本项目位于南京市江心洲污水处理厂内，人工湿地处理规模为1 200 m³·d⁻¹，占地面积约1 800 m²，水力负荷约为0.67 m³·(m²·d)⁻¹，HRT为23 h。系统原水为江心洲污水处理厂尾水，出水水质近《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅳ类水标准，如表1所示。

建设的人工湿地系统的工艺流程如图1所示。尾水经过1次提升后采用重力流进行系统配水。首先，尾水运输至浅池单元进行高位配水，初步调节水质水量；出水自流进入7座并联的双向横流过滤单元(A-H)，实现有机物和悬浮物的高效去除，并进行氮、磷的初级去除；后依次经过折流式潜流湿地单元和水平潜流湿地单元，进行悬浮物和有机物的强化去除且进行氮、磷的深度去除；出水进入表流湿地单元，从而进一步降低水体浊度，保障出水水质，最终出水进入中水回用系统。其中，双向横流过滤单元、折流式潜流单元、水平潜流单元剖面图如图2所示。

复合式人工湿地系统由浅池单元、双向横流过滤单元、折流式潜流单元、水平潜流单元和表流湿地单元5部分组成，各单元具体设计参数见表2。

图3中红色标记为湿地系统的6个采样点，分别为各单元进出水口，其中编号a~f依次代表进出水口在系统中上下游的相对位置。取得水样500 mL分装于聚乙烯瓶，立即于实验室进行水质指标检测，或于4 ℃低温冷藏保存，在48 h内测定水质指标。

水质指标测定方法参照《水和废水监测分析方法(第4版)》。COD采用重铬酸钾法测定；TN采用过硫酸钾-紫外分光光度法测定；NH₄⁺-N采用纳氏试剂分光光度法测定；TP采用过硫酸钾消解-钼酸铵分光光度法测定。

复合式人工湿地系统对COD的去除效果如图4所示。由图4(a)可知，进水耗氧有机污染物质量浓度(以COD计)为18.00~29.00 mg·L⁻¹，平均出水质量浓度为16.60 mg·L⁻¹，且在湿地沿程方向，COD值总体呈下降趋势。从人工湿地各个单元的处理效果来看，双向横流过滤单元处理效果最为显著，COD去除率达13%。该处理单元前段好氧有利于有机物分解，后段缺氧有利于反硝化脱氮的进行，且倒换水流方向，位于池体后段生物膜为反硝化提供内生碳源，表明其特殊的功能结构营造了较好的物化和生化反应条件，可实现对COD的有效去除。由图4(b)可看出，系统在进水COD较低的情况下，COD平均去除率可达到25%。12月中下旬，COD去除率有所下降。这与水平潜流湿地单元植物未及时收割，有机质腐烂并释放进入水体，使水中有机物含量升高有关。直到1月份植物收割后，COD去除率才回升。

总体来说，COD的去除率较低是由于尾水中碳源含量较低，可生化性较差^[26]，湿地对有机物的生化降解能力相对减弱，COD去除主要是依靠植物根系吸收和基质吸附作用^[27]。并且冬季低温条件下，植物凋零、休眠，造成植物根系泌氧能力下降，微生物活性较差。湿地系统对COD去除率的降低是植物、微生物、溶解氧等易受环境温度影响的多种因素共同作用的结果。

复合式人工湿地系统对TN的去除效果如图5所示。由图5(a)可知，进水TN质量浓度6.82~11.90 mg·L⁻¹，平均出水质量浓度为7.17 mg·L⁻¹，湿地沿程方向TN质量浓度总体呈下降趋势。从人工湿地各个单元的处理效果来看，折流式潜流单元对TN的去除效果最佳，最高去除率可达26%，其次为双向横流过滤单元及浅池单元。折流式潜流单元通过竖向折流进水方式使污水与填料之间充分接触，其布水方式有助于单元均匀配水，而饱和流有助于营造缺氧环境，实现反硝化脱氮。此外，该单元丰富的植物群落能直接吸收污水中氮、磷类污染物，从而提高净化效果。由图5(b)可看出，TN平均去除率为24%，从11月中下旬起，TN去除率有所下降。这与冬季气温降低，周围环境温度低于反硝化菌的适温范围(20~35 ℃)，硝化菌的正常生长繁殖受限有关。同时，湿地系统碳源不足在一定程度上制约了微生物反硝化作用，TN去除效果也受到一定影响^[27]。此外，植物未及时收割，造成一部分氮、磷的释放进入水体。自1月初起，TN去除率先降低后升高，直到逐步稳定，这可能与进水水质波动有较大关系。例如，何媛媛等^[28]的研究表明，当进水TN小于60 mg·L⁻¹时，TN去除率随进水浓度增加而增大。

复合式人工湿地系统对${\rm{NH}}_4^{+} $-N的去除效果如图6所示。由图6(a)可知，进水${\rm{NH}}_4^{+} $-N质量浓度0.60~1.80 mg·L⁻¹，平均出水质量浓度为0.52 mg·L⁻¹，虽然进水水质波动较大，但出水较为平稳，明显优于《地表水环境质量标准》中的Ⅳ类水质标准。湿地沿程方向，${\rm{NH}}_4^{+} $-N质量浓度总体呈下降趋势。从人工湿地各个单元处理效果来看，对其去除起主要作用的是浅池单元和双向横流过滤单元。浅池单元高位配水和两级跌水充氧为好氧硝化菌提供有利环境条件，利于硝化反应进行。而双向横流过滤单元前端氧气充足以硝化反应为主，好氧硝化菌将${\rm{NH}}_4^{+} $-N转化为${\rm{NO}}_3^{-} $-N，并沿水流方向DO浓度逐渐降低，其后段缺氧环境有助于反硝化脱氮反应进行。如图6(b)所示，${\rm{NH}}_4^{+} $-N平均去除率可达到44%，尽管进水波动较大，但出水质量浓度均可以维持在0.30~0.70 mg·L⁻¹，且去除率随进水质量浓度增大而增大，表明该系统耐冲击负荷能力强，对${\rm{NH}}_4^{+} $-N去除效果佳。

复合式人工湿地系统对TP的去除效果如图7所示。由图7(a)可知，进水TP质量浓度0.03~0.06 mg·L⁻¹，平均出水质量浓度为0.03 mg·L⁻¹，沿水流方向，TP质量浓度总体呈下降趋势。由图7(b)可看出，TP平均去除率达到34%，表明系统在冬季低温不利条件下仍保持较高的TP去除率。湿地中磷去除主要通过基质物理吸附和化学沉降实现，其次为水生植物根系对溶解性磷的吸收及微生物的作用。但在冬季低温低碳源条件下，微生物活性弱，植物生长缓慢，对磷的去除主要是依靠自然沉降、填料吸附等作用，导致湿地除磷效果较差^[27]。

1)微生物群落结构丰富度和多样性。复合式人工湿地中双向横流过滤湿地单元(A)、折流式潜流湿地单元(B)、水平潜流湿地单元(C)微生物群落结构丰富度和多样性结果如表3所示。样品覆盖率为92%，测序结果较为稳定。

由表3可知，样品的覆盖率最低为98%，说明此次测序的结果能够准确完整的反应微生物样品的真实状况。3个微生物样品中ACE指数和Chao指数以折流式潜流湿地单元最高，Shannon 指数以双向横流过滤单元最高，但水平潜流湿地单元中ACE指数、Chao指数和Shannon 指数为较高，说明该湿地单元微生物的物种总数、菌落丰富度和多样性程度相对较高。

2)微生物群落结构组成。图8是微生物在门分类水平下的群落组成。由图8可知，不同样品在门分类水平上具有较高的多样性。系统中的优势菌门主要包括变形菌门(Proteobacteria)、蓝藻菌门(Cyanobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、酸杆菌门(Acidobacteria)、浮霉菌门(Planctomycetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、放线菌门(Actinobacteria)、疣微菌门(Verrucomicrobia)、硝化螺旋菌门(Nitrospirae)、厚壁菌门(Firmicutes)等，并以变形菌门(Proteobacteria)、蓝藻菌门(Cyanobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、酸杆菌门(Acidobacteria)、硝化螺旋菌门(Nitrospirae)为主，五者的总和约占总测序序列的75%~85%。有研究^[29]表明，人工湿地基质优势菌种以变形菌门、酸杆菌门和绿弯菌门为主，所占比例为高于80%，这与本实验的结果相似。

人工湿地中含氮污染物的去除机理主要有硝化作用、反硝化作用以及氨氧化作用等^[30]，与之相关的微生物主要有氨氧化真菌/细菌、硝化细菌(Nitrifying bacteria)和反硝化细菌(Denitrifying bacteria)^[31]。有研究者指出，变形菌门(Proteobacteria) 在生物脱氮除磷等其他污染物降解中具有核心作用^[32]。由图8可知，变形菌门(Proteobacteria)在3个样品中分别占总测序序列的47%、51%和57%，因此，说明该复合式人工湿地在低温期仍具有较好的脱氮除磷效果，这与2.2~2.4节水质分析结果一致。拟杆菌门(Bacteroidetes)在3个样品中占总测序序列的15%左右，能够代谢碳水化合物，降解有机物，与放线菌门(Actinobacteria)共同担负污染物的有效去除^[33]。硝化螺旋菌门(Nitrospirae)在双向横流过滤单元(A)中所占比例最高，由于双向横流过滤单元可实现正反向进水，前端氧气充足，故有利于硝化细菌生长，因此，该单元对总氮和氨氮去除效果较优。

为适应长期的水渍环境，会在湿地植物体内部形成强大的通气组织，为气体交换和储存提供内部通道，将光合作用产生的氧气输送到根际基质中，从而增强根际周围微生物活性，进而加强有机物好氧降解和硝化作用^[34]，最终提高污水净化效果。双向横流过滤单元为复合式人工湿地的核心单元，对冬季低温期湿地稳定运行起主要作用。表4为双向横流过滤单元湿地植物的生长状况、根系特征和泌氧速率。由表4可知，冬季植物进入衰亡期，1月份植株干枯，地上部分生物量较12月份有所下降。这与冬季植物叶片脱落腐败，以及营养元素向根部转移有关，亦与刘臣^[35]的研究结果相似。与此同时，随冬季气温骤降，植物根系也逐渐进入冬眠状态，湿地植物的根孔隙度随之降低。然而，植物内部通气组织性能的减弱，导致第2年1月份再力花根系泌氧速率极低，而3种植物中根孔隙度最大的芦竹根系泌氧速率也仅达到5.14 μmol·(d·g)⁻¹。总而言之，在冬季低温条件下，由于植物凋零、休眠、腐败造成植物泌氧能力下降，故微生物活性较差，从而影响了湿地的处理效果。因此，及时对湿地植物进行收割，做好维护管理也是保证其稳定运行的重要条件。

1)本研究中的复合式人工湿地系统水力负荷可高达0.67 m³·(m²·d)⁻¹，较我国大多数尾水人工湿地提升了30%以上，极大提高了湿地处理能力，缩小了湿地的建设面积。

2)该湿地系统在低温条件下仍能保证一定的净化效果，对COD、TN、${\rm{NH}}_4^{+} $-N、TP的平均去除率分别为25%、24%、44%、34%，日均去除负荷量分别为3 688.88、1 509.47、272.38、10.30 mg·(m²·d)⁻¹， 出水水质可稳定达到《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)近Ⅳ类水质标准。

3)3个不同湿地单元的填料样品优势菌门分别以变形菌门、拟杆菌门、酸杆菌门和硝化螺旋菌门为主，其中变形菌门在各样品中均占较大的丰度比例，平均丰度比例高达50%。

4)在12月中下旬时，湿地各项污染物指标的去除率均有所下降。这主要是由于植物在入冬时活性较低甚至发生腐烂，这一现象在植物收割后有明显缓解。