為6. 1%。分析認為，12月初之前，一方面氣溫整體偏高，無論是厭氧菌或好氧菌群數量多，活性高，硝化反硝化較為充分; 另一方面，植物正處成熟期，對氮素吸收能力較強。12月初之后，微生物活性及數量大大降低，同時植物也已枯萎，因此去除率相應降低。
3. 3 NH4+-N去除情況
由圖7 可知: ρ(NH4+-N) 進水為35～70 mg/L，波動較大，平均濃度約52. 3 mg/L。整體來看，NH4+-N濃度逐漸降低，出水濃度維持在13. 7～40. 0 mg/L，其變化情況與TN 類似，2012 年12月2 日前，降幅較為明顯，12月2 日后降幅較小。另外，從濕地跌水效果來看，每級跌水曝氣對氨氮濃度降低效果相當，充分說明跌水對氨氮硝化作用明顯。
由圖8 可知，7—11月NH4+-N 去除率較高，最高值出現在9月份，達77. 9%; 冬季和早春，去除效率整體偏低，最低出現在1月份，僅為11. 7%。分析認為該情況可能與微生物活性及植物、填料吸附吸收有關，12月初之前，氣溫高，硝化菌數量多，活性強，硝化反應充分，這點也可從圖9 看出。12月初之后，隨著氣溫降低及植物枯萎，微生物降解及植物吸收作用相應減弱，出水濃度偏高，去除率降低。
3. 4 NO3--N去除情況
水中NO3--N含量與水中溶解氧含量直接相關，溶解氧高，NH4+-N轉化為NO3--N更充分。由圖9可知: 本工程中收集的農村生活污水ρ(NO3--N) 為3～6 mg/L，平均值為4. 3 mg/L，總體上，NO3--N含量偏高，這主要是污水自厭氧池流出，經三級跌水，使之溶解氧高于一般污水，從而使部分NH4+-N發生硝化反應，轉化為NO3--N。同時，人工濕地不斷交替的好氧和厭氧環境使得NO3--N轉化為氮氧化物和氮氣。因此，在濕地中不斷有NO3--N 的產生和消耗，從而使得NO3--N出現無規則的波動。表明，厭氧反硝化條件不足，甚至出現了去除效率為負值的現象，見圖10。
3. 5 TP 去除情況
由圖11 可知，進水ρ(TP) 為4. 5～12. 7 mg/L，平均值為7. 4 mg/L，濃度偏高。自濕地始端至末端，TP濃度逐漸降低，由TP 濃度變化曲線發現，每條曲線的斜率基本保持穩定，尤其是每級跌水濃度變化曲線波動幅度不大，這說明自人工濕地始端至末端，各部分對TP 去除發揮作用相近。出水ρ(TP) 為2. 1 ～7. 2 mg/L，平均濃度為3. 68 mg/L，出水濃度偏高，尤其是2013 年4月13 日，出水濃度達7. 2 mg/L，分析認為一方面與進水濃度偏高有關，另一方面植物尚處于枯萎狀態，植物吸附未發揮作用，而且還有可能向濕地內釋放磷元素。
4 結論
1) 進水ρ(COD) 波動較大，最高可達260 mg/L，最低為113 mg/L。整體來看，自厭氧池進水至濕地出水，COD 濃度呈逐漸降低趨勢，尤其是在二級跌水前，COD 濃度降幅較大。隨著季節變化，COD 去除率明顯提升，一般均保持在60%以上，最高可達73. 3%。具體參見http://www.bnynw.com更多相關技術文檔。
2) 進水ρ(TN) 濃度開始階段明顯偏高，維持在75 mg/L 左右，后期下降明顯，為48. 3～58. 2 mg/L;出水ρ (TN) 偏高，多次超過30 mg/L，最高達54. 3 mg/L。開始階段，盡管進水TN 濃度較高，但去除率均在50%以上，其中最高可達65. 3%; 冬季和早春，隨著TN 濃度降低，去除率也有所降低。
3) ρ(NH4+-N) 進水為35～70 mg/L，平均值約為52. 3 mg/L，濃度較高。整體來看，ρ(NH4+-N) 出水維持在13. 7～40 mg/L。開始階段，NH4+-N 去除率較高，最高達77. 9%; 冬季和早春，去除效率偏低，最低僅為11. 7%。ρ(NO3--N) 進水測試平均值為4. 3 mg/L，前后濃度變化呈現出無規則波動，去除率相應呈現出無規則變化，甚至出現負值。
4) 進水ρ(TP) 維持在4. 5～12. 7 mg/L，平均濃度為7. 4 mg/L。出水ρ(TP) 為2. 1～7. 2 mg/L，平均值為3. 68 mg/L。TP 去除率維持在39. 3%～61. 8%，平均去除率為50. 7%。
