我國農村人口數量多，且分布較分散，隨著農村經濟水平的提高，農村居民生活用水量不斷增加，污染程度也在逐漸加深。

　　人工濕地技術是一種無動力，低投入、高效率、易維護的污水處理技術，作為農村散戶生活污水深度處理單元得到廣泛應用。研究表明，水生植物、基質及微生物協同作用促使污水中C、N 和P 的同步去除，且微生物的硝化/ 反硝化作用與濕地水生植物的生理生長特性密切相關，目前應用于農村散戶生活污水處理的人工濕地并不理想，存在效率低( 特別是冬季) 、易堵塞、經濟價值低等問題。為此，本課題對四種基質進行了試驗研究并針對春夏秋三季和冬季分別構建了四種復合型( 景觀型水生植物 + 蔬菜型植物) 人工濕地系統，以篩選出最優的基質類型、基質級配及適應于不同季節的復合型水生植物，這對于指導人工濕地的設計和提高系統的高效穩定運行效能及經濟價值具有重要的理論和現實意義。

　　1 材料與方法

　　1. 1 試驗材料

　　選取頁巖陶粒、卵石、火山巖、綠沸石、石英砂為人工濕地基質; 基質均采購于長沙某公司。

　　選取旱傘草、美人蕉、黃菖蒲、香蒲、空心菜、水芹菜為水生植物，旱傘草、美人蕉、黃菖蒲采購于長沙某花卉市場，空心菜、水芹菜為實驗室播種培育而成的幼苗。

　　1. 2 試驗裝置及試驗水質

　　1. 2. 1 試驗裝置

　　人工濕地池由玻璃制成，并置于實驗室外露天空地上以模擬自然條件使濕地植物能夠接受充足的日照，試驗裝置尺寸為長 800 mm、寬 500 mm、高 500mm，試驗裝置如圖 1 所示。具體基質類型、基質尺寸及鋪設厚度將根據吸附試驗結果確定。每個玻璃箱種植 1 種景觀型植物和 1 種蔬菜型植物，景觀型植物: 4 株/ 盆，蔬菜型植物: 6 株/ 盆，試驗重復 3 次，共 24 盆。

圖 1 水平潛流復合型人工濕地示意圖

　　1. 2. 2 試驗水質

　　吸附試驗及人工濕地池進水均采用某農戶三格化糞池出水，其水質見表 1。

　　表 1 試驗水質

　　1. 3 試驗方法

　　1. 3. 1 基質吸附試驗

　　取一定量的頁巖陶粒、卵石、火山巖、綠沸石 ( Φ3 ～ 6 mm) 于 105 ℃ 下干燥 2 h 后稱取 5 g，放置于不同的 250 mL 錐形瓶中并加入濃度為表 1 的供試溶液 150 mL，在恒溫 150 r / min 條件下，連續震蕩 4 h，8 h，12 h，24 h，48 h，振動結束后離心取樣( 9 000 r / min，8 min) 試驗重復 3 次，結果取平均值。

　　1. 3. 2 人工濕地研究試驗

　　根據吸附試驗結果，確定復合型人工濕地基質組成并按表 2 分別套種不同的復合型水生植物。

　　表 2 景觀型與蔬菜型水生植物組合類型

　　1. 不同復合型水生植物對污染物去除效果試驗: 在秋季和冬季，分別對不同復合濕地系統進行試驗研究，每天連續進水 12 h 并連續 7 d 定時取樣，試驗結果取平均值。

　　2. 不同水力停留時間對污染物去除效果試驗:以最優復合型人工濕地系統為研究對象，控制 HRT為 1 d、2 d、3 d、4 d，每天連續進水 12 h 并連續 7 d定時取樣，試驗結果取平均值。

　　3. 分別以秋季和冬季最優人工濕地系統為研究對象，開展為期 30 d 的連續穩定性試驗。

　　1. 4 測試方法

　　水樣檢測指標包括 CODcr、NH3 - N、TP，測定方法均采用國家標準方法測定[4]，COD 采用重鉻酸鉀法，NH3 - N 采用納氏試劑比色法，TP 采用過硫酸鉀消解 - 鉬酸銨分光光度法。

　　1 結果與討論

　　2. 1 不同基質對 NH3 - N、TP 的吸附效率

　　本試驗以頁巖陶粒、卵石、火山巖、綠沸石為研究對象，當 NH3 - N = 26. 31 mg / L，TP = 6. 13 mg / L時，生活污水中 NH3 - N 和 TP 濃度隨時間的變化如圖 2 所示。

　　從圖 2( a) 可知，隨著試驗的進行，生活污水中的氨氮濃度逐漸降低，從而表明，頁巖陶粒、卵石、火山巖、綠沸石對氨氮都有一定的吸附去除能力，但不同基質對氨氮的吸附存在明顯的差異性，如經過 48h 的吸附試驗，沸石可將生活污水中氨氮濃度降低至1. 89 mg / L，去除率達 99% 以上，而卵石對污水中氨氮濃度的去除效果有限，吸附試驗結束時，污水中氨氮濃度仍然有 17. 12 mg / L。各基質對氨氮去除率由高到低的順序為綠沸石 > 火山巖 > 頁巖陶粒 > 卵石，據分析，基質的凈化能力主要取決于基質本身的物理化學性質[5]，而綠沸石是一種具有空曠的骨架結構的堿或堿土金屬的硅鋁酸鹽礦物，內表面積大、孔穴多，且能與銨離子進行離子交換，因而對銨離子具有較高的吸附效果。

　　從圖 2( b) 可知，各基質對總磷的吸附表現出與氨氮相同的變化趨勢。但從整體去除效果來看，各基質對總磷的吸附去除效果要低于對氨氮的吸附去除，經過 48 h 的吸附試驗后，吸附效果最好的頁巖陶粒，其去除率僅為 82. 38% ，剩余總磷濃度仍然有1. 08mg / L，各基質對總磷去除率由高到低的順序為

圖 2 NH3 － N 和 TP 總磷濃度隨時間的變化曲線

　　頁巖陶粒 > 綠沸石 > 火山巖 > 卵石，據分析，基質對污水中 TP 的去除原理有: ( 1) 基質表面孔道對磷酸鹽的物理吸附作用，在溶液中磷主要以磷酸鹽的形式存在，其分子半徑要遠大于銨離子，導致物理吸附作用有限; ( 2) 基質中含有的鈣、鋁、錳等金屬離子與磷酸鹽形成沉淀。頁巖陶粒中含有一定量的自生礦物即鐵、鋁、錳的氧化物與氫氧化物等，為此基質中游離氧化鐵、鋁和膠體氧化鐵、鋁可將污水中磷酸鹽固定，形成磷酸鐵鹽和磷酸鋁鹽等沉淀物而將污水中 TP 去除。具體聯系污水寶或參見http://www.bnynw.com更多相關技術文檔。

　　基質的選擇取決于其水力滲透性和去污能力。低水力滲透性會導致系統堵塞，極大地降低系統的效率; 弱吸收能力會影響人工濕地長期的凈化性能。根據吸附試驗的試驗結果，并考慮基質的水力滲透性及設備制作成本，確定人工濕地基質鋪設方式為: 從下到上面依次鋪設 Φ32 ～ 50 mm 卵石， Φ16 ～ 25 mm 火山巖，Φ8 ～ 16 mm 頁巖陶粒，Φ3 ～ 6mm 綠沸石、石英砂，每種基質鋪設 100 mm。

　　1. 2 不同水生植物組成的復合型人工濕地對 COD、 NH3 - N 和 TP 去除效果

　　考慮到試驗的連貫性，景觀型水生植物 + 空心菜構建的復合型人工濕地試驗在秋季進行，秋季 -四種復合型人工濕地對 COD、NH3 - N、TP 的去除效果如圖 3 所示。

圖 3 秋季 － 四種復合型人工濕地對 COD、NH3 － N、TP 的去除效果

　　由圖 3( a) 可知，在秋季，四種復合型水生植物構建的人工濕地系統對農村散戶生活污水中的 COD 都有較好的去除效果，去除效果最好的為旱傘草 + 空心菜復合型人工濕地，去除率在 75% ～ 80% 之間，經處理后污水中剩余的 COD < 50 mg / L，達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》( GB 18918 - 2002) 中的一級 A標準; 其次為美人蕉 + 空心菜、黃菖蒲 + 空心菜、香蒲+ 空心菜，其中去除效率最低的香蒲 + 空心菜復合型人工濕地系統對 COD 的去除率也大于 60% ，出水中 COD < 100 mg / L，達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》( GB 18918 - 2002) 中的二級標準。

　　由圖 3( b) 可以看出，四種復合型水生植物構建的人工濕地系統對 NH3 - N 也表現出較高的去除率，去除率最高的仍然為旱傘草 + 空心菜，其氨氮去除率達到 80% 以上，污水中剩余的 NH3 - N 在 5 ～ 7mg / L 之間，四種復合型人工濕地系統對氨氮的去除率由高到低為旱傘草 + 空心菜、美人蕉 + 空心菜、黃菖蒲 + 空心菜、香蒲 + 空心菜。人工濕地系統去除氨氮的主要途徑有: 微生物的硝化/ 反硝化作用、植物生長時的吸收同化作用以及基質填料的吸附作用。在本試驗設計時，在保證濕地系統較高滲透系數的情況下，使用了對氨氮具有選擇性吸附的綠沸石及其它多孔基質，以提高基質對氨氮的吸附去除率及為微生物生長附著提供場地; 選取生物量大，根系發達的水生植物作為試驗植物，以提高植物生長對污水中氨氮的吸收同化作用及為微生物硝化去除氨氮提供足夠的氧氣，同時將景觀型水生植物和蔬菜型水生植物進行套種，以充分利用太陽光照以進一步提高生物量。旱傘草因植株分蘗快、生物量大、根系擴展能力強、根系密度大且成海綿狀分布等優點對氨氮具有較高的去除率，同時空心菜也具有生物量大的優點，為此旱傘草 + 空心菜復合型人工濕地可在保證對污水中氨氮高效去除的同時為農戶提供優質的蔬菜，提高人工濕地系統的經濟價值。

　　由圖 3( c) 可知，四種復合型水生植物構建的人工濕地系統對 TP 的去除以美人蕉 + 空心菜效果最佳，其 TP 去除率在 66% ～ 72% 之間。其它三種濕地系統對 TP 的去除率由高到低其次為旱傘草 + 空心菜、黃菖蒲 + 空心菜、香蒲 + 空心菜，其去除率分別為 59% ～ 63% 、53% ～ 56% 、45% ～ 48% ，水體中總磷主要包括正磷酸鹽、酸式水解磷酸鹽、可溶性有機磷酸鹽和單質磷等，在系統達到穩定后，各種形式磷的去除是通過植物的同化作用而去除，而單質磷主要是通過根的吸附和過濾被去除的。本試驗過程中，旱傘草、美人蕉、黃菖蒲、香蒲、空心菜都有較大的生物量，但美人蕉生物量最大，對磷肥需求最多，使得美人蕉 + 空心菜濕地系統對 TP 的去除率最大。

　　冬季氣溫低，水生植物會進入休眠或生長衰退期，生物量大大降低，同時微生物活動也隨著溫度的降低而減弱，為此人工濕地系統去除污染物的效率在冬季大幅下降。水芹菜的生長周期為 9 月 ～ 次年1 月，一種耐寒的多年生匍匐植物，即使在 - 10 ℃ 的低溫下仍可大量生長，是冬季重要的蔬菜之一，因此在冬季以水芹菜代替空心菜，構建水芹菜與其它四種景觀型水生植物的復合型人工濕地以研究冬季復合人工濕地對污水中污染物的去除效率。冬季 - 四種復合型人工濕地對 COD、NH3 - N、TP 的去除效果如圖 4 所示。

圖 4 冬季 － 四種復合型人工濕地對 COD、NH3 － N、TP 的去除效果

　　由圖 4 可知，在冬季，四種復合型人工濕地系統對污水中 COD、NH3 - N、TP 都有去除效果，雖然整體去除效率要低于秋季由空心菜構建的人工濕地系統，但人工濕地系統對 COD、NH3 - N、TP 的最高去除效率仍然可達到 68% ～ 72% ，74% ～ 77% 和 53%～ 57% ，處理后的出水中 COD < 100 mg / L，NH3 - N< 15 mg / L，TP < 3 mg / L。四種復合型人工濕地系統對 COD、NH3 - N、TP 的去除率由高到低都為旱傘草 + 水芹菜、黃菖蒲 + 水芹菜、香蒲 + 水芹菜、美人蕉 + 水芹菜，這主要是因為在冬季旱傘草、黃菖蒲、香蒲都有一定的生物量，而美人蕉基本處于休眠狀態，生物量低，微生物活性也大大降低，因而對污水中污染物去除有限。

　　本次試驗在秋季和冬季構建了不同類型的復合型人工濕地系統，通過試驗結果可看出旱傘草 + 空心菜/ 水芹菜復合人工濕地由于其生物量大，根系分蘗快、擴展能力強等優勢對污水中污染物都有較高的去除率，為此選擇旱傘草 + 空心菜/ 水芹菜復合人工濕地系統進行后續試驗研究。

　　2. 3 不同水力停留時間對 COD、NH3 - N 和 TP 的去除效果

　　不同水力停留時間對 COD、NH3 - N 和 TP 的去除效果如圖 5 所示。

　　從圖 5 可知，隨著水力停留時間的增加，人工濕地系統對農村散戶生活污水中的 COD、NH3 - N、TP去除率隨之增加，這是因為當 HRT = 1 d 時，生活污水中的大部分污染物還沒來得及被植物吸收利用或被微生物的降解就排出人工濕地系統，從而使人工濕地系統去除污染物的能力相對較低。當 HRT 延長時，污染物與植物、微生物及基質的接觸時間增長，污 染 物 能 被 植 物、微生物及基質吸收降 解，為此人工濕地系統去除污染物的能力大大提高;

圖 5 不同水力停留時間下對 COD、NH3 － N 和 TP 的去除效果

　　但從圖 5 中也可看出，當 HRT 由 3 d 增加至 4 d，人工濕地對污染物的去除率有所提高，但提高的幅度不大，這是因為人工濕地系統中植物、微生物及基質只能吸收或降解一定量的污染物。通過以上試驗結果及考慮到設備制作的經濟性，長期穩定性試驗的HRT 設計為 3 d。

　　2. 4 長期運行穩定性試驗

　　以旱傘草 + 空心菜/ 水芹菜人工濕地系統為研究對象，分別在秋季和冬季采用三格化糞池出水為系統進水，HRT = 3 d 時，進行了為期 30 d 的穩定性試驗，試驗結果如圖 6 所示。

圖 6 秋季 －  旱傘草 + 空心菜、冬季 － 旱傘草 + 水芹菜復合型人工濕地系統的長期穩定性研究

　　從圖 6 可知，在旱傘草 + 空心菜/ 水芹菜復合型人工濕地，在秋季和冬季對污水中 COD、NH3 - N、TP的去除率都比較穩定。旱傘草 + 空心菜對污水中COD、NH3 - N、TP 的去除率分別保持在 85% 、80% 、65% 左右，旱傘草 + 水芹菜對污水中 COD、NH3 - N、TP 的去除率分別保持在 80% 、70% 、55% 左右。從試驗數據表明，在秋季和冬季旱傘草 + 空心菜和旱傘草 + 水芹菜都表現出較好的污染物去除效果且系統穩定性較好，為此復合型人工濕地在保證一年四季對污水中污染物去除效率的同時還能提供優質蔬菜、美化農村環境，具有較好的觀賞和經濟價值。

　　3 小 結

　　1. 四種基質( 綠沸石、火山巖、頁巖陶粒、卵石)對 NH3 - N 和 TP 的吸附去除存在明顯差異，對 NH3- N 吸附去除效果最好的為綠沸石，對 TP 吸附去除效果最好的為頁巖陶粒。

　　2. 人工濕地系統基質類型及鋪設方式: 從下到上面依次鋪設 Φ32 ～ 50 mm 卵石，Φ16 ～ 25 mm 火山巖，Φ8 ～ 16 mm 黏土陶粒，Φ3 ～ 6 mm 綠沸石和石英砂，每種基質鋪設 100 mm。

　　3. 秋季四種復合型水生植物人工濕地系統對COD、NH3 - N 的去除率由高到低為旱傘草 + 空心菜、美人蕉 + 空心菜、黃菖蒲 + 空心菜、香蒲 + 空心菜; 對 TP 的去除率由高到低為美人蕉 + 空心菜、旱傘草 + 空心菜、黃菖蒲 + 空心菜、香蒲 +空心菜。冬季四種復合型水生植物人工濕地系統對 COD、NH3- N、TP 的去除率由高到低都為旱傘草 + 水芹菜、黃菖蒲 + 水芹菜、香蒲 + 空心菜、美人蕉 + 空心菜。

　　4. 通過長期穩定性試驗研究，表明旱傘草 + 空心菜/ 水芹菜所構建的人工濕地系統具有較好的長期穩定性，出水水質穩定，為此旱傘草 + 空心菜/ 水芹菜構建的人工濕地系統在保證一年四季對污水中污染物去除效率的同時還能提供優質蔬菜、美化農村環境，具有較好的觀賞和經濟價值及應用前景。(來源：長沙市璽成工程技術咨詢有限責任公司)