产业集聚区和开发区是河南省推动工业化、城镇化快速发展和对外开放的重要平台。截至2017年，河南省已建设省级及以上产业集聚区182个，废水排放量1 270万m³/d。地表河流作为产业集聚区污水厂尾水的受纳水体，即使产业集聚区污水厂出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918— 2002）一级A标准，也不能达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅴ类标准，对于受纳水体而言仍是污染源。目前河流断面水质暂未考核TN指标，河南省多数产业集聚区污水厂尾水尤其是TN难以达标排放，同时考虑到国际公认的水体发生富营养化的临界值^〔1〕（TN 2.0 mg/L），产业集聚区污水厂尾水是造成河流水体富营养化的主要原因之一。

污水厂尾水需要经过深度处理才能更好地去除尾水中的剩余污染物（主要是氮、磷、微量有机物等）^〔2〕。现阶段我国对尾水深度处理技术主要有生物滤池、过滤、膜分离、人工湿地等^〔3〕，人工湿地是利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用来实现污水净化^〔4〕，因具有处理效果好、投资少和运行维护费用低等特点，并能将对污水处理的功能与美化环境的功能完美结合，现已被广泛应用于污水厂二级出水的深度处理^〔5-6〕。

低C/N，TN、硝态氮浓度高是污水厂尾水的典型特征，即便选择污染负荷高的垂直流人工湿地，其对尾水中的剩余污染物尤其是TN、硝态氮的去除效果也很低^〔7〕。笔者通过创新湿地基质组配、溶解氧调控，达到提高系统剩余污染物去除率、稳定水质、降低河流水体富营养化风险的目的，并以河南省许昌市某产业集聚区污水厂尾水为研究对象，探讨了垂直流人工湿地在尾水深度处理中的应用。

该湿地工程建于河南省许昌市清潩河沿线，处理水量4万m³/d，总占地面积14.67万m²（含附属配套设施），采用垂直流人工湿地工艺。垂直流人工湿地池深2.0 m，基质孔隙率35%，水力停留时间24 h，水力负荷0.82 m³/（m²·d），水力坡度1%，基质床自上而下铺设砾石、石灰石/硫磺/硫铁矿混合基质（石灰石、硫磺、硫铁矿的体积比5:4:1），砾石粒径5~8 mm，铺设厚度20 cm，其上种植以西伯利亚鸢尾为主的水生挺水植物，混合基质粒径8~50 mm，按不同粒径分4层铺设，厚度分别为30、50、75、25 cm，底部均匀铺设D=150 mm曝气管，曝气干管上装有控制阀用于调控溶解氧浓度，垂直流人工湿地单体结构见图1。

该工程建设完成后，日处理水量4万m³，水源主要为清潩河上游综合类产业集聚区污水厂排放的尾水，系统采用连续进水方式，以自然挂膜形式完成启动，工程稳定运行期进水水质：COD 21.90~42.14 mg/L、NH₃-N 1.32~4.95 mg/L、TN 20.75~31.39 mg/L、NO₃^--N 18.87~26.42 mg/L、NO₂^--N 0.06~0.18 mg/L、DO 2.87~6.15 mg/L。

系统稳定后连续监测3个月，每间隔4 d取样监测1次，系统各单元进出水取混合样，测定混合水样的COD、NH₃-N、TN、NO₃^--N、NO₂^--N、DO等6项指标。各指标测定方法参照文献〔8〕。数据处理采用Origin8进行统计分析。

垂直流人工湿地对COD的去除效果见图2。

从图2可以看出，垂直流人工湿地进水COD在21.90~42.14 mg/L，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准，说明产业集聚区污水厂对有机物的去除效果较为理想。出水COD在19.03~36.12 mg/L，垂直流人工湿地对COD的去除率在12.14%~31.00%，平均去除率仅为18.93%，这主要是因为湿地系统中COD的降解和转化主要是通过异养微生物完成^〔9-10〕，将其转化成CO₂和H₂O，而废水中的BOD₅在产业集聚区污水厂已处理至较低浓度水平，其尾水可生化性相对较低，限制了异养微生物对COD的去除效果。

垂直流人工湿地对不同形态氮的去除效果见图3。

从图3可以看出，垂直流人工湿地进水TN在20.75~31.39 mg/L，不能满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准，说明产业集聚区污水厂对TN的去除效果不理想。出水TN在7.60~13.99 mg/L，垂直流人工湿地对TN的去除率在44.97%~67.86%，平均去除率达56.83%，出水NO₃^--N在4.17~7.29 mg/L，平均为6.36 mg/L，这主要是因为湿地基质床内铺设了硫磺和硫铁矿，还原态硫（S^2-，S⁰，S₂O₃^2-）作为电子供体提高了湿地的硫自养反硝化脱氮效果。

垂直流人工湿地出水NH₃-N质量浓度在0.81~2.17 mg/L，较进水NH₃-N明显降低，主要是在湿地砾石层种植有水生挺水植物，挺水植物能将氧气从上部输送至根部，在根区或根际形成好氧环境，而这一环境能够刺激有机物质的分解和硝化细菌的生长，从而达到去除污水中氨氮的目的^〔11-12〕。由于受进水TN浓度高、湿地床底部缺氧环境的影响，湿地出水NO₂^--N在1.01~4.07 mg/L，较进水浓度高，出现亚硝酸盐积累现象。

垂直流人工湿地稳定运行期，在基质床深80 cm处取基质，用生理盐水清洗基质，对清洗液进行镜检观察，可以看出，生物相较丰富，通过观察镜像发现存在着原生动物、后生动物、浮游动物，以及颜色较深的菌胶团，同时还可以观察到一定数量的线虫、轮虫、浮游动物等，说明系统内微生物生长环境良好。

垂直流人工湿地稳定运行期，在基质床深30、80、150 cm处分别取基质，采用PCR-DGGE、16S rDNA测序、R语言编译软件等手段对垂直流人工湿地不同深处的微生物群落进行了分类学分析，结果表明，垂直流人工湿地系统内主要存在可识别的10个细菌门类，3个样品虽取样深度不同，但细菌门类一致，不同门的占比差别不大。3个样品中，占主要优势的门类为Proteobacteria（变形菌门）和Chlo-roflexi（绿弯菌门），二者占比在60%以上，这同张丽丽^〔13〕的研究结果一致。其他门占比相对较高依次为Bacteroidetes（拟杆菌门）、Acidobacteria（酸杆菌门）、Chlorobi（绿菌门），上述5种门占比在85%以上，另外在湿地系统内也发现了Planctomycetes（浮霉菌门），该类菌种中有一类细菌，它们能够发生厌氧氨氧化，故被称作厌氧氨氧化菌，脱氮效果显著。

垂直流人工湿地系统内主要存在可识别的37个细菌属类，3个样品虽取样深度不同，但细菌属类一致，不同属的占比差别不大。3个样品中，占主要优势的属类为Anaerolinea-uncultured、Nitrospira、Thauera、Comamonadacea-unclassified。另外在湿地系统内发现的优势菌属还包括Thiobacillus（最先被发现的具有自养反硝化功能的菌属，其被认为反硝化效果优于异养反硝化菌属）和Sulfurimonas，这两种菌属被认为是硫自养反硝化系统中最常见的菌属和最优势菌属。

（1）针对产业集聚区污水厂尾水低C/N，TN、硝态氮浓度高的水质特性，本研究通过创新湿地基质组配，溶解氧调控等技术手段，提高了垂直流人工湿地的去污效果，尤其是脱氮效果。

（2）由于受产业集聚区污水厂尾水可生化性低等因素影响，垂直流人工湿地对COD的去除率在12.14%~31.00%，平均去除率仅为18.93%；进水TN在20.75~31.39 mg/L，垂直流人工湿地对TN的平均去除率达56.83%，出水TN在7.60~13.99 mg/L，出水平均NO₃^--N降至6.36 mg/L，出水NH₃-N在0.81~2.17 mg/L，出水NO₂^--N在1.01~4.07 mg/L，较进水浓度高，出现亚硝酸盐积累现象。

（3）垂直流湿地系统内生物相丰富，主要存在可识别的10个细菌门类，占主要优势的门类为Proteo- bacteria和Chloroflexi，二者占比在60%以上，其他门占比相对较高依次为Bacteroidetes、Acidobacteria、Chlorobi，上述5种门占比在85%以上；主要存在可识别的37个细菌属类，占主要优势的属类为An-aerolinea-uncultured、Nitrospira、Thauera、Comamona-dacea-unclassified，另外在湿地系统内发现的优势菌属还包括Thiobacillus和Sulfurimonas，这两种菌属被认为是硫自养反硝化系统中最常见的菌属和最优势菌属。