人工濕地水處理技術是充分利用人工介質中棲息的植物、微生物以及基質所具有的物理、化學特性，通過過濾、吸附、離子交換、植物吸收和微生物分解等途徑來處理污水的，以此達到降解污染物、凈化水質的目的[1-3]。目前，人工濕地技術已廣泛應用于點源污染的治理，并取得了較好的處理效果。袁林江等研究了復合垂直流人工濕地對廢水中COD 和氮的處理，系統(tǒng)運行穩(wěn)定后對COD、氨氮和總氮的去除率分別可達到85%、80%、70%[4]。近年來，也有人利用人工濕地治理非點源污染，且效果顯著[5-6]。Peterjohn 和Correll研究以人工濕地作為農田和水體之間的過渡帶，結果表明，50 m寬的沿岸植被緩沖帶能減少89％的氮和80％的磷進入地表水[7]。巴西的Engenho 濕地對磷、硝酸鹽和氨的去除率分別達到93％、78％和50％[8]。
廣州市番禺區(qū)東升農場菜地廢水未經(jīng)處理，通過排水溝渠直接排入水生植物塘，并最終流入附近河道。由于菜地廢水水質較差，為劣V 類（見表1），對河道水體造成了嚴重的污染，嚴重影響了附近居民的飲水安全。本研究通過建立垂直流-水平潛流一體化人工濕地對廢水進行凈化處理，以期提高出水水質，使處理出水達到飲用水水源的水質要求。
另外，利用人工濕地處理菜地廢水，通常會因為菜地廢水有機氮濃度較低、反硝化碳源不足而導致人工濕地脫氮效果不佳[9-10]，需要考慮向人工濕地補充碳源。本實驗選用甘蔗葉（農場內堆棄有大量甘蔗葉，一般直接被焚燒還田，既污染空氣，又浪費生物能源）作為植物碳源，以期提高人工濕地脫氮效果，并為進一步深入研究和開發(fā)甘蔗葉作為人工濕地外加碳源提供參考資料。
1 材料與方法
1.1 實驗裝置
實驗處理系統(tǒng)工藝流程如圖1 所示。
垂直流與水平潛流一體化人工濕地由兩部分組成，前部分是垂直流濕地，尺寸為1 m×1 m×1.1 m，在上部布DN20 的PVC 管，在PVC 管上鉆孔，該濕地種植風車草；后部分是水平潛流濕地，尺寸為1 m×1 m×0.75m，種植美人蕉。墻壁都采用水泥砂漿抹面的磚結構，底部采用混凝土結構。植物種植密度均為16 叢·m-2。
1 號濕地垂直流的基質填充次序為：30 cm厚的碎石（粒徑2~4 cm）、35 cm厚的沸石（粒徑0.5~1cm）、35 cm厚的砂子與高爐渣混合填料（砂子與高爐渣4∶1 混合）；水平流潛流濕地基質填充的次序為：30cm厚的碎石（粒徑2~4 cm）、35 cm厚的沸石（粒徑0.5~1 cm）、10 cm厚的砂子。2~4 號濕地的垂直流與水平潛流的基質填充次序與1 號濕地相同，但加入碳源量不同，1~4 號濕地碳源投加量分別為0、1.62、3.24、4.86 kg·m-3，碳源采用甘蔗葉，剁碎添加。
圖1 垂直流-水平潛流一體化人工濕地處理系統(tǒng)工藝流程圖
Figure 1 The process chart of the integrated vertical-flow and horizontal-flow constructed wetlands
1.2 運行管理方式
垂直流-平潛流一體化人工濕地系統(tǒng)于2010 年3 月建成并開始運行，至2010 年12 月20 日共運行9個月，每個月取樣2~3 次，把9 個月的數(shù)據(jù)逐項求平均，作為濕地的出水濃度。濕地運行的水力負荷為0.63 m3·m-2·d-1。
1.3 進水水質
供試廢水取于東升農場內接受菜地廢水的水生植物塘，其水質狀況如表1 所示。
表1 供試廢水水質狀況（mg·L-1）
Table 1 Characteristic of sewage used in the experiment（mg·L-1）
注：表中COD、TP、TN、NH+4-N 樣本數(shù)分別為15、18、16、18，下同。
1.4 水質分析方法
總磷（TP）：鉬酸銨分光光度法；總氮（TN）：堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法；NH4+-N：納氏試劑分光光度法（HJ 535—2009）；CODCr：重鉻酸鉀消解法。
1.5 統(tǒng)計方法
用Excel 2003 和SAS8.2 軟件對數(shù)據(jù)進行平均值、標準誤的計算和方差分析、相關性分析，多重比較采用Duncan 法，采用P=0.05 的顯著水平。
2 結果與分析
2.1 對COD 的去除效果
1~4 號垂直流-水平潛流一體化人工濕地出水COD 平均濃度如圖2 所示�？梢钥闯觯荚赐都恿坎煌�，出水COD 平均濃度不同，且碳源投加量越大，出水COD 平均濃度越大。碳源投加量為0 時，COD 平均去除率為56.40%，出水COD 平均濃度為9.45 mg·L-1，達《地表水環(huán)境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅰ類水質標準。碳源投加量為1.62 kg·m-3 時，出水COD平均濃度為20.33 mg·L-1，接近進水COD 平均濃度（21.67 mg·L-1），沒有惡化出水水質。當碳源投加量為3.24、4.86 kg·m-3 時，出水COD 平均濃度均高于進水COD 平均濃度（21.67 mg·L-1）。
COD 常用來指示水體中有機物的含量，反映了濕地進出水有機物濃度變化。從圖2 可知，不投加植物碳源時，垂直流-水平潛流一體化人工濕地對COD有較好的去除效果。濕地進水為富營養(yǎng)化水生植物塘水，COD 濃度較低，且主要為可溶性COD，在濕地中可以通過附著于基質及植物根系上的微生物的降解作用去除。另外，基質的過濾截留作用也是濕地去除有機物的有效途徑，有研究結果表明，高爐渣和沸石等基質對COD 有較好的去除效果[11-12]。有研究表明，沸石人工濕地對有機物的去除率達到78%以上[13]，濕地系統(tǒng)內補充植物碳源，在濕地運行的過程中，植物中半纖維素和纖維素逐漸被水解而釋放出有機物，補充植物量越大，植物水解釋放出的有機物越多，有機物的大量釋放會惡化出水水質。從圖2 可知，碳源投加量為1.62 kg·m-3 較適宜，出水COD 平均濃度低于進水，不會產(chǎn)生二次污染的問題。
圖2 不同碳源投加量對CODCr 的去除效果
Figure 2 Removal efficiency of CODCr with different carbon source additions
2.2 對NH4+-N的去除效果
從圖3 可以看出，碳源投加量為0 時，NH4+-N平均去除率為79.09%，出水NH4+-N平均濃度為0.47mg·L-1，小于0.5 mg·L-1，達《地表水環(huán)境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅱ類水質標準。隨著碳源投加量的增加，出水NH4+-N平均濃度逐漸增大（1.19~1.76 mg·L-1），NH+4-N 平均去除率逐漸降低（46.73%~20.72%）。
除包含進水中攜帶的一部分氨氮之外，人工濕地內氨氮通常是由有機氮經(jīng)礦化轉化而來，之后氨氮通過濕地內基質、微生物和植物的綜合作用得以去除。沸石、高爐渣等基質疏松多孔，比表面積較大，利于氨氮在其表面吸附[14]，然后通過系統(tǒng)內的微生物硝化降解作用去除[15]。有研究表明，沸石人工濕地及蛭石和高爐渣人工濕地對氨氮去除率分別可達61%、70%以上[12-13]。濕地內種有植物時，植物根系具有輸氧作用，可以在濕地系統(tǒng)內形成好氧區(qū)域，有利于硝化細菌對氨氮的硝化降解作用。另外，植物對氨氮也有一定的吸收作用[16]。有研究表明，種植植物可以顯著提高濕地對氨氮的去除率達10%以上[12]。另外，NH4+-N去除也可以通過氨揮發(fā)來實現(xiàn)，一般人工濕地的pH 在7.5~8.0 之間，當pH 大于8.5 時氨氮揮發(fā)才會發(fā)生，所以通常NH3 揮發(fā)損失較少[17-18]。濕地內補充植物碳源，在濕地運行過程中植物會逐漸釋放出氨氮，氨氮的釋放量可達0.002 mg·g-1[19]，釋放的氨氮可以補償系統(tǒng)對氨氮的去除，碳源投加量越大，氨氮補償量也越大[20]，導致NH4+-N平均出水濃度升高，平均去除率下降。所以，碳源投加量不宜過大，本實驗碳源投加量以1.62 kg·m-3 為宜。
圖3 不同碳源投加量對NH4+-N的去除效果
Figure 3 Removal efficiency of NH4+-N with different carbon source additions
2.3 對TN 的去除效果
從圖4 可以看出，補充植物碳源人工濕地對TN有較好的去除效果。碳源投加量為1.62 kg·m-3 時，TN的平均去除率最高，達80.85%，出水總氮平均濃度為0.90 mg·L-1，達《地表水環(huán)境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅲ類水質標準。隨著碳源投加量增加，TN 去除率逐漸降低（70.02%~ 67.99%），出水TN 平均濃度逐漸升高（1.41~1.51 mg·L-1）。不補充植物碳源時，垂直流-水平潛流一體化人工濕地對TN 的平均去除率較低，僅為35.08%，出水平均濃度為3.06 mg·L-1，大于2.0 mg·L-1。
廢水中的TN 主要包括硝氮、氨氮及有機氮。大量研究表明，人工濕地中的氮主要通過系統(tǒng)內微生物的硝化、反硝化作用去除。通過使用垂直流人工濕地及植物根系輸氧等方式，可以強化濕地內微生物的硝化作用，因而微生物的反硝化作用成為濕地脫氮的決定性因素。微生物反硝化作用需要有機碳作為電子供體，以還原硝酸鹽氮，當系統(tǒng)有機碳供應不足時，會降低TN 的去除效率。雖然進水中提供一部分有機碳，但因其含量較低，不能滿足微生物反硝化作用脫氮所需要的有機碳含量，所以需要人工補充碳源。目前，人工濕地采用的補充碳源多為植物碳源，其脫氮效率較高[21-22]。濕地在運行過程中，甘蔗葉不斷分解釋放出有機碳，彌補了進水中有機碳的不足，強化了反硝化作用，提高了脫氮效率。從圖4 可以看出，碳源投加量為1.62 kg·m-3 較適宜。
圖4 不同碳源投加量對TN 的去除效果
Figure 4 Removal efficiency of TN with different carbon source additions
2.4 對總磷的去除效果
從圖5 可以看出，不補充植物碳源時，TP 平均去除率為79.79%，出水TP 平均濃度為0.06 mg·L-1，達《地表水環(huán)境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅱ類水質標準。隨著碳源投加量的增加，濕地TP 平均去除率和出水平均濃度的變化規(guī)律與NH4+-N一致。當碳源投加量為1.62 kg·m-3 時，出水水質較好，平均去除率為65.91%，出水TP 平均濃度（0.09 mg·L-1）達《地表水環(huán)境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅱ類水質標準。
人工濕地對磷的去除主要通過基質吸附、植物吸收和微生物去除3 條途徑來實現(xiàn)，其中基質吸附起著主導作用。廢水中的磷主要包括活性磷和非活性磷兩種，其中非活性磷可以被植物吸收利用，但通常吸收較為緩慢且去除率較低，有研究表明，植物攝取作用的去除率僅為1%~3%[23]。微生物對磷的去除包括對磷的正常同化和對磷的過量積累，而植物根系分泌物可促進某些嗜磷細菌的生長，促進磷的吸收轉化[24]，但微生物吸收的磷是比較少的[25]。只有基質對磷的吸附作用是磷去除的主要途徑，有研究表明，沸石，高爐渣等基質對磷有較好的吸附去除作用[26-27]，蛭石和高爐渣垂直流人工濕地對TP 的去除率達76.15%以上[12]。濕地中補充植物碳源，在其運行的過程中植物營養(yǎng)物質磷也會被釋放到水中，但釋放量較少，當植物碳源投加量少于2 g·L-1 時，磷釋放量幾乎為零[20]。因此，補充植物碳源對濕地中磷的去除影響較小。但碳源投加量也不宜過大，碳源投加量越大，磷釋放量必然越大，可能引起水質惡化。本實驗中，碳源投加量較為適宜，出水TP 平均濃度均低于進水，沒有引起水質惡化，但隨著碳源投加量的增加，出水TP 平均濃度有變大的趨勢，平均去除率也隨之降低，本實驗碳源投加量以1.62 kg·m-3 較適宜。
圖5 不同碳源投加量對TP 的去除效果
Figure 5 Removal efficiency of TP with different carbon source additions
3 討論
3.1 一體化人工濕地對COD、NH4+-N和TP 的凈化效果
利用人工濕地凈化菜地廢水，主要是通過濕地內植物、基質及微生物等的綜合作用對污染物加以去除，廢水中的有機物經(jīng)過基質和植物根系截留之后，再經(jīng)過系統(tǒng)內微生物的降解作用得以去除。從本實驗看，一體化人工濕地對COD 凈化效果較好，去除率可達56.40%。本實驗基質主要為高爐渣、沸石等材料，由于其內部孔隙較多，且表面具有較強的色散力[28]，對廢水中氨氮、磷等污染物有較好的吸附作用[29]；濕地種有水生植物，植物根系的分泌物及其輸氧作用，可為微生物生長提供良好的環(huán)境條件，提高了氨氮和磷的去除效果[30]。從本實驗看，一體化人工濕地對TP、氨氮的去除率分別可達79.79%和79.09%以上。濕地內補充植物碳源，在其分解利用的過程中會釋放出有機物、氨氮和磷等營養(yǎng)物質，可能影響系統(tǒng)對廢水中COD、NH4+-N和TP 的去除。從本實驗看，投加碳源量以1.62 kg·m-3 為宜，出水COD、NH4+-N和TP 平均濃度低于進水，不會產(chǎn)生二次污染的問題。
3.2 一體化人工濕地對TN 的凈化效果
人工濕地中的氮主要通過微生物的硝化、反硝化作用去除，本實驗廢水取于收集菜地排水的水生植物塘，進水有機物濃度較低，而當進水有機物濃度較低時，微生物的反硝化作用會成為人工濕地氮去除的限制因素，因此需要補充碳源。有研究表明，通過向人工濕地補充蘆葦稈等植物碳源，TN 的去除率可提高至60%以上[19]。補充甘蔗葉作為植物碳源提高了人工濕地對TN 的去除效率，但碳源投加量并不是越大越好，隨著碳源投加量的增加，TN 平均去除率逐漸降低，出水TN 濃度逐漸升高，本實驗碳源投加量以1.62 kg·m-3 為宜。具體參見http://www.yiban123.com更多相關技術文檔。
4 結論
（1）垂直流-水平潛流一體化人工濕地對COD、NH4+-N和TP 有較好的去除效果，對COD、NH4+-N和TP 的平均去除率分別達56.40%、79.09%、79.79%以上，COD、NH4+-N和TP 出水平均濃度分別為9.45、0.47 mg·L-1 和0.06 mg·L-1，均達到《地表水環(huán)境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅱ類水質標準。濕地內補充植物碳源，在濕地運行的過程中會分解釋放有機物、氨氮和磷等營養(yǎng)物質，增加了廢水中的污染物濃度，從本實驗看，碳源投加量以1.62 kg·m-3 為宜，不會惡化出水COD、NH4+-N和TP 濃度。
（2）不補充植物碳源時，濕地對TN 的平均去除率僅為35.08%，出水平均濃度為3.06 mg·L-1，出水水質較差。補充植物碳源可以提高垂直流-水平潛流一體化人工濕地對TN 的去除效率。但補充植物碳源量不是越多越好，因為隨著碳源投加量的增加，去除率逐漸降低，出水TN 平均濃度逐漸升高。本實驗碳源投加量以1.62 kg·m-3 為宜，不僅TN 的平均去除率最高，達80.85%，且出水總氮平均濃度降低至0.90 mg·L-1。
