基于NBS的生活污水污染物去除效果研究

劉玉春，楊小蛟，張芳園，郭 彬，吳佳鵬

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北 保定 071000；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

1 研究背景

水污染的治理一直是環(huán)境和生態(tài)研究的熱點問題，在現(xiàn)有的污水處理技術(shù)中，污水的生態(tài)處理在水體富營養(yǎng)化治理［1-2］、農(nóng)村生活污水處理［3］和污水處理廠二級出水深度處理［4］等方面得到越來越多的應(yīng)用。鑒于已知的水質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)健康風(fēng)險，目前國際上的研究側(cè)重于有效地從污水中去除多種污染物的處理技術(shù)［5-6］。目前，存在多種處理生活污水的方法，從依賴于自然生態(tài)過程的簡單系統(tǒng)到精細化操作的工程處理技術(shù)，雖然所有系統(tǒng)都傾向于實現(xiàn)至少一定程度的化學(xué)物質(zhì)去除，但傳統(tǒng)的廢水處理技術(shù)不能用于全面去除CODMn（化學(xué)需氧量）、TP（總磷）、TN（總氮）污染物。

NBS（Nature-Based Solutions）即為受自然界啟發(fā)，促使社會采用可持續(xù)的方式應(yīng)對各種環(huán)境和經(jīng)濟挑戰(zhàn)，強調(diào)管理良好和多樣化的生態(tài)系統(tǒng)對提高人類復(fù)原力和可持續(xù)發(fā)展的貢獻［7］?；贜BS的污水生態(tài)處理系統(tǒng)一般是由水生植物、基質(zhì)和微生物組成，主要通過物理、化學(xué)和生物協(xié)同作用凈化污染物。水生植物和基質(zhì)是影響污染物去除率的兩種重要介質(zhì)，如Egger?mont等［8］開展了由礫石、沸石和粉煤灰填料組成的三級人工濕地凈化清源河的研究，結(jié)果表明對TP、TN的去除率分別為35.1%～65.3%和28.7%～62.9%；張毓媛等［9］研究發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)組合的裝填方式對污染物凈化的效果影響極顯著；肖廣敏等［10］開展了菖蒲、鳶尾、蘆葦和香蒲4種水生植物對污水凈化效果的研究，研究表明，4種水生植物對污染物的去除率都達到了90%以上；何娜等［11］開展了大薸、鳳眼蓮、慈菇、菖蒲、香蒲和水蔥6種水生植物去除水體氮磷效果的研究，發(fā)現(xiàn)香蒲對TP的去除率最高，菖蒲對NH3-N的去除率最高；宋英偉等［12］研究發(fā)現(xiàn)，沸石和爐渣兩種基質(zhì)對污染物的去除率差異顯著，在此過程中水生植物對污染物的去除發(fā)揮了重要作用。在評估污水處理技術(shù)方面，整合分析法（Meta-analysis）提供了一種機制用以實現(xiàn)不同類別的污染物間的去除率的差異。

目前，污水生態(tài)處理技術(shù)研究中基質(zhì)多考慮單一基質(zhì)，水生植物多為香蒲和蘆葦。本文選取3種單一基質(zhì)、3種組合基質(zhì)和5種水生植物，通過盆栽試驗研究不同基質(zhì)、水生植物的組合對生活污水中CODMn、TN、TP污染物的去除效果。

2 試驗與分析方法介紹

2.1 試驗方法介紹基于NBS的生活污水處理效率與進水方式、植物種類、水力負荷和基質(zhì)類型密切相關(guān)。配置水生植物充分利用了各種植物的優(yōu)點，以提高植物的凈化能力及景觀價值?；|(zhì)的選擇因污染物的特征不同而不同，同時考慮便于取材、經(jīng)濟適用等因素。試驗裝置在外觀形式和功能結(jié)構(gòu)上類似天然濕地系統(tǒng)，水力負荷通常較低，水力停留時間較短。試驗從植物選擇、基質(zhì)搭配、水力停留時間以及進水方式、試驗方法等幾方面對生活污水處理試驗材料進行闡述。

（1）試驗位置：試驗裝置位于河北省保定市河北農(nóng)業(yè)大學(xué)東校區(qū)。保定位于河北省中部，地理坐標(biāo)為 N38°10′～40°00′，E113°40′～116°20′，海拔高度 3.8～10.8 m；地處暖溫帶半濕潤大陸季風(fēng)氣候，四季分明，春季干旱多風(fēng)，夏季高溫多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷少雪；年平均氣溫12.2℃，極端最高氣溫40.7℃，極端最低氣溫-26.7℃，無霜期203d；年平均日照2578.3h，太陽輻射量128kcal/cm2；年平均降水529.7mm，但年際變化較大，年最大降水量941.6mm（1988年），年最小降水量263.3mm（1962年）。

（2）試驗時間：2017年4—9月。

（3）試驗用裝置：采用塑料水桶進行盆栽試驗（桶高34cm，上口直徑34cm，下底直徑27cm）。試驗盆底部鋪設(shè)15cm的礫石（直徑約10mm，孔隙度50%）作為承托層，承托層上面鋪設(shè)基質(zhì)層（組合基質(zhì)按體積1∶1的比例進行混合裝填）?；|(zhì)中栽植水生植物。

（4）試驗用水生植物：水生植物的選取參照文獻資料，選取處理污水效果好的常用植物，并且均從白洋淀中移栽，所選植物為千屈菜（Lythrum salicaria）、黃菖蒲（Acorus calamus）、蘆葦（Phragmites australis）、香蒲（Typhaorientalis presl）、荷花（Nelumbo nucifera）共 5種，分別記為 P1、P2、P3、P4、P5。水生植物栽植方式：千屈菜2棵/桶、黃菖蒲2棵/桶、蘆葦5棵/桶、香蒲4棵/桶、荷花1棵/桶。

（5）試驗用基質(zhì)：3種單一基質(zhì)：砂子（S1）、石子（S2）、爐灰渣（S3）。3種組合基質(zhì)：砂子+土（S4）、石子+土（S5）、爐灰渣+土（S6）。試驗采用全面設(shè)計，組合方式共計30種，每種處理設(shè)5個重復(fù)，總計150組試驗對照。試驗裝置4月份建成，經(jīng)過3個月的運行，7月份水生植物生長達到穩(wěn)定，開始進行試驗。

（6）試驗用水：試驗用生活污水取自河北農(nóng)業(yè)大學(xué)8號公寓樓下水管道，并采用兩道粗篩（100目）去除廢水中大顆粒的懸浮物。試驗用水從試驗裝置上部/底部進入，上部通過集水管流出。

（7）試驗方法：注入生活污水后，待水生植物緩苗1周后開始試驗。試驗當(dāng)天（2017年7月24日）將試驗裝置中的水放空，重新進水，并對每個試驗裝置進水水質(zhì)測定。王世和等［13］研究結(jié)果表明，在水力停留時間為5d時，COD、NH4+-N、TP的去除率分別為94.5%、65.3%、74.4%，本文試驗水力停留時間取為4d，4d后（2017年7月28日）對每個試驗裝置進水水質(zhì)進行測定。

（8）水質(zhì)檢測：檢測水質(zhì)指標(biāo)：CODMn、TN、TP。CODMn采用重鉻酸鹽法，TN采用過硫酸鹽消解法，TP采用磷鉬酸鹽法。使用多參數(shù)水質(zhì)檢測儀（YSI ProPlus，Yellow Spring，OH，US）現(xiàn)場測定pH、溶解氧和電導(dǎo)率。

在參考國內(nèi)相關(guān)區(qū)域的校園生活污水處理實際工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，采用自然方法-生態(tài)工程結(jié)合的工藝進行污染物的去除效果研究。試驗流程見圖1。在水力條件相同的情況下，為保證植物根系對污染物的充分吸收，考慮到不同粒徑不同的基質(zhì)對污染物的吸附作用，試驗過程中對粗徑基質(zhì)/組合采用底部進水、細徑基質(zhì)采用底部進水。

2.2 整合分析法簡介基于進水和出水濃度計算去除率。污染物去除負荷計算公式為：

圖1 試驗流程圖

式中：LM為去除負荷，g/（m2·d）；Cin、Cout分別為進水和出水中污染物的濃度mg/L；Q為進水流量L/h；A為培育水生植物試驗桶的表面積m2。

污染物去除率計算公式為：

為了進行不同組合對污染物去除率的比較，將去除數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)化去除率（SRE）、計算公式如下：

式中：χ為單一組合去除率；μ為所有組合（30種）去除率平均值；σ為所有組合（30種）去除率的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

本文應(yīng)用SPSS 18.0軟件中的方差分析（ANOVA）進行污染物去除率的比較計算，并應(yīng)用Pearson相關(guān)系數(shù)進行相關(guān)性分析。

3 基質(zhì)與水生植物對生活污水處理的試驗結(jié)果分析

根據(jù)廢水的理化參數(shù)，夏季（25℃）的平均溫度顯著高于冬季（1℃）（P＜0.05）、春季（8℃）和 秋季（21℃）（P＞0.05）。各種污染物濃度在溫度的影響下，均沒有明顯的季節(jié)性模式，因此，污染物的去除效率受溫度影響不大。結(jié)合表面流、水平潛流和垂直流3種流程人工濕地在處理生活污水時常用的植物種類、基質(zhì)類型、水力負荷及凈化效果相關(guān)的分析成果，對基于NBS的生活污水污染物去除能力的有效性進行橫向比較，為自然方法-生態(tài)工程有機結(jié)合的生活污水污染物去除工藝的推廣提供實踐參考。

3.1 對CODMn的去除效果分析2017年7月24日進水當(dāng)天，試驗裝置中CODMn濃度為452～493mg/L，均值為472mg/L。試驗4d后，不同試驗裝置中CODMn濃度值均明顯降低。從表1可以看出，不同水生植物對CODMn平均處理率分別為：千屈菜59%、黃菖蒲66%、蘆葦77%、香蒲85%、荷花63%。不同水生植物對CODMn的去除效果差異明顯，其中，最小為千屈菜59%，最大為香蒲85%，兩者相差26%。香蒲對污水CODMn的去除率最高，香蒲根系能力發(fā)達，可通過根系吸收土壤間隙水中的有機物供植物體生長利用［14-15］。香蒲在不同基質(zhì)條件下對CODMn的處理率與其他水生植物相比均為香蒲處理率應(yīng)為最高值。不同基質(zhì)對CODMn平均處理率為：砂子69%、石子70%、爐灰渣71%、砂子+土69%、石子+土69%和爐灰渣+土71%。從處理率來看，不同基質(zhì)間無明顯差別。從方差分析結(jié)果來看，爐灰渣跟其他基質(zhì)差異均顯著，爐灰渣+土基質(zhì)跟個別處理差異不顯著外，跟其他處理差異均顯著。爐灰渣和爐灰渣+土組合基質(zhì)對污水中CODMn的去除率最高，其次為石子+土、石子，砂子、砂子+土，主要原因在于爐灰渣具有較大的比表面積，可以有效吸附生活污水中的有機污染物。污水中CODMn的去除主要靠水生植物的吸收和微生物的代謝作用，且與氧的關(guān)系非常密切。試驗中5種不同水生植物對CODMn的凈化效果存在一定差異，其中，蘆葦和香蒲對CODMn的平均去除率顯著高于千屈菜、黃菖蒲和荷花。其原因與蘆葦和香蒲的通氣組織發(fā)達有關(guān)，可將大量氧氣輸送至其根部，使根部微生物數(shù)量增加，從而提高對污水中有機物的去除能力［16］。

基質(zhì)填料表面和植物根系為微生物提供吸附界面，在填料表面和植物根區(qū)形成高效的微生物膜，將有機污染物分解為CO2和H2O，對CODMn去除起關(guān)鍵作用?；|(zhì)對有機物的去除主要通過不溶性有機物的沉降、過濾作用，對可溶性有機物吸附作用的去除。土壤、細砂、粗砂、礫石、碎瓦片或灰渣作為基質(zhì)時，受表面吸附面積、水力停留時間、出水水質(zhì)等因素的限制，對COD、BOD5、SS為特征的污染物去除效率具有一定的差別。在進水COD平均濃度分別為251.29mg/L時，煤灰渣基質(zhì)對有機物具有較好的去除效果［17］。水生植物及自然基質(zhì)對CODMn去除率見圖2。

表1 試驗進水當(dāng)天及4d后CODMn濃度均值和方差分析結(jié)果

圖2 CODMn去除率

3.2 對TN的去除效果分析7月24日補水后生活污水中的TN值為40.7～45.9mg/L，均值為43.5mg/L，比原水TN值偏大，見表2。研究結(jié)果表明，在水力停留時間為5d時，TN去除率達到最大值65.3%。為此，本文水力停留時間取為4d，基質(zhì)中的TN有一定的殘留。

試驗進展中對TN的去除包括植物的吸收，也包括微生物的硝化和反硝化作用。試驗單元中同時存在大量的硝化細菌和反硝化細菌，氮污染物通過微生物的硝化作用和反硝化作用得以去除［18-19］。試驗4d后，生活污水中的TN值明顯降低。不同水生植物對TN平均處理率為：千屈菜58%、黃菖蒲69%、蘆葦77%、香蒲83%、荷花53%，從處理率來看，不同水生植物間有明顯差別，最小為荷花53%，最大為香蒲83%，兩者相差30%?？梢娤闫押吞J葦對生活污水TN的去除率最高（兩者相差6%），最低的為千屈菜。氮是植物生長的必需營養(yǎng)元素，香蒲根系能力發(fā)達，菖蒲通過自身生長過程實現(xiàn)了對氮污染物良好的去除效果。從方差分析結(jié)果來看，不同水生植物間的TN測量值差異顯著，說明不同水生植物對污水氮的去除效果差別較大。其中，香蒲與黃菖蒲兩者之間的差異均不顯著，而兩者與其他水生植物間的差異顯著。因此，去除廢水中TN的適宜水生植物為香蒲、黃菖蒲。試驗中5種水生植物對生活污水的TN平均去除率在49%～82%之間，不同水生植物間差異較大。

不同基質(zhì)對生活污水TN平均處理率為：砂子67%、石子67%、爐灰渣69%、砂子+土66%、石子+土64%、爐灰渣+土68%，從處理率來看，不同基質(zhì)間無明顯差別。從方差分析結(jié)果來看，6種基質(zhì)間的TN均值差異不顯著，表明不同基質(zhì)對生活污水TN的去除無明顯差異。基質(zhì)對總氮的去除作用不強，其凈化途徑主要依靠反硝化作用和植物的吸收作用，這與梁康［20］等人的研究結(jié)果一致。因此，在選擇基質(zhì)時，應(yīng)遵循材料的易得、高效、廉價及安全無毒等原則。實驗中TN去除效率見圖3。

表2 7月24日TN值及4d后TN均值和方差分析結(jié)果

圖3 TN去除率

3.3 對TP的去除效果分析7月24日進水當(dāng)天，試驗裝置中TP濃度為8.44～9.13mg/L，均值為8.79mg/L。試驗4d后，不同試驗裝置中TP濃度值均明顯降低。從表3可以看出，不同水生植物對TP平均處理率分別為：千屈菜61%、黃菖蒲71%、蘆葦76%、香蒲85%、荷花69%。不同水生植物對TP的去除效果差異明顯，其中，最小為千屈菜61%，最大為香蒲85%，兩者相差24%。香蒲和蘆葦對污水TP的去除率高的原因在于兩種植物發(fā)達的根系與基質(zhì)交錯成網(wǎng)為微生物的生長提供場所，有利于生物膜的形成，促進污水中的磷被微生物吸收利用。從方差分析結(jié)果來看，不同水生植物間的TP差異均顯著，說明不同水生植物對污水磷的去除效果差別極大。

不同基質(zhì)對TP的平均去除率為：砂子72%、石子為72%、爐灰渣74%、砂子+土69%、石子+土71%、爐灰渣+土70%，從處理率來看，不同基質(zhì)間無明顯差別。從方差分析結(jié)果來看，爐灰渣跟其他基質(zhì)差異顯著，其中，爐灰渣和爐灰渣+土組合基質(zhì)對污水中TP的去除率最高，其次為石子+土、石子，砂子、砂子+土，主要原因在于爐灰渣中的氧化鈣容易和污水中的磷酸鹽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成磷酸鈣沉淀，從而有利于水體中磷的去除。人工濕地除磷主要依賴濕地基質(zhì)、水生植物和微生物三者之間的聯(lián)合作用，通過一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)以及生物途徑實現(xiàn)磷素去除的目的［21］。李龍山等［22］研究發(fā)現(xiàn)蘆葦和香蒲對污水中總磷的去除率可達到94%～99%，本試驗的研究結(jié)果與之有一定的差異，這可能由所選濕地植物的種屬不同造成。試驗中TP去除效率見圖4。

表3 試驗進水當(dāng)天及4d后TP濃度均值和方差分析結(jié)果

圖4 TP去除率

4 結(jié)論

基于NBS的自然方法-生態(tài)工程結(jié)合的校園生活污水處理工藝具有處理設(shè)施占地少、造價低、建設(shè)費用少和運行成本低等特點。論文選擇千屈菜、黃菖蒲、蘆葦、香蒲、荷花5種水生植物和砂子、石子、爐灰渣、砂子+土、石子+土、爐灰渣+土6種基質(zhì)進行生活污水的生態(tài)處理試驗，借助整合分析法對CODMn、TP、TN的去除效果進行了研究。香蒲對CODMn、TP、TN的平均去除率最高，分別為85%、85%、83%；爐灰渣對CODMn、TP、TN的去除率最高，分別為71%、74%、69%。隨著對基于NBS廢水生態(tài)處理技術(shù)研究的不斷深入，自然方法-生態(tài)工程廢水生態(tài)處理技術(shù)將日趨完善，為穩(wěn)定、低成本的除去校園生活廢水污染物提供技術(shù)支持。