快速滲濾和濕地綜合系統(tǒng)處理農(nóng)村生活污水效果分析

粟世華，劉圣鋒，吳昌智，方榮杰，郭 攀，衛(wèi)承芳

（1.桂林市農(nóng)田灌溉試驗(yàn)中心站，廣西 桂林 541105；2.東華理工大學(xué)水資源與環(huán)境工程學(xué)院，南昌 330013；3.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

隨社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)村地區(qū)的水環(huán)境問題日漸突出。在農(nóng)村地區(qū)，大部分生活及農(nóng)業(yè)污水被直接排放到河溝或者池塘中，造成了一系列的水體污染和土壤污染等問題。至2015年，中國仍有78%行政村未建設(shè)生活污水處理設(shè)施［1］。自然界的自凈能力已無法處理農(nóng)村地區(qū)日益增加的污水排放量，開發(fā)經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的農(nóng)村地區(qū)生活污水處理技術(shù)，對農(nóng)村地區(qū)環(huán)境保護(hù)和水資源可持續(xù)利用有著重要作用。

人工快速滲透系統(tǒng)（Constructed Rapid Infiltra?tion System，CRIS）及灌溉-排水-濕地綜合管理系統(tǒng)（Wetland Reservoir Sub-Irrigation System，WRSIS）在農(nóng)村污水處理技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是解決農(nóng)村污水處理問題的可行方法。學(xué)者研究了不同填料CRIS對污水的處理效果［2，3］。Hua等［4］和陳華清等［5］研究了CRIS堵塞規(guī)律，提出了解決方案；陳佼等［6］模擬低溫CRIS運(yùn)行，得出了提高系統(tǒng)脫氮除磷效果的方法；Chen等［7］提出了分步進(jìn)料和溢流等措施，優(yōu)化了CRIS系統(tǒng)的進(jìn)出水以及凈水能力。同時(shí)學(xué)者對WRSIS進(jìn)行改良［8，9］。董斌等［10］和燕紅等［11］引用并改良WRSIS用于稻田非點(diǎn)源污染治理，發(fā)現(xiàn)WRSIS可顯著降低水中總氮、總磷的含量。Luckeydoo等［12］運(yùn)用被動植被恢復(fù)法解決了WRSIS的植被恢復(fù)問題，取得了顯著成效。CRIS和WRSIS的單獨(dú)研究已趨向成熟，但對CRIS和WRSIS結(jié)合處理農(nóng)村地區(qū)生活污水的研究較少。

本研究建立了CRIS和WRSIS綜合系統(tǒng)（快速滲濾和濕地綜合系統(tǒng)），在桂林市靈川縣靈田鎮(zhèn)西岸村內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，研究NH3-N、TN、TP和COD的去除效果，分析了各指標(biāo)的關(guān)系，評價(jià)影響該系統(tǒng)的主要因素，同時(shí)分析系統(tǒng)在枯水期、豐水期和平水期的去污效果，以判斷該系統(tǒng)在農(nóng)村地區(qū)的適用程度。旨在為農(nóng)村的污水處理和水資源循環(huán)利用提供參考和借鑒。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)設(shè)在桂林市靈川縣靈田鎮(zhèn)西岸村（N25°04′—25°48′，E110°07′—110°47′）。該地屬珠江流域，年平均氣溫18.7℃，降雨量1 926 mm。共接納47戶176人的生活污水，污水排放量15 840 L/d。污水主要為含洗滌劑污水、垃圾淋濾水和人畜糞尿水等。根據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版），在該村集中污水管出口采集各季節(jié)水樣監(jiān)測，結(jié)果見表1。

表1 污水情況 （單位：mg/L）

從表1可知，其中TN和NH3-N、TP和COD的平均值分別為《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級B類標(biāo)準(zhǔn)和三級標(biāo)準(zhǔn)。

2 材料與方法

2.1 快速滲濾和濕地綜合系統(tǒng)建立

快速滲濾和濕地綜合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖1。

由圖1可見，生活污水經(jīng)CRIS預(yù)處理，進(jìn)入WRSIS，在水生植物代謝、吸附以及微生物和基質(zhì)的協(xié)同作用下凈化。兩個(gè)系統(tǒng)采用漿砌磚結(jié)合濕地串聯(lián)，系統(tǒng)建設(shè)面積59 m2，污水管道采用埋地直徑400 mm水泥管，CRIS分為3個(gè)濾池，每個(gè)長2.0 m，寬1.0 m，深1.2 m。WRSIS面積53 m2，有效水深0.4～0.8 m，分7個(gè)生物塘，每個(gè)面積7～8 m2。結(jié)合實(shí)際情況選擇填料和水生植物［13，14］。填料為CRIS濾池1（CRIS 1）鵝卵石、濾池2（CRIS 2）陶粒、濾池3（CRIS 3）河沙。水生植物是生物塘1（WRSIS1）和生物塘2（WRSIS 2）蓮藕、生物塘3（WRSIS 3）浮萍、生物塘4（WRSIS 4）美人蕉、生物塘5（WRSIS 5）和生物塘6（WRSIS6）茭白、生物塘7（WRSIS7）睡蓮。

2.2 采樣測定

連續(xù)兩年（2019年4月至2020年4月）共進(jìn)行76次水質(zhì)監(jiān)測，其中氣溫為現(xiàn)場測量。設(shè)定生活污水停留時(shí)間（HRT）為12 d，通過CRIS和WRSIS試驗(yàn)歷時(shí)12 d。取樣按照《中華人民共和國國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》（HJ 493—2009），用500 mL聚乙烯取樣瓶采集水樣，每個(gè)監(jiān)測指標(biāo)采樣3瓶（共采樣12瓶）。水樣加入HNO4（優(yōu)級純）酸化，使水樣pH<2，其中COD和NH3-N測量樣還加入少量三氯甲烷。

所有水樣在24 h內(nèi)進(jìn)行檢測分析或4℃冰箱密封保存。測定參照《中華人民共和國國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》，TN用堿性過硫酸鉀-消解紫外分光光度法［15］，TP用鉬酸銨分光光度法［16］，COD用重鉻酸鉀法［17］，NH3-N用納氏試劑分光光度法［18］。

2.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，使用Origin 2018軟件繪圖，使用SPSS 24進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 NH 3-N去除特征分析

污水NH3-N去除特征見圖2。

NH3-N含量較高易轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽等，而NH3-N的去除主要靠植物的吸收、吸附和NH3-N揮發(fā)，去除率受pH、植被和氣溫等因素影響［19］。由圖2可見，系統(tǒng)輸入NH3-N的濃度為40.18 mg/L，污水通過去污池，NH3-N下降。系統(tǒng)中單個(gè)去污池的去除率為3.76%～11.96%，其中CRIS為3.76%～6.90%，WRSIS為9.01%～11.96%。WRSIS4（種植美人蕉）去除率最高，為11.96%。其次為WRSIS 1（種植蓮藕），為11.36%。出口平均NH3-N為4.83 mg/L，累計(jì)去除率為87.75%，水質(zhì)達(dá)到了（GB 18918—2002）的一級A類標(biāo)準(zhǔn)（8 mg/L），達(dá)標(biāo)率為100%?？梢?，快速滲濾和濕地綜合系統(tǒng)對污水NH3-N處理效果明顯，經(jīng)過系統(tǒng)處理后，NH3-N濃度符合城鎮(zhèn)污水排放標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 TN去除特征分析

污水TN去除特征見圖3。

由圖3可知，系統(tǒng)中單個(gè)去污池的TN去除率為4.14%～10.40%，WRSIS5（種植茭白）去除率最高，為10.40%，其次是WRSIS 1（種植蓮藕），去除率為10.00%。CRIS各濾池的去除率為4.14%～5.74%，其中CRIS 2（填料陶粒）去除率最大，為5.74%。WRSIS各生物塘的去除率為6.26%～10.40%，WRSIS 7（種植睡蓮）去除率最小，為6.26%。系統(tǒng)對TN的累計(jì)去除率為78.88%，出口TN平均濃度為12.49 mg/L，達(dá)到了（GB 18918—2002）一級A類標(biāo)準(zhǔn)（15 mg/L）。水中氮去除主要是依靠微生物的硝化和反硝化作用［20］，系統(tǒng)中水生植物根系能夠釋放分泌物和氧［21］，為硝化和反硝化作用提供了保障。同時(shí)水生植物能吸收污水中的氮［22］。在CRIS中加入微生物和在WRSIS中增加水生植物有利于提高系統(tǒng)對TN的去除。

3.3 TP去除特征分析

污水TP去除特征見圖4。

磷是造成水體富營養(yǎng)化的原因［23］。在農(nóng)村地區(qū)，洗滌劑和磷肥造成污水中TP含量超準(zhǔn)。由圖4可見，快速滲濾和濕地綜合系統(tǒng)降低TP效果良好，系統(tǒng)累計(jì)去除率達(dá)到93.94%，CRIS去除率為15.62%，WRSIS去除率為78.32%，WRSIS 1（種植蓮藕）去除率最高，達(dá)到15.25%。出口處TP濃度為0.23～0.68 mg/L，平均濃度為0.458 mg/L，達(dá)到了GB 18918—2002一級A類標(biāo)準(zhǔn)（0.5 mg/L）。但系統(tǒng)在出口處TP濃度與（GB 18918—2002）一級A類標(biāo)準(zhǔn)限值相差較大，說明該系統(tǒng)對TP的處理能力還有待加強(qiáng)。Zhang等［24］研究不同人工濕地，對TP的去除率約為50%，其中效果好的達(dá)到69.8%。Weragoda等［25］采用不同的水生植物人工濕地，TP去除率為88.5%。在系統(tǒng)內(nèi)增加生物量、合理調(diào)整植物結(jié)構(gòu)，有利于提高TP去除率。

3.4 COD去除特征分析

污水COD去除特征見圖5。

有氧環(huán)境下，水中的有機(jī)污染物會被微生物分解為無機(jī)鹽、二氧化碳等，然后被植物吸收利用，達(dá)到除污效果［26］。由圖5可見，系統(tǒng)中各去污池COD去除率為4.92%～12.30%，其中WRSIS 2（種植蓮藕）去除率最高，達(dá)到12.30%，系統(tǒng)累計(jì)去除率達(dá)到89.24%。出水COD的濃度為23.19～69.06 mg/L，平均濃度為44.52 mg/L，符合（GB 18918—2002）一級A類標(biāo)準(zhǔn)（50 mg/L），COD去除效果明顯。張國珍等［27］研究復(fù)合垂直流-水平流人工濕地系統(tǒng)處理農(nóng)村生活污水，COD去除率為61.27%。王逸超等［28］探究耕作型濕地凈化村落污水，對COD的去除率為47.3%。快速滲濾和濕地綜合系統(tǒng)對COD的去除率較高，在枯水期可緩解農(nóng)田用水的壓力，在豐水期可起到一定的防洪作用。

3.5 監(jiān)測項(xiàng)目相關(guān)分析

用SPSS 24軟件對NH3-N、TN、TP、COD的去除率和氣溫進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果見表2。

表2 監(jiān)測項(xiàng)目的相關(guān)系數(shù)

由表2可見，5個(gè)監(jiān)測項(xiàng)目（NH3-N、TN、TP、COD和氣溫）間均屬于正相關(guān)，其中COD、TN和COD、NH3-N之間存在極顯著相關(guān)性，說明了COD與TN、NH3-N污染來源相同性較大。NH3-N、TN、TP、COD與氣溫在0.01水平都極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.394、0.425，0.452，0.652，說明了NH3-N、TN、TP和COD的去除率受氣溫條件的影響，COD與氣溫間存在著強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系，說明了COD的去除效果受氣溫影響較大。Kaseva［29］研究表明，溫暖的氣候有利于植物的生長和微生物活性，從而提高污染物去除效率。因此，快速滲濾和濕地綜合系統(tǒng)在南方地區(qū)的污染物去除率會比北方地區(qū)高，同時(shí)在寒冷地區(qū)建設(shè)該系統(tǒng)需種植耐寒水生植物，利于系統(tǒng)正常運(yùn)行。

3.6 系統(tǒng)在不同時(shí)期運(yùn)行效果

為了解快速滲濾和濕地綜合系統(tǒng)在不同時(shí)期的除污效果，分析了系統(tǒng)在枯水期（12、1和2月）、豐水期（3、4、5、6、7和8月）和平水期（9、10和11月）各污染物的去除率，結(jié)果見圖6。

由圖6可見，TN、TP、COD和NH3-N在系統(tǒng)中去除率總體表現(xiàn)為平水期優(yōu)于豐水期優(yōu)于枯水期?？菟谂c靈川縣的冬季（12月22日到次年2月26日）時(shí)間吻合，為水生植物枯萎時(shí)期，太陽照射相對較弱，氣溫低，植物光合、代謝和蒸騰作用弱，導(dǎo)致植物凈化污水能力減弱。豐水期與當(dāng)?shù)氐拇杭竞统跸奈呛?，為水生植物成長階段，生物量不足，未達(dá)到茂盛階段，凈化能力一般。平水期與當(dāng)?shù)叵募灸┢诤颓锛境跗跁r(shí)間相吻合，期間水生植物生物量大，長勢佳，系統(tǒng)凈化效果佳，去污能力強(qiáng)。

枯水期降水量較少，污染物濃度較高，導(dǎo)致微生物在枯水期的去除效果受到抑制。潘傲等［30］證明植物的生長情況影響著微生物的豐富度和多樣性，進(jìn)而影響系統(tǒng)的運(yùn)行效果?？菟谒参锒嗵幱诳菟离A段，系統(tǒng)運(yùn)行效果減弱，而豐水期和平水期水生植物生長狀況良好，有利于系統(tǒng)運(yùn)行。

系統(tǒng)基質(zhì)也影響污染物去除效果。由于枯水期污染物濃度較大，系統(tǒng)的水力傳導(dǎo)度和溶解氧濃度降低，容易造成基質(zhì)成塊狀，進(jìn)而影響基質(zhì)去污效果，同時(shí)改變附著基質(zhì)中好氧微生物的活動，降低系統(tǒng)的處理效率。針對枯水期的情況，可以改善系統(tǒng)的水力條件，提高水力傳導(dǎo)度和溶解氧，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

4 結(jié)論

1）系統(tǒng)對農(nóng)村生活污水中的NH3-N、TN、TP和COD去除效果明顯，系統(tǒng)去除率分別為87.75%、78.88%、93.94%和89.24%，出水符合（GB 18918—2002）的一級A類標(biāo)準(zhǔn)?？梢酝ㄟ^改善系統(tǒng)中的生物量、水生植物種類和種植結(jié)構(gòu)等繼續(xù)提高系統(tǒng)的去除率。

2）通過Pearson相關(guān)分析得知，NH3-N、TN、TP、COD去除率與氣溫在0.01水平顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.394、0.425，0.452，0.652，說明了NH3-N、TN、TP和COD的去除率受氣溫影響，高溫可提高系統(tǒng)的除污效果。

（3）不同時(shí)期，系統(tǒng)對NH3-N、TN、TP和COD的去除效果有一定差距?？傮w上，系統(tǒng)對NH3-N、TN、TP、COD的去除效果為平水期優(yōu)于豐水期優(yōu)于枯水期。在系統(tǒng)種植終年植物及提高水力條件有利于降低不同時(shí)期去除率的差異，提高系統(tǒng)去除率。