人工湿地是模拟自然湿地系统，以基质-植物- 微生物为载体，利用物理、化学、生物的三重协同作 用，通过过滤、吸附、沉淀、植物吸收和微生物分解等 作用来实现对污水高效净化的生态系统^[1]。在不同湿 地类型中，水平潜流人工湿地由于其处理效果受气温 影响较小、系统处理能力强且水力负荷高等特点^[2]，已 被广泛研究和应用于农村生活污水处理^[3]。垂直流人 工湿地与表面流湿地相比，其占地面积相对较少，但 是，易影响出水水质。当前人工湿地普遍存在着寿命 短、低温处理效果差、占地面积大等技术瓶颈。因此， 亟需采用一种新池型且能稳定运行的湿地技术来重 新考虑农村生活污水的处理问题。

国内已建成的大部分人工湿地，在投入运行后都 不同程度地出现了堵塞问题^[4]。近年来，许多学者研究 提出，悬浮物沉淀和有机质累积^[5]是造成湿地前端堵 塞、寿命缩短的重要原因^[6]。因此，有必要针对有效减 缓湿地前端堵塞的措施进行研究。另外，多数研究是 以水平或垂直等单一流态进行湿地池型构建，而对兼 有水平-垂直流的湿地研究较为少见。本研究构建了 深床体新池型复式潜流人工湿地^[7]，考察其对农村生 活污水的净化效果，以实现人工湿地池型优化^{[8, 9, 10]}和技术升级。

本试验重点研究复式潜流湿地在不同水力负荷、 曝气、季节等条件下对各类污染物的净化效果，并探 讨了好氧预处理对湿地系统处理效果的影响，旨在为 人工湿地技术在生活污水处理中的的推广应用提供 参考。 1 材料与方法 1.1 小试装置

复式潜流湿地小试装置采用砖砌构筑，设置土工 膜防渗层，单元池尺寸（L×B×H）为4.6 m×1.7 m×1.4 m，湿地有效深度1.3 m。湿地主体采用大粒径Φ50~ 80 mm石灰岩装填，土工膜保护层及上层覆盖层采用 小粒径椎10~30 mm石灰岩。湿地所种植物主要有芦 苇（Phragmites communis Trin）、黄花鸢尾（Iris pseudacorus L.）、美人蕉（Canna glauca L.）、灯心草（Hymenachne pseudointerrupta C. Muell.）。种植密度为4~6 株·m^-2，采用交错种植。试验装置结构如图 1 和图 2 所示。

图 1 复式潜流湿地结构示意图 Figure 1 Schematic diagram of compound constructed wetlands

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图 2 复式潜流湿地试验装置 Figure 2 The experiment apparatus of compound constructed wetlands

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试验进水取自天津市梅厂镇周庄村农户生活污 水，其水质指标如表 1所示。

表 1 试验进水水质（mg·L^-1） Table 1 Wastewater quality of inflow（mg·L^-1）

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试验采用连续式进水方式。先用泵抽入供液水箱 贮存，之后用流量计控制流量为试验系统所用。在水 力负荷为0.213 m³·m^-2·d^-1条件下试运行60 d，待植 物生长良好，出水稳定后，每隔1 d采集水样1次，监 测水质，进行去除效果的分析比较。 1.3 试验方法及分析指标

各项水质指标测试方法均采用《水和废水监测分 析方法（第四版）》标准方法。具体见表 2。

表 2 水质分析项目及方法 Table 2 Items and methods of water quality analysis

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本试验用的复式潜流人工湿地经60 d的试运行 后达到稳定，在此期间植物生长状况良好。稳定后于 2011 年12 月初开始对系统采集水样，采样频率为一 周4 次，每月16 次，连续运行至2013 年3 月结束采 样，进行监测分析。

本试验是在相同床体结构，相同进水条件下，考 察了季节变化对湿地去除COD、NH3-N、TN 的影响， 如图 3所示。

图 3 季节和温度对污染物去除的影响 Figure 3 Effect of temperature and season on pollutants removal

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由图 3 可知，复式潜流人工湿地系统对COD、 NH₃-N、TN 的降解效率呈现出一定的季节性变化规 律。季节变化对COD、NH₃-N 去除率有较大影响，去 除率曲线总体上在冬季降至最低点，在春夏季节则有 较大幅度上升。1月份气温最低为6.9 ℃，7 月份高达 28.6 ℃，对应的COD 去除率为40.4%和87.2%。因为 进入春夏季，温度上升，植物光合作用日益加强，产氧量变大；同时微生物活性增强，对营养物质需求变大， 在植物和微生物共同作用下，污染物去除率呈上升趋 势，夏季COD 去除率最大为87.2%。秋季温度开始下 降，植物逐渐衰落，输氧能力降低，造成湿地氧浓度明 显下降，微生物活性也随温度降低而下降，系统对污 染物降解速率呈减小趋势。进入冬季后，低温下植物 和微生物活性都处于抑制状态，污染物去除率最低。 试验发现，NH₃-N、TN 和COD 去除率随气温的变化 趋势基本一致。 2.2 水力负荷对系统净化能力的影响

复式潜流人工湿地系统经数月的连续进出水，运行至夏季已处于稳定期，试验选在气温为22~30 ℃的 7、8月份，试验中对进水浓度（COD 保持在120 mg·L^-1 左右）采取调配的方式使之相对较稳定，有机负荷保 持在40~55 g COD·m^-3范围内，其他条件不变，使湿 地连续稳定运行，对COD、NH₃-N、TN 采取同步采样， 同时监测分析得到水力负荷^[11]与COD、NH₃-N、TN 去 除效果的关系如图 4 所示。

图 4 水力负荷对湿地净化能力的影响 Figure 4 Effect of the hydraulic loading on purification capacity of wetland

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由图 4（a）可知，系统对COD 的去除效果极为显 著，各种水力负荷下的COD 去除率均在70%以上。在 水力负荷123~184 mm·d^-1时，去除率随水力负荷的 升高而呈上升趋势，系统净化能力也随之提高，这与 系统稳定运行后内部净化环境已趋成熟、湿地植物处 于生长季节等因素有关。当水力负荷为246 mm·d^-1 时，COD 去除率随水力负荷的升高而逐渐降低，其原因主要是湿地系统中大部分有机物首先被植物根系、 填料表面生物膜吸附，继而被微生物逐步降解；随水 力负荷升高，部分吸附在生物膜表面的有机物未被降 解即随出水带出，故使COD 去除率下降。

由图 4（b）可知，系统对氨氮的去除效果也比较 显著，其中最高为77.3%，最低为55.3%，平均去除率 达65%以上。NH₃-N 开始时去除率随水力负荷的增 高而升高，达到最大值后又逐渐下降。由于水力负荷 较小时，污水在湿地系统内停留时间较长，硝化菌因 得不到充足的营养物质而处于弱势，从而抑制了硝化 作用，导致去除率不高。而水力负荷过大时，水力停留 时间过短，无法达到硝化菌的世代时间，部分硝化菌 易随水流带出系统^[12]，从而抑制了硝化作用，使氨氮 去除率下降。

由图 4（c）可知，湿地系统对TN 去除率随水力负 荷的增加而逐渐下降。水力负荷的增加，水力停留时 间缩短，减少了污水在系统内的反应时间，而造成TN 去除效果下降。表明人工湿地对TN 的去除需要较长 停留时间，尤其是在低碳源情况下，TN 去除率可能和 反硝化速率^[13]有关。 2.3 曝气方式对系统净化效果的影响

复式潜流人工湿地作为一种生态污水处理技术， 去除效率很大程度上受湿地中DO 水平的影响^[14]。曝 气在一定程度上提高了复式潜流湿地的溶氧水平。本 试验以预曝气、厌氧水解酸化、空白对比分析其对整 个湿地系统净化效果的影响。图 5为湿地系统进水流 量为80 L·h^-1时，不同曝气方式对系统净化效果影响 的对比关系曲线。

图 5 曝气对湿地净化效果的影响 Figure 5 Effect of aeration on purification effect of wetland

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由图 5（b）可知，在相同的水力负荷（80 L·h^-1）条 件下，采用好氧曝气处理时湿地对COD、NH₃-N、TN、 TP 的平均去除率均高于厌氧水解酸化预处理，特别 是好氧条件下，对NH₃-N、TN 平均去除率大幅度高于 厌氧条件，曝气预处理的NH₃-N 去除率为77.5%，TN 去除率为62.1%。同时指出，曝气预处理的COD 平均 去除率为91.2%，TP去除率为72.8%，比厌氧预处理 分别高出10%和30%。从本试验得出的结论看，采用 预曝气处理明显优于厌氧水解酸化处理。 2.4 正交试验分析

复式潜流湿地兼有水平和垂直流2 种流态，影响 其处理效果的因素十分复杂，包括物理、生化、水力学 等因素以及各因素的综合作用。本试验讨论和研究温 度、水力负荷、水力停留时间三者的关系和对湿地净 化效果的影响，最后通过优化参数提高对湿地的处理 能力。

试验进水水质指标如下：pH值7.0~7.4；COD 128~ 164 mg·L^-1；SS 220~260 mg·L^-1。试验采取连续进水， 其他环境条件不变，结果分析如表 3和图 6所示。

表 3 复式潜流湿地净化效果试验结果分析 Table 3 Test results analysis of duplex subsurface flow wetland on purifying effect

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图 6 K与A、B、C三因素的关系图 Figure 6 Diagram of the three factors A，B，C and K

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从图 6可看出，三因素中对出水COD 影响最大 的是水力负荷，影响最小的是水力停留时间。根据表 3 中各因素的极差R，影响复式潜流湿地净化过程中 出水COD 的三因素的主次顺序是：水力负荷寅温 度寅水力停留时间。从表 3 可见，4 个试验中出水 COD 最低的操作条件是A₂B₂C₁。即最佳运行条件是温 度28.6 ℃、水力负荷0.184 m³·m^-2·d^-1、水力停留时间 2.4 d。 3 讨论

复合人工湿地可以实现人工湿地优势互补，从而 增强了污水的处理效果，但许多研究仍基于不同湿地 单元间的串联或并联等组合方式，然而在同一床体结构内实现水平流和垂直流态的复合还很少见，尤其是 利用深床体复式潜流人工湿地系统处理生活污水在 国内还未见报道。

表 4 列举了复式潜流湿地和国内外不同类型人 工湿地对各类污染物净化效果的相关数据。由表 4 可 知，不同湿地构型和运行方式使得湿地对污染物的去 除效果存在一定差异。鄢璐等^[15]研究的试验数据说明 潜流型人工湿地对污水的处理效果较好，正常运行时 COD 去除率达>70%，7、8 月份效果最佳约为90%。任珊珊等^[16]研究了厌氧-人工潜流型湿地工艺处理农 村生活污水，结果表明，该工艺对污染物具有较好的 去除效果，对COD、NH₃-N 污染物去除率最高分别可 达71.7%和73.8%。刘志平等^[17]利用复合垂直流-水平 潜流人工湿地系统，对农村生活污水的净化效果进行 研究，其COD_Cr、TN、NH₃-N 的平均去除率分别为 64.7%、40.2%、54.3%，达到《地表水环境质量标准》 （GB 3838—2002）Ⅲ类水质标准。也有人统计了国外 104 座潜流湿地进水：140 mg·L^-1 出水：24 mg·L^-1，SS 去除率为82.9%;对氨氮去除率平均30%~40%^[18]；Jan Vymaza^[19]总结了捷克约100 座人工湿地近10 年的运 行情况指出，湿地BOD5平均去除率为88.0%，总氮为 41.6%。对国内70 座表面流湿地统计结果为进水49 mg·L^-1，出水17 mg·L^-1，SS去除率65.3%；氨氮平均去 除率跃50%^[18]。

表 4 国内外不同类型人工湿地去除效果 Table 4 The pollutant removal efficiency of constructed wetlands in different countries and regions

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复式潜流人工湿地与国内、外相关研究比较对污 染物具有良好的去除净化效果，处理效果较稳定。在系 统稳定运行期间，COD去除率最高可达91.2%，比刘 志平等人^[17]研究的复合人工湿地高出26.5%，其出水 水质基本可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》 （GB 18918—2002）的一级A标准。TN、NH₃-N 平均去 除率可达到62.1%和77.5%，比常规人工湿地平均高 出20%左右。因为该复式潜流人工湿地下层有一定深 度的厌氧空间，为反硝化菌提供了充足的碳源，适于 湿地前置反硝化，因而进一步提高了湿地对TN 的去 除效果。

复式潜流人工湿地兼有水平流和垂直流两种流 态的一种新池型，在床体深度上有其优势，比较发现， 常规潜流人工湿地深度一般在0.6~0.8 m 之间，而复式潜流人工湿地深度可达到1.2~1.6 m。在一般潜流 湿地的基础上增加深度，既节省了占地面积，又节约 了工程费用，降低了投资和运行费。在维护上定期清 理即可。

然而，该小试试验中湿地净化污水与实际应用中 相比有一定差距，也存在很多问题需要进一步研究加 以解决，尤其是湿地系统运行期间因悬浮物沉淀和有 机质累积而出现的去污效果变差、湿地寿命缩短等。 为此，深入开展利用渗透系数、干化物质量等堵塞机 理方面的量化研究工作，并建立数学模型了解其运行 机理，仍是今后研究的重要内容。 4 结论

（1）复式潜流人工湿地对COD、NH₃-N、TN 的降解 效率呈现一定的季节性变化规律，季节变化尤其对 COD、NH₃-N 去除率有较大影响，去除率曲线总体上 在冬季降至最低，在春夏季节则有较大幅度上升。夏 季对COD、NH₃-N 去除率最大可达87.2%和68.9%。 深床体池型冬季低温条件下对各类污染物仍有20% 以上的去除率。

（2）试验发现水力负荷对复式潜流人工湿地系统 净化能力有明显影响。不同水力负荷条件下，对各类 污染物去除效果影响不同，当水力负荷为184 mm·d^-1 时，COD 去除率最大为84.9%。

（3）复式潜流人工湿地在水力负荷为184 mm·d^-1 条件下，COD、NH₃-N 去除率最大分别可达87.2%、 68.9%。最佳运行条件是气温28.6 ℃、水力负荷0.184 m³·m^-2·d^-1、水力停留时间2.4d，出水水质达（GB18918— 2002）一级A标准。