我國農村人口多，生活污水排放量大，但處理率很低，未經處理的生活污水隨意排放是造成目前水體富營養化現象越來越嚴重的原因之一，因此污水中的氮磷必須采取去除措施或者循環利用來避免其對受納水體的污染。人工濕地作為一種高效率、低能耗且管理方便的污水處理技術，已廣泛應用于農村生活污水尾水中氮磷營養鹽的深度處理。潛流濕地保溫效果好，處理效果受氣候、季節的影響較小，硝化能力強，適于處理氨氮含量高的污水，但其容易堵塞。

水生植物濾床無填充基質，植物根系會截留大量有機物，收割時植物殘體均被帶出水體外使得床體不易堵塞。故本研究在潛流濕地前串聯一級水生植物濾床。一級濾床中種植根系發達的空心菜，二級垂直潛流人工濕地內種植水稻“蘇香梗2號”，通過研究組合生態系統中氮磷的去除效果以及不同植物對氮磷去除的貢獻，旨在為農村生活污水的生態處理選擇適宜的濕地類型與植物組合，期望研究結果為高氮磷含量的農村生活污水生態處理提供理論依據。

1實驗部分

1.1組合生態處理系統構建

組合生態系統建于江蘇省無錫市某大學，實驗裝置如圖1所示。


一級水生植物濾床（以下簡稱“濾床”）床體表面積為0.75m2，長、寬、高分別為2.5、0.3、0.3m，運行水深0.15m。二級垂直潛流人工濕地（以下簡稱“潛流濕地”）表面積為0.6m2，長、寬、高分別為2.0、0.3、0.6m，床體內部填充厚度為0.5m的基質，其中底部填充厚度10cm、粒徑為25～55mm的粗礫石作為濕地墊層，之上填充厚度30cm、粒徑為10～20mm的陶粒作為主要的吸附介質和微生物生長的附著載體，最上層填充厚度10cm、粒徑為10～20mm的細礫石，防止陶粒漂浮于水面。濾床內種植植物為大葉特白空心菜，種植密度株行距10cm左右；潛流濕地內種植水稻“蘇香梗2號”，種植密度株距8～10cm。

考慮到組合生態系統整個床體的長度，沿程設置7個取樣點，組合生態系統進水即為濾床進水，取樣口4為濾床出水（即潛流濕地進水），取樣口7為組合生態系統出水，取樣口2～4為濾床沿程取樣點，取樣口5～7為潛流濕地沿程取樣點。濾床內取樣點均為距池底5cm處，潛流濕地內取樣點均為距池底35cm處。

濾床和潛流濕地內所種植物移植后，先進行半個月左右的緩苗，待移植后的植物成活且長出新葉后開展水質凈化效果及植物生理學指標的實驗研究。

1.2進水水質

實驗進水為生活污水經“厭氧池-缺氧池-曝氣池”等生物處理后的尾水，其COD為42.4～65.6mg/L，NH4+-N、NO3--N、TN、TP的質量濃度分別為7.8～12.4、11.0～20.1、19.3～3.7、1.0～2.5mg/L，測定時間為2015年7月上旬－2015年10月下旬。系統采用連續進水的方式，布水水力負荷為0.24m3/(m2˙d)，每5d取樣測定1次。

1.3分析方法

實驗中，水中COD測定采用重鉻酸鉀法，NH4+-N含量測定采用水楊酸鹽分光光度法，NO3--N含量測定采用氨基磺酸紫外分光光度法，TN含量測定采用堿性過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法，TP含量采用測定過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法；植物中全N含量測定采用H2SO4-H2O2-蒸餾法，全P含量采用測定H2SO4-H2O2-鉬銻抗比色法。

2結果與討論

2.1系統氮磷去除特性

黃德峰等研究表明，微生物的硝化反硝化作用以及基質對磷的吸附沉淀作用是復合垂直流人工濕地去除氮磷的主要途徑。濾床串聯潛流濕地組合生態系統對NH4+-N、TN和TP的去除效果分別見圖2和圖3。



由圖2和圖3可以看出，組合生態系統對NH4+-N、TN和TP的去除率平均分別達到了82.5%、56.0%和63.2%，除個別時間點，出水NH4+-N和TN含量均達到GB18918－2002一級A標準，出水TP含量均達到一級B標準。

系統對NH4+-N的去除率明顯高于TN，且二者隨著時間的推移去除效果均呈現先逐漸上升后又緩慢下降的趨勢，原因是實驗初期，植物處于幼苗階段，底部根系稀少，不適于大量微生物附著生長，植物-微生物-基質還未形成十分穩定的生態系統。

半月左右后，空心菜根系發展充分，發達的根系組織為微生物的生長繁殖提供良好的生存空間，植物根系周圍的環境連續呈現好氧、缺氧及厭氧狀態，相當于許多串聯或并聯的A2/O單元，從而實現硝化、反硝化作用，達到脫氮的效果，系統對NH4+-N、TN的最高去除率分別達到了94.4%、71.9%。10月下旬開始，天氣逐漸轉涼，室溫、水溫、光照時間與強度隨之下降，植物生長速率、微生物活動亦趨于緩慢，故而NH4+-N和TN的去除率均呈漸降趨勢。

組合生態系統對TP的去除率隨著時間的變化呈上下波動的趨勢，最高去除率為75.4%，最低去除率為54.6%，實驗后期系統TP去除率有所下降，這可能是人工濕地對TP的去除多依靠填料的吸附作用，裝置運行后期，潛流人工濕地內基質對TP的吸附逐漸趨于飽和所致。

2.2、NH4+-N、TN和TP含量沿程變化規律

組合生態系統NH4+-N、TN和TP含量沿程的變化見圖4。


從圖4可以看出，NH4+-N、TN和TP含量沿程均呈現下降的趨勢。NH4+-N含量的下降幅度較TN和TP更為平緩，且進入潛流濕地之后，TN和TP含量有一陡然下降的趨勢，且隨后下降幅度均高于濾床中。這可能是NH4+-N和TN的去除主要依靠微生物的氨化、硝化和反硝化作用，TP的去除多依靠填料的吸附作用，濾床內空心菜生長迅速，根系發達，故而TN和TP含量均有所下降。但與此同時，濾床中水體不深，大氣復氧和植物根系泌氧等使得濾床中水體含氧量較高，氨化作用去除NH4+-N效果明顯，而反硝化作用受滯，故而TN去除效果不高。

濾床出水進入潛流濕地后，潛流濕地基質孔隙度大，濕地填料表面及孔隙中易形成生物膜，上面附著的微生物，如硝化細菌、反硝化細菌等以污水中的營養物質進行生長繁殖，去除氮磷的同時增加生物膜厚度。此外，濕地內植物將空氣中的氧氣轉運到根部表面組織擴散，使植物根系周圍依次呈現好氧、缺氧和厭氧的微環境，相當于許多串聯或并聯的A2/O微處理單元，更有利于生物脫氮除磷過程的進行。

與此同時，在水流流經濕地基質時，污水中的磷與基質表面的Al、Mg、Ca等元素進行物理化學作用，生成不溶性磷酸鹽，再與金屬離子發生配位體交換反應而附著于濕地填料上，從而實現潛流人工濕地除磷的過程。

2.3、不同植物全氮、全磷含量

植物氮磷積累量反應該植物對氮磷的直接去除能力。組合生態系統中不同植物全氮、全磷含量如表1所示。


從表1可以看出，2種植物體內全氮含量均高于全磷含量?？招牟酥腥糠植嫉奶卣魇侨~＞莖＞根，全磷含量分布是莖＞葉＞根；水稻中全氮含量分布的特征是葉＞穗＞根＞莖，全磷含量分布是葉＞莖＞穗＞根。空心菜的全氮、全磷含量均高于水稻，可能原因是空心菜生長迅速，葉片面積大，根系較水稻發達，著水即生根，其收獲的生物量大于水稻。這也同李健娜等研究中生物量是影響氮、磷積累量的主要因素一致。

2.4植物吸收對組合生態系統的貢獻

一級水生植物濾床串聯二級潛流人工濕地組合生態系統中污水中污染物去除總量及所種植物的生長狀況以如表2和表3所示。

根據組合生態系統的水力負荷、運行時間、一級植物濾床的表面積、進水TN與TP平均含量以及TN和TP平均去除率可計算得組合生態系統的TN總去除量為305.44g、TP總去除量為23.56g，與此同時，根據表1和表4的總生物量可以計算出空心菜和水稻在組合生態系統中脫氮的貢獻分別為6.1%、0.8%，除磷的貢獻分別為18.4%、3.1%，即植物吸收對組合生態系統脫氮除磷的貢獻分別為6.9%、21.5%。

研究發現，人工濕地中40%～92%的氮素去除是通過硝化作用和反硝化作用的生物脫氮進行的。本實驗中，植物吸收對組合生態系統脫氮的貢獻為6.9%，由于一級空心菜水生植物濾床內DO含量較高，植物根系分布廣泛，為氨化細菌、硝化細菌等好氧微生物的生長繁殖提供良好的空間，從而更有利于氨化反應和硝化反應的進行；并且在二級水稻潛流人工濕地內，植物根系與基質和微生物形成一個更為穩定的系統，反硝化作用顯著，脫氮效果明顯。

KIMSY等研究發現，通常濕地植物吸收的磷小于污水負荷的5%。本實驗中，植物吸收對組合生態系統除磷的貢獻為21.5%，究其原因，主要有如下2個方面，1）組合生態系統中一級水生植物濾床內未填充基質，整個系統中植物所占比例較大；空心菜連續收割3茬，更有利于污水中磷的去除；2）潛流濕地內填充基質深度為0.5m，且主體吸附基質陶粒層高度只有0.3m，對污水中磷的吸附容量有限，與此同時，組合生態系統的進水為經生物處理的農村生活污水尾水，TP含量較低，生態系統去除的總有機負荷不高，以致植物的磷積累量對TP的去除貢獻率增大。

3結論

夏秋季組合生態系統對農村生活污水尾水中氮磷去除效果較好，NH4+-N、TN和TP的去除率平均分別為82.5%、56.0%和63.2%，除個別時間點，出水NH4+-N和TN的含量均達到GB18918－2002一級A標準，出水TP含量均達到GB18918－2002一級B標準。

潛流濕地中沿程TN和TP含量下降幅度較濾床中更大，說明潛流人工濕地脫氮除磷效果較濾床更優。

大葉特白空心菜體內氮、磷的質量分數分別為2.63%、0.61%，“蘇香梗2號”水稻體內氮、磷質量分數分別為1.60%、0.19%，空心菜的全氮、全磷含量均高于水稻；空心菜中全氮含量分布的特征是葉＞莖＞根，全磷分布是莖＞葉＞根，水稻中全氮含量分布的特征是葉＞穗＞根＞莖，全磷含量分布是葉＞穗＞莖＞根。

植物吸收對組合生態系統脫氮除磷的貢獻分別為6.9%、21.5%，且經過實驗分析可知，人工濕地應優選生物量大、根系發達、葉片面積大且收割茬數多的植物。