鳳眼蓮深度凈化污水處理廠尾水的效果

聞學(xué)政 宋偉 張迎穎 王巖 秦紅杰 劉海琴 邱園園 嚴少華 張志勇

摘要：通過構(gòu)建三級鳳眼蓮深度凈化塘，對村鎮(zhèn)生活污水處理廠尾水進行深度凈化。鳳眼蓮種苗初始投放量為0.60kg/m2，三級鳳眼蓮深度凈化塘總有效容積為7500m3，三級鳳眼蓮深度凈化塘運行期間日均接納一級A標準生活污水處理廠尾水1024.50 t。在2015年6月至2015年10月的運行期間，鳳眼蓮總生物量增加了36.06倍，鳳眼蓮植株氮、磷累積總量分別增加了44.45倍、55.38倍;三級鳳眼蓮凈化塘處理尾水效果顯著，尾水總氮（TN）、總磷（TP）、銨態(tài)氮（NH4-N）和硝態(tài)氮（N03一N）平均質(zhì)量濃度分別由（9.86±3.51） mg/L、（0.38+0.07）mg/L、（0.49+0.09）mg/L和（7.91+2.27）mg/L降低至（2.51±1.52）mg/L、（0.10±0.06） mg/L、（0.20±0.08）mg/L和（1.90+1.46）mg/L，其中TN質(zhì)量濃度下降值超過7.0mg/L，各污染物去除率分別為75.04%+9.02%、68.76%±15.81%，59.12%±13.37%、79.21%±13.91%。三級鳳眼蓮深度凈化塘對尾水氮、磷的平均削減速率分別為（1004.01+471.68）mg/（m2·d）和（38.25±9.56） mg（m2·d），其中，第一、第二級凈化塘對總氮的總削減速率分別高達（1069.99±276.94）mg/（m2·d）、（1374.11±1089.69）mg/（m2·d），對總磷的削減速率分別高達（74.93+15.99）mg/（m2·d）、（30.65+25.01）mg/（m2·d）。運行期間，深度凈化塘去除尾水氮、磷總量累計分別為1100.02kg、40.36kg，其中鳳眼蓮?fù)ㄟ^同化作用共吸收污水處理廠尾水中氮218.52kg、磷20.22kg，約占尾水氮、磷總削減量的19.78%、50.10%。利用綜合水質(zhì)標識指數(shù)對污水處理廠尾水和深度凈化塘出水進行計算，結(jié)果表明污水處理廠尾水由5.322類降至3.410類，達到地表水環(huán)境質(zhì)量標準Ⅲ類標準。

關(guān)鍵詞：鳳眼蓮：污水處理廠尾水：深度凈化

中圖分類號：X52

文獻標識碼：A

文章編號： 1000-4440（2018） 05-1072-09

江蘇省太湖流域是全國人口最稠密、經(jīng)濟最發(fā)達和城市化程度最高的地區(qū)之一，在中國社會經(jīng)濟發(fā)展中具有舉足輕重的地位。但是20世紀90年代以后太湖流域地區(qū)由于土地利用格局的變化，網(wǎng)圍養(yǎng)魚，農(nóng)業(yè)面源污染等原因，水環(huán)境污染嚴重，導(dǎo)致湖泊富營養(yǎng)化程度日益加重，水華出現(xiàn)的頻率也越來越高，嚴重影響該地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和人民生活飲用水的安全。特別是2007年5月太湖流域發(fā)生藍藻暴發(fā)重大水污染事件以及引發(fā)無錫供水危機。此后，環(huán)太湖流域城鎮(zhèn)污水處理廠開始嚴格執(zhí)行國家《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）規(guī)定的一級A標準，并推動了全國城鎮(zhèn)污水處理廠提標改造和擴建、新建工作。但是一級A標準最高允許排放的氮、磷質(zhì)量濃度（分別為15.0mg/L和1.0 mg/L）仍然比《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）中V類水總氮、總磷限值標準分別高出6.5倍和4.0倍。

江蘇省太湖流域15條主要入湖河流的污染負荷占江蘇省太湖入湖污染總負荷的80%以上，污水處理廠尾水經(jīng)河道匯人太湖后對湖體氮、磷負荷的貢獻率超過40%。如果將治污的關(guān)口前移，在污水處理廠尾水的氮、磷等污染物排入河、湖前將它攔截、去除，技術(shù)難度和治理成本就要低得多。

常見的污水處理廠尾水氮、磷深度凈化方法在應(yīng)用過程中存在一定的缺陷，例如：物理過濾或吸附法，再生成本高，出水水質(zhì)較差;化學(xué)沉淀或氧化劑氧化法，運行費用高，推廣難度大，容易造成二次污染，目前在大多數(shù)深度處理廠都很難維持長期運行;超濾或反滲透法，對膜壓控制要求高，因膜容易阻塞和污染，對預(yù)處理要求嚴格，反滲透法會產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物反滲透濃水（占處理尾水的25%～50%）難以處理;人工濕地法，基質(zhì)易堵塞，植物腐敗會產(chǎn)生二次污染。

在凈化方法中，水生植物凈化塘技術(shù)因其太陽能驅(qū)動，環(huán)境友好，成本低廉，可恢復(fù)水體自凈能力等優(yōu)點，已逐漸成為一種重要的生態(tài)治理手段。劉麗珠等、王妹等利用水生植物凈化塘和人工濕地組合工藝凈化規(guī)?；靥琉B(yǎng)殖尾水，凈化效果顯著。楊鵬等利用多種水生植物組合三級凈化塘處理農(nóng)業(yè)種養(yǎng)廢水，總氮、總磷去除率可達90%以上。本研究以污染物源頭減量和河流湖泊水質(zhì)持續(xù)改善為目標，利用三級串聯(lián)鳳眼蓮深度凈化塘處理村鎮(zhèn)生活污水處理廠尾水，以期為生活污水尾水深度生態(tài)處理工程化技術(shù)的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 污水處理廠尾水與深度凈化塘

污水處理廠尾水來源于南京市高淳區(qū)東壩鎮(zhèn)污水處理廠。該廠主要處理東壩鎮(zhèn)及附近的生活污水，采用A20工藝處理污水，日處理能力為2000t，生活污水經(jīng)處理后尾水水質(zhì)達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918 -2002） 一級A標準，尾水直接排入臨近連通太湖的胥河。在本試驗期間，尾水總氮（9.86+3.51）mg/L，總磷（0.38+0.07）mg/L，銨態(tài)氮（0.49+0.09）mg/L，硝態(tài)氮（7.91+2.27） mg/L，高錳酸鹽指數(shù)（4.37+0.48）mg/L，流量為（1024.5+210.8） t/d，水力負荷（0.13+0.03） m3/（m2·d），水力停留時間為（7.32+1.51）d。

三級鳳眼蓮深度凈化塘設(shè)計與建設(shè)：生態(tài)工程位于東壩鎮(zhèn)污水處理廠北側(cè)，利用污水處理廠周邊閑置土地，采用挖土的方式建成（圖1）。深度凈化塘采用三級串聯(lián)的方式組成，各級凈化塘長度均為105.0m，深度均為1.2m，第1級凈化塘寬度為25.0m，第2、3級深度凈化塘寬度均為27.5m。各級凈化塘之間采用夯土方式隔開，凈化塘底部和岸堤均鋪設(shè)防水布防止?jié)B漏，出水口設(shè)置溢流堰使深度凈化塘水深保持為1m。深度凈化塘總面積為8400 m2，總有效容積為7500m3。進水口和出水口均設(shè)置流量計監(jiān)測尾水進出流量。2015年2-4月為深度凈化塘基礎(chǔ)建設(shè)階段，鋪設(shè)污水處理廠尾水進水管道，于2015年5月底正式接入污水處理廠尾水。2015年5月底至6月底為鳳眼蓮種苗投放、擴繁與生態(tài)工程試運行階段.6月底深度凈化塘開始正式運行。根據(jù)本課題組前期研究結(jié)果，鳳眼蓮種苗最佳初始投放量為0.5～1.0 kg/m2，本試驗初始投放量為0.6 kg/m2。

1.2 深度凈化塘運行及管理

試驗時間為2015年6月底至2015年10月底。2015年11月初至11月中旬實施鳳眼蓮的打撈加工處置工作。

1.3 水質(zhì)監(jiān)測方法

2015年6月30日開始試驗，每隔7d于上午9：00采集水樣（采樣點見圖1），帶回實驗室立即進行分析，測定水體總氮（TN）、銨態(tài)氮（NH4-N）、硝態(tài)氮（N03一N）、總磷（TP）質(zhì)量濃度和高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）。總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總磷質(zhì)量濃度采用德國SEAL AA3連續(xù)流動分析儀測定，高錳酸鹽指數(shù)采用酸性高錳酸鹽滴定法測定。溶解氧（DO）、pH值、水溫采用YSI professional plus（USA）測定儀現(xiàn)場測定。

1.4 鳳眼蓮植株生物量、葉綠素含量及全氮和全磷含量測定

從2015年6月30日開始每隔15d采集鳳眼蓮植株樣，現(xiàn)場測定植物的生物量，植株樣帶回實驗室測定植物體內(nèi)氮、磷含量。鳳眼蓮單位面積生物量的測定采用質(zhì)量法，將lm2水面上的鳳眼蓮撈起放在篩網(wǎng)上，直至無滴水時稱質(zhì)量。使用SPAD-502葉綠素計（日本美能達公司制造）測定鳳眼蓮葉片的SPAD值。鳳眼蓮植株全氮、全磷含量采用濃H2SO4一H202消解法測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用統(tǒng)計軟件SPSS 16.0進行方差分析及相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鳳眼蓮生長特征及氮、磷吸收能力

2015年10月底試驗結(jié)束時，一級和三級凈化塘的鳳眼蓮根長分別為（15.67+5.25）cm和（36.13+7.75）cm，一級凈化塘的根長顯著低于二、三級凈化塘（P<0.05）;一級和三級凈化塘的鳳眼蓮株高分別為（44.13+7.94）cm和（23.88+4.22）cm，一級凈化塘的株高顯著高于二、三級凈化塘（P<0.05）;根長/株高由一級凈化塘的（0.35+0.06）增加到三級凈化塘的（1.51+0.27），增加了331.43%（表1）。

鳳眼蓮根質(zhì)量和莖葉質(zhì)量變化趨勢分別與根長和株高變化一致，根冠比（根質(zhì)量/莖葉質(zhì)量）增加尤為顯著（P<0.05），平均增加了640%。而單株質(zhì)量平均由一級凈化塘的304. 97 g降至三級凈化塘的138.06g，降低了54.73%。鳳眼蓮葉片的SPAD值沿著水流方向逐漸降低，一級凈化塘的鳳眼蓮SPAD值顯著高于三級凈化塘（P<0.05），但與二級凈化塘的差異不顯著（P>0.05）。

鳳眼蓮生物量變化呈現(xiàn)夏季（5-8月）快速增長，秋季（9-11月）生長速率減緩的趨勢（圖2）。鳳眼蓮種苗投放后短期內(nèi)（6月份）生長速率即達到了最大值（252.20+35.75） g/（m2·d），一級、二級、三級凈化塘生長速率分別為（273.38+9.38）g/（m2·d）、（251.75+2.85） g/（m2·d）、（231.47+13.89） g/（m2·d）。之后由于凈化塘生長空間有限，鳳眼蓮群體密度過大，生長速率受到限制，加之水溫、氣溫降低等原因生長速率逐漸降低，至11月生長基本停止。

一級凈化塘、二級凈化塘、三級凈化塘鳳眼蓮生物量分別由初始的（1.50+0.21）t增至（75.75+0.50）t、（52.94+0.72）t、（38.07+1.15）t，分別增長了49.50倍、34.29倍、24.38倍。

鳳眼蓮?fù)饔檬侨コw氮、磷的主要途徑之一。從鳳眼蓮植株氮、磷含量變化（表2）可以看出，絕大數(shù)時間內(nèi)鳳眼蓮植株氮、磷含量順著水流方向呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，并且表現(xiàn)為隨著時間推移各級深度凈化塘鳳眼蓮氮、磷含量有不同程度增加。通過不同深度凈化塘鳳眼蓮氮、磷含量差異性比較發(fā)現(xiàn)，絕大數(shù)時間內(nèi)一級凈化塘與三級凈化塘鳳眼蓮氮、磷含量差異顯著（P<0.05）。

根據(jù)鳳眼蓮生物增長量和組織氮、磷含量（圖3），初始投放時（5月）鳳眼蓮組織氮、磷總量分別為（4.85+0.54） kg、（0.37+0.02） kg，鳳眼蓮采收時（11月）組織氮、磷總量分別為（220.43+20.76） kg、（20.86+2.18）kg，計算得出生態(tài)工程運行期間，鳳眼蓮?fù)ㄟ^同化作用共吸收累積污水處理廠尾水中氮215.58kg、磷20.49kg，鳳眼蓮植株氮、磷累積總量分別增加了44.45倍、55.38倍。

2.2 鳳眼蓮深度凈化塘對污水處理廠尾水的凈化效果

鳳眼蓮深度凈化塘對污水處理廠尾水的TN、TP、NH4一N、N03一N均有顯著的去除效果（圖4）。尾水進水TN、TP、NH4一N、N03一N的平均質(zhì)量濃度分別為（9.86+3.51）mg/L、（0.38+0.07）mg/L、（0.49±0.09）mg/L和（7.91+2.27）mg/L，經(jīng)三級凈化塘深度凈化后，出水TN、TP、NH4-N、N03一N的平均質(zhì)量濃度分別降低至（2.51+1.52） mg/L、（0.10+0.06）mg/L、（0.20+0.08） mg/L和（1.90+1.46）mg/L，去除率分別達到75.04%+9.02%、68.76%+15.81%、59.12%+13.37%、79.21% +13.91%.

各級凈化塘出水TN質(zhì)量濃度分別為：一級凈化塘（6.93+3.69）mg/L，二級凈化塘（3.45+1.83）mg/L，三級凈化塘（2.51+1.52） mg/L;各級凈化塘出水TP質(zhì)量濃度分別為：一級凈化塘（0.21±0.09）mg/L，二級凈化塘（0.13+0.08） mg/L，三級凈化塘（0.10+0.06）mg/L。可見，鳳眼蓮深度凈化生態(tài)工程對污水處理廠尾水TN、TP的去除作用主要發(fā)生在一、二級凈化塘。

污水處理廠尾水經(jīng)鳳眼蓮三級凈化塘凈化后出水CODmn反而略有升高。這是由于鳳眼蓮深度凈化塘進水高錳酸鹽指數(shù)（CODmn）處于較低水平（低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中Ⅲ類中高錳酸鹽指數(shù)的限值標準），限制了鳳眼蓮深度凈化塘對尾水有機物的進一步去除效率，且水生植物根系分泌的可溶性有機碳（主要以有機酸為主）也可能會增加出水高錳酸鹽指數(shù)。

2.3 鳳眼蓮深度凈化塘對尾水水質(zhì)改善效果的綜合評價

運行期間，深度凈化塘三級出水總磷（TP）、銨態(tài)氮（NH4一N）質(zhì)量濃度和高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）平均值分別達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838 - 2002）中Ⅱ類、Ⅱ類、Ⅲ類限值標準，總氮（TN）平均質(zhì)量濃度略高于V類標準，但是7月份、8月份深度凈化塘三級出水總氮（TN）質(zhì)量濃度平均為（1.47+0.27）mg/L，達到Ⅳ類水標準（表3）。

針對上述測定指標中的總氮（TN）、總磷（TP）、銨態(tài)氮（NH4一N）質(zhì)量濃度和高錳酸鹽指數(shù)（CODMn），采用綜合水質(zhì)標識指數(shù)法對鳳眼蓮深度凈化塘進水及三級凈化出水進行評價，設(shè)定該功能區(qū)劃為地表水環(huán)境質(zhì)量標準Ⅲ類標準。綜合水質(zhì)標識指數(shù)由整數(shù)位和3位或4位小數(shù)位組成，其結(jié)構(gòu)為：Iwq=x1X2X3X4，其中，X1為河流總體的綜合水質(zhì)類別;X2為綜合水質(zhì)在X1類水質(zhì)變化區(qū)間內(nèi)所處位置，從而實現(xiàn)在同類水中進行水質(zhì)優(yōu)劣比較;X3為參與綜合水質(zhì)評價的水質(zhì)指標中，劣于水環(huán)境功能區(qū)目標的單項指標數(shù)量;X4為綜合水質(zhì)類別與水體功能區(qū)類別的比較結(jié)果。從表4中可以看出，鳳眼蓮深度凈化塘三級凈化出水的綜合水質(zhì)級別達到地表水環(huán)境質(zhì)量標準Ⅲ類標準，以尾水排入水域——胥河（Ⅳ類）作為水環(huán)境功能區(qū)進行達標評價的依據(jù)，結(jié)果表明污水處理廠尾水經(jīng)深度凈化塘處理后的出水不僅完全達到排放要求，甚至可以作為胥河的補充水源。

2.4 鳳眼蓮對污水處理廠尾水氮、磷的削減能力

試驗結(jié)果（圖5）表明，鳳眼蓮深度凈化塘對污水處理廠尾水氮的平均削減速率為（1004.01±471.68）mg/（m2·d），其中一級凈化塘平均氮削減速率為（1069.99±276.94）mg/（m2·d），二級凈化塘平均氮削減速率為（1374.11±1089.69）mg/（m2·d），三級凈化塘平均氮削減速率為（448.68+347.86） mg/（m2·d）。試驗期間，一、二級深度凈化塘單位面積氮削減速率顯著高于三級深度凈化塘（P<0.05）。磷的平均削減速率為（38.25+9.56）mg/（m2·d），其中一級凈化塘平均磷削減速率為（74.93+15.99） mg/（m2·d），二級凈化塘平均磷削減速率為（30.65±25.01）mg/（m2·d），三級凈化塘平均磷削減速率為（4.37+3.70）mg/（m2·d）。一級深度凈化塘單位面積磷削減速率顯著高于二、三級深度凈化塘（P<0.05）。

深度凈化塘運行期間（6-10月），對污水處理廠尾水氮、磷去除總量分別為1100.02kg、40.36 kg，鳳眼蓮氮、磷總吸收量（即鳳眼蓮植株氮、磷含量）分別為218.52 kg、20.22 kg。不同月份鳳眼蓮吸收作用對污水處理廠尾水氮去除的貢獻率介于11.54%至46.06%之間，平均19.78%，是尾水氮去除的重要途徑之一;對尾水磷去除的貢獻率介于38.64%至70.42%之間，平均為50.10%，為尾水磷去除的主要途徑（表5）。

3 討論

3.1 鳳眼蓮生長特征與水質(zhì)的關(guān)系

有研究結(jié)果表明，pH值接近中性以及氮、磷含量較高且風(fēng)浪較小的水體有利于鳳眼蓮快速生長，并且氮源對鳳眼蓮生長的影響遠大于磷源的影響。本研究中，一、二、三級深度凈化塘出水TN質(zhì)量濃度分別（6.93±3.69）mg/L、（3.45±1.83）mg/L、（2.51±1.52）mg/L，一、二、三級深度凈化塘出水TP質(zhì)量濃度分別為（0.21+0.09）mg/L、（0.13+0.08）mg/L、（0.10+0.06）mg/L。各級深度凈化塘鳳眼蓮根長、根質(zhì)量在水流流程方向上隨著水體氮、磷質(zhì)量濃度的降低而逐漸增加，而鳳眼蓮株高、莖葉質(zhì)量則在水流流程方向上隨著水體氮、磷質(zhì)量濃度逐漸降低而降低。水體污染物（TN）質(zhì)量濃度與鳳眼蓮根系/株高長度比（r= -0.842，P

為了適應(yīng)環(huán)境中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)質(zhì)量濃度逐漸降低的變化，鳳眼蓮根冠比不斷增加，從而提高植株對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力，這與Xie等、秦紅杰等的研究結(jié)果相似。鳳眼蓮葉片的SPAD值順著水流方向而逐漸降低，一級深度凈化塘中鳳眼蓮葉片呈現(xiàn)深綠色，二、三級深度凈化塘鳳眼蓮葉片顏色逐漸變淺，呈現(xiàn)淺綠略帶黃色。說明水體的富營養(yǎng)化程度是鳳眼蓮生長形態(tài)特征的主要影響因素。

3.2 鳳眼蓮對污水處理廠尾水氮、磷去除的主要機制

一般說來，水生植物修復(fù)系統(tǒng)中氮的去除途徑主要包括植物吸收、微生物硝化一反硝化作用、根系吸附和根系脫落等。本研究團隊在前期研究中發(fā)現(xiàn)，鳳眼蓮除自身根系附著大量硝化、反硝化細菌外，還可以增加水體中硝化、反硝化細菌的數(shù)量，且鳳眼蓮根系分泌的氧及有機碳加強了水體硝化和硝化一反硝化作用，進而促進水體脫氮。本研究結(jié)果表明，硝化一反硝化作用為水體脫氮的主要途徑，這與馬濤等引研究的結(jié)果相似。因此推測，本研究中三級凈化塘深度凈化工程對污水處理廠尾水氮的主要去除途徑可能是微生物的硝化一反硝化作用。

植物體吸收、底泥吸附（絮凝沉淀）、植物吸附、磷揮發(fā)是深度凈化塘的主要去磷途徑。本研究中鳳眼蓮吸收作用是深度凈化生態(tài)工程去除尾水磷的最主要途徑，占尾水磷去除貢獻率的50.10%。底泥吸附（絮凝沉淀）作用去除磷的機理主要是通過磷酸鹽與水體中金屬離子進行一系列化學(xué)反應(yīng)，再由尾水中鋁離子（污水處理廠添加的聚氯化鋁）的絮凝作用沉降至底泥而被固定。底泥吸附（絮凝沉淀）作用去除的磷在缺氧、氧化還原電位低、溫度高43的環(huán)境中才有利于磷的釋放，而本研究尾水中DO含量、氧化還原電位均較高，不利于底泥中磷的釋放，故底泥吸附（絮凝沉淀）作用去除的磷不易被釋放出來。而磷揮發(fā)在磷去除過程中所占比例極小可以忽略不計。