目前，農村生活污水經過生物處理單元后，尾水中有機物濃度較低，但氮磷營養(yǎng)元素濃度仍然較高，直接排放會造成水體的富營養(yǎng)化。人工濕地主要通過微生物的生物降解轉化、植物吸收、基質過濾等作用凈化水質，處理成本較低、運行效果穩(wěn)定且易于維護，因此，常被應用于凈化經生物單元處理后的農村生活污水尾水，以及被污染的、富營養(yǎng)化的水體。傳統(tǒng)的人工濕地技術多栽培景觀植物，在冬季，人工濕地中植物易枯萎，凈化效率和景觀效益會大大降低。水培蔬菜系統(tǒng)是在污水中栽培適宜的蔬菜，該系統(tǒng)能夠在凈化水體的同時，產出具有經濟價值的蔬菜，充分實現(xiàn)污水中氮磷的資源化利用，與傳統(tǒng)人工濕地相比具有明顯優(yōu)勢。

　　目前，利用人工濕地或水培蔬菜系統(tǒng)處理生活污水尾水或富營養(yǎng)化水體的研究已有很多。但大部分研究主要關注濕地中基質的優(yōu)選及所植植物種類的選擇，對于通過水培蔬菜與潛流濕地工藝組合進行尾水凈化，以及對系統(tǒng)中氮、磷沿程變化情況分析研究較少。本試驗依據(jù)東南大學提出的脫氮池/脈沖生物濾池/人工濕地(水培蔬菜系統(tǒng))工藝，生物處理單元主要進行有機物去除和硝化反應，人工濕地單元主要實現(xiàn)對氮、磷的資源化利用。本試驗構筑4種生態(tài)處理單元，如表1所示，研究了在4種系統(tǒng)中，不同組合工藝對污染物的降解特性，提出不同處理系統(tǒng)的最佳水力負荷，并對系統(tǒng)中污染物的沿程變化規(guī)律進行研究，為水培蔬菜系統(tǒng)進行農村生活污水尾水的凈化提供參考。

　　1 材料及方法

　　1.1 試驗設置

　　工藝流程如圖1所示，試驗裝置位于常州市，進水為農村生活污水經脈沖生物濾池處理后的出水，污水經提升泵提升到水箱，之后由高位水箱連續(xù)自流進入試驗裝置，通過閥門控制各單元進水流量。

　　不同裝置的具體尺寸與有效水深如表1所示，水培蔬菜系統(tǒng)內不填充基質，種植蔬菜選擇空心菜，栽植密度為100～150株/m2，潛流濕地填充基質，下層基質為礫石，上層填充粗砂，在基質上栽種西伯利亞鳶尾。

　　1.2 檢測方法與進水水質

　　試驗在夏季進行(7月～10月)，試驗期間水溫為23.5～30.1 ℃。水力負荷分別設定為0.1、0.2、0.3 m3/(m2·d)，1號系統(tǒng)相對應的水力停留時間(HRT)分別為24、12、8 h，2號系統(tǒng)相對應的HRT分別為5.5、2.75、1.83 d，3號系統(tǒng)及4號系統(tǒng)相對應的HRT分別為78、39、26 h。取樣頻率為每天一次，檢測進水水質如表2所示。

　　去除負荷表示單位處理單元單位時間對污染物的去除量，它反應了裝置對污染物的去除能力，污染物去除負荷如式(1)。

　　其中：L—去除負荷，g/(㎡·d);

　　Q—進水流量，m3/d;

　　A—系統(tǒng)有效面積，㎡;

　　C1—進水污染物濃度，mg/L;

　　C2—出水污染物濃度，mg/L。

　　2 結果與討論

　　2.1 水力負荷對不同系統(tǒng)污染物去除影響

　　(1)CODCr去除效果

　　由圖2(a)可知，水力負荷為0.1～0.3 m3/(m2·d)時，隨著水力負荷的增加，4組工藝內CODCr的去除率均明顯降低，這是因為水力負荷越大，污水在各個系統(tǒng)中的停留時間越短，影響微生物對CODCr的降解效果。對于1號水培蔬菜系統(tǒng)，CODCr的去除率在不同水力負荷下均為最小，這可能是因為水培蔬菜系統(tǒng)有效水深較淺，并且系統(tǒng)內不填充基質，所以水培蔬菜根系中微生物的量相對潛流濕地較少，而進水為經過脈沖濾池生物處理后的出水，水中CODCr主要為小分子溶解性有機物，CODCr的去除主要依靠微生物的降解和轉化作用，所以潛流濕地單元可發(fā)揮較好的作用。

　　隨著水力負荷增大，3號系統(tǒng)對CODCr的去除率由58.2%下降到39.5%，4號系統(tǒng)對CODCr的去除率由50.3%下降到34.6%。其中3號系統(tǒng)相對較好，可能是因為4號系統(tǒng)首先流經潛流濕地，流經后段水培蔬菜系統(tǒng)中CODCr含量減少，溶解氧濃度低(0.3～2.1 mg/L)，導致后段水培蔬菜生長狀況不好，部分未長出發(fā)達的根系或出現(xiàn)爛根現(xiàn)象，減弱了水培蔬菜根系中微生物的生長繁殖和CODCr降解作用。

　　由圖2(b)可知，2號系統(tǒng)、3號系統(tǒng)與4號系統(tǒng)對CODCr的去除負荷均隨水力負荷的增大而增加，去除負荷增大趨勢減緩。這是因為水培蔬菜系統(tǒng)根系較淺，隨水力負荷增加，水流對根系沖刷加強，不利于根系中微生物的生長繁殖。具體聯(lián)系污水寶或參見http://www.dowater.com更多相關技術文檔。

　　(2)TN去除效果

　　4種系統(tǒng)對TN的去除率如圖3(a)所示，去除率均隨著水力負荷增加而下降。在相同的水力負荷條件下，2號系統(tǒng)對TN的去除率最大，這是由于進水為生物接觸氧化池的出水，氮的形態(tài)以width=46,height=15,dpi=110為主，潛流濕地內有效水深較深，為微生物進行反硝化脫氮創(chuàng)造了較好的缺氧環(huán)境，所以該系統(tǒng)對TN的去除率最大。水力負荷為0.1 m3/(m2·d)時，4號系統(tǒng)對TN的去除率遠低于其他3種系統(tǒng)，可能是在4號系統(tǒng)中，污水先經過水深較深的潛流濕地，流入后段水培蔬菜系統(tǒng)時水中溶解氧濃度較低(0.3～2.1 mg/L)，影響到空心菜的正常生長和根系微生物生存環(huán)境，使植物吸收與微生物去除作用減弱。隨著水力負荷增大，1號系統(tǒng)中TN的去除率從76.9%降至45.7%，去除率波動較大，說明水力負荷對水培蔬菜系統(tǒng)中TN的去除影響較大。

　　(3)TP去除效果

　　各系統(tǒng)TP的去除率情況如圖4(a)所示。1號系統(tǒng)、2號系統(tǒng)與3號系統(tǒng)去除率隨著水力負荷增加呈明顯下降的趨勢，2號潛流濕地系統(tǒng)去除率最大。當水力負荷由0.1 m3/(m2·d)增大到0.3 m3/(m2·d)時，1號系統(tǒng)去除率由78.9%下降至40.8%，下降幅度最大，這可能是因為在水培系統(tǒng)中，磷的去除主要是植物對磷素的吸收，水力負荷加大使停留時間縮短，植物對磷的吸收作用會明顯減弱。而2號系統(tǒng)與3號系統(tǒng)中，隨著水力負荷的增加，潛流濕地中填料對磷的吸附作用優(yōu)勢凸顯，使TP去除率下降幅度小于水培蔬菜系統(tǒng)。對于4號系統(tǒng)，由于前段流入潛流濕地造成后段水培蔬菜系統(tǒng)中溶解氧的濃度過低，植物生長狀況與根系微生物受到影響，系統(tǒng)對TP去除率始終較低，水力負荷為0.1 m3/(m2·d)時，4號系統(tǒng)對TP的去除率為53.7%，其他3種工藝系統(tǒng)對TP的去除率分別為84.2%、81.5%、78.9%。系統(tǒng)進水TP濃度為0.84～1.34 mg/L，水力負荷為0.1～0.3 m3/(m2·d)時，2號系統(tǒng)、3號系統(tǒng)、4號系統(tǒng)中出水TP濃度可以達一級A標準(GB 18918—2002)，1號水培蔬菜系統(tǒng)在水力負荷0.3 m3/(m2·d)時，出水TP難以達到一級A標準。

　　圖4(b)為TP去除負荷隨水力負荷變化情況，與TN去除負荷變化情況相似。2號系統(tǒng)、3號系統(tǒng)、4號系統(tǒng)TP去除負荷隨水力負荷的增加而增大，增加幅度減緩，2號系統(tǒng)TP去除負荷表現(xiàn)最佳，這與潛流濕地中基質吸附作用強的結論一致本試驗中氮磷去除率及去除負荷的變化趨勢與其他研究相似。

　　(4)水力負荷的優(yōu)選

　　去除率反映了進出水中污染物濃度的變化程度，是出水水質是否達標應該考慮的因素，去除負荷反映了裝置對污染物的去除能力，去除負荷越大表明系統(tǒng)對污染物的去除效率越高。根據(jù)各系統(tǒng)對CODCr、TN、TP去除率與去除負荷的分析，不同工藝系統(tǒng)的最適水力負荷不同。對于1號水培蔬菜系統(tǒng)，CODCr、TN、TP去除負荷均在水力負荷為0.2 m3/(m2·d)時最大，出水CODCr、TN、TP可滿足一級A的標準，2號系統(tǒng)與3號系統(tǒng)水力負荷為0.3 m3/(m2·d)時，CODCr、TN、TP去除負荷可達到最大，且出水CODCr、TN、TP均可達滿足一級A的標準，而對于4號系統(tǒng)，污染物去除率較低，雖然出水CODCr和TN能夠達到一級A標準，但TP很難達到，且所植空心菜出現(xiàn)爛根情況，該組合不適宜農村生活污水尾水處理。

　　2.2 不同工藝系統(tǒng)污染物去除特性

　　為了解各系統(tǒng)內部不同段對污染物的去除情況，沿程均勻設置若干取樣點，檢測各污染物濃度的沿程變化規(guī)律。

　　(1)CODCr沿程變化

　　CODCr沿程變化如圖5所示。由圖5(a)可知，在1號系統(tǒng)中，CODCr濃度近似呈線性下降，沿程各段中CODCr的降解量相當，出水CODCr濃度較2號系統(tǒng)高，即在潛流濕地內CODCr去除效果較水培蔬菜系統(tǒng)更好;2號系統(tǒng)內CODCr在前1/4段下降較多，由69 mg/L降低至50 mg/L，占整個系統(tǒng)CODCr去除量的48.7%，之后各段中CODCr的下降量相當，出水濃度較低。

　　由圖5(b)可知，對于3號系統(tǒng)，CODCr濃度在前2/3段從69 mg/L降低至58 mg/L，占去除總量的40.1%，后段CODCr濃度從58 mg/L降低至42 mg/L，該段去除量占系統(tǒng)CODCr去除總量的59.9%;對于4號系統(tǒng)，CODCr濃度在前1/3段下降較多，從69 mg/L降低至55 mg/L，占總去除量的54.5%，后段水培蔬菜內CODCr濃度近似線性下降，CODCr濃度從55 mg/L下降至48 mg/L，出水CODCr濃度較高。

　　(2)TN濃度沿程變化

　　圖6表示TN沿程變化情況。由圖6(a)可知，1號系統(tǒng)與2號系統(tǒng)內氮濃度沿程基本呈線性下降，其中前1/4段去除量相對較多，之后下降趨勢放緩。進水TN濃度為10.4 mg/L，1號系統(tǒng)與2號系統(tǒng)前1/4段TN去除量分別占總去除量的44.6%、54.2%，出水TN濃度分別達到3.7、3.2 mg/L，與CODCr去除效果相似，2號潛流濕地系統(tǒng)內對TN的去除效果優(yōu)于1號水培蔬菜系統(tǒng)。由圖6(b)可知，在4號系統(tǒng)中，TN濃度在前1/3段下降較多，從10.4 mg/L下降至7.4 mg/L;而進入后段，TN濃度近乎不變，后段水培蔬菜對TN的去除率僅為30.5%，這解釋了4號系統(tǒng)整體對TN較低的去除率現(xiàn)象。3號系統(tǒng)對TN的總去除率明顯更高，出水TN濃度僅為4.0 mg/L，在前2/3的水培系統(tǒng)中，TN濃度由10.4 mg/L降至6.7 mg/L，占TN總去除量的58.1%;后段系統(tǒng)仍進行較多的TN去除，占總去除量的41.9%，該組合系統(tǒng)對TN的去除效果較好，且前段水培空心菜生長狀況良好，是一種凈化尾水較適宜采用的組合系統(tǒng)。

　　(3)TP濃度沿程變化

　　TP濃度沿程變化情況如圖7所示。1號系統(tǒng)、2號系統(tǒng)中TP濃度變化與TN相似，隨著沿程近似呈線性下降，在前1/4段均下降較多，前1/4段去除量占比分別達到43.1%、55.9%，進水TP濃度為0.89 mg/L時，出水濃度分別達到0.26、0.20 mg/L。2號潛流濕地沿程各段對TP的去除效果更好，這是因為潛流濕地中基質對磷具有較好的吸附性。3號系統(tǒng)、4號系統(tǒng)中，TP的沿程變化趨勢與TN呈現(xiàn)相同的規(guī)律。4號系統(tǒng)TP總去除率最低，且TP去除集中于前1/3段，占比為73.3%，后2/3段去除量僅占26.7%;而3號系統(tǒng)對TP總去除率較大，水培蔬菜段TP濃度由0.89 mg/L降至0.63 mg/L，去除量占比54.4%，后段濕地系統(tǒng)內去除量占總去除量45.6%，出水TP濃度滿足一級A的標準。

　　3 蔬菜安全性

　　利用尾水進行經濟作物水培，重金屬含量低，但植物可對污水中重金屬污染物進行富集，使作物中重金屬含量增高。因此，對1號水培蔬菜系統(tǒng)(1#)、3號水培蔬菜+潛流濕地系統(tǒng)(2#)中空心菜進行重金屬含量測定，檢測由農產品質量安全監(jiān)督檢驗測試中心完成，監(jiān)測項目及結果如表3所示。結果顯示，水培系統(tǒng)中所采摘的空心菜中Cr、Pb、Cu、As 和 Cd 的含量均未超過限定值，符合國家標準(GB 2762—2012)，可放心食用。

　　4 結論

　　采用水培蔬菜、潛流濕地及其組合系統(tǒng)4種工藝，凈化經過生物接觸氧化生物處理后的農村生活污水，水培蔬菜、潛流濕地、水培蔬菜+潛流濕地系統(tǒng)適宜水力負荷分別為0.2、0.3、0.3 m3/(m2·d)，各系統(tǒng)不僅達到氮磷最大化利用，同時出水能夠滿足一級A標準。而潛流濕地+水培蔬菜組合工藝處理農村污水尾水時，部分空心菜出現(xiàn)爛根現(xiàn)象，因此該工藝不適用于農村污水尾水的處理。

　　在水培蔬菜系統(tǒng)、潛流濕地系統(tǒng)內，CODCr、TN、TP在前1/4段下降較多，后段近似呈現(xiàn)線性下降;水培蔬菜+潛流濕地組合系統(tǒng)內，前段水培蔬菜系統(tǒng)對CODCr、TN、TP去除的貢獻率分別為40.7%、58.1%、53.7%，總去除率為39.1%、61.1%、55%。在水培蔬菜系統(tǒng)與水培蔬菜+潛流濕地組合工藝中，空心菜中重金屬含量低于國家標準限值，采收的空心菜可安全食用。

　　綜上，采取水培蔬菜及水培蔬菜+潛流濕地組合系統(tǒng)凈化農村生活污水尾水，出水不僅滿足污水一級A(GB 18918—2002)排放標準，同時可通過蔬菜吸收進行氮磷資源的有效利用，將污水處理與農業(yè)生產有機結合，在農村地區(qū)具有廣泛的應用價值。