人工湿地的污染物去除机理包括吸附过滤、离子交换与共沉、植物吸收与微生物降解等多重作用，与常规的污水处理工艺相比，具有处理效果好、氮磷去除能力强、运转维护管理方便、工程基建和运转费用低以及对负荷变化适应能力强等显著特点。
通常情况下，按照系统布水方式的不同，可以将人工湿地划分为表面流型和潜流型，潜流型人工湿地又可划分为水平潜流型和垂直潜流型：表面流型人工湿地设计水位较浅，一般控制在0.3～0.5m，主要依靠湿地内部水生植物的拦截以及附着在植物根茎上生物膜的生物降解作用，具有投资少、操作简单、运行费用低等优点，但占地面积较大，水力负荷率较小，去污能力有限。水平潜流型人工湿地通常由一个或多个填料床构成，内设吸附能力较强的填料，底部敷设有防渗膜或者其他防渗层用于防止污染地下水，能够承载相对较大的水力负荷，对BOD5、COD、SS、重金属等污染物质具有较好的去除效果，在水平潜流型人工湿地中，水面在填料以下，污水能够从池体进水端水平流向出水端，可有效避免污水恶臭以及蚊蝇孳生等问题。同时，能够适应一定程度的温差变化，但是水平潜流型人工湿地的代谢需氧量主要来自大气复氧，容易出现溶解氧含量不足，因而对氨氮、有机氮类污染物的去除能力有限。垂直潜流型人工湿地的填料床体处于不饱和状态，污水从填料床的纵向进入到填料床的底部，与此同时氧气可以通过大气扩散以及植物的根茎传输作用进入到人工湿地系统，垂直潜流型人工湿地系统具有较高的硝化能力，对氮、磷的去除效果较好，但是垂直潜流型人工湿地对进水悬浮物浓度要求比较严格，对有机污染物的去除能力相对较弱，且落干/淹水周期较长、夏季蚊蝇孳生现象严重。
基于以上原因，自主研发并已成功申请发明专利的“表潜结合式”人工湿地能够将表面流型人工湿地和潜流型人工湿地有机地融为一体，工程实施后外观为表面流型人工湿地，实际水体处于潜流状态，既能充分发挥表面流型人工湿地的生态景观效果，又能实现潜流型人工湿地的水质净化高效率，具有占地小、净水能力强、景观效果好等显著特点。
现以北京某地表微污染水体的生态处理工程为例，对“表潜结合式”人工湿地的净水原理、设计参数以及污染物去除效果等进行探讨。
1、工程概况
本项目设计处理对象为北京某地表微污染水体，设计处理规模为5×104m3/d，项目建设于2017年5月，主体处理工艺为“表潜结合式”人工湿地，项目区占地20hm2，“表潜结合式”人工湿地有效占地10.2hm2，设计污染物COD、NH3-N削减量分别可达182.50、9.13t/a，具有良好的环境效益，出水水质能够稳定达到《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)的Ⅳ类标准，满足下游景观公园的用水水质需求，具有良好的社会效益。
1.1 设计进、出水水质和处理目标
设计进、出水水质见表1。根据人工湿地污染物去除负荷，同时结合本项目设计处理目标，“表潜结合式”人工湿地设计进水水质执行《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)的Ⅴ类标准，即COD≤40mg/L，BOD5≤10mg/L，NH3-N≤2.0mg/L，TP≤0.4mg/L。通过“表潜结合式”人工湿地的填料吸附、植物吸收以及微生物降解等多重作用，湿地出水最终能达到甚至优于地表水Ⅳ类标准。
1.2 工艺流程
工艺流程见图1。
依赖新建的液位可调式景观水坝形成壅水，在“表潜结合式”人工湿地建设区上下游形成液位差：新建水坝上游来水依靠重力流，通过“八”字取水口进入到“表潜结合式”人工湿地生态系统，在湿地系统的填料吸附、植物吸收以及微生物降解等多重作用下，实现对微污染水体中各类污染物质的有效削减，出水达到甚至优于地表水Ⅳ类标准的水质设计要求后，经由末端的景观跌水堰进行富氧曝气，随后再次退回到下游河道内，对河道内现有污染物进行进一步的稀释净化，最终出水补充下游的景观公园用水。
2、工程设计
2.1 工艺选择
本次设计优先采用自主研发并成功申请发明专利的“表潜结合式”人工湿地，该技术能够实现表面流型人工湿地和潜流型人工湿地的空间立体结合(上层为表面流型人工湿地部分和下层为潜流型人工湿地部分)，在同一投影面内既能体现表面流型人工湿地的景观效果，又能实现潜流型人工湿地的净水能力，有效降低了人工湿地对土地占用面积的限制需求，具有占地面积小、净水能力强、景观效果好等显著特点。
2.2 参数设计
参照并对《人工湿地污水处理工程技术规范》(HJ2005—2010)的相关参数进行优化，本项目设计处理规模为5×104m3/d，“表潜结合式”人工湿地有效占地10.2hm2，下层潜流型人工湿地部分填料床有效高度为1.2m，上层表面流型人工湿地部分设计水深控制在0.3～1.2m，平均水深为0.5m。人工湿地主要设计参数见表2。
2.3 填料设计
2.3.1 填料选择
为了实现对建筑垃圾的资源化利用，优先采用再生填料(主要成分为碎砖陶粒滤料)，该类填料应用于人工湿地水质净化领域应满足如下主要技术参数要求：
①不含可见泥土、粉屑或有机杂质。
②碎砖陶粒滤料不应使滤后水产生有毒、有害成分。
③碎砖陶粒滤料的粒径为8～16mm。
④碎砖陶粒滤料不均匀系数≤1.6。
⑤粒径<8mm、粒径>16mm的量均不应大于5%。
⑥加工材料应以废砖为主，来源稳定，材料成分比例稳定。
⑦不同批次产品堆积密度差距<10%。
2.3.2 填料床设计
“表潜结合式”人工湿地下层潜流型人工湿地部分填料床有效设计高度为1.2m，采用级配填料进行填充，由下往上依次为夯实粘土(200mm厚)、HDPE防水土工膜(450g/m2)、d50～80mm碎砖陶粒滤料(600mm厚)、d20～50mm碎砖陶粒滤料(300mm)、d10～20mm碎砖陶粒滤料(300mm厚)。
2.4 植物设计
“表潜结合式”人工湿地的水生植物全部在上层表面流型人工湿地部分种植，该部分设计水深控制在0.3～1.2m之间，平均水深为0.5m。
湿地植物选择污染水体适应能力强、污染物去除效果好、生态景观塑造功能显著的土著类水生植物，浅水区(0.3～0.5m)主要种植芦苇、香蒲、千屈菜，种植密度均为16株/m2。中水区(0.5～0.8m)主要种植荷花、睡莲，种植密度均为4株/m2。深水区(0.8～1.2m)主要种植菹草、狐尾藻、眼子菜，种植密度均为30株/m2。同时对“表潜结合式”人工湿地周边的植物缓冲带进行了优化配置，与“表潜结合式”人工湿地一起构建了一个生物多样性丰富、水质净化效果稳定的生态景观型人工湿地生态系统。
3、运行结果与讨论
3.1 人工湿地对COD去除效果
“表潜结合式”人工湿地对水体中COD的去除机理以湿地植物根区生物膜的吸附降解作用为主，此外还兼有自然沉淀、物理过滤、填料吸附等多重作用。对2018年5月—8月的实际现场监测结果进行定量分析，得出“表潜结合式”人工湿地对微污染地表水体中COD的实际去除效果如图2所示。
由图2可知，在连续4个月的实际运行中，尽管湿地进水COD浓度存在一定程度的波动，尤其是在5月的两次检测中，由于河道上游农田灌溉等原因造成湿地进水COD浓度超过了设计进水限值，但是经过湿地的填料吸附、植物吸收，尤其是根区微生物的代谢降解作用，始终能将湿地出水COD浓度控制在30mg/L及以下，湿地出水COD浓度能够满足《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)规定的Ⅳ类水限值要求。在实际检测中，湿地进水COD浓度在7月达到了最低值，随后在8月又出现了上升，这主要是7月降雨量达到了最大，对湿地上游河道内COD具有一定程度的稀释作用，8月降雨量减少，湿地上游河道内COD又出现了上升趋势，但是整个检测周期内，湿地生态系统始终处于一个逐渐自我完善的过程，尤其是在7月、8月湿地系统的生物多样性及系统稳定性达到最高，对上游来水的水质、水量波动适应能力最强，湿地系统对上游来水中的COD去除率基本维持在20%～40%，符合湿地生态系统对COD的去除规律。
3.2 人工湿地对NH3-N去除效果
“表潜结合式”人工湿地对水体中NH3-N的去除机理主要是湿地植物根系生物膜的硝化、反硝化作用，将NH3-N转化为N2或N2O进而从湿地系统逸出。2018年5月—8月连续4个月的进出水NH3-N浓度分析结果如图3所示。
由于存在灌溉退水等原因，湿地系统在5月的进水NH3-N浓度最大，甚至超出了湿地进水的设计限值，随后在6月出现降低，在7月达到最低值，8月份降雨减少，湿地进水NH3-N浓度又出现回升，但整个检测周期内，湿地系统都能够通过自身的调节功能将NH3-N的去除能力控制在29%～33%的范围内，湿地出水NH3-N始终保持在1.5mg/L以下，能够满足《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)Ⅳ类水的限值要求。在实际检测中，湿地对NH3-N的去除效果与COD表现出了基本类似的规律，在7月、8月湿地系统的生物多样性及系统稳定性达到最大，湿地植物生长、根区微生物的代谢过程对氮、磷等营养物质的需求量最大，湿地出水NH3-N甚至降低了1.2mg/L左右，表现出了显著的氮、磷去除效果。
4、结论
①利用液位可调式景观水坝上下游的水头差，依靠重力进入“表潜结合式”人工湿地，在水质达到甚至优于地表Ⅳ类标准的水质设计要求后，再依靠重力退回到河道下游，整个水质净化过程无动力消耗，实现了污水处理的“零成本”运行。
②采用“表潜结合式”人工湿地，在同一投影面内既能体现表面流型人工湿地的景观效果，又能实现潜流型人工湿地的净水能力，有效降低了人工湿地对土地占用面积的限制需求。
③优先采用了再生填料，主要成分为碎砖陶粒滤料，实现了对建筑垃圾的资源化利用。
④尽管进水COD、NH3-N浓度在一定范围内出现了波动，甚至部分时段超出了设计进水浓度限值，但是湿地系统都能够通过自身的调节机制将出水COD、NH3-N浓度分别控制在30、1.5mg/L及以下，湿地出水能够满足《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)Ⅳ类水限值要求。(来源：北京市水利规划设计研究院)
