人工湿地在脱氮除磷方面具有其他传统的生物处理工艺不可比拟的优势,不仅运行成本低,而且管理方便,但是利用人工湿地处理生活污水中氮磷营养盐的效果受水力负荷、植物选择、季节变化等因素的影响,且传统的人工湿地系统多种植景观植物,经济效益不高,为在以种植产业为主的农村地区推行人工湿地技术提供了难点。本文采用了东南大学提出的“厌氧池-缺氧池-跌水充氧接触氧化池-人工湿地”生物生态组合工艺作为试验的主体工艺,研究了潜流人工湿地基质选择原理、考察了不同水力负荷与植物组合下水生蔬菜滤床串联潜流人工湿地组合生态工艺对农村生活污水尾水中NH4+-N、TN、TP的去除效果,论证了寒冷冬季组合生态系统处理农村生活污水的可行性,旨在为粮食作物与经济蔬菜在组合湿地中的应用提供理论基础。Freundlich吸附等温方程说明陶粒、砖块、砾石三种材料对污水中磷素的吸附性能良好,热力学实验证明三种材料对污水中磷素分子的吸附是自发进行的,模拟潜流湿地除磷效果与三种基质吸附磷素动力学及热力学实验结果相吻合,进一步证明了基质吸附污水中磷素动力学与热力学分析在实际应用中的可行性。相同进水负荷条件下,砾石潜流湿地对污水中TP的去除量贡献最大,其次为陶粒潜流湿地,但由于砾石表面较陶粒光滑,不利于植物根系的附着和生长,实际工程应用中可将砾石与陶粒混合级配,增加植物根系生长的同时又能保证污水中磷素的去除效果。水力负荷为0.24～0.40 m3/(m2·d)时,夏秋季NH4+-N、TN出水浓度达《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准,冬春季水力负荷为0.40 m3/(m2·d)时,TN出水达一级B标准,TP出水浓度不达标。由于试验系统中潜流人工湿地基质层厚度有限,磷素和氮素去除效果在达到相同标准时所要求的水力负荷不同,磷素的去除效果成为水力负荷选择的限制性因素,此外,本试验组合生态系统植物的选择设计中,遵循经济作物型植物优先选择的原则,水稻、小麦等粮食作物以及空心菜、韭菜、茼蒿、水芹、旱芹等食用型蔬菜的引入,给人工湿地带来了可观的经济效益,能部分替代传统的土壤种植方式,缓解部分农村地区耕地紧张的局面,在此经济基础上,为使组合生态系统出水达到更高的排放标准,可适当降低水力负荷。NH4+-N的去除主要在水生植物滤床内,而潜流湿地去除TN、TP的效果明显优于滤床,且湿地内适宜种植生物量大且根系发达的植物。此外,由于本设计中,二级潜流人工湿地长度较短,虽然水稻与美人蕉组合种植,但是美人蕉沿程种植长度才1m左右,其发达的植物根系作用还未完全显示出来,故水稻与美人蕉组合种植的潜流湿地脱氮效果只略优于单独种植水稻的潜流湿地。由于组合生态系统进水中氮磷营养盐含量不高,潜流湿地填充基质高度较低且一级滤床内不填充基质,整个系统中植物所占比重较大,植物吸收作用对组合生态系统脱氮除磷的贡献率均值分别为12.9%和25.8%。组合生态系统中蔬菜植物的面积产量较好,特别是夏秋季的空心菜和冬春季的水芹,单位面积产量分别为19.37 kg/m2、17.94 kg/m2,亩产效益高达15496元、14352元,而水稻、小麦等粮食作物产量较低,单位面积产量分别为0.78 kg/m2、0.69 kg/m2,亩产效益分别为936元、828元。在耕地不紧张的地区,组合人工湿地内适宜种植生物量大、根系发达且叶片面积较大的水生蔬菜,而在部分耕地较为紧张的农村,可适当增加潜流湿地内粮食作物的种植面积,同时,为了保证组合生态系统对污染物的净化效果,可将粮食作物与生物量大、根系发达的植物组合种植,且夏秋季植物滤床内可种植经济效益大的空心菜,冬春季可种植水芹,增加组合湿地的整体效益。此外,还可以考虑利用生态浮床技术将水稻、小麦等粮食作物引入滤床内种植,这需要进一步的研究。论文研究结果表明,将水稻、小麦等粮食作物和经济型蔬菜引种在潜流湿地和植物滤床内,不仅对氮磷营养盐的净化效能高,还能产生可观的经济效益,在农村地区有望实现种植型人工湿地的农业经济化,实现环境效益与经济效益的完美结合。