人工湿地水处理技术是充分利用人工介质中栖息的植物、微生物以及基质所具有的物理、化学特性，通过过滤、吸附、离子交换、植物吸收和微生物分解等途径来处理污水的，以此达到降解污染物、净化水质的目的[1-3]。目前，人工湿地技术已广泛应用于点源污染的治理，并取得了较好的处理效果。袁林江等研究了复合垂直流人工湿地对废水中COD 和氮的处理，系统运行稳定后对COD、氨氮和总氮的去除率分别可达到85%、80%、70%[4]。近年来，也有人利用人工湿地治理非点源污染，且效果显著[5-6]。Peterjohn 和Correll研究以人工湿地作为农田和水体之间的过渡带，结果表明，50 m宽的沿岸植被缓冲带能减少89％的氮和80％的磷进入地表水[7]。巴西的Engenho 湿地对磷、硝酸盐和氨的去除率分别达到93％、78％和50％[8]。

广州市番禺区东升农场菜地废水未经处理，通过排水沟渠直接排入水生植物塘，并最终流入附近河道。由于菜地废水水质较差，为劣V 类（见表1），对河道水体造成了严重的污染，严重影响了附近居民的饮水安全。本研究通过建立垂直流-水平潜流一体化人工湿地对废水进行净化处理，以期提高出水水质，使处理出水达到饮用水水源的水质要求。

另外，利用人工湿地处理菜地废水，通常会因为菜地废水有机氮浓度较低、反硝化碳源不足而导致人工湿地脱氮效果不佳[9-10]，需要考虑向人工湿地补充碳源。本实验选用甘蔗叶（农场内堆弃有大量甘蔗叶，一般直接被焚烧还田，既污染空气，又浪费生物能源）作为植物碳源，以期提高人工湿地脱氮效果，并为进一步深入研究和开发甘蔗叶作为人工湿地外加碳源提供参考资料。

1 材料与方法

1.1 实验装置

实验处理系统工艺流程如图1 所示。

垂直流与水平潜流一体化人工湿地由两部分组成，前部分是垂直流湿地，尺寸为1 m×1 m×1.1 m，在上部布DN20 的PVC 管，在PVC 管上钻孔，该湿地种植风车草；后部分是水平潜流湿地，尺寸为1 m×1 m×0.75m，种植美人蕉。墙壁都采用水泥砂浆抹面的砖结构，底部采用混凝土结构。植物种植密度均为16 丛·m-2。

1 号湿地垂直流的基质填充次序为：30 cm厚的碎石（粒径2～4 cm）、35 cm厚的沸石（粒径0.5～1cm）、35 cm厚的砂子与高炉渣混合填料（砂子与高炉渣4∶1 混合）；水平流潜流湿地基质填充的次序为：30cm厚的碎石（粒径2～4 cm）、35 cm厚的沸石（粒径0.5～1 cm）、10 cm厚的砂子。2～4 号湿地的垂直流与水平潜流的基质填充次序与1 号湿地相同，但加入碳源量不同，1～4 号湿地碳源投加量分别为0、1.62、3.24、4.86 kg·m-3，碳源采用甘蔗叶，剁碎添加。

图1 垂直流-水平潜流一体化人工湿地处理系统工艺流程图

Figure 1 The process chart of the integrated vertical-flow and horizontal-flow constructed wetlands

1.2 运行管理方式

垂直流-平潜流一体化人工湿地系统于2010 年3 月建成并开始运行，至2010 年12 月20 日共运行9个月，每个月取样2～3 次，把9 个月的数据逐项求平均，作为湿地的出水浓度。湿地运行的水力负荷为0.63 m3·m-2·d-1。

1.3 进水水质

供试废水取于东升农场内接受菜地废水的水生植物塘，其水质状况如表1 所示。

表1 供试废水水质状况（mg·L-1）

Table 1 Characteristic of sewage used in the experiment（mg·L-1）

注：表中COD、TP、TN、NH+4-N 样本数分别为15、18、16、18，下同。

1.4 水质分析方法

总磷（TP）：钼酸铵分光光度法；总氮（TN）：碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法；NH4+-N：纳氏试剂分光光度法（HJ 535—2009）；CODCr：重铬酸钾消解法。

1.5 统计方法

用Excel 2003 和SAS8.2 软件对数据进行平均值、标准误的计算和方差分析、相关性分析，多重比较采用Duncan 法，采用P=0.05 的显著水平。

2 结果与分析

2.1 对COD 的去除效果

1～4 号垂直流-水平潜流一体化人工湿地出水COD 平均浓度如图2 所示。可以看出，碳源投加量不同，出水COD 平均浓度不同，且碳源投加量越大，出水COD 平均浓度越大。碳源投加量为0 时，COD 平均去除率为56.40%，出水COD 平均浓度为9.45 mg·L-1，达《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅰ类水质标准。碳源投加量为1.62 kg·m-3 时，出水COD平均浓度为20.33 mg·L-1，接近进水COD 平均浓度（21.67 mg·L-1），没有恶化出水水质。当碳源投加量为3.24、4.86 kg·m-3 时，出水COD 平均浓度均高于进水COD 平均浓度（21.67 mg·L-1）。

COD 常用来指示水体中有机物的含量，反映了湿地进出水有机物浓度变化。从图2 可知，不投加植物碳源时，垂直流-水平潜流一体化人工湿地对COD有较好的去除效果。湿地进水为富营养化水生植物塘水，COD 浓度较低，且主要为可溶性COD，在湿地中可以通过附着于基质及植物根系上的微生物的降解作用去除。另外，基质的过滤截留作用也是湿地去除有机物的有效途径，有研究结果表明，高炉渣和沸石等基质对COD 有较好的去除效果[11-12]。有研究表明，沸石人工湿地对有机物的去除率达到78%以上[13]，湿地系统内补充植物碳源，在湿地运行的过程中，植物中半纤维素和纤维素逐渐被水解而释放出有机物，补充植物量越大，植物水解释放出的有机物越多，有机物的大量释放会恶化出水水质。从图2 可知，碳源投加量为1.62 kg·m-3 较适宜，出水COD 平均浓度低于进水，不会产生二次污染的问题。

图2 不同碳源投加量对CODCr 的去除效果

Figure 2 Removal efficiency of CODCr with different carbon source additions

2.2 对NH4+-N的去除效果

从图3 可以看出，碳源投加量为0 时，NH4+-N平均去除率为79.09%，出水NH4+-N平均浓度为0.47mg·L-1，小于0.5 mg·L-1，达《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅱ类水质标准。随着碳源投加量的增加，出水NH4+-N平均浓度逐渐增大（1.19～1.76 mg·L-1），NH+4-N 平均去除率逐渐降低（46.73%～20.72%）。

除包含进水中携带的一部分氨氮之外，人工湿地内氨氮通常是由有机氮经矿化转化而来，之后氨氮通过湿地内基质、微生物和植物的综合作用得以去除。沸石、高炉渣等基质疏松多孔，比表面积较大，利于氨氮在其表面吸附[14]，然后通过系统内的微生物硝化降解作用去除[15]。有研究表明，沸石人工湿地及蛭石和高炉渣人工湿地对氨氮去除率分别可达61%、70%以上[12-13]。湿地内种有植物时，植物根系具有输氧作用，可以在湿地系统内形成好氧区域，有利于硝化细菌对氨氮的硝化降解作用。另外，植物对氨氮也有一定的吸收作用[16]。有研究表明，种植植物可以显著提高湿地对氨氮的去除率达10%以上[12]。另外，NH4+-N去除也可以通过氨挥发来实现，一般人工湿地的pH 在7.5～8.0 之间，当pH 大于8.5 时氨氮挥发才会发生，所以通常NH3 挥发损失较少[17-18]。湿地内补充植物碳源，在湿地运行过程中植物会逐渐释放出氨氮，氨氮的释放量可达0.002 mg·g-1[19]，释放的氨氮可以补偿系统对氨氮的去除，碳源投加量越大，氨氮补偿量也越大[20]，导致NH4+-N平均出水浓度升高，平均去除率下降。所以，碳源投加量不宜过大，本实验碳源投加量以1.62 kg·m-3 为宜。

图3 不同碳源投加量对NH4+-N的去除效果

Figure 3 Removal efficiency of NH4+-N with different carbon source additions

2.3 对TN 的去除效果

从图4 可以看出，补充植物碳源人工湿地对TN有较好的去除效果。碳源投加量为1.62 kg·m-3 时，TN的平均去除率最高，达80.85%，出水总氮平均浓度为0.90 mg·L-1，达《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类水质标准。随着碳源投加量增加，TN 去除率逐渐降低（70.02%～ 67.99%），出水TN 平均浓度逐渐升高（1.41～1.51 mg·L-1）。不补充植物碳源时，垂直流-水平潜流一体化人工湿地对TN 的平均去除率较低，仅为35.08%，出水平均浓度为3.06 mg·L-1，大于2.0 mg·L-1。

废水中的TN 主要包括硝氮、氨氮及有机氮。大量研究表明，人工湿地中的氮主要通过系统内微生物的硝化、反硝化作用去除。通过使用垂直流人工湿地及植物根系输氧等方式，可以强化湿地内微生物的硝化作用，因而微生物的反硝化作用成为湿地脱氮的决定性因素。微生物反硝化作用需要有机碳作为电子供体，以还原硝酸盐氮，当系统有机碳供应不足时，会降低TN 的去除效率。虽然进水中提供一部分有机碳，但因其含量较低，不能满足微生物反硝化作用脱氮所需要的有机碳含量，所以需要人工补充碳源。目前，人工湿地采用的补充碳源多为植物碳源，其脱氮效率较高[21-22]。湿地在运行过程中，甘蔗叶不断分解释放出有机碳，弥补了进水中有机碳的不足，强化了反硝化作用，提高了脱氮效率。从图4 可以看出，碳源投加量为1.62 kg·m-3 较适宜。

图4 不同碳源投加量对TN 的去除效果

Figure 4 Removal efficiency of TN with different carbon source additions

2.4 对总磷的去除效果

从图5 可以看出，不补充植物碳源时，TP 平均去除率为79.79%，出水TP 平均浓度为0.06 mg·L-1，达《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅱ类水质标准。随着碳源投加量的增加，湿地TP 平均去除率和出水平均浓度的变化规律与NH4+-N一致。当碳源投加量为1.62 kg·m-3 时，出水水质较好，平均去除率为65.91%，出水TP 平均浓度（0.09 mg·L-1）达《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅱ类水质标准。

人工湿地对磷的去除主要通过基质吸附、植物吸收和微生物去除3 条途径来实现，其中基质吸附起着主导作用。废水中的磷主要包括活性磷和非活性磷两种，其中非活性磷可以被植物吸收利用，但通常吸收较为缓慢且去除率较低，有研究表明，植物摄取作用的去除率仅为1%～3%[23]。微生物对磷的去除包括对磷的正常同化和对磷的过量积累，而植物根系分泌物可促进某些嗜磷细菌的生长，促进磷的吸收转化[24]，但微生物吸收的磷是比较少的[25]。只有基质对磷的吸附作用是磷去除的主要途径，有研究表明，沸石，高炉渣等基质对磷有较好的吸附去除作用[26-27]，蛭石和高炉渣垂直流人工湿地对TP 的去除率达76.15%以上[12]。湿地中补充植物碳源，在其运行的过程中植物营养物质磷也会被释放到水中，但释放量较少，当植物碳源投加量少于2 g·L-1 时，磷释放量几乎为零[20]。因此，补充植物碳源对湿地中磷的去除影响较小。但碳源投加量也不宜过大，碳源投加量越大，磷释放量必然越大，可能引起水质恶化。本实验中，碳源投加量较为适宜，出水TP 平均浓度均低于进水，没有引起水质恶化，但随着碳源投加量的增加，出水TP 平均浓度有变大的趋势，平均去除率也随之降低，本实验碳源投加量以1.62 kg·m-3 较适宜。

图5 不同碳源投加量对TP 的去除效果

Figure 5 Removal efficiency of TP with different carbon source additions

3 讨论

3.1 一体化人工湿地对COD、NH4+-N和TP 的净化效果

利用人工湿地净化菜地废水，主要是通过湿地内植物、基质及微生物等的综合作用对污染物加以去除，废水中的有机物经过基质和植物根系截留之后，再经过系统内微生物的降解作用得以去除。从本实验看，一体化人工湿地对COD 净化效果较好，去除率可达56.40%。本实验基质主要为高炉渣、沸石等材料，由于其内部孔隙较多，且表面具有较强的色散力[28]，对废水中氨氮、磷等污染物有较好的吸附作用[29]；湿地种有水生植物，植物根系的分泌物及其输氧作用，可为微生物生长提供良好的环境条件，提高了氨氮和磷的去除效果[30]。从本实验看，一体化人工湿地对TP、氨氮的去除率分别可达79.79%和79.09%以上。湿地内补充植物碳源，在其分解利用的过程中会释放出有机物、氨氮和磷等营养物质，可能影响系统对废水中COD、NH4+-N和TP 的去除。从本实验看，投加碳源量以1.62 kg·m-3 为宜，出水COD、NH4+-N和TP 平均浓度低于进水，不会产生二次污染的问题。

3.2 一体化人工湿地对TN 的净化效果

人工湿地中的氮主要通过微生物的硝化、反硝化作用去除，本实验废水取于收集菜地排水的水生植物塘，进水有机物浓度较低，而当进水有机物浓度较低时，微生物的反硝化作用会成为人工湿地氮去除的限制因素，因此需要补充碳源。有研究表明，通过向人工湿地补充芦苇秆等植物碳源，TN 的去除率可提高至60%以上[19]。补充甘蔗叶作为植物碳源提高了人工湿地对TN 的去除效率，但碳源投加量并不是越大越好，随着碳源投加量的增加，TN 平均去除率逐渐降低，出水TN 浓度逐渐升高，本实验碳源投加量以1.62 kg·m-3 为宜。。

4 结论

（1）垂直流-水平潜流一体化人工湿地对COD、NH4+-N和TP 有较好的去除效果，对COD、NH4+-N和TP 的平均去除率分别达56.40%、79.09%、79.79%以上，COD、NH4+-N和TP 出水平均浓度分别为9.45、0.47 mg·L-1 和0.06 mg·L-1，均达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅱ类水质标准。湿地内补充植物碳源，在湿地运行的过程中会分解释放有机物、氨氮和磷等营养物质，增加了废水中的污染物浓度，从本实验看，碳源投加量以1.62 kg·m-3 为宜，不会恶化出水COD、NH4+-N和TP 浓度。

（2）不补充植物碳源时，湿地对TN 的平均去除率仅为35.08%，出水平均浓度为3.06 mg·L-1，出水水质较差。补充植物碳源可以提高垂直流-水平潜流一体化人工湿地对TN 的去除效率。但补充植物碳源量不是越多越好，因为随着碳源投加量的增加，去除率逐渐降低，出水TN 平均浓度逐渐升高。本实验碳源投加量以1.62 kg·m-3 为宜，不仅TN 的平均去除率最高，达80.85%，且出水总氮平均浓度降低至0.90 mg·L-1。