为探究水位调控对系统总体水质净化效果的影响, 收集与分析了实验周期内进水及各系统的出水水质, 结果表明实验前期受气温变化影响, 出水水质存在波动, 中后期水质较为稳定。各系统每周进出水水质以及平均污染物去除率分别如图 2和表 1所示。此外, 为探究不饱和层、饱和层在水质净化中起到的作用, 分析了不同水位运行下二者对COD_Cr、\begin{document}${\rm{NH}}^+_4 $\end{document}-N和TN的去除贡献率(图 3)。

水位调控对COD_Cr去除的影响　　尽管本研究主要讨论水位调控对于系统脱氮性能的影响, 但是COD_Cr的去除与氮素的去除高度相关^[12]。各系统的COD_Cr出水浓度如图 2e所示, 当垂直流人工湿地满饱和水位运行时(H90), 对COD_Cr去除效果并不理想, 平均出水浓度为57.6 mg/L, 平均去除率仅为56.2%。但当系统饱和水位降至为70 cm时(H70), COD_Cr的去除效果得到显著增强(P<0.05), 平均出水浓度降为17.3 mg/L, 平均去除率提高至86.8%。当系统饱和水位继续下降至20 cm时(H20), COD_Cr去除效果与H70并无显著差异(P>0.05), 平均去除率为83.7%。这说明降低饱和运行水位, 使系统保持部分饱和运行可以显著提高对COD_Cr的去除效果。进一步分析不饱和层、饱和层对COD_Cr的去除贡献率(图 3), 发现不饱和层在COD_Cr的去除中占绝对主导作用, 其平均去除贡献率为89%。这可能与降低水位运行后在基质床上部形成的不饱和层有关, 大量的有机物被截留吸附在基质床上层10 cm内, 而不饱和层内的好氧环境为有机物的降解提供了有利条件^[13]。此外, 在同样处理生活污水的部分饱和垂直流人工湿地研究中, 当不饱和层高度为9—33 cm时, 平均COD_Cr去除率为71%—96%^[14—17], 与本研究中的结果类似。

水位调控对\begin{document}${\rm{NH}}^+_4 $\end{document}-N去除的影响　　生活污水中氮素主要以\begin{document}${\rm{NH}}^+_4 $\end{document}-N为主。因此, 高效的硝化效率是实现氮素去除的关键。实验结果表明随着饱和水位的降低, 系统的硝化效率逐步提高(H20>H70>H90)。各系统\begin{document}${\rm{NH}}^+_4 $\end{document}-N的出水浓度如图 2b所示, 与高饱和水位运行的H90相比, 饱和水位相对较低的H70的\begin{document}${\rm{NH}}^+_4 $\end{document}-N平均出水浓度从33.5降至19.0 mg/L, 去除效率显著提高了近35%(P<0.05)。当饱和水位继续下降至20 cm时, 系统的硝化效率得到进一步提高, \begin{document}${\rm{NH}}^+_4 $\end{document}-N平均出水浓度降至8.4 mg/L, 平均去除率达到了79.6%。在Dong 和 Sun^[17]的研究中发现了类似的饱和水位与硝化效率的关系, 当运行水位下降约50 cm 时, 系统的\begin{document}${\rm{NH}}^+_4 $\end{document}-N平均去除率从33.1%提高至50.3%。此外, 在一些其他应用部分饱和垂直流人工湿地处理生活污水(\begin{document}${\rm{NH}}^+_4 $\end{document}-N浓度为24—62 mg/L)的研究中, \begin{document}${\rm{NH}}^+_4 $\end{document}-N的平均去除率仅为33%—51%^{[4, 13, 18—20]}, 本研究中H20拥有高效的硝化效率。

系统逐步提高的硝化效率意味着湿地内部的复氧能力得到了加强, 通过分析各系统不饱和层、饱和层对\begin{document}${\rm{NH}}^+_4 $\end{document}-N的去除贡献率(图 3), 发现不饱和层在\begin{document}${\rm{NH}}^+_4 $\end{document}-N的去除中占主导作用。在H70中, 20 cm的不饱和层对\begin{document}${\rm{NH}}^+_4 $\end{document}-N去除的贡献率约65.1%, 而这一比例在不饱和层为70 cm的H20中被提高至90.0%。在Xia 等^[14]和 Liu 等^[16]关于部分饱和垂直流人工湿地的研究中同样发现不饱和层在\begin{document}${\rm{NH}}^+_4 $\end{document}-N去除中起到了关键作用。此外, Morvannou等^[20]的研究表明氨氮的完全硝化可以通过足够长的不饱和层来实现, 在处理\begin{document}${\rm{NH}}^+_4 $\end{document}-N平均浓度为55 mg/L的生活污水时, 不饱和层高度为110 cm的系统\begin{document}${\rm{NH}}^+_4 $\end{document}-N平均去除率高达90%。

水位调控对TN去除的影响　　与\begin{document}${\rm{NH}}^+_4 $\end{document}-N的去除变化情况不同, TN的去除结果表明系统的TN去除率随着饱和水位的降低呈现出先升高后下降的变化趋势, 这说明适当降低饱和水位可以提高系统的脱氮性能。这与Dong and Sun等^[17]、Huang等^[21]和Liu 等^[16]的研究结果相一致。如图 2所示, 饱和水位较高的H90受限于较低的硝化效率, 其TN平均去除率仅为22.1%, 复氧能力较弱是限制其脱氮性能的关键因素。而在饱和水位较低的H20中, 尽管湿地内部较长的不饱和层大大增强了系统的复氧能力, 但过量复氧也可能导致碳源的大量损耗。H20出水中较高的\begin{document}${\rm{NO}}^-_{\rm{X}}$\end{document}N平均浓度(28.6 mg/L)说明后续反硝化碳源不足是导致系统脱氮效率较低的主要原因。与前两者相比, 在饱和水位适中的H70中, 恰当的不饱和层高度较好地优化了湿地内部的碳-氧分布, 其脱氮效率得到显著提升(P<0.05), TN平均去除率达到了53.6%。这与已报道的部分饱和流人工湿地的TN平均去除率(37%—58%)相当^{[17, 19, 20, 22, 23]}。不饱和层对TN的去除贡献率高达80.2%。此外, H70出水中未见明显\begin{document}${\rm{NO}}^-_{\rm{X}} $\end{document}-N积累, 说明同步硝化反硝化过程可能是其主要的脱氮路径, Zheng等^[13]的研究认为部分饱和垂直流人工湿地发生了同步硝化反硝化脱氮过程。

水位调控对磷去除的影响　　各系统磷的出水浓度如图 2f所示, 实验期间磷的去除较为稳定, 各系统无明显差异。H90、H70和H20的平均出水浓度均低于0.1 mg/L, 其平均去除率都高于98%, 这可能是由于陶粒出色的吸附效果^{[9, 24, 25]}。

综上, 水位调控可以优化系统内部的不饱和层、饱和层分布, 提高对COD_Cr和NH₄⁺ -N的去除效果, 进而提高系统的脱氮能力, 但对磷的去除无明显影响。