人工构造湿地可利用植物、微生物和基质间的物理、化学及生物作用共同达到污水净化的目的。植物根系能形成网络，传递和释放氧，吸收一部分营养物质，为微生物提供生长场所，并提供好氧、厌氧条件，但植物有一定的生长期，且需要收割。好氧微生物可将有机物分解成CO2和H2O，硝化细菌和反硝化细菌可去除氮，聚磷菌去除磷。基质能截留污染物、吸附氨氮、沉淀磷，并沉淀吸附悬浮物质，为微生物提供附着面，其主要作用为吸附沉淀，但存在吸附饱和度。目前对人工湿地去除污染物的机理研究比较深入，但对人工湿地中污染物随高度变化的净化程度很少有研究报道。为此，笔者考察了潜流湿地系统中污染物沿高度的净化程度，并对COD、氮、磷的去除机理及其迁移转化规律进行分析。
1实验部分
1.1实验装置
实验装置见图1。该装置有效高度80cm，超高20cm，直径30cm，壁上设置一排间距为15cm的取样口，用于取样和排水。
1.2污水水质
针对天津滨海高新区代表性湖泊及周边水域的水质情况，采用人工配水方式模拟其水环境特点，其中COD由葡萄糖提供，碱度由NaHCO3提供，氨氮由NH4Cl提供，硝态氮由KNO3提供，KH2PO4提供磷。进水水质见表1。
1.3填料种类及组合
目前，人工湿地去除污染物主要是通过控制不同因素来实现的。这些因素有基质选择、湿干比、配水周期、基质厚度等。前期实验结果表明，种植植物与不种植植物对污染物的去除作用差别不大，因此本实验运行并不种植植物。
人工潜流湿地处理系统的基质填充深度是根据种植的植物根系能够到达的深度确定的，种植芦苇一般可达到60～70cm。本实验的填料厚度定为75cm，其中承托层厚度为15cm。
为了综合发挥各基质优势，潜流湿地床往往由多种基质组成。一般来说，基质比表面积越大，污水与基质的接触面积越大，净化效率也会相对增加〔4〕。传统人工湿地的基质采用土壤、砂、砾石等，雒维国等〔5〕对比了土壤、砾石、煤渣对NH4+-N的吸附效果，结果表明，在基质未达到吸附饱和度之前，煤渣的脱氮效果最好。而陶粒是目前研究较多的新型基质，具有较大的比表面积，质轻多孔。因此本实验基质选择砾石、土壤、陶粒、煤渣进行组合，其中煤渣粒径在2～5mm，陶粒粒径10mm，下层以砾石做承托层，高度15cm，中间填充煤渣，高度30cm，上层对土壤和陶粒的去除污染物能力进行对比，高度30cm。
1.4湿干比
适宜的湿干比能确保人工湿地系统高效、稳定地运行〔6〕。优化系统运行湿干比参数、促进氮脱除，是提高湿地脱氮效率的关键。干湿交替的工作方式最早源于快渗系统，其可以防止快渗系统的表层孔隙被过度堵塞，有效恢复系统的渗透性能，并保持稳定的处理水量；同时可对系统进行复氧，使系统内部潜层剖面上交替形成氧化、还原环境，以利于有机污染物的降解〔7〕。李英华等〔8〕从系统脱氮效果及处理效率角度推荐系统稳定湿干比为1∶1。本实验在相同进水周期条件下，设计了两种湿干比，分别为湿干比较小的1∶6和湿干比接近1∶1的3∶4。
1.5实验运行方式
综上所述，实验共设计4组人工湿地系统模拟装置，在不同填料组成及不同湿干比条件下，考察污染物沿高度的净化程度。实验运行情况见表2。
1.6分析方法
分析项目及检测方法〔9〕：NH4+-N采用纳氏试剂光度法；NO2--N采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法；NO3--N采用紫外分光光度法；TN采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法；TP采用过硫酸钾氧化钼锑抗分光光度法。
2结果与讨论
2.1污染物去除效果的整体分析
两种填料组合在不同湿干比下对COD、TN、NH4+-N、TP的去除效果见图2。
由图2可知，对于相同组合填料的湿地系统，湿干比为3∶4的净化效果要优于湿干比为1∶6。这是因为湿干比为1∶6时，落干时间长，虽然系统内的复氧充分，但容易造成土壤中微生物的营养物质缺乏，致使其生长缓慢、活性变差，最终影响出水水质；而湿干比为3∶4时，既可以恢复系统内的好氧环境，又不影响微生物活性，所以去除率较高。
湿干比在1∶6或3∶4时，陶粒+煤渣组合填料的净化效果均好于土壤+煤渣组合填料。这是因为陶粒轻质，内部多孔，比表面积大，化学和热稳定性好，具有较好的吸附性能，对氨氮和COD有较强的去除作用。此外土壤一般带负电荷，而陶粒表面一般带正电荷且亲水性好，更有利于微生物固着生长。
2.2COD沿高度的变化
COD沿高度的变化情况见图3。由图3可知，在上层30cm处，4组实验装置对COD的去除率分别为62.15%、77.34%、58.48%、60.79%。
4组装置的COD去除率曲线可用二项式模拟，其方程分别为：
1#：y=-0.097x2+0.752x-0.606（R2=0.952）；
2#：y=-0.103x2+0.793x-0.602（R2=0.868）；
3#：y=-0.075x2+0.647x-0.521（R2=0.953）；
4#：y=-0.088x2+0.720x-0.585（R2=0.959）。
这说明4个系统对COD的去除效果是显著的，而且均集中在上层（此时COD去除率呈线性），随着深度的增加，去除率降低。有机物的去除主要由过滤截留、吸附和生物降解作用共同完�桑黄渲胁蝗苄杂谢镏饕ü盍系墓私亓簟⒊恋碜饔枚晃⑸镂嚼茫豢扇苄杂谢镌蛲ü盍媳聿�生物膜的吸附、吸收和生物代谢降解而被去除。由于系统上层可接触空气，复氧充分，有利于好氧微生物分解有机物，所以COD可通过好氧微生物的降解作用得到去除。
2.3TP沿高度变化情况
TP沿高度的变化情况见图4。由图4可知，1#、2#系统在上层的TP去除率呈线性关系，TP去除率分别为91.45%、86.12%，说明土壤层对TP的去除效果非常好。3#、4#系统在上层的TP去除率几乎呈线性，分别为49.86%、59.54%，由于陶粒的孔隙率比土壤高，对磷的吸附截留相对较差，所以3#、4#在上层的除磷效果劣于1#、2#。到中层时1#～4#的TP去除率分别为95.01%、97.97%、96.34%、95.58%。由于人工湿地对磷的去除主要是靠填料的吸附和沉淀作用，说明中层填料对磷的吸附已经基本完成。4组装置中TP去除率随高度的变化曲线能用二项式曲线模拟，且相关系数都在0.96以上：
1#：y=-0.011x2+0.090x+0.776（R2=0.999）；
2#：y=-0.032x2+0.269x+0.444（R2=0.962）；
3#：y=-0.111x2+0.942x-0.934（R2=0.973）；
4#：y=-0.092x2+0.770x-0.567（R2=0.960）。
实验结果表明，4组装置对TP的去除主要发生在上层和中层。
2.4TN沿高度变化及氮基质的浓度变化
TN沿高度的变化情况见图5。由图5可知，4#系统出水的TN质量浓度＜3#＜2#＜1#。系统对TN的去除发生在上、中、下层，说明去除TN经历的时间较长，这与硝化细菌的世代时间长有一定关系。采用二项式曲线进行模拟，得到4组装置的TN去除率曲线方程：
人工湿地对TN、氨氮具有良好的降解效果，其中微生物的硝化与反硝化是人工湿地脱氮的主要作用〔2〕。实验考察了4组装置的三氮（NH4+-N、NO2--N、NO3--N）沿高度的变化情况。氨氮去除率分别为86.9%、91.8%、52.2%、84.5%，亚硝酸盐积累率（NO2--N/NOx--N）分别为21.1%、60.8%、66.5%、81.9%。4个装置上层均出现亚硝态氮积累和氨氮的减少，说明实验装置上层去除氨氮只是将其转化为亚硝态氮和硝态氮等其他形式的氮。而装置中层和下层的亚硝态氮和硝态氮减少，说明发生了反硝化反应。。
3结论
（1）对于相同组合填料的湿地系统中，湿干比为3∶4的净化效果优于1∶6。湿干比为1∶6和3∶4时，陶粒+煤渣组合填料的净化效果均好于土壤+煤渣组合填料。
（2）4个装置沿程去除COD、TN、TP具有类似的规律。COD的去除主要发生在上层（30cm），TP主要在上层和中层去除，TN的去除率发生在上、中、下整个装置中，其中上层主要去除氨态氮，中、下层发生反硝化反应，最终脱氮。
（3）各污染物去除率沿程变化关系可用二项式模拟，且相关系数均在0.8以上。实际工程中可用二项式模拟曲线计算系统净化COD、TP、TN所需的填料厚度，为工程应用提供指导。
