水体生态修复是近些年来针对水体黑臭和水体富营养化而兴起的生态修复工程技术^〔1-3〕。复合生态滤池是一种特殊人工湿地，是20世纪70年代兴起的污水生态治理技术。复合生态滤池关键组成部分为集水管、布水管、动力设备、生物填料、水生植物等，其优点是运行费用和建设费用低，能耗少，维护方便，且具有一定的景观作用^〔4-7〕。但是其容易造成堵塞，后期需要人力长期管护。滤料是复合生态滤池的核心，滤料的质量和特性决定了系统内微生物数量、种类和生态系统稳定性以及植物生长效果^〔8-9〕。国内外对复合式生态滤池的研究较多，但其多数是采用不可生物降解填料为滤料(石英砂、陶粒等)，对于可生物降解滤料的使用未见报道^{〔5, 10-12〕}。

本研究在前期相关研究基础上，选择以竹丝和竹丝/凹土陶粒作为生态滤池滤料，以美人蕉为滤池植物(土著植物)，考察了2种不同滤料的生态滤池对污水中TN、TP的净化效果、净化机理，并根据试验结果，运用SPSS软件对2个生态滤池氮素去除率进行回归分析，建立了相对稳定的NH₄⁺-N、TN去除率回归方程。

原水取自徐州工程学院中心校区生活污水，其水质：COD 98.8~155.6 mg/L，NH₄⁺-N 11.57~39.6 mg/L，TN 18.2~49.5 mg/L，TP 0.71~3.48 mg/L，pH 7.56~8.32，水温21~25 ℃。

(1)竹丝。竹丝由毛竹自行加工裁剪而成，外形为20 mm×4 mm×1 mm的长方体，孔隙率约为70%。使用前将其放入水浴锅中沸水蒸煮30 min，然后在太阳下暴晒2~3 d。使用过程中，将竹丝杂乱无章随意放入滤池中，形成孔隙大小不一的滤料层。

(2)凹土陶粒。凹土陶粒由凹土、面粉和铁屑混合焙烧而成(其质量占比分别70%、15%和15%)，粒径4~6 mm，表观密度900 kg/m³，比表面积14.8 m²/g。面粉主要是造孔需要，使陶粒表面和内部形成大小不一的孔洞；铁粉提供还原态元素，以提高氧化态物质的降解。制备方法：将一定量的凹土(0.145 mm)、面粉(1 mm)和铁屑(1 mm)混合后，加入总混合物质量70%的蒸馏水，搅拌均匀，做成生陶粒。将生陶粒晾干，放入105 ℃鼓风干燥箱中干燥1 h。取出，放入马弗炉内进行焙烧，预热温度600 ℃，预热时间20 min，焙烧温度1 000 ℃，焙烧时间2 h。

(3)混合滤料。将竹丝与凹土陶粒按体积比1:1混合，混合滤料孔隙率为60%。

装有原水的高位水箱(50 cm×50 cm×50 cm)为一正方体水箱，其中的原水通过重力作用压入2个位置较低的圆柱形生态滤池(高度25 cm，外径22 cm，内径20 cm，有效容积6 L)底部，由球阀控制其流量，并由生态滤池顶部出水。每个生态滤池中栽种3株大小相近的美人蕉植物(株高约为15 cm)。生态滤池内分别填充竹丝、竹丝和凹土陶粒混合滤料。生态滤池内利用风机(型号ACO-003)进行强制充氧曝气，以保持生态滤池内的好氧环境，HRT约为8 h。试验日期为2016年5月2日至2016年10月28日，水温16.3~24.7 ℃。在复合生态滤池基质上剥落下的生物膜中发现了较为丰富的钟虫和少量的轮虫。

采用国家标准方法进行水质指标的测定。将滤料上的微生物膜剥落下来，用光学显微镜进行微生物检查。

为寻求滤料差异对生态滤池营养物质去除的影响，利用复合基质与单一基质对污水净化间的动力学关系，建立回归方程^〔13-14〕。步骤如下：

(1)将竹丝滤料滤池对污染物的去除率定义为自变量x_i(i=1，…，33)，凹土陶粒+竹丝混合滤料对污染物的去除率定义为因变量y_j(j=1，…，33)，两者组成数据对，利用SPSS软件绘制x与y的散点图，置信区间为95%，获得R^’2值；

(2)由R^’2值初步构建动力学方程，剔除异常值(试验操作或系统误差所造成)。再对剔除异常值的数据进行线性回归分析，求出R²和动力学方程y=f(x)。

考察了不同滤料滤池对有机物的去除效果。结果表明，当进水COD为98.8~155.6 mg/L时，竹丝滤料滤池出水COD为48.8~57.6 mg/L，而凹土陶粒+竹丝混合滤料滤池出水COD为38.5~51.8 mg/L。可以看出，2组生态滤池对COD均有很好的去除效果，出水COD均能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级B标准。相对于竹丝滤料滤池，凹土陶粒+竹丝混合滤料滤池去除COD的效果相对更好一些，出水更透明。

不同滤料滤池对氮素污染物的去除效果见图1和图2。

试验结果表明，当进水NH₄⁺-N为11.57~39.6 mg/L时，竹丝滤料滤池出水NH₄⁺-N为1.09~7.29 mg/L，NH₄⁺-N去除率为42.2%~95.2%；凹土陶粒+竹丝混合滤料滤池出水NH₄⁺-N为0.2~4.83 mg/L，NH₄⁺-N去除率为68.6%~99.5%，凹土陶粒+竹丝混合滤料滤池对NH₄⁺-N的去除效果是竹丝滤料滤池的1.7倍。NH₄⁺-N氧化菌属于比生长周期较长的自养型好氧菌，其喜好吸附生长在固体材料表面，容易富集增殖。由于2个生态滤池中涉及的滤料都是天然材质的生物载体，硝化菌能在好氧条件下强劲生长，均表现出较强的硝化作用，出水NH₄⁺-N浓度均较低。相比于竹丝滤料滤池，凹土陶粒+竹丝混合滤料滤池对NH₄⁺-N的去除效果更好，也更稳定。

当进水TN为18.2~49.5 mg/L时，竹丝滤料滤池出水TN为2.25~28.4 mg/L，TN去除率为55.1%~ 94.6%；凹土陶粒+竹丝混合滤料滤池出水TN为1.02~ 12.6 mg/L，TN去除率为67.5%~98.8%，凹土陶粒+竹丝混合滤料滤池对TN的去除效果是竹丝滤料滤池的2.3倍。微生物硝化作用、反硝化作用和植物同化吸收作用是TN去除的主要成因。好氧条件下，NH₄⁺-N被氧化成NO₃^--N和NO₂^--N，随后在缺氧微环境下，反硝化菌利用原水中的有机物和竹丝分解形成的有机物为碳源进行反硝化，将NO₃^--N和NO₂^--N转化为N₂溢出。由图1和图2可知，2个滤池中TN去除率的变化规律与NH₄⁺-N去除率相仿，说明2个滤池系统TN的去除与NH₄⁺-N的去除呈正相关；2个滤池系统中NH₄⁺-N转化成NO₂^--N和NO₃^--N后被迅速转化为气态氮，而没有出现NO₂^--N和NO₃^--N的积累，表现出较强的同步硝化反硝化特征。

竹丝填料表面相对致密，凹土陶粒表面具有较多微孔洞，二者结合能够富集更高浓度的微生物以及更多的微生物种群数量，从而具有更好的NH₄⁺-N和TN去除效果。

不同滤料滤池对TP去除效果见图3。

试验结果表明，当进水TP为0.71~3.48 mg/L时，竹丝滤料滤池出水TP为0.05~1.99 mg/L，TP去除率为73.8%~95.0%；而凹土陶粒+竹丝混合滤料出水TP为0.01~0.84 mg/L，TP去除率为83.6%~99.3%。

美人蕉根系的截留、吸收，滤池滤料的过滤、沉淀作用均是磷素污染物的主要去除途径。美人蕉作为挺水草本植物，会吸收一部分磷元素。此外，由于复合基质中陶粒表层的绒状随机伸展机构较大，生物膜分布均匀性较竹丝基质好，一方面增强了滤池基质的吸附性能，增加了微生物附着场所，使得聚磷菌的种群数量及活性进一步提高，从而增强了生物作用对除磷的贡献率；另一方面也在滤池内部形成了多级厌氧-好氧交替区，这正是生物除磷必不可少的环境条件。因此，复合基质的除磷效果更加明显。

2个滤料滤池的NH₄⁺-N、TN、TP去除率关系如图4~图6所示。其中，竹丝代表单一竹丝滤料滤池；陶粒/竹丝代表凹土陶粒+竹丝混合滤料滤池。

由图4~图6可知，2个滤料滤池的NH₄⁺-N、TN去除率数据对较为稳定地分散在拟合曲线的两边，R²分别为0.757和0.709，而TP去除率数据对较为零散，R²只有0.390，NH₄⁺-N和TN去除效果的稳定性良好。NH₄⁺-N和TN的去除主要是由于微生物作用，只要有稳定的微生物种群，就能保持NH₄⁺-N和TN的去除效果稳定；而TP是以物理化学(滤料吸附、植物同化吸收、微生物新陈代谢等)作用作为主要的去除途径，随着滤池运行时间的延长和运行条件变化，TP去除效果和途径也会发生变化。

依据得到的拟合曲线，运用SPSS软件，得到NH₄⁺-N去除率的线性回归动力学方程：f(x)=0.655x+37.56(Pearson相关系数为0.922)；TN去除率的线性回归方程：f(x)=0.726x+31.03(Pearson相关系数为0.887)。

(1)竹丝滤料滤池和凹土陶粒+竹丝混合滤料滤池对污水中氮素污染物、TP以及COD均表现出良好的净化效果。相比于竹丝滤料滤池，凹土陶粒+竹丝混合滤料滤池对污水的净化效果更佳。竹丝滤料滤池和凹土陶粒+竹丝混合滤料滤池内在好氧条件下存在较为显著的同步硝化反硝化。

(2)回归分析结果显示，对于TP的去除，两基质间并无明显的相关关系；对于NH₄⁺-N的去除，模型Person相关系数为0.922，R²为0.757，回归方程为f(x)=0.655x+37.56；对于TN的去除，模型Person相关系数为0.887，R²为0.709，回归方程为f(x)= 0.726x+31.03。