集约式立体生物生态耦合系统是一种由表层植物床和底层生物反应床构成的复合生物生态处理系统，实验装置示意图见图 1。反应器总高为1 000 mm，直径为600 mm，有效容积为270 L，进水为环形绕流，绕行两周后，水从罐体中部的中心筒内自流出去。罐体内置填料网，供好氧菌挂膜生长，同时固定植物根系，植物选用挺水植物芦苇、美人蕉、黄菖蒲和梭鱼草，中部填料网低于环形部分的填料网。其罐底部安置沸石和石灰石等滤料，还装有空心纤维悬浮球填料，以供植物固定根系和微生物挂膜之用。为研究植物处理的效果，设置没有植物生长的装置罐作为对照组。

实验装置位于上海交通大学环境科学与工程学院的生态阳光房内，装置运行时段为5月到次年1月，经历了春夏秋冬4个不同季节。对装置先进行启动挂膜，待系统稳定后进行不间断测定，每组设置3个平行样，结果取平均值进行分析。以下为实验期间集约式立体生物生态耦合处理系统反应器的运行工况。

1) 启动阶段。控制HRT=72 h，进行连续曝气，经测试在此工况运行期间溶解氧为4~7 mg·L^-1，pH为6~7，运行时间45 d。

2) 稳定阶段。启动阶段出水水质稳定以后，保持溶解氧为3~4 mg·L^-1不变，pH为6~7，继续持续运行。

在启动期和稳定期对实验组(种植物)和对照组(无植物)系统中的COD、氨氮、TN和TP进行取样监测，对所测结果进行分析讨论。

3) 稳定阶段后的分区监测。由图 2(a)可知，集约式立体生物生态耦合处理系统实验反应装置可分为A~H等8个不同区域，系统进水为环形绕流，水流方向为A→B→C→D→E→F→G→H。根据反应器独特的设计可将其划分为不同的分区进行监测，分区后示意图见图 2(b)。

污水从反应器进水口端流入A区，A区与B区的挡板底部有空隙，水流可从A区底部流入B区，而B区与C区之间也设有挡板，但挡板底部与罐体底部紧密相连，B区的污水可直接通挡板上部流到相邻的C区域。D区与E区、F区与G区的设计和B区与C区的设计相同，D区与A区、E区与F区的设计和A区与B区相同。这样的设计增加了反应器内水体的流动性，保证了反应器内均匀的水力分布和良好的水力循环，因此，根据罐体独特的设计，将A区域称为Ⅰ区，B、C区域合并称为Ⅱ区，D、E区域化合并称为Ⅲ区，F、G区域化合并称为Ⅳ区。在系统挂膜成功且稳定运行后对反应器不同分区内各污染物质的水质进行连续取样检测，综合取样结果分析。

实验用水采用人工配水，结合城镇污染物排放标准中的一级B标准进行配置，实验所用药剂为无水葡萄糖(C₆H₁₂O₆)、氯化铵(NH₄Cl)和磷酸二氢钾(KH₂PO₄)均为分析纯; 本研究对水样指标COD、氨氮、TN和TP的分析均采用国家标准水质分析方法^[11]。

启动阶段实验组和对照组的系统中耗氧有机污染物浓度(以COD计)的变化情况见图 3。由图 3可以看出，在启动阶段，实验组和对照组的COD的去除率均可达到60%~90%。反应器启动期的主要目的是培养及驯化微生物，使填料挂膜。挂膜是膜状微生物的培养和驯化过程，使具有新陈代谢活性的微生物污泥在水处理系统中滤料上固着生长的过程^[12]。在挂膜期间微生物的生长较为缓慢，细菌在填料上吸附不稳定，易于脱离，新生长的细菌需适应新的环境，诱导合成代谢所需的酶等，填料上附着的微生物数量没有增加，一直处于不断变化的过程，故对COD的去除率不稳定。但从图 3可以看出，在启动挂膜后期，实验组和对照组中出水COD均较为稳定，由此判定系统挂膜成功。

图 4为启动期实验组和对照组的系统中氨氮的变化情况。由图 4可以看出，在启动阶段，实验组和对照组的氨氮的去除率均可达到80%左右。在挂膜初期，实验组和对照组中氨氮的去除率均处于较低水平。但随着时间的变化，实验组和对照组中氨氮的去除率均在逐渐升高。这是由于在挂膜初期，亚硝化细菌的生长稍慢，反应器对各污染物的去除主要靠填料的吸附，所以对氨氮去除效果很低。但在挂膜后期，随着污水不断进入反应器中，亚硝化细菌数量将随之逐渐增加，并且当水中的营养水平变成亚硝化细菌生长的限制因素时，亚硝化细菌的数量将趋于稳定，这些优势菌属均为快速生长的微生物，可分解和吸收各种污染物质，从而提升了反应器的净化能力，进而使得氨氮的去除率得到提高，系统出水逐渐稳定，以此判断填料已挂膜成功。

图 5为稳定期实验组和对照组的系统中耗氧有机污染物浓度(以COD计)的变化情况。由图 5可以看出，在反应器稳定以后，实验组出水COD为9~35 mg·L^-1，均符合一级A标准，且去除率为60%~88.15%。对照组出水COD为7~35 mg·L^-1，均符合一级A标准，且去除率为37.93%~88.13%。通过对比可以发现，在反应器稳定以后，实验组对COD的去除效果较好，优于对照组。从图 5可以看出，2个反应器COD的去除率均在第6次采样分析时有明显的降低趋势。这是由于在此期间实验室温度较高，2个反应器进水箱中生长了大量微生物，这些微生物消耗了一部分养料致使罐体中营养料不足，影响了微生物的生长与繁殖，使微生物的代谢速率减慢，从而进一步降低了对COD的去除效率。在对反应器的进水箱及进水管道进行清洗后，反应器对COD的去除效果得到明显改善。

当污水经过基质时，基质与污水中的悬浮固体颗粒相接触直接拦截一部分悬浮颗粒和污水中的不溶有机物，另一部分悬浮颗粒在范德华力作用下以及化学吸附作用下而被基质吸附粘结，为植物和微生物对可溶有机物的降解提供载体、空间及反应界面^[13]。相比于对照组，实验组种植了多种植物，而水生植物对污水中有机物污染物的去除作用也很大^[14-16]。这些植物可通过光合作用和吸收同化作用将污水中的小分子有机化合物直接吸收，然后转化为自身的生物量，降低污水中的COD值。因此，实验组的COD去除效果较好。

图 6为稳定期实验组和对照组的系统中氨氮的去除效果。由图 6可以看出，当反应器稳定后，实验组的氨氮出水浓度为1.0~6.5 mg·L^-1，均符合一级A标准，且氨氮去除率为72.89%~92.57%。对照组的氨氮出水浓度为2~9 mg·L^-1，均符合一级A标准，且氨氮去除率为66.22%~87.97%。由实验结果对比可知，虽然实验组和对照组出水氨氮浓度均不是很高，但每次取样所测得的实验组的出水浓度均低于对照组的出水浓度，且实验组大部分氨氮去除率维持在88%左右，而对照组大部分氨氮去除率则维持在82%左右。由于实验组中有植物的存在，其反应器中微生物的数量及种类较多，有利于氨氮的去除，因此比对照的去除效率有提高。总体而言，实验组对氨氮的去除效果优于对照组。

本研究中所填充的基质为沸石，有研究^[17-19]表明，沸石对氨氮具有很好的吸附效果，其对氨氮的去除机理以化学吸附及离子交换作用为主。在实验组中种植的植物的根系作用可以促进硝化作用和反硝化作用。植物在呼吸和光合作用的同时，其根系将氧气带入周围的基质中，具有补氧作用，可以进一步促进好氧微生物的分解作用，丰富反应器好氧厌氧环境^[20]，提升了反应器对氨氮的净化效果。因此，实验组对于氨氮的去除效果较对照组有所提升。

图 7为稳定期实验组和对照组的系统中TN的去除效果。由图 7可以看出，当反应器稳定后，实验组TN的出水浓度为8.0~14.9 mg·L^-1，均符合一级A标准，且TN去除率为48%~67%。对照组TN的出水浓度为9~16 mg·L^-1，部分属于一级B标准，且TN去除率为36%~65%。由实验结果对比可知，实验组对TN的去除效果优于对照组。从图 7可以看出，2个反应器在第5次采样时间内TN的去除效率降低，而结合图 6可知，第5次采样时间内的氨氮去除率属于较高水平。这是由于反应器内曝气量过大，使得大部分的氨氮被转化成为硝态氮，反硝化过程进行的不彻底，进而使得系统对TN的去除效率下降，通过调节系统溶解氧可改善系统对TN的去除效果。

污水中的氮元素的去除主要依靠微生物的硝化/反硝化作用以及基质的吸附沉淀作用^[21]，基质对氮的吸附主要针对还原态氨氮，该个过程是快速可逆的，比表面积越大，对氮的吸附越有利。实验组对TN的去除效果较好是由于反应器内所种植的梭鱼草^[22]、芦苇^[23]等均对氮元素具有很好的吸收特性，可将污水中的N素合成自身的植物蛋白贮存在体内，再通过收割将N除去^[24]。除基质对氮吸附外，微生物还可将含N的化合物，有机氮在水解的作用下转化成氨氮，有氧条件可以促进氨化反应的速率，氨氮在氨氮菌的作用下转化为亚硝酸盐，亚硝酸盐在硝化菌的作用下继续被氧化成硝酸盐，硝酸盐在缺氧条件下，在反硝化菌作用下还原为N₂释放^[25]。因此，集约式立体生物生态耦合系统可通过植物、微生物和基质三者的联合作用达到深度除氮的效果。

图 8为稳定期实验组和对照组的系统中TP的去除效果。由图 8可以看出，实验组对TP的去除率最高可达77%左右，且除第2次取样TP出水浓度为0.504 mg·L^-1外，其余情况TP出水浓度均低于0.500 mg·L^-1，符合一级A标准。而对照组对TP的去除率最高可达到37%左右，其出水浓度均高于0.5 mg·L^-1，属于一级B标准。通过对比可以发现，在反应器稳定以后，实验组的TP出水浓度均低于对照组的TP出水浓度，且实验组的TP去除率均高于对照组中TP的去除率。2组实验中TP的变化趋势各不相同，实验组TP去除率波动较大。这是由于实验组受植物影响的因素较多，阳光、水分、养料和空气等均可影响植物的生长状态，进而影响其对水中磷元素的吸收，从而导致系统对TP的去除效果变化较明显。

当污水中P浓度较低时，其所存在的水力负荷小且对基质吸附时可提供浓度差动力小，因此，将水质从一级B提升至一级A来说是相当困难的。而在本研究中除基质对P具有去除效果外，植物和微生物对P的共同去除也占有重要的作用。实验组中所种植的水生植物在其生长过程中可将水中的无机P吸收入体内转化为自身能量和核酸等参与光合作用，在改善水质的同时也可促进自身的生长^[26]。植物根部的代谢产物可刺激根际微生物产生脲酶和碱性磷酸酶，并增强酶活性，将水中的含磷有机物大量转化为无机磷，供给植物吸收^[27]。植物的根系分泌物也可以为微生物的生长和繁殖提供碳源和能源，其根系分泌的有机酸不但可以增加细菌类群的丰富度，同时可以影响真菌的生物量^[28-29]，进而促进微生物对P的吸收降解，从而提升反应器的净化效果。待植物成熟后，可通过收割将系统的P去除。对于未栽种植物的对照组来说，其TP的去除效果明显低于实验组，说明植物对P的去除具有重要的作用^[30]。

图 9为反应器不同分区内的各污染物的变化情况。从图 9中可以看出，实验组和对照组系统中的COD、氨氮、TN、TP的浓度均随着分区变化而逐渐递减。COD在Ⅰ区的浓度降低趋势最显著，氨氮、TN和TP的浓度在Ⅱ区至Ⅲ区变化最为明显。Ⅰ区属于曝气区，DO含量较高，污水中溶解氧越高微生物生长越旺盛，有机物的消耗量越大，导致COD去除率越高。硝化与反硝化作用速率是氮去除效果的主要控制因素，硝化细菌属于好氧菌，系统内DO含量越高有利于硝化作用，而反硝化细菌属于厌氧菌，系统内DO浓度越低，越有利于反硝化作用进行。Ⅱ属于兼性厌氧区，Ⅲ、Ⅳ区为厌氧区，污水经过好氧区时，氨氧化细菌可先将氨氮转化为亚硝酸盐，亚硝酸盐在硝化菌的作用下继续被氧化成硝酸盐，进入厌氧区后，反硝化菌又将硝酸盐还原为N₂，从而使得系统中的氨氮和TN得以去除。聚磷菌在好氧阶段吸收磷，在厌氧阶段释放磷，由于反应器独特的设计，使得磷可以在反应器内得到有效的去除。

当污水流入集约式立体生物生态耦合系统中后，水中的COD一部分被系统中的滤料所吸附，一部分被植物吸收，另一部分则通过填料、滤料及植物根系上所附着的微生物进行降解; 水中的氨氮的去除一部分来自于基质的吸附作用，另一部分来自于微生物的转化作用; TN的去除依靠于系统中基质的吸附、微生物的转化以及植物的吸收，其中微生物的作用占主要地位; TP的去除主要是靠植物的吸收利用以及基质的吸附，微生物的生物降解作用占比重不大。本系统的设计保证了反应器内均匀的水力分布和良好的水力循环，水的流动可以加速水体表面更新，有利于增强水体的自净能力，通过促进水体的流动交换，可以使水体溶解氧增加，污染物质氧化加快，改善水生生物的生存环境，使得各污染物浓度可随着区域变化而逐渐减少，提高系统净化效果。

1) 在反应器稳定后，实验组对COD、氨氮、TN和TP的去除效果均优于对照组，且实验组COD、氨氮、TN和TP的出水浓度分别介于9~35、1~7、8.0~14.9、0.20~0.47 mg·L^-1之间，均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 19818-2002)一级A标准。

2) 对反应器装置进行分区检测发现，实验组和对照组中的COD、氨氮、TN和TP浓度均会随着分区的变化逐渐减少，说明污染物在每一个分区内都会得到一定量的去除从而使污染物浓度降低。

3) 从对水中4项指标的分析来看，相比于对照组，实验组对TP的去除效果较明显，说明集约式立体生物生态耦合系统可以达到对TP的深度处理，且处理效果很好。