人工湿地处理技术因具备投资低，处理效果稳定，维护管理简便等特点，在农村生活污水处理和生态修复工程上已广泛应用［1］。但人工湿地易堵塞、负荷低等问题使得其进一步推广应用受到较大限制。为从根本上解决人工湿地易堵塞和占地多的问题，提高人工湿地除磷脱氮效果，我们研发出多级跌水有机填料型人工湿地技术，已成功应用于50 个农村生活污水处理示范工程，张湾村生活污水处理示范工程属其中之一。
1 工程概况
张湾村为2012 年江苏省村庄环境整治三星级村庄。污水收集涉及户数200 户，合计共700 人。根据张湾村集中居住点的实际情况，取用水量100 L/(人·d) ，计算得出示范工程覆盖区域总用水量为70 m3/d。生活污水排放量一般为总用水量的75% ～90%。根据该村的现实情况，污水量取用水量的85%，总污水量为59. 5 m3/d，工程设计处理污水量取60 m3/d。污水主要来源于每户化粪池出水、洗涤洗浴用水及初期雨水。根据污水量设计厌氧池总容积为40 m3，停留时间为12 h; 人工湿地面积为12. 5 m×4. 5 m = 56. 25 m2，水力负荷达1. 05 m3/m2。该工程于2012 年5月份完工，工程总投资15 万元。工艺流程如图1 所示。
多级跌水有机填料型人工湿地共分4 级，污水由泵从厌氧池提升至布水区，进入第一级跌水充氧导流槽后再导入该级人工湿地，自下而上流入第二级跌水充氧导流槽后导入第二级人工湿地，如此循环往复后最终由集水区排出。人工湿地由混凝土隔板分为上下两部分，上部由植物栽植层、5 cm厚粒径0. 005 ～0. 01 m 细石子层和15 cm厚粒径0. 03～0. 05 m 加气混凝土砌块层组成，下部为有机填料层。污水水面控制在加气混凝土砌块层上端，栽种植物为美人蕉。构造如图2 所示。
污水经跌水充氧后进入有机填料型人工湿地，较好地改善了湿地内溶氧环境，为微生物繁殖和除磷脱氮创造条件。同时有机填料(弹性立体填料) 取代砂石等传统无机填料，孔隙率和比表面积大幅提高，孔隙率达99%，比表面积达265 m3/m2，不易堵塞，附着生物量高; 设置脱除有机填料上附着的陈旧生物膜措施，避免出现水流不畅。
2 试验部分
2. 1 试验过程
张湾村污水处理工程自2012 年7月25 日至2013 年4月13 日，先后对人工湿地系统净化效果进行了12 次测试，测试季节历经夏季、秋季、冬季和初春4 个季节。取水点自厌氧池进水至湿地末端分别为厌氧池进水、厌氧池出水、一级跌水、二级跌水、三级跌水和湿地出水6 处，测试指标包括COD、TN、NH4+-N、NO3--N、TP 等5 个指标。
2. 2 检测方法及仪器
根据水和废水监测分析方法规定，水样采集后保存于聚乙烯瓶中，TP、NH4+-N、TN 立即测定，COD 在24 h 内测定。
COD: 重铬酸钾法，全玻璃回流装置; NH4+-N: 絮凝沉淀-纳氏试剂光度法; TN: 碱性过硫酸钾-消解紫外分光光度法; NO3--N: 酚二磺酸光度法; TP: 过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法。
3 结果与分析
3. 1 有机物去除情况
图3 为COD 浓度变化图。由图3 可知: 进水ρ(COD) 波动较大，最高可达260 mg/L，最低为113 mg/L，整体来看，自厌氧池进水至湿地出水，COD浓度呈逐渐降低趋势，尤其是在二级跌水前，COD 浓度降幅较大，表明污水中COD 的去除主要发生在二级跌水前。分析认为COD 去除主要通过沉淀、过滤、微生物吸附及厌氧好氧生物新陈代谢等去除［2］，有机物经厌氧发酵、好氧微生物吸附吸收及分解后至二级跌水处浓度已降低至100 mg/L 左右，经三级跌水后浓度降低逐渐减缓。
从图4 可以看出: 湿地开始运转的前2 次去除效率较低，此时厌氧池及湿地内填料尚未挂膜，植物没有完全复苏生长，根系不发达，从而导致去除率较低。随着季节变化，COD 去除率明显提高，一般均保持在60%以上，最高可达73. 3%，即使冬季COD 去除率也能维持较高水平(出水ρ(COD) = 61 mg/L) ，表明尽管冬季气温较低，微生物活动减弱，但一方面跌水的设计增加了污水中溶解氧浓度，另一方面弹性填料取代石子、黄沙等传统填料也大大增加了湿地内部微生物数量，因此，在冬季仍表现出较高的COD 去除效率。
3. 2 TN 去除情况
在湿地中氮主要通过水生植物吸收、微生物的硝化和反硝化以及氮的挥发等途径去除［3］。本示范工程在实施过程中，主要是通过选择对氮素有高吸收效率的美人蕉作为湿地主要植物，将传统填料改为塑料填料，采用多级跌水，强化硝化反硝化的有机填料型人工湿地等措施来实现对氮素的有效去除。
由图5 的检测结果看，进水TN 浓度自检测开始至2012 年12月2 日，TN 浓度明显偏高，在5 次检测中4次均在75 mg/L 以上; 2012 年12月2 日后，进水TN 浓度明显降低，维持在48. 3～58. 2 mg/L，分析认为可能与居民用水量减少有关。出水TN 浓度除2012 年9月19 日—11月20 日4 次维持在30 mg/L 以下外，其余6次全部超过30 mg/L，最高达54. 3 mg/L，出水浓度偏高。分析认为可能由于跌水导致湿地内部溶解氧较为充足，无法形成厌氧环境导致部分NO3--N 无法还原，从2013 年1月10 日的检测数据中可以看出，NO3--N浓度从湿地进水到出水不降反升。
由图6 可见: 9—12月初，尽管进水TN 浓度较高，但去除率均在50% 以上，其中最高可达65. 3%。冬季和早春，尽管进水中TN 浓度较低，但去除效率整体偏低，其中，最低出现在2013 年1月10 日，TN去除率仅为6. 1%。分析认为，12月初之前，一方面气温整体偏高，无论是厌氧菌或好氧菌群数量多，活性高，硝化反硝化较为充分; 另一方面，植物正处成熟期，对氮素吸收能力较强。12月初之后，微生物活性及数量大大降低，同时植物也已枯萎，因此去除率相应降低。
3. 3 NH4+-N去除情况
由图7 可知: ρ(NH4+-N) 进水为35～70 mg/L，波动较大，平均浓度约52. 3 mg/L。整体来看，NH4+-N浓度逐渐降低，出水浓度维持在13. 7～40. 0 mg/L，其变化情况与TN 类似，2012 年12月2 日前，降幅较为明显，12月2 日后降幅较小。另外，从湿地跌水效果来看，每级跌水曝气对氨氮浓度降低效果相当，充分说明跌水对氨氮硝化作用明显。
由图8 可知，7—11月NH4+-N 去除率较高，最高值出现在9月份，达77. 9%; 冬季和早春，去除效率整体偏低，最低出现在1月份，仅为11. 7%。分析认为该情况可能与微生物活性及植物、填料吸附吸收有关，12月初之前，气温高，硝化菌数量多，活性强，硝化反应充分，这点也可从图9 看出。12月初之后，随着气温降低及植物枯萎，微生物降解及植物吸收作用相应减弱，出水浓度偏高，去除率降低。
3. 4 NO3--N去除情况
水中NO3--N含量与水中溶解氧含量直接相关，溶解氧高，NH4+-N转化为NO3--N更充分。由图9可知: 本工程中收集的农村生活污水ρ(NO3--N) 为3～6 mg/L，平均值为4. 3 mg/L，总体上，NO3--N含量偏高，这主要是污水自厌氧池流出，经三级跌水，使之溶解氧高于一般污水，从而使部分NH4+-N发生硝化反应，转化为NO3--N。同时，人工湿地不断交替的好氧和厌氧环境使得NO3--N转化为氮氧化物和氮气。因此，在湿地中不断有NO3--N 的产生和消耗，从而使得NO3--N出现无规则的波动。表明，厌氧反硝化条件不足，甚至出现了去除效率为负值的现象，见图10。
3. 5 TP 去除情况
由图11 可知，进水ρ(TP) 为4. 5～12. 7 mg/L，平均值为7. 4 mg/L，浓度偏高。自湿地始端至末端，TP浓度逐渐降低，由TP 浓度变化曲线发现，每条曲线的斜率基本保持稳定，尤其是每级跌水浓度变化曲线波动幅度不大，这说明自人工湿地始端至末端，各部分对TP 去除发挥作用相近。出水ρ(TP) 为2. 1 ～7. 2 mg/L，平均浓度为3. 68 mg/L，出水浓度偏高，尤其是2013 年4月13 日，出水浓度达7. 2 mg/L，分析认为一方面与进水浓度偏高有关，另一方面植物尚处于枯萎状态，植物吸附未发挥作用，而且还有可能向湿地内释放磷元素。
4 结论
1) 进水ρ(COD) 波动较大，最高可达260 mg/L，最低为113 mg/L。整体来看，自厌氧池进水至湿地出水，COD 浓度呈逐渐降低趋势，尤其是在二级跌水前，COD 浓度降幅较大。随着季节变化，COD 去除率明显提升，一般均保持在60%以上，最高可达73. 3%。
2) 进水ρ(TN) 浓度开始阶段明显偏高，维持在75 mg/L 左右，后期下降明显，为48. 3～58. 2 mg/L;出水ρ (TN) 偏高，多次超过30 mg/L，最高达54. 3 mg/L。开始阶段，尽管进水TN 浓度较高，但去除率均在50%以上，其中最高可达65. 3%; 冬季和早春，随着TN 浓度降低，去除率也有所降低。
3) ρ(NH4+-N) 进水为35～70 mg/L，平均值约为52. 3 mg/L，浓度较高。整体来看，ρ(NH4+-N) 出水维持在13. 7～40 mg/L。开始阶段，NH4+-N 去除率较高，最高达77. 9%; 冬季和早春，去除效率偏低，最低仅为11. 7%。ρ(NO3--N) 进水测试平均值为4. 3 mg/L，前后浓度变化呈现出无规则波动，去除率相应呈现出无规则变化，甚至出现负值。
4) 进水ρ(TP) 维持在4. 5～12. 7 mg/L，平均浓度为7. 4 mg/L。出水ρ(TP) 为2. 1～7. 2 mg/L，平均值为3. 68 mg/L。TP 去除率维持在39. 3%～61. 8%，平均去除率为50. 7%。