農(nóng)村生活污水是面源污染的重要組成部分，全國50%的非點源污染來自農(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。對于農(nóng)村地區(qū)污水，集中污水處理的建設和運行維護費用高，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，這些技術由于其低廉的成本已成為現(xiàn)在農(nóng)村處理污水的關注點。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水面積近似相同條件下對比兩種濕地床對碳源、氮源的去除效果，以期為人工濕地處理江西地區(qū)村鎮(zhèn)污水的工程應用提供基礎數(shù)據(jù)與理論設計依據(jù)。

1 試驗條件
 
1.1 基地的建設
 
復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，每個床體表面積均為900 mm×900 mm，出水渠寬0.2 m。進水采用D 20 mm 穿孔管布水，按0.5%坡度設計。

水平潛流人工濕地兩級串連，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?shù)赝翆印４驳灼露?%，污水用UPVC管從生活區(qū)經(jīng)調節(jié)池（HRT=12 h）引入配水槽，進水端配水槽和中間配水槽分別采用三角堰配水使進入床體水質水量均勻，在出水端設置旋轉彎頭和控制閥門調節(jié)水位。

1.2 人工濕地試驗條件及水質
 
人工濕地試驗系統(tǒng)基質填充完畢后，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生長，此時系統(tǒng)開始進污水。測試之前先運行3個月，以讓植物快速生長，處理床掛膜。測試時床內植株根系發(fā)達，美人蕉約130 cm，試驗歷時12個月。采用連續(xù)進水連續(xù)出水，研究動態(tài)條件下兩種濕地系統(tǒng)的凈化能力。

試驗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 。試驗進水水質：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。

試驗分析方法： COD采用COD快速密閉消解法，其他指標測定采用國標法。

2 試驗結果與討論
 
2.1 水力負荷對污染物去除效果的影響分析
 
2.1.1 水力負荷對COD去除效果的影響分析
 
水力負荷對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與水力負荷有密切關系，出水COD均隨水力負荷的提高而增大。水力負荷為0.167 m3/（m2·d）時濕地床出水COD均優(yōu)于《地表水環(huán)境質量標準》（GB 3838— 2002）（以下簡稱水體）Ⅲ（20 mg/L）類水體標準，說明在此工況下人工濕地對COD達到十分顯著的去除效果。水力負荷＜0.5 m3/（m2·d）時，濕地床對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準》（GB 18918—2002）（以下簡稱標準）一級A（50 mg/L）標準。繼續(xù)增加水力負荷達到0.725 m3/（m2·d），潛流人工濕地床對COD仍可達到很好的去除效果，COD去除率為80.25%，出水COD為33 mg/L，出水水質優(yōu)于一級A（50 mg/L）標準，甚至達到Ⅴ類水體（40 mg/L）標準；而對于復合垂直流人工濕地，在水力負荷為0.725 m3/（m2·d）時，COD去除率為65.1%，出水COD為58 mg/L，出水水質僅能滿足一級B（60 mg/L）標準。整體而言，相對于復合垂直流人工濕地，潛流人工濕地對碳源的去除效果更佳。這與肖宇芳等的研究結果一致。此外，還可以看出：對于碳源的去除，潛流人工濕地床受水力負荷的影響更為顯著。

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

2.1.2 水力負荷對NH3-N去除效果影響分析
 
水力負荷對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 均與水力負荷有密切關系，對NH3-N 的處理效果隨水力負荷增加而變差，垂直流人工濕地在水力負荷為0.5 m3/（m2·d）時，NH3-N去除率為35.11%，出水NH3-N 7.79 mg/L，達到一級B（8 mg/L）標準；水力負荷為0.25 m3/（m2·d）時，NH3-N去除率為67.24%，出水 NH3-N 3.93 mg/L，達到一級A（5 mg/L）標準。潛流人工濕地在水力負荷為0.181 m3/（m2·d）時，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，水質均達到一級B（8 mg/L）標準，此時復合垂直流人工濕地NH3-N去除率為73.5%，出水NH3-N 3.18 mg/L，達到一級A（5 mg/L）標準；水力負荷為0.083 m3/（m2·d）時，潛流人工濕地NH3-N去除率為64.33%，出水NH3-N 4.28 mg/L，可以達到一級A（5 mg/L）標準。復合垂直流人工濕地處理NH3-N效果更佳，這與其他研究結果一致。主要由于復合垂直流人工濕地系統(tǒng)復氧能力更好。此外，還可以發(fā)現(xiàn)：對于NH3-N的去除，復合垂直流人工濕地床受水力負荷的影響更為顯著。

此水力負荷范圍內，復合垂直流處理效果優(yōu)于潛流，說明復合垂直流人工濕地更適宜硝化菌增長，硝化反應較完全，也證實了復合垂直流人工濕地較好的復氧能力。水力負荷＜0.365 m3/（m2·d）時，對NH3-N去除效果影響較大；水力負荷>0.365 m3/（m2·d）時，去除率變化趨于平緩，因為污水在系統(tǒng)中停留一定時間后，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，微生物對氮的去除占主要地位。水力負荷大，污水停留時間較短，無法達到硝化菌的世代時間，抑制了硝化作用，降低NH3-N去除效果。氨化作用無論在好氧、缺氧還是厭氧條件下都可進行，且氨化反應速率較快，有機氮轉化成NH3-N及污水中本身存在的NH3-N與硝化菌接觸時間短，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；而低水力負荷下，硝化菌與污水中NH3-N有充分接觸時間，將NH3-N轉化為氮的其他形式，降低出水NH3-N濃度，提高凈化效果。

2.1.3 水力負荷對TN去除效果影響分析
 
水力負荷對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指標隨水力負荷增加而變差。水力負荷為0.725 m3/（m2·d）時，潛流人工濕地TN去除率為33.29%，出水TN 14.01 mg/L，復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到一級A（15 mg/L）排放標準；水力負荷＜0.2 m3/（m2·d）時，復合垂直流TN去除率保持在60%以上，而對于潛流人工濕地，水力負荷＜0.125 m3/（m2·d）時，TN去除率保持在60% 以上。

水力負荷為0.071 m3/（m2·d）時，出水TN很低但仍不能達到水體標準，說明單獨用任一種人工濕地對氮的去除是有一定限度的，需要進一步對出水進行處理以達到更高的標準。此外，還可以發(fā)現(xiàn)：對于TN的去除，復合垂直流人工濕地床受水力負荷的影響更為顯著。復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果一致。

人工濕地對氮的去除主要依靠微生物的氨化、硝化和反硝化作用。廢水中的無機氮可直接被植物吸收并通過植物收割而去除，但主要作用是通過微生物硝化、反硝化作用完成。人工濕地系統(tǒng)中TN的去除過程主要依靠植物根系和基質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 污染物去除的動力學研究
 
潛流人工濕地和復合垂直流人工濕地動力學擬合曲線如表 1所示。

兩組濕地床的一級動力學模型的相關系數(shù)均達到了0.85以上，一級動力學模型能夠比較好地反映兩組人工濕地床對COD、NH3-N、TN的去除過程，表明同一濕地床，在同樣條件下不同污染物的一級動力學方程存在一定差異，不同濕地床對同一污染物的一級動力學方程也有一定差異。具體參見http://szhmdq.com更多相關技術文檔。

3 結論
 
（1）水力負荷增加，COD、NH3-N、TN的去除效果降低、出水水質變差。對于COD，在水力負荷為0.5 m3/（m2·d）時，潛流人工濕地COD去除率為81.41%，出水COD為30.67 mg/L，復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，出水達到一級A（50 mg/L）排放標準；對于NH3-N，水力負荷＜0.25 m3/（m2·d）時，復合垂直流人工濕地NH3-N去除率保持在60%以上，出水NH3-N 3.93 mg/L；優(yōu)于一級A標準；對于TN，水力負荷＜0.25 m3/（m2·d）時，復合垂直流人工濕地TNs去除率保持在60%以上，出水TN ＜8 mg/L，優(yōu)于一級A標準。

（2）對COD去除效果，潛流人工濕地優(yōu)于復合垂直流人工濕地，而對于脫氮效果復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合垂直流人工濕地均可以達到較好的處理效果。

（3）一級動力學模型較好地擬合了潛流與復合垂直流人工濕地對COD、NH3-N、TN的去除規(guī)律。