第二次全国污染源普查显示，农村生活污水排放的COD、NH4+-N、TN和TP占比分别达23.3%、25.4%、14.7%和11.7%，凸显其治理的重要性。人工湿地技术具有应用便利、维护简单、成本低、景观效应好等优点，针对人口分散、管网覆盖率低的农村地区，《关于进一步推进农村生活污水治理的指导意见》明确支持采用人工湿地等生态技术进行处理。然而，传统人工湿地的应用仍面临两个关键瓶颈：其一，除磷主要依赖基质吸附效果，往往导致高效除磷与材料成本难以兼顾；其二，溶解氧（DO）不足导致脱氮效率低下，TN去除率通常低于50%，制约其出水水质提升。固态过氧化物（如CaO2、MgO2等）缓释氧材料为解决无外接电源下的增氧需求提供了有效途径。该类材料通过优化配方（释氧剂、黏合剂等），可实现释氧持续数小时至数月，部分研究中试验周期达95d时DO仍维持在约18mg/L。然而，当前研究多集中于释氧材料本身，将其与高效除磷基质协同运用于人工湿地系统，并系统评估其对实际农村污水的净化效能及经济可行性的研究仍较为有限。

笔者采用“低成本高效除磷基质+缓释氧强化脱氮”的技术思路，旨在筛选适宜的高效除磷基质，研制缓释氧材料，构建增氧强化型人工湿地装置，系统考察其对农村生活污水中氮、磷的去除效果及经济可行性，为分散污水治理提供技术参考。

1、材料与方法

1.1 试验材料

基质作为人工湿地的核心组成部分，按其来源可分为天然矿物、工业/农业副产物和人工合成材料三类。本研究在查阅文献与前期研究基础上，选取10种典型基质作为备选材料，具体包括粉煤灰、高炉矿渣、石灰石、海绵铁、活性氧化铝球、砖块、红黏土、麦饭石、沸石和火山岩。后续将通过批次试验，以成本与氮、磷去除率为指标，筛选适用于农村生活污水处理的优化基质组合。

1.2 基质筛选

待筛选基质经去离子水清洗、105℃烘干、降温后研磨至200目备用。

①等温吸附试验：取0.5g基质置于100mL离心管中，加入50mL不同浓度（0.5~80mg/L）的磷溶液（以P计，下同），于25℃恒温振荡48h。反应后溶液经0.45μm滤头抽滤后，测定滤液总磷浓度。

②吸附动力学试验：取0.5g基质置于100mL离心管中，加入50mL磷浓度为5mg/L的溶液，于25℃恒温振荡。分别于0.25~48h内不同时间点取样，经0.45μm滤头抽滤后，测定滤液总磷浓度。

③组合基质动态吸附试验：基于单一基质除磷性能及成本，选取三种低成本基质与一种高效基质，按5∶1体积比混合填充。在HRT=2d、进水磷浓度为5mg/L、下进上出流态条件下运行，每日监测出水总磷浓度以及pH。确定优选组合基质后，再设5∶1、10∶1、20∶1、1∶0四种体积比，重复上述操作，每日监测出水总磷及pH。

1.3 缓释氧材料制备

缓释氧材料由释氧剂CaO2、黏结剂水泥、造孔剂河砂、包埋剂膨润土和起调节pH作用的柠檬酸组成，配比为6∶7∶3∶3∶1。具体制备过程如下：先将水泥、河砂、过氧化钙和膨润土混合搅拌均匀，再加入溶有柠檬酸的少量水，搅拌混合后揉捏成直径为2cm的圆球状，于自然条件下风干48h，密封干燥保存备用。设置两组试验，第一组为空白对照，第二组设置缓释氧材料。每颗投加于含250mL无氧水的锥形瓶后密封静置，通过溶解氧仪和pH计分别测定DO和pH随时间的变化情况，直至材料释氧效果变弱失效则监测结束。

1.4 人工湿地运行试验

试验装置由有机玻璃制成，设有5个取样口。基质分三层填充：上层填充厚为10cm的卵石；中间层由麦饭石与活性氧化铝球按体积比为10∶1混合而成，厚度为60cm；底层是厚度为10cm的卵石。菖蒲单株种植于定植篮中。装置由蠕动泵控制进水，内设挡板分隔为两部分，水流路径为自上而下流经基质床后，再自下而上流出。详细布设见图1。以河水为水源，利用葡萄糖、磷酸二氢钾、氯化铵、硝酸钾、硝酸钠、尿素配制模拟农村生活污水。

①装置启动：外侧包覆黑色薄膜以抑制藻类生长并模拟无光环境。采用活性污泥接种法（污泥与模拟配水比例为1∶3）对两个装置（CW1、CW2）进行启动。接种后进行48h内回流以促进微生物培养，之后开启装置底部放空口排出剩余接种污泥。随后进入试运行阶段，在HRT为2d条件下连续通入模拟农村生活污水，并监测出水水质。当主要指标去除率稳定时视为启动成功，本阶段共45d。

②替换可行性：设定HRT为2d，在取样口3附近进行增氧：CW1底部投加1kg/m2缓释氧材料；CW2底部连接空气泵，按气水比为1∶1进行曝气，其他运行条件皆保持一致。装置稳定运行6d后隔日监测，在进水、5个沿程取样口以及出水口取样，共7个点位，测定DO、温度、pH、TN、NH4+-N、TP、COD。进水COD为175.06~186.82mg/L，NH4+-N为25.14~27.66mg/L，TN为32.59~36.32mg/L，TP为2.53~3.00mg/L。试验周期为20d。

③污染负荷的影响：参考某县9个镇14个村的生活污水水质检测数据，模拟农村生活污水的三种污染程度（见表1），在增氧型人工湿地底部按2kg/m2投加缓释氧材料，HRT设定为1.5d，连续运行。装置稳定运行4d后隔日取进水、出水水样进行检测，试验周期为30d。

1.5 分析方法

采用国家标准分析方法测定TP、NH4+-N、TN、COD等水质指标；采用场发射扫描电子显微镜（SEM）观察样品表面形貌与结构，并配合能谱仪（EDS）获取元素组成信息；采用X射线衍射（XRD）对材料的物相组成进行定性分析，以铜靶进行衍射，扫描速率为5（°）/min，测试角度范围为5°~90°。

2、结果与分析

2.1 基质筛选

2.1.1 吸附试验

采用Freundlich、Langmuir模型拟合10种基质的等温吸附数据，参数见表2。结果表明，基质对磷的去除效果差异显著，其中活性氧化铝球的理论最大吸附量（11.43mg/g）显著高于其他基质。同时，吸附动力学试验显示，活性氧化铝球约2h即达到吸附平衡，所需时间最短，且在相同时间内对磷的吸附能力最强。

2.1.2 组合填充比例

根据基质材料厂家的数据，粉煤灰、高炉矿渣、石灰石、海绵铁、活性氧化铝球、砖块、红黏土、麦饭石、沸石和火山岩的价格分别为230、200、400、3500、4000、500、450、380、380、350元/t，密度分别为2.5、2.1、2.6、2.2、0.7、1.8、2.6、2.1、1.9、1.0t/m³，因此相应的装填费用为575、420、1040、7700、2800、900、1170、798、722、350元/m³。为兼顾除磷效果与成本，考虑采用低成本基质混合高吸附量基质的组合填充模式。吸附试验表明，活性氧化铝球、高炉矿渣与粉煤灰虽均具有良好除磷潜力，但后两者作为固废，成分波动大，除磷稳定性较差。因此，最终选定除磷性能稳定、吸附能力强的活性氧化铝球为主要除磷材料，麦饭石、沸石和火山岩为低成本备选基质。

三种组合基质的除磷效果如图2所示。麦饭石组合的除磷效果最优，平均去除率显著高于沸石和火山岩组合。沸石因其表面带负电，对磷酸盐吸附能力弱；火山岩虽具有较大的比表面积，但磷吸附稳定性不佳，易发生解吸。麦饭石含Al2O3等成分，具备双向pH调节功能，出水pH更为稳定，因此优选“麦饭石+活性氧化铝球”作为组合基质。

进一步对比不同体积配比的麦饭石与活性氧化铝球的除磷性能（见图3）。结果表明，除磷性能随活性氧化铝球比例的减小而降低，体积比为5∶1、10∶1、20∶1及单麦饭石组的平均除磷率分别为52.54%、50.03%、40.83%和30.36%。其中10∶1配比的除磷效率与5∶1组接近，而后期pH趋于1∶0的效果，结合材料成本，确定最优配比为10∶1。

2.1.3 基质结构特征

麦饭石和活性氧化铝球的SEM形貌如图4所示。麦饭石呈现层状结构，表面的铝元素分布较均匀，其裂隙孔道有利于污染物扩散与接触。活性氧化铝球具有蜂窝状多孔结构和片状堆积特征，比表面积大，吸附位点丰富。能谱分析显示，麦饭石的主要成分为硅铝酸盐，硅、铝、氧含量分别为31.65%、11.41%、41.56%，并含少量Mg、Ca、Fe等助吸附元素；活性氧化铝球中的氧、铝含量分别为55.61%和38.51%（合计94.12%），为其除磷提供了物质基础。

吸附前及吸附磷饱和后的活性氧化铝球X射线衍射图谱如图5所示。可以看出，活性氧化铝基质主要包含AlOOH（羟基氧化铝）和Al2O3（氧化铝），在含磷溶液中吸附饱和后，Al2O3的晶体衍射峰出现不同程度的减弱，对应Al4（PO4）3（OH）3（羟磷铝石）和AlPO4（磷酸铝）的晶体衍射峰增强。

2.2 缓释氧材料性能

缓释氧材料连续释氧约125d，且释氧过程可分为三个阶段：前10d为快速释氧期，DO浓度升至15mg/L，pH急剧上升至12左右；随后进入稳定释放阶段，DO维持在10mg/L附近，pH稳定在11左右；100d后释氧能力逐渐下降（见图6）。采用SEM-EDS分析缓释氧材料的微观形貌与元素分布，结果显示，其整体呈絮状团聚形态，表面结构紧实粗糙，有效限制了CaO2与水的接触面积，从而延缓释氧过程。同时发现，缓释氧材料内部存在适量孔隙结构，这有利于水分内渗和氧气向外扩散，提升了释氧效率。面扫结果显示，Ca与O两种元素较均匀地分布在缓释氧材料表面。

2.3 应用验证

2.3.1 替换可行性

两套装置启动后，分别采用投加缓释氧材料与空气泵机械曝气方式进行增氧。出水DO浓度差异范围为0.01~0.37mg/L，pH差异为0.01~0.46，表明缓释氧材料可实现与机械曝气相当的增氧效果，且对系统pH影响可控。当进水COD、TP、NH4+-N、TN浓度分别为（181.61±4.22）、（2.80±0.18）、（26.42±0.87）、（35.04±1.21）mg/L时，两种增氧方式下各污染物的沿程去除效果如表3所示。两组出水COD均能满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）一级A标准及四川省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB51/2626—2019）一级标准，而CW2在曝气点出现TP浓度升高，推测原因是气泡扰动导致基质吸附的磷脱落释放。CW2对NH4+-N的去除效果优于CW1，两者浓度差为0.17~2.43mg/L，出水浓度均符合GB18918—2002与DB51/2626—2019的二级标准，但出水TN均未达标，后续可通过优化缓释氧材料投加量等运行参数进一步强化脱氮效果。

从运行成本分析，机械曝气装置（功率为4W）连续运行15d，在电价为0.60元（/kW·h）条件下电费约为0.86元；而以1kg/m2投加的释氧材料成本为0.42元，随运行时间延长优势更显著。结合农村地区用电便利性及工程适用性，缓释氧材料作为增氧方式更具应用前景。

2.3.2 水力负荷

当采用低污染污水时，进水COD、TP、NH4+-N、TN浓度分别为（60.88±2.92）、（0.91±0.01）、（8.16±0.37）、（11.95±0.54）mg/L，出水浓度为（12.00±0.25）、（0.24±0.02）、（1.58±0.45）、（2.80±0.52）mg/L，相应的去除率分别为（80.25±1.13）%、（74.22±2.40）%、（80.79±4.94）%、（76.66±3.73）%，系统对各污染物的去除率均在70%以上。

在中污染负荷条件下，进水COD、TP、NH4+-N、TN浓度分别为（180.24±3.59）、（2.88±0.11）、（25.85±0.48）、（34.02±1.29）mg/L，相应的出水浓度为（18.65±3.43）、（0.64±0.07）、（5.31±0.19）、（12.12±0.75）mg/L，去除率分别为（89.65±1.89）%、（77.68±2.46）%、（79.44±0.63）%、（64.35±2.23）%，出水COD稳定达到《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）的Ⅳ类标准，而NH4+-N和TP则满足GB18918—2002一级B标准，TN达到一级A标准。

在高污染负荷条件下，进水COD、TP、NH4+-N、TN浓度分别为（323.65±8.03）、（5.07±0.22）、（50.54±2.28）、（70.82±2.57）mg/L，出水浓度分别为（45.18±5.74）、（1.55±0.15）、（20.05±2.01）、（24.13±1.70）mg/L，去除率分别为（86.05±1.62）%、（69.38±2.26）%、（60.25±4.46）%、（65.95±1.45）%，对各污染物的去除率仍保持在60%以上，但氨氮去除率降幅显著，推测因高COD耗氧抑制硝化，但有利于反硝化，因此TN去除效果保持稳定，出水多数指标符合GB18918—2002二级标准，可通过增设预处理或后端回流/耦合工艺进一步改善水质。

2.3.3 经济成本

增氧型人工湿地在底部以2kg/m2投加缓释氧材料，HRT为1.5d，处理水量为20m³/d，占地为18m2，预计一次性建设投资费用为0.90万元，而工程运行还需支出基质、缓释氧材料（每年更换3次）、植物及维护费。采用0.01mol/L的H2SO4溶液对饱和活性氧化铝球进行再生（1次/年），以降低基质成本。在计入首年建设与运行的全部开支后，总成本约为3.55万元，详细构成见表4。

按年处理水量为7300m³计算，首年污水处理成本约为4.86元/m3，后续常规运行成本约为3.63元/m3，与我国227座城镇污水厂处理全成本为1.01~6.97元/m3相比，本项目成本处于中低水平，在可控成本范围内具备可行性。

3、结论

①活性氧化铝球理论最大吸磷量为11.43mg/g，与麦饭石按1∶10体积比混合，可在保证除磷效率的同时显著降低成本。

②CaO2基缓释氧材料可持续释氧约125d，其增氧效果与机械曝气相当（如COD去除率均约为76%），且无需外接电源，更适用于农村场景。

③按年处理水量为7300m³计，系统首年建设及运行成本约3.55万元。低污染负荷进水时，出水COD、TP和NH4+-N浓度分别满足GB3838—2002中Ⅰ类、Ⅳ类和Ⅴ类标准；高污染负荷进水时，出水COD、TP和NH4+-N浓度满足GB18918—2002的二级标准，可以通过增加预处理或者耦合工艺进一步提标。