晋城市巴公镇农村生活污水治理项目是《晋城市农村生活污水治理PPP项目》的重要内容之一，主要覆盖巴公镇下的巴公一村、二村、三村和四村的部分区域，总面积约0.88 km²，总人口约5 000人；项目区内经济发展和居民生活水平较高，人口分布较为集中，地面硬质化比例较高；区内居民产生的生活污水，经过化粪池预处理后，通过地埋式污水管道集中收集排放，经过简单的土壤渗滤处理后排入河道，对当地水环境造成较为严重的污染；同步巴公镇农村生活污水治理项目的开展，区内农户厕所改造和污水管道铺设工作也在持续推进中。经过前期调研，巴公镇项目区内管道集中收集的污水排放量变化约在150~600 m³·d⁻¹。

巴公镇农村生活污水治理项目于项目区污水管道下游排污口处，以预曝气+垂直潜流人工湿地的模式，设计建设1座厌氧+微曝气接触氧化+垂直潜流人工湿地组合工艺的生活污水集中处理设施，对收集的农村生活污水进行处理，设计处理规模为600 m³·d⁻¹，设计出水水质满足山西省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB 14/726-2019)一级标准。

根据前期调研以及山西省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB 14/726-2019)要求，巴公镇项目区生活污水集中处理设施的设计进、出水水质如表1所示。

水质检测，选用聚丙烯无菌采样瓶采集水样，将水样于4 ℃的条件下低温保存，并于采样后的第2天进行水质检测。TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定(HJ 636-2012)，NH₄⁺-N采用纳氏试剂分光光度法测定(HJ 535-2009)，TP采用钼酸铵分光光度法测定(GB 11893-1989)，COD采用重铬酸盐法测定(HJ 828-2017)。

晋城市巴公镇农村生活污水治理项目，设计建设的巴公镇项目区生活污水集中处理设施具体包括初沉池、厌氧池、微曝气生物接触池、一级复合垂直流人工湿地、二级复合垂直流人工湿地和蓄水池6个单元(图1)。通过管道集中收集的项目区生活污水，先经过格栅截留，去除其中的垃圾和大颗粒悬浮物，再由提升泵提升至初沉池中，进一步降低污水中的悬浮物含量，并对水质和水量进行调节；污水依据地势差自流进入厌氧池中，通过异养微生物的厌氧发酵，污水中结构复杂的不溶性以及溶解性大分子有机物发生水解酸化，转化为小分子有机物或无机物，进而自流进入微曝气生物接触池，通过填料挂膜培养的微生物，以及添加的少量曝气，进一步降解小分子有机物^[11]；最后，污水先后流入串联的一级和二级复合垂直流人工湿地，充分与湿地床内处理基质接触，综合微生物分解、植物吸收利用和填料吸附等作用^[4]，进一步降低污水中污染物含量，汇入蓄水池，实现污水治理后达标排放。

1)一般在实际工程中，为了提高湿地的除污效果，多采用复合型人工湿地^[7,12]。巴公镇农村生活污水治理项目，设计选用的复合垂直流人工湿地是一种独特的垂直潜流人工湿地组合，一般包括下行池和上行池2个单元^[13]，流经湿地的生活污水先通过下行池表面的配水管，均匀分布在湿地下行池表面，并由重力作用经过湿地处理基质向下渗滤，再经底部集水管汇集进入湿地上行池，通过水压差使得污水进一步向上渗滤，最终从湿地上行池表面汇集流出。复合垂直流人工湿地相较于传统垂直潜流人工湿地，具有更加复杂的湿地内部环境，使得污水能够更为充分的流经处理基质，且湿地床内好氧-厌氧区间更加平衡^[14]，进一步改善了系统的脱氮除磷效果^[15]。设计建设的巴公镇项目区生活污水集中处理设施包含两级串联的复合垂直流人工湿地，生活污水先后经过一级和二级复合垂直流人工湿地分别处理，以保证出水满足设计出水水质要求。

2)巴公镇农村生活污水治理项目，采用预曝气+垂直潜流人工湿地的模式，在两级复合垂直流人工湿地前端添加了曝气生物接触池，通过机械曝气的方式补充污水中DO含量，促进有机物氧化、氨氮硝化等各项好氧反应的进行，以改善后端人工湿地对生活污水的净化效果^[16]。然而，本项目采用的微曝气接触氧化，不同于传统耗能较高的生物接触氧化工艺^[17]，为尽量同时满足降低投资成本、改善处理效果的需求，根据湿地人工增氧效果的文献^[6,8,15]调研，巴公镇农村生活污水治理项目最终选择了微量曝气的方式，以0.5:1的气水比，对生物接触池进行微纳米曝气，共同组成厌氧池+微曝气生物接触池+两级复合垂直流人工湿地的巴公镇项目区生活污水集中处理设施。

1)初沉池，长×宽×高=21 000 mm×7 000 mm×3 000 mm，有效水深2.4 m，有效容积353.0 m³，地埋式钢混结构，停留时间为15 h。2)厌氧池，长×宽×高=21 000 mm×7 000 mm×3 000 mm，有效水深2.3 m，有效容积338.0 m³，采用三格设计，单格长×宽×高=7 000 mm×7 000 mm×3 000 mm，地埋式钢混结构，停留时间14 h。3)微曝气生物接触池，长×宽×高=21 000 mm×7 000 mm×3 000 mm，有效水深2.2 m，有效容积323.5 m³，采用三格设计，单格长×宽×高=7 000 mm×7 000 mm×3 000 mm，地埋式钢混结构，停留时间13 h；池内采用规格为150 mm聚烯烃类立体弹性填料，竖向安装，安装间距为150 mm×150 mm，功率0.5 kW小型微纳米曝气装置进行补充曝气，曝气量约为200 L·min⁻¹。4)复合垂直流人工湿地，一级和二级复合垂直流人工湿地均由下行池和上行池2个池子组成(图2)，且尺寸相同，下行池长×宽=15 875 mm×7 500 mm，有效水深1.3 m，有效容积155.0 m³，上行池长×宽=14 025 mm×7 500 mm，有效水深1.1 m，有效容积116.0 m³，停留时间10 h；湿地填料由下至上依次为20~30 mm砾石、3~8 mm小沸石、0.5~2 mm粗砂以及20~30 mm大沸石，湿地植物依次选用鸢尾、香蒲、芦竹和千屈菜，均匀种植在4个湿地池表面。

巴公镇项目区生活污水集中处理设施，采用地埋式钢混结构，建设成本约8 000 元·m⁻³，建设总投资约480×10⁴元。后期维护成本主要由电费、污泥处置费和运维人员工资组成，其中提升泵站和微纳米曝气装置的平均耗电量为0.28 kWh·m⁻³，按照当地电费缴纳标准0.53 元·(kWh)⁻¹，则运行电费为0.15 元·m⁻³，较传统高耗能生物接触氧化治理用电更少^[18]；污泥处置费约0.15 元·m⁻³，运维人员工资约0.1 元·m⁻³，因此，总运行费用约0.4 元·m⁻³，运行费用较低。

巴公镇农村生活污水治理项目，在厌氧池+微曝气生物接触池+两级复合垂直流人工湿地组合工艺的设计初期，为了验证与优化预曝气+垂直潜流人工湿地模式对农村生活污水的处理效果，于巴公镇项目区生活污水集中处理设施的建设前期，以应用示范端的实际设计参数，1:20比例缩小建设了该组合工艺的中试端，并收集不同浓度的农村生活污水开展模拟进水实验，设计进水量约30 m³·d⁻¹，停留时间约2 d。实验于2021年8月开展，分别采用C1、C2和C3这3种浓度的农村生活污水开展为期7 d的连续进水实验，3种进水浓度的TN、NH₄⁺-N、TP和COD值如表2所示，每种浓度的进水实验采集3组出水水样，每组取样时间间隔为2 d。巴公镇农村生活污水治理项目的中试端实验结果如下。

1) TN去除效果。3种浓度的进水条件下，厌氧池+微曝气生物接触池+两级复合垂直流人工湿地组合工艺中试端处理后的农村生活污水，TN浓度均低于山西省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB 14/726-2019)一级标准(20 mg·L⁻¹)，满足排放需求。如图3所示，在实验开展的7 d内，中试实验端对TN的去除率随着时间推移呈上升趋势、TN出水浓度逐渐下降，且实验进水中TN浓度越高、去除率越高，C1浓度(TN平均值为77 mg·L⁻¹)下实验端对TN的去除率均在80%以上，而C3浓度(TN平均值为28.5 mg·L⁻¹)下实验端对TN的去除率均在60%以下，整体组合工艺中试端对农村生活污水中TN的去除率维持在40%以上。

2) NH₄⁺-N去除效果。3种浓度的进水条件下，经过中试端处理后的农村生活污水，出水NH₄⁺-N浓度均满足山西省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB 14/726-2019)一级标准(5 mg·L⁻¹)。如图4所示，在实验开展的7 d内，工艺对NH₄⁺-N的去除率随着时间推移呈下降趋势、NH₄⁺-N出水浓度逐渐上升，与TN的变化趋势相反，C1进水浓度最高(NH₄⁺-N平均浓度为76.1 mg·L⁻¹)的条件下，去除率最高，均在98%以上，整体厌氧池+微曝气生物接触池+两级复合垂直流人工湿地组合工艺中试端对农村生活污水中NH₄⁺-N的去除率均在95%以上。

3) TP去除效果。结果表明，除C1(TP平均值为23.5 mg·L⁻¹)高浓度进水外，厌氧池+微曝气生物接触池+两级复合垂直流人工湿地组合工艺中试端对C2和C3浓度(TP平均值分别为3.2 mg·L⁻¹和4.8 mg·L⁻¹)污水的处理效果均能够满足山西省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB 14/726-2019)一级标准(1.5 mg·L⁻¹)，表明该组合工艺在巴公镇项目区集中污水处理设施的设计进水水质(TP浓度在0.7~4.4 mg·L⁻¹)条件下，满足达标排放需求。如图5所示，在实验开展的7 d内，工艺对TP的去除率随着时间推移呈下降趋势、TP出水浓度逐渐上升，与NH₄⁺-N的变化趋势一致，中试端对TP的去除率基本保持在90%~98%。

4) COD去除效果。3种浓度的进水条件下，中试端出水中COD值均低于山西省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB 14/726-2019)一级标准(50 mg·L⁻¹)，满足排放要求。如图6所示，工艺对COD的去除率随着时间推移呈下降趋势、出水COD值逐渐上升，与NH₄⁺-N和TP的变化趋势一致，且在进水浓度最高的C1(COD平均值为450 mg·L⁻¹)中，COD的去除率最高(90%以上)，整体厌氧池+微曝气生物接触池+两级复合垂直流人工湿地组合工艺中试端对农村生活污水中COD的去除率在80%~95%。

综上，巴公镇农村生活污水治理项目的中试端实验结果表明，厌氧池+微曝气生物接触池+两级复合垂直流人工湿地组合工艺对巴公镇农村生活污水处理具有较强的耐负荷能力，且在应用示范端的设计进水水质条件下，工艺对污水中TN、NH₄⁺-N、TP和COD的平均去除率分别为69.7%、96.8%、94.3%和87.7%，出水污染物浓度低于山西省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB 14/726-2019)一级标准，满足设计出水水质要求。

巴公镇农村生活污水治理项目的应用示范端，巴公镇项目区生活污水集中处理设施于2021年10月正式运行，并持续从2021年10月—2022年5月跟踪监测该预曝气+垂直潜流人工湿地污水处理模式下的进出水水质情况，如图7所示，采样点共设置5处：进水口(S1)、微曝气生物接触池进水口(S2)、一级复合垂直流人工湿地进水口(S3)、二级复合垂直流人工湿地进水口(S4)和出水口(S5)，每月取样2~3次，探讨厌氧池+微曝气生物接触池+两级复合垂直流人工湿地组合工艺在实际工程应用中，对农村生活污水的处理效果。微曝气生物接触池内DO含量保持在0.5~1 mg·L⁻¹，系统内污水水温全年保持在10~25 ℃(最低温度为2022年1月的10.1 ℃)，工程进水水质和水量变化情况如图8所示。

1) TN去除效果。应用示范端运行过程中，厌氧池+微曝气生物接触池+两级复合垂直流人工湿地组合工艺对农村生活污水中TN的去除效果，主要作用在复合垂直流人工湿地部分，一级和二级复合垂直流人工湿地对污水中TN的平均去除率分别为34.8%和81.0%，其中二级湿地对TN的去除效果更好、去除率更为稳定(70%~90%)(图9)。人工湿地对污水中TN的去除，通过植物根系的吸收、微生物作用、NH₃的挥发和填料吸附等途径^[3]，其中以微生物的硝化和反硝化作用为主^[19]，翟俊等^[6]同样以微曝气人工湿地处理生活污水，系统对TN的去除率可以达到75%以上。

2021年11月—2021年12月，一级复合垂直流人工湿地对污水中TN的去除率出现骤降的现象(从80%降至20%)，这是由于2021年11月底，其他工程建设的原因对一级人工湿地填料进行了扰动，影响了垂直潜流湿地中的污水流向，导致一级湿地对污水中TN的去处效果降低，后续逐渐稳定。另外，项目区冬季(2021年12月—2022年2月)低温条件下，二级复合垂直流人工湿地去除TN的效果，对比秋季(2021年10月—11月)和春季(2022年3月—5月)差异性并不显著(P>0.05)，这是由于垂直潜流湿地垂直深度较大、保温效果较好(最低水温保持在10 ℃以上)，以及复合垂直流湿地内部复杂的处理环境^[14]，使得两级复合垂直流人工湿地对TN的去除率始终保持在60%以上。

厌氧池+微曝气生物接触池组合对污水中的TN基本没有发挥净化效果，TN主要依赖人工湿地的去除，这与陈尧等^[3]的研究结果一致。传统的生物接触氧化过程中，微生物发生硝化反应的DO浓度通常需要高于2 mg·L^−1[20]，通过好氧和厌氧的交替环境，使得污水中铵离子先通过硝化反应，生物氧化为硝酸根，再于厌氧环境下发生反硝化反应，由硝酸根转化为气态N₂和N₂O，排出系统。然而，本组合工艺采用的气水比0.5:1的微曝气生物接触池，使得系统内DO浓度只有0.5~1 mg·L⁻¹，不满足生物脱氮的条件，因此厌氧池+微曝气生物接触池组合对污水中的TN基本没有去除效果。

整体上，厌氧池+微曝气生物接触池+两级复合垂直流人工湿地组合工艺应用示范端对巴公镇项目区生活污水中TN的去除率稳定保持在80%以上，出水水质中TN浓度低于山西省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB 14/726-2019)一级标准(20 mg·L⁻¹)，满足排放标准。

2) NH₄⁺-N去除效果。厌氧池+微曝气生物接触池+两级复合垂直流人工湿地组合工艺对农村生活污水中NH₄⁺-N的去除效果与TN类似，依然主要作用在复合垂直流人工湿地部分，一级和二级复合垂直流人工湿地对污水中NH₄⁺-N的平均去除率分别为32.7%和87.2%(图10)。由于2021年11月—2021年12月一级湿地填料受到扰动，二级湿地对NH₄⁺-N的去除效果更好、去除率更为稳定(60%~95%)，即使冬季(2021年12月—2022年2月)低温条件下，两级复合垂直流人工湿地对TN的去除率始终保持在80%以上。

厌氧池+微曝气生物接触池组合对NH₄⁺-N的平均去除率为-4.3%，说明污水流经该单元处理后，NH₄⁺-N含量反而提升，这是由于氨化细菌的作用，使得厌氧条件下污水中部分有机氮转化为氨氮^[4]，而较低的DO浓度(0.5~1 mg·L⁻¹)难以使得微生物进一步发生硝化反应，最终导致污水中的NH₄⁺-N含量上升。整体上，厌氧池+微曝气生物接触池+两级复合垂直流人工湿地组合工艺应用示范端对巴公镇项目区生活污水中NH₄⁺-N的去除率稳定保持在90%以上，出水水质中NH₄⁺-N浓度基本低于山西省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB 14/726-2019)一级标准(5 mg·L⁻¹)，满足排放标准。

3) TP去除效果。实际工程应用中，厌氧池+微曝气生物接触池+两级复合垂直流人工湿地组合工艺对TP的去除主要发生在复合垂直流人工湿地部分，一级和二级复合垂直流人工湿地对污水中TP的平均去除率分别为11.8%和14.5%(图11)。不同于污水中N的去除，该组合工艺对TP的净化效果较不稳定，去除率最高可以达到60%以上，去除率最低时出水TP含量反而高于进水，这与钟秋爽等^[3]的研究结果类似，说明系统对P的去除较N易受环境变化的影响^[21]。厌氧池+微曝气生物接触阶段，污水经过水解酸化，pH降低，进而促进了后端湿地填料中钙盐和镁盐的水解，以及湿地填料对P的吸附^[4]；然而，微曝气生物接触池内DO含量(0.5~1 mg·L⁻¹)较低，不足以发生好氧条件下聚磷菌的超量吸P^[22]，因此人工湿地是系统除P的主要途径。进入两级复合垂直流人工湿地后，污水中P的主要去除方式为湿地填料的吸附截留，大部分P经过填料的物理截留和化学交换吸附，沉积在湿地内部^[23]，该过程易受系统的水利停留时间^[24]、进水污染负荷^[25]、水温^[26]等因素的影响；另外，由于湿地填料对P的吸附过程可逆，且具有饱和范围，因此，系统对TP的净化效果较不稳定^[23,27]，可能需要进一步采取化学除磷的方式，投加铁盐、铝盐等化学除磷剂，如硫酸亚铁(FeSO₄)、铝酸钠(NaAlO₂)等，改善组合工艺对污水中磷的去除效果^[28]。

整体上，厌氧池+微曝气生物接触池+两级复合垂直流人工湿地组合工艺应用示范端对巴公镇项目区生活污水中TP的平均去除率为17%，出水中TP浓度集中在1.5~2.5 mg·L⁻¹，不满足山西省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB 14/726-2019)一级标准(1.5 mg·L⁻¹)。这与中试结果差别较大(设计进水水质下，中试端对TP的平均去除率为94.3%)，表明实际工程应用中，该组合工艺并不能持续满足除P需求，需要进一步添加化学除磷，稳定系统对污水中TP的去除效果。

4)COD去除效果。厌氧池+微曝气生物接触池+两级复合垂直流人工湿地组合工艺对巴公镇项目区生活污水中耗氧有机污染物的去除，经过测算，厌氧池+微曝气生物接触池组合以及一级和二级复合垂直流人工湿地对污水COD的平均去除率分别为15.4%、46.3%和46.1%(图12)。厌氧池+微曝气生物接触池阶段，异氧微生物通过厌氧发酵将结构复杂的大分子有机物转化为小分子，同时部分可降解的小分子有机物被分解为CH₄、CO₂和H₂O，降低了污水中COD值，复合垂直流人工湿地则进一步通过湿地内部的填料截留和微生物代谢，降低污水中有机物的含量^[9]，两级复合垂直流人工湿地对COD的平均去除率保持在60%以上。

整体上，厌氧池+微曝气生物接触池+两级复合垂直流人工湿地组合工艺应用示范端对巴公镇项目区生活污水中COD的去除率基本保持在70%~90%，未受到冬季(2021年12月—2022年2月)低温的显著影响(P>0.05)，且出水COD值基本低于山西省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB 14/726-2019)一级标准(50 mg·L⁻¹)，满足排放标准。

巴公镇项目区生活污水集中处理设施于2021年8月建成，建成初期，对系统开展了为期1个月的微生物挂膜培养和湿地植物养护等调试工作，并于2021年9月开始持续进水，对项目区管道收集的生活污水进行处理。运行初期，为了探讨实际工程应用中，预曝气对复合垂直流人工湿地处理农村生活污水的影响，将生物接触池中的微纳米曝气装置关闭，直至2021年10月系统开始正式运行，再对生物接触池恢复微纳米曝气。对比2021年9月和2021年10月，生物接触池曝气前后，一级复合垂直流人工湿地对项目区生活污水的处理效果，结果如图13所示。

2021年10月，在微曝气生物接触池的作用下(气水比为0.5:1)，一级复合垂直流人工湿地对污水中TN、NH₄⁺-N、TP和COD的去除效果，均较2021年9月未曝气更好，与多数人工湿地强化增氧的研究结果一致^[6,8,15,22]。其中，一级复合垂直流人工湿地对污水中TN和NH₄⁺-N的平均去除率分别从曝气前的80.4%和82.9%提高至95.3%和89.7%，这是因为人工湿地对N的去除主要通过微生物的硝化和反硝化作用^[19]，湿地前端的微曝气生物接触池，提高了污水中的DO含量，改善了湿地床中的好氧环境，促进微生物好氧硝化反应的进行，从而使得人工湿地的除氮效果得到提升。然而，DO的提升在促进硝化反应的同时，会抑制反硝化的进行，因此对湿地进行人工增氧时，需要注意保持湿地床中好氧环境与厌氧环境的交替、硝化反应与反硝化反应的平衡^[6,15,22]。

另外，对生物接触池曝气后，一级复合垂直流人工湿地对污水中TP和COD的平均去除率分别提高了4.6%和10.1%。由于人工湿地中TP去除，主要依靠湿地填料的物理截留和化学交换吸附，其次为植物吸收，所以DO含量的提高对其影响相对较小^[8]。供氧后，湿地床内好氧环境改善，微生物活性增强，好氧反应速率升高，使得人工湿地对有机物的去除效果升高^[29]。

采用预曝气+垂直潜流人工湿地的模式，以厌氧池+微曝气生物接触池+两级复合垂直流人工湿地组合工艺，建设了巴公镇项目区生活污水集中处理设施，对当地农村生活污水进行治理。

1)实际工程应用中，该组合工艺出水中TN、NH₄⁺-N和COD值均满足设计出水水质要求，平均去除率分别为88.3%、93.7%和77.4%，且抗冲击能力较强，不易受冬季低温影响；而对TP的去除效果较不稳定，不满足设计出水要求。

2)以预曝气的人工增氧方式，在两级复合垂直流人工湿地前端添加微曝气生物接触池(气水比0.5:1)，改善了一级复合垂直流人工湿地的除污效果，对污水中TN、NH₄⁺-N、TP和COD的平均去除率分别提高了14.9%、6.8%、4.6%和10.1%。

3)对比中试端与应用示范端的运行效果，该组合工艺对TN、NH₄⁺-N和COD的去除效果较为相近，而TP的处理效果差别较大(中试与应用示范对TP的平均去除率分别为94.3%和17%)，表明实际工程应用中该工艺对污水中P的去除效果较不稳定，需要进一步强化。