快速滲濾和生物濕地綜合系統(tǒng)處理農(nóng)村生活污水的季節(jié)性運(yùn)行效果分析

吳昌智，李新建

(桂林市農(nóng)田灌溉試驗(yàn)中心站，廣西 桂林 541105)

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于廣西桂林市臨桂區(qū)臨桂鎮(zhèn)樂和村，地處北緯25°17′53″，東經(jīng)110°10′43″。村內(nèi)生活污水主要來源于禽畜養(yǎng)殖、家庭清潔及其他日常洗滌等，日均排放量達(dá)到72 800 L。污水中含有大量的有機(jī)污染物和氮、磷等富營養(yǎng)化物質(zhì)，經(jīng)檢測COD平均濃度為294.68 mg/L，TN、TP的平均濃度分別為26.10和7.90 mg/L。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)區(qū)依地形構(gòu)建快速滲濾(CRI)和人工生物濕地(WRSIS)綜合系統(tǒng)，CRI由3個(gè)串聯(lián)式濾池組成，濾池深2 m、長和寬均為2.5 m，池中濾料按進(jìn)水順序依次為河砂、陶粒和石灰石；WRSIS綜合系統(tǒng)共有8個(gè)生物塘，每個(gè)生物塘面積在40～120 m2之間，有效水深約1.0 m，塘內(nèi)水生植物從靠近CRI數(shù)起分別為鳳眼蓮、水芋、浮萍、狐尾藻、美人蕉、茭白、蘆竹和睡蓮。各濾池和生物塘之間通過U-PVCФ100管連接，具體系統(tǒng)平面布置見圖1。

污水進(jìn)入系統(tǒng)后，首先通過CRI濾料的吸附以及池中微生物的降解等多種作用，使水體中污染物分解去除，然后再通過人工濕地系統(tǒng)各種水生植物的吸附、截留以及生物塘內(nèi)厭氧、好氧等微生物轉(zhuǎn)化、降解的共同作用下，使污水得到有效凈化。

1.3 試驗(yàn)方法

圖1 CRI和WRSIS系統(tǒng)平面布置Fig.1 The layout plan of CRI and WRSIS integrated system

試驗(yàn)分別在春季(3月21日、4月23日、5月6日)、夏季(6月17日、7月15日、8月11日)、秋季(9月10日、10月17日、11月11日)及冬季(2月26日、11月30日、12月27日)開展污水凈化試驗(yàn)，分析快速滲濾和人工生物濕地綜合系統(tǒng)對農(nóng)村生活污水的季節(jié)性處理效果。試驗(yàn)前先取快速滲濾系統(tǒng)進(jìn)水口的水樣，然后打開閥門放污水進(jìn)入濾池，在每個(gè)濾池的停留時(shí)間為1 d，采樣后再排入下個(gè)濾池，直至污水進(jìn)入濕地系統(tǒng)；污水在各濕地生物塘停留1 d，汲取水樣后將其放入下個(gè)生物塘，余類推，整個(gè)污水循環(huán)處理周期為11 d。測定水樣中TN、TP及COD的濃度，計(jì)算去除率(K, %)。

式中，C0為進(jìn)水口水樣污染物濃度，Ca為濾池或生物塘水樣污染物濃度。

1.4 測定項(xiàng)目與方法

采集水樣后參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[14]測量各種污染物指標(biāo)：采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測TN濃度，用過硫酸鉀消解-鉬藍(lán)比色法測定TP濃度，重鉻酸鉀法測定COD濃度。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 系統(tǒng)對COD處理效果分析

從圖2可以看出，CRI和WRSIS系統(tǒng)對農(nóng)村生活污水有機(jī)污染物COD的去除效果非常明顯。

圖2 CRI和WRSIS系統(tǒng)對COD去除率的季節(jié)性變化Fig.2 The seasonal variation of COD removal rate by CRI and WRSIS system

在春季試驗(yàn)期間，經(jīng)過CRI系統(tǒng)3個(gè)濾池?cái)r截、過濾和吸附后，污水中COD的平均去除率為21.5 %；然后將污水導(dǎo)入WRSIS系統(tǒng)，再經(jīng)由8個(gè)生物塘植物的吸收、降解等作用，COD的平均去除率達(dá)到85.0 %。夏季CRI系統(tǒng)對COD的平均去除率為21.8 %，與春季接近；之后通過WRSIS系統(tǒng)的逐級處理，COD的平均去除率高達(dá)92.2 %。秋季3次重復(fù)試驗(yàn)的污水在流經(jīng)CRI系統(tǒng)后其COD的平均去除率為22.3 %，比夏季略有提高；經(jīng)過WRSIS系統(tǒng)的最終處理后，COD平均去除率達(dá)到86.9 %的水平。在冬季，COD在CRI系統(tǒng)的平均去除率為18.5 %，比春、夏和秋季均有所下降；COD在WRSIS系統(tǒng)的平均去除率則為81.8 %，與上述3季相比絕對值分別降低3.2 %、10.4 %和5.1 %。結(jié)果表明，CRI和WRSIS綜合系統(tǒng)在整個(gè)年份對農(nóng)村生活污水COD均有較大的去除效果，但其去除率存在不同程度的季節(jié)性變化，夏、秋季較高，而春、冬較低。原因可能與溫度和水生植物的長勢有關(guān)，冬季水溫較低，會(huì)影響CRI系統(tǒng)材料的滲濾性能和池內(nèi)微生物活動(dòng)，春季生物塘內(nèi)植物生長發(fā)育不全及冬季植株衰老，均會(huì)抑制系統(tǒng)對COD的凈化作用。因此可推測出正是以上因素造成CRI和WRSIS綜合系統(tǒng)對COD的去除率出現(xiàn)季節(jié)性波動(dòng)現(xiàn)象。

2.2 系統(tǒng)對TN處理效果分析

圖3 CRI和WRSIS系統(tǒng)對TN去除率的季節(jié)性變化Fig.3 The seasonal variation of TN removal rate by CRI and WRSIS system

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，CRI和WRSIS綜合系統(tǒng)對TN的去除率也呈現(xiàn)出比較明顯的季節(jié)性變化特征。農(nóng)村生活污水經(jīng)過CRI系統(tǒng)的快速滲濾后，各季節(jié)TN的去除率在18 %～26 %的區(qū)間內(nèi)波動(dòng)。其中，夏季TN的平均去除率高達(dá)25.3 %；秋季與夏季相當(dāng)，達(dá)到25.0 %；春季為24.3 %，略低于夏、秋；冬季TN的平均去除率最低，為19.5 %。由此可見，春、夏和秋三季CRI系統(tǒng)對TN的去除率差別不大，而冬季的去除率則出現(xiàn)較大的降幅，說明季節(jié)性低溫影響CRI系統(tǒng)的滲濾效果。CRI系統(tǒng)3個(gè)濾池的濾料依次為河砂、陶粒和石灰石，水溫下降會(huì)導(dǎo)致陶?？紫妒湛s，降低其對污染物的吸附作用。同時(shí)低水溫條件也不利于微生物活動(dòng)，進(jìn)而抑制濾池中氮素的硝化和反硝化過程。因此，上述因素可能是造成冬季CRI系統(tǒng)對TN去除率下降的主要原因。試驗(yàn)污水從濾池排出后進(jìn)入WRSIS系統(tǒng)，再經(jīng)過8個(gè)生物塘的連續(xù)凈化處理，各季節(jié)TN的去除率均迅速升高。春季W(wǎng)RSIS系統(tǒng)對污水TN的平均去除率上升到82.9 %；夏季TN的平均去除率更高，達(dá)到87.0 %，為全年的最高水平；秋季略低于夏季，為84.8 %；到冬季之后，TN的平均去除率明顯下跌，僅為76.1 %。原因可能與WRSIS系統(tǒng)內(nèi)水生植物的季節(jié)性生長周期有關(guān)，在春、夏和秋季節(jié)各生物塘的植物長勢較好，根系生長快，莖、葉生物量也不斷增加，有利于植株從污水中吸收大量的TN。同時(shí)龐大的根系組織為水中微生物生長和繁殖提供良好的棲身場所，促進(jìn)細(xì)菌的硝化和反硝化作用及其他微生物活動(dòng)，加劇TN的轉(zhuǎn)化和降解。在冬季，生物塘內(nèi)的水生植物根系逐漸衰老，對TN的吸收能力減弱，而且低溫抑制污水中微生物的活動(dòng)，從而導(dǎo)致TN去除率下降。綜上分析可知，CRI和WRSIS綜合系統(tǒng)對農(nóng)村生活污水的TN具有較強(qiáng)的去除效果，即使是在冬季，系統(tǒng)對TN仍有76 %左右的去除水平。

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，CRI和WRSIS綜合系統(tǒng)對TN的去除率也呈現(xiàn)出比較明顯的季節(jié)性變化特征。農(nóng)村生活污水經(jīng)過CRI系統(tǒng)的快速滲濾后，各季節(jié)TN的去除率在18 %～26 %的區(qū)間內(nèi)波動(dòng)。其中，夏季TN的平均去除率高達(dá)25.3 %；秋季與夏季相當(dāng)，達(dá)到25.0 %；春季為24.3 %，略低于夏和秋；冬季TN的平均去除率最低，為19.5 %。由此可見，春、夏和秋三季CRI系統(tǒng)對TN的去除率差別不大，而冬季的去除率則出現(xiàn)較大的降幅，說明季節(jié)性低溫影響CRI系統(tǒng)的滲濾效果。CRI系統(tǒng)3個(gè)濾池的濾料依次為河砂、陶粒和石灰石，水溫下降會(huì)導(dǎo)致陶?？紫妒湛s，降低其對污染物的吸附作用。同時(shí)低水溫條件也不利于微生物活動(dòng)，進(jìn)而抑制濾池中氮素的硝化和反硝化過程。因此，上述因素可能是造成冬季CRI系統(tǒng)對TN去除率下降的主要原因。試驗(yàn)污水從濾池排出后進(jìn)入WRSIS系統(tǒng)，再經(jīng)過8個(gè)生物塘的連續(xù)凈化處理，各季節(jié)TN的去除率均迅速升高。春季W(wǎng)RSIS系統(tǒng)對污水TN的平均去除率上升到82.9 %；夏季TN的平均去除率更高，達(dá)到87.0 %，為全年的最高水平；秋季略低于夏季，為84.8 %；到冬季之后，TN的平均去除率明顯下跌，僅為76.1 %。原因可能與WRSIS系統(tǒng)內(nèi)水生植物的季節(jié)性生長周期有關(guān)，在春、夏和秋季各生物塘的植物長勢較好，根系生長快，莖、葉生物量也不斷增加，有利于植株從污水中吸收大量的TN。同時(shí)龐大的根系組織為水中微生物生長和繁殖提供良好的棲身場所，促進(jìn)細(xì)菌的硝化和反硝化作用及其他微生物活動(dòng)，加劇TN的轉(zhuǎn)化和降解。在冬季，生物塘內(nèi)的水生植物根系逐漸衰老，對TN的吸收能力減弱，而且低溫抑制污水中微生物的活動(dòng)，從而導(dǎo)致TN去除率下降。綜上分析可知，CRI和WRSIS綜合系統(tǒng)對農(nóng)村生活污水的TN具有較強(qiáng)的去除效果，即使是在冬季，系統(tǒng)對TN仍有76 %左右的去除水平。

2.3 系統(tǒng)對TP處理效果分析

圖4結(jié)果顯示，CRI和WRSIS系統(tǒng)對農(nóng)村生活污水TP的去除效果也具有較明顯的季節(jié)性特點(diǎn)。各季節(jié)CRI系統(tǒng)對TP去除率的高低表現(xiàn)為：秋季>夏季>春季>冬季，其中秋季TP的平均去除率最高，達(dá)到24.6 %；夏季為24.3 %，與秋季差別不大；春季與夏、秋相比有所下降，其TP的平均去除率為23.0 %；冬季TP的平均去除率最低，為19.4 %。顯然季節(jié)性溫度變化與CRI系統(tǒng)對TP的去除水平有關(guān)，冬季低溫不僅影響濾料的吸附作用，而且抑制池內(nèi)微生物對磷素的轉(zhuǎn)化和分解，因此導(dǎo)致TP去除率下降。試驗(yàn)污水進(jìn)入WRSIS系統(tǒng)經(jīng)過各生物塘的逐級凈化后，各季節(jié)TP去除率均得到不同程度的提高。其中夏季TP平均去除率上升最為顯著，達(dá)到85.9 %；其次為秋季，其TP平均去除率升高到83.0 %；春季TP平均去除率也提升到79.0 %的水平；冬季TP的平均去除率為70.4 %，其升幅與前面季節(jié)的相比明顯下跌。從中可發(fā)現(xiàn)，季節(jié)因素對WRSIS系統(tǒng)去除TP的影響機(jī)制與COD、TN相似，主要表現(xiàn)為春、夏和秋季為水生植物生長和水中微生物群落形成和聚集提供適宜的氣候條件，TP被吸收、轉(zhuǎn)化和降解較多，而冬季隨著溫度降低，水生植物逐漸衰老和微生物活動(dòng)不斷減弱，導(dǎo)致系統(tǒng)對TP的去除率出現(xiàn)下降。

3 討 論

圖4 CRI和WRSIS系統(tǒng)對TP去除率的季節(jié)性變化Fig.4 The seasonal variation of TP removal rate by CRI and WRSIS system

人工快速滲濾系統(tǒng)(CRI)是在傳統(tǒng)土壤滲濾技術(shù)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而發(fā)展起來的新型污水凈化系統(tǒng)，其核心主要是采用河砂、沸石、陶粒和活性炭等濾料代替天然土層，以提高水力負(fù)荷和去污效率[15]。CRI對水體污染物的去除是在基質(zhì)過濾、截留、吸附等非生物機(jī)制與微生物吸收、轉(zhuǎn)化等生物機(jī)制協(xié)同作用下完成的[16]，但不同污染物的去除機(jī)理有所區(qū)別，其中有機(jī)物和氮首先由濾料及其表面的微生物吸附而被截留在系統(tǒng)內(nèi)，并通過細(xì)菌的好氧-厭氧作用而降解，生物機(jī)制的去除占70 %以上；磷以基質(zhì)吸附和化學(xué)沉降為主要去除途徑，生物作用的貢獻(xiàn)有限，只占30 %左右[17]。由于微生物主要依附濾料進(jìn)行繁殖和其他代謝活動(dòng)，因此選擇合適的濾料是提高CRI系統(tǒng)處理能力的關(guān)鍵。不同填料材質(zhì)對污染物的去除率差別很大，例如活性炭可以吸附污水中90 %以上的COD，而石英砂則在80 %以下，沸石能去除85 %左右的總磷，但對總氮只有約30 %的去除率[18]，說明單一濾料會(huì)限制系統(tǒng)的去污功能，而采用不同濾料多管齊下才能取得更全面、徹底的凈化效果。本試驗(yàn)由3個(gè)串聯(lián)式濾池構(gòu)建快速滲濾系統(tǒng)，以河砂+陶粒+石灰石為填料處理農(nóng)村生活污水，短短3 d內(nèi)使COD、TN、TP的平均去除率均達(dá)到18 %以上。由此可見，在場地允許的情況下將CRI分成多個(gè)相連單元，再根據(jù)污水主要成分挑選最佳的濾料組合，能最大限度的發(fā)揮系統(tǒng)的凈化作用。CRI的濾料和微生物活動(dòng)受氣候因素特別是溫度的影響，夏季氣溫高，微生物活性大，系統(tǒng)對污水有較好的凈化效果，冬季溫度低，微生物活動(dòng)受到抑制，同時(shí)低溫條件下濾料比表面積收縮導(dǎo)致污水的滲透率下降，從而使系統(tǒng)的去污能力變差[19-20]。本研究也發(fā)現(xiàn)，人工快速滲濾系統(tǒng)對農(nóng)村生活污水各污染物的去除率夏、秋高于春、冬，其季節(jié)性變化特征較為明顯。試驗(yàn)結(jié)果表明，CRI的處理效果與當(dāng)?shù)販囟却嬖诓煌潭鹊恼嚓P(guān)性。

人工生物濕地(WRSIS)是以水生植物為基礎(chǔ)構(gòu)建的生態(tài)處理系統(tǒng)，通過物理、化學(xué)和生物等協(xié)同作用去除各種污染物，改善水質(zhì)環(huán)境。水生植物能通過根系吸收來提高氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的去除率，但所占的比例并不高[21]。劉曉寧和邱榮華[22]研究發(fā)現(xiàn)，污水中植物吸收所去除的氮占比不足總?cè)コ实?0 %。張建等[23]也認(rèn)為，由植物直接吸收而得到的總氮去除率只有20 %左右，對磷的去除則更加有限。水生植物在系統(tǒng)中的主要作用是為微生物群落創(chuàng)造適宜的棲息場所，并供應(yīng)大量的碳源促進(jìn)微生物各項(xiàng)新陳代謝活動(dòng)以轉(zhuǎn)化和降解水體中的污染物[24]。水生植物還有項(xiàng)重要功能是通過根系通氣組織輸送氧氣，在根區(qū)形成好氧環(huán)境，而同時(shí)遠(yuǎn)離根際的周邊仍為厭氧區(qū)域，于是整個(gè)濕地系統(tǒng)存在氧化區(qū)、兼性區(qū)和還原區(qū)，各區(qū)微生物通過相互配合大量去除有機(jī)物和氮、磷等化合物[25]。本試驗(yàn)WRSIS系統(tǒng)由8個(gè)環(huán)環(huán)相扣的生物塘組成，每個(gè)生物塘種上鳳眼蓮、水芋、浮萍、狐尾藻等不同的水生植物。試驗(yàn)污水從CRI濾池流出進(jìn)入WRSIS，經(jīng)過各生物塘的連續(xù)凈化處理后COD的平均去除率達(dá)到80 %以上，TN、TP的平均去除率也分別高于76 %和70 %，出口水質(zhì)得到極大的改善。WRSIS系統(tǒng)基本上建在室外，容易受環(huán)境變化的影響。梁威和吳振斌[26]研究發(fā)現(xiàn)，不同季節(jié)濕地微生物的數(shù)量有很大的變化，通常夏、秋季較高，春季有所降低，冬季下降又更明顯，并由此帶來系統(tǒng)去污效果的季節(jié)性差異。本研究也發(fā)現(xiàn)，各季節(jié)WRSIS系統(tǒng)對試驗(yàn)污水COD、TN、TP的去除率高低均表現(xiàn)為：夏季>秋季>春季>冬季，說明人工生物濕地系統(tǒng)運(yùn)行效果與水生植物、微生物的季節(jié)性變化周期相吻合。雖然系統(tǒng)在冬季的去污能力相對較差，但對COD、TN、TP仍達(dá)到81.8 %、76.1 %和70.4 %的平均去除水平。試驗(yàn)結(jié)果表明，在冬季低溫條件下，即使植物水上部分枯萎凋零，污水中各類微生物仍能依靠攝食殘枝碎葉來維持基本的數(shù)量和較高的活性，從而保障濕地系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

4 結(jié) 論

快速滲濾和生物濕地綜合系統(tǒng)在各季節(jié)內(nèi)均運(yùn)行良好，并有效去除水體中的各種污染物，改善水質(zhì)環(huán)境，適宜在農(nóng)村地區(qū)推廣應(yīng)用。

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