人工濕地水處理技術(shù)是充分利用人工介質(zhì)中棲息的植物、微生物以及基質(zhì)所具有的物理、化學(xué)特性，通過(guò)過(guò)濾、吸附、離子交換、植物吸收和微生物分解等途徑來(lái)處理污水的，以此達到降解污染物、凈化水質(zhì)的目的[1-3]。目前，人工濕地技術(shù)已廣泛應用于點(diǎn)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，系統運行穩定后對COD、氨氮和總氮的去除率分別可達到85%、80%、70%[4]。近年來(lái)，也有人利用人工濕地治理非點(diǎn)源污染，且效果顯著(zhù)[5-6]。Peterjohn 和Correll研究以人工濕地作為農田和水體之間的過(guò)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(jìn)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]。
廣州市番禺區東升農場(chǎng)菜地廢水未經(jīng)處理，通過(guò)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(zhì)較差，為劣V 類(lèi)（見(jiàn)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(guò)建立垂直流-水平潛流一體化人工濕地對廢水進(jìn)行凈化處理，以期提高出水水質(zhì)，使處理出水達到飲用水水源的水質(zhì)要求。
另外，利用人工濕地處理菜地廢水，通常會(huì )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(shí)驗選用甘蔗葉（農場(chǎng)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(jìn)一步深入研究和開(kāi)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(shí)驗裝置
實(shí)驗處理系統工藝流程如圖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(fēng)車(chē)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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于2010 年3 月建成并開(kāi)始運行，至2010 年12 月20 日共運行9個(gè)月，每個(gè)月取樣2~3 次，把9 個(gè)月的數據逐項求平均，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(jìn)水水質(zhì)
供試廢水取于東升農場(chǎng)內接受菜地廢水的水生植物塘，其水質(zhì)狀況如表1 所示。
表1 供試廢水水質(zhì)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 樣本數分別為15、18、16、18，下同。
1.4 水質(zhì)分析方法
總磷（TP）：鉬酸銨分光光度法；總氮（TN）：堿性過(guò)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 統計方法
用Excel 2003 和SAS8.2 軟件對數據進(jìn)行平均值、標準誤的計算和方差分析、相關(guān)性分析，多重比較采用Duncan 法，采用P=0.05 的顯著(zhù)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�，碳源投加量不同，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(shí)，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(zhì)量標準》（GB 3838—2002）Ⅰ類(lèi)水質(zhì)標準。碳源投加量為1.62 kg·m-3 時(shí)，出水COD平均濃度為20.33 mg·L-1，接近進(jìn)水COD 平均濃度（21.67 mg·L-1），沒(méi)有惡化出水水質(zhì)。當碳源投加量為3.24、4.86 kg·m-3 時(shí)，出水COD 平均濃度均高于進(jìn)水COD 平均濃度（21.67 mg·L-1）。
COD 常用來(lái)指示水體中有機物的含量，反映了濕地進(jìn)出水有機物濃度變化。從圖2 可知，不投加植物碳源時(shí)，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(jìn)水為富營(yíng)養化水生植物塘水，COD 濃度較低，且主要為可溶性COD，在濕地中可以通過(guò)附著(zhù)于基質(zhì)及植物根系上的微生物的降解作用去除。另外，基質(zhì)的過(guò)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(zhì)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]，濕地系統內補充植物碳源，在濕地運行的過(guò)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(huì )惡化出水水質(zhì)。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(jìn)水，不會(huì )產(chǎn)生二次污染的問(wèn)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(shí)，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(zhì)量標準》（GB 3838—2002）Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標準。隨著(zhù)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(jìn)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(lái)，之后氨氮通過(guò)濕地內基質(zhì)、微生物和植物的綜合作用得以去除。沸石、高爐渣等基質(zhì)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(guò)系統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(shí)，植物根系具有輸氧作用，可以在濕地系統內形成好氧區域，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(zhù)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(guò)氨揮發(fā)來(lái)實(shí)現，一般人工濕地的pH 在7.5~8.0 之間，當pH 大于8.5 時(shí)氨氮揮發(fā)才會(huì )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(guò)程中植物會(huì )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(guò)大，本實(shí)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(shí)，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(zhì)量標準》（GB 3838—2002）Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標準。隨著(zhù)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(shí)，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(guò)系統內微生物的硝化、反硝化作用去除。通過(guò)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，當系統有機碳供應不足時(shí)，會(huì )降低TN 的去除效率。雖然進(jìn)水中提供一部分有機碳，但因其含量較低，不能滿(mǎn)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(guò)程中，甘蔗葉不斷分解釋放出有機碳，彌補了進(jìn)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(shí)，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(zhì)量標準》（GB 3838—2002）Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標準。隨著(zhù)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律與NH4+-N一致。當碳源投加量為1.62 kg·m-3 時(shí)，出水水質(zhì)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(zhì)量標準》（GB 3838—2002）Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標準。
人工濕地對磷的去除主要通過(guò)基質(zhì)吸附、植物吸收和微生物去除3 條途徑來(lái)實(shí)現，其中基質(zhì)吸附起著(zhù)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(guò)量積累，而植物根系分泌物可促進(jìn)某些嗜磷細菌的生長(cháng)，促進(jìn)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(zhì)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(zhì)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(guò)程中植物營(yíng)養物質(zhì)磷也會(huì )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(shí)，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(guò)大，碳源投加量越大，磷釋放量必然越大，可能引起水質(zhì)惡化。本實(shí)驗中，碳源投加量較為適宜，出水TP 平均濃度均低于進(jìn)水，沒(méi)有引起水質(zhì)惡化，但隨著(zhù)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(shí)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(guò)濕地內植物、基質(zhì)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(guò)基質(zhì)和植物根系截留之后，再經(jīng)過(guò)系統內微生物的降解作用得以去除。從本實(shí)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(shí)驗基質(zhì)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(cháng)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(shí)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(guò)程中會(huì )釋放出有機物、氨氮和磷等營(yíng)養物質(zhì)，可能影響系統對廢水中COD、NH4+-N和TP 的去除。從本實(shí)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(jìn)水，不會(huì )產(chǎn)生二次污染的問(wèn)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(guò)微生物的硝化、反硝化作用去除，本實(shí)驗廢水取于收集菜地排水的水生植物塘，進(jìn)水有機物濃度較低，而當進(jìn)水有機物濃度較低時(shí)，微生物的反硝化作用會(huì )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(guò)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(zhù)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(shí)驗碳源投加量以1.62 kg·m-3 為宜。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)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(zhì)量標準》（GB 3838—2002）Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標準。濕地內補充植物碳源，在濕地運行的過(guò)程中會(huì )分解釋放有機物、氨氮和磷等營(yíng)養物質(zhì)，增加了廢水中的污染物濃度，從本實(shí)驗看，碳源投加量以1.62 kg·m-3 為宜，不會(huì )惡化出水COD、NH4+-N和TP 濃度。
（2）不補充植物碳源時(shí)，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(zhì)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(zhù)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(shí)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。
