農(nóng)村生活污水處理設(shè)施出水排放對湖蕩水質(zhì)影響分析

盧昶雨，凃成琪，劉 星，靳鄭海，葛光環(huán)，儲玖琳，黃 威,

(1.安康學(xué)院 旅游與資源環(huán)境學(xué)院，陜西 安康 725000；2.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；3.河北地質(zhì)大學(xué) 河北省水資源可持續(xù)利用與開發(fā)實驗室，水資源與環(huán)境學(xué)院，河北，石家莊 050031；4.中國環(huán)境科學(xué)研究院 湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國家工程實驗室，北京 100012)

我國農(nóng)村生活污水處理設(shè)施普遍存在重建設(shè)輕管理的現(xiàn)象，造成部分設(shè)施出水效果不佳甚至出現(xiàn)閑置現(xiàn)狀，易引發(fā)水體污染。例如，洱海流域農(nóng)村生活污水處理設(shè)施的氨氮(NH3—N)、總氮(TN)、總磷(TP)處理效果不佳，平均去除率不足20%[1]，滇池流域農(nóng)村生活污水處理設(shè)施的運行率不足20%[2]。大部分農(nóng)村排水管網(wǎng)相對分散，農(nóng)村生活污水表現(xiàn)為粗放型、間歇式排放，排放分散不易收集[3-4]。農(nóng)村生活污水易受人口密度、季節(jié)變化、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素的影響，不同地區(qū)、不同季節(jié)農(nóng)村生活污水的產(chǎn)生與排放差異性顯著[5-6]，導(dǎo)致農(nóng)村生活污水的處理具有一定的難度?，F(xiàn)如今我國農(nóng)村生活污水處理已形成一定規(guī)模，并取得了相應(yīng)的成績。但由于歷史遺留等因素，全國范圍內(nèi)農(nóng)村生活污水處理未能達(dá)到預(yù)期，農(nóng)村生活污水處理設(shè)施出水排放水質(zhì)情況不容樂觀。

湖蕩作為一種典型的濕地類型，由濕地植物、濕地微生物、棲息于濕地的動物及其環(huán)境組成，對調(diào)蓄洪水、凈化水質(zhì)、維護(hù)生境、保持生態(tài)平衡和維持物種多樣性具有重要的生態(tài)作用[7-13]。據(jù)了解，湖蕩水體及沉積物污染的季節(jié)變化特征顯著，且夏季污染尤其嚴(yán)重[14-15]。隨著農(nóng)村生活污水處理設(shè)施排放大量的污染物進(jìn)入湖蕩，湖蕩污染加劇，大部分湖蕩水體未能達(dá)到功能區(qū)要求，湖蕩水環(huán)境系統(tǒng)污染對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)的良性發(fā)展產(chǎn)生威脅[16-19]。因此，研究農(nóng)村生活污水處理設(shè)施出水排放特征對控制湖蕩水體污染具有重要意義。

本文以嘉興市的海寧市和秀洲區(qū)為研究區(qū)域，對區(qū)域內(nèi)44個湖蕩夏季(6月)上覆水、間隙水及沉積物污染特征進(jìn)行研究，對湖蕩上覆水污染物與160座農(nóng)村生活污水處理設(shè)施的污染物去除率和農(nóng)村生活污水處理設(shè)施出水污染物進(jìn)行相關(guān)性分析，探究了湖蕩水體污染和農(nóng)村生活污水處理設(shè)施出水排放的關(guān)系，以期為嘉興市湖蕩水質(zhì)的治理提供研究依據(jù)，進(jìn)而為農(nóng)村生活污水防控提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

嘉興市位于浙江省東北部，屬長江三角洲杭嘉湖東部平原。嘉興市域水系屬長湖蕩江水系太湖流域，境內(nèi)水網(wǎng)密布，地勢平坦，湖蕩眾多，有67個0.1 km2以上的湖蕩。2015年嘉興市各地區(qū)農(nóng)村生活污水排放量總計7.126 99 ×107t。其中，化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand，COD)、NH3—N、TN、TP排放總量分別為107.96、13.75、54.34、1.97 t。所研究的海寧和秀洲兩個地區(qū)的農(nóng)村生活污水處理設(shè)施出水COD、NH3—N、TN、TP排放達(dá)標(biāo)率分別為25.6%、29.4%、35.6%、8.1%，農(nóng)村生活污水處理設(shè)施出水排放未達(dá)到理想狀態(tài)。大量的污染物進(jìn)入湖蕩，導(dǎo)致嘉興市農(nóng)村地區(qū)湖蕩污染普遍嚴(yán)重，大部分湖蕩水體未能達(dá)到功能區(qū)要求，湖蕩水環(huán)境現(xiàn)狀不容樂觀。本研究選擇嘉興市的海寧市和秀洲區(qū)作為研究區(qū)域，面積約1 248.32 km2，包括8個街道和13個鎮(zhèn)，區(qū)域內(nèi)建成的分散式污水處理設(shè)施合計1 000余座，占整個嘉興市的一半以上。

1.2 采樣點布設(shè)

針對湖蕩污染的調(diào)查，綜合當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門提供的定位監(jiān)測點位信息，結(jié)合區(qū)域內(nèi)湖蕩與農(nóng)村生活污水的地理位置分布，選取區(qū)域內(nèi)均勻分布的44個湖蕩作為研究對象，于2019年6月(夏季)采集湖蕩的上覆水、間隙水、沉積物樣品。同時為探究該區(qū)農(nóng)村生活污水處理設(shè)施出水排放情況對湖蕩水質(zhì)的影響，根據(jù)就近原則，將區(qū)域內(nèi)日處理量達(dá)30 t/d以上的160座污水處理設(shè)施和44個湖蕩統(tǒng)一劃分為9個區(qū)域，每個區(qū)域涵蓋的設(shè)施數(shù)和湖蕩點位數(shù)如表1所示。采樣點分布見圖1。

表1 研究區(qū)域設(shè)施和湖蕩數(shù)量分布Table 1 The distribution of facilities and lake wetlands in the study area

圖1 采樣點分布圖Fig.1 Map of sampling sites

1.3 樣品采集與處理

采用有機(jī)玻璃采水器采集表層沉積物0.5 m處的上覆水樣品，加入H2SO4酸化并裝入聚乙烯塑料瓶中密封，放入裝有冰袋的保存箱中暫存冷藏，48 h內(nèi)于實驗室進(jìn)行各項水質(zhì)指標(biāo)的測定[20]。采用抓泥斗采集湖蕩表層沉積物樣品，樣品放入干凈的自封袋內(nèi)，并于24 h 內(nèi)帶回實驗室處理。取適量沉積物樣品冷凍干燥處理4 d，再去除冷凍干燥后的沉積物樣品中的砂石等雜質(zhì)，然后于通風(fēng)櫥研磨過孔徑為150 μm(100目)的尼龍篩，裝入干凈的自封袋備用[21]。取250 g沉積物樣品于10 000 r/min的離心機(jī)中離心15 min獲得間隙水，采用Whatman型玻璃纖維濾膜GF/F(450 ℃灼燒5 h)過濾，濾液冷藏保存[22]。

根據(jù)HJ 828—2017，采用重鉻酸鹽法測定COD的質(zhì)量濃度；根據(jù)HJ 535—2009，采用納氏試劑分光光度法測定NH3—N的質(zhì)量濃度；根據(jù)GB 11894—1989，采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定水樣中TN的質(zhì)量濃度；采用分級浸提法[23]測定沉積物中TN的質(zhì)量濃度；根據(jù)GB 11893—1989，采用過硫酸鉀氧化鉬酸銨分光光度法測定水樣中TP的質(zhì)量濃度；采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)測試委員會的SMT分離方法[24]測定沉積物中TP的質(zhì)量濃度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，做3次平行試驗，試驗結(jié)果以3次測量結(jié)果的平均值為準(zhǔn)(相對誤差小于5%)。在IBM SPSS Statistics 21軟件中，采用皮爾遜(Pearson)相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行相關(guān)性分析；采用Arcgis 10.5軟件對采樣分布圖進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 湖蕩水體污染特征分析

2.1.1 上覆水

研究區(qū)域的湖蕩夏季上覆水污染特征如圖2所示。由圖2可知：上覆水中COD的質(zhì)量濃度為4.08～8.94 mg/L(均值為6.58 mg/L)，NH3—N、TN、TP質(zhì)量濃度分別為0.78～2.96、1.68～3.68、0.15～0.40 mg/L，均值依次為1.38、2.47、0.27 mg/L，高于某些湖泊上覆水污染物均值(NH3—N、TN、TP分別為0.24、2.17、0.07 mg/L)[25]。根據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，COD質(zhì)量濃度均值滿足Ⅰ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、NH3—N濃度均值滿足Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，而TN、TP表現(xiàn)為劣Ⅴ類水。其中，COD樣本全部達(dá)到Ⅰ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；NH3—N滿足Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、劣Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)樣本占比分別為31.8%、75.0%、84.1%、15.9%；TN滿足Ⅴ類和劣Ⅴ水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)樣本占比分別為22.7%、13.6%，TP滿足Ⅴ類和劣Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)樣本占比分別為77.3%、86.4%。COD、NH3—N、TN、TP能同時滿足Ⅴ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)樣本僅占9.1%?？傮w而言，研究區(qū)域湖蕩上覆水氮磷污染嚴(yán)重，大部分湖蕩為劣Ⅴ類水體，存在較大的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險。

圖2 湖蕩上覆水污染特征Fig.2 Pollution characteristics of overlying water in lake wetlands

2.1.2 間隙水

間隙水在沉積物與上覆水間污染物的遷移轉(zhuǎn)化中扮演重要角色，因此，對區(qū)域內(nèi)湖蕩夏季間隙水污染特征進(jìn)行研究具有重要意義。湖蕩間隙水污染特征如圖3所示。由圖3可知：間隙水COD質(zhì)量濃度為29.87～77.14 mg/L(均值為51.12 mg/L)，NH3—N、TN、TP的質(zhì)量濃度分別為7.59～32.39、16.44～55.21、0.31～1.26 mg/L，均值依次為18.13、30.32、0.58 mg/L，高于某些湖泊間隙水污染物質(zhì)量濃度均值(NH3—N、TN、TP分別為2.23、3.83、0.15 mg/L)[25]和某些河流間隙水污染物質(zhì)量濃度均值(TN、TP分別為15.25、0.65 mg/L)[26]。間隙水COD、NH3—N、TN、TP質(zhì)量濃度均值分別是上覆水的7.77、13.14、12.28、2.15倍，表明間隙水污染物濃度顯著高于上覆水，具備沉積物污染物向上覆水釋放的基礎(chǔ)。間隙水與上覆水的COD分布規(guī)律較為一致，但與上覆水的氮磷分布規(guī)律一致性較低，這與上覆水受外源污染、風(fēng)浪等外界干擾有關(guān)[27]。

圖3 湖蕩間隙水污染特征Fig.3 Pollution characteristics of pore water in lake wetlands

2.2 湖蕩沉積物污染特征分析

湖蕩沉積物污染特征如圖4所示。由圖4可知：沉積物TN、TP的質(zhì)量濃度分別為 901.29～6 368.41、791.74～2 523.12 mg/kg(均值分別為2 627.41、1 704.62 mg/kg)，遠(yuǎn)高于長蕩湖表層沉積物TN、TP質(zhì)量濃度的均值(TN、TP分別為995、695 mg/kg)[28]。參照《全國河流湖泊水庫底泥污染狀況調(diào)查評價》對湖蕩沉積物污染物進(jìn)行評價，沉積物TN、TP均值均為四級斷面(一級斷面最優(yōu))。其中，沉積物TN的一級斷面、二級斷面、三級斷面、四級斷面樣本占比分別為6.8%、22.7%、15.9%、54.6%，沉積物TP的二級斷面、三級斷面、四級斷面樣本占比分別為11.4%、27.3%、61.3%。由此可見，湖蕩沉積物氮磷污染是非常嚴(yán)重的。

圖4 湖蕩沉積物污染特征Fig.4 Pollution characteristics of sediments in lake wetlands

2.3 湖蕩水體與沉積物污染物間相關(guān)性分析

在湖蕩體系中，污染物以間隙水為介質(zhì)進(jìn)行水體與沉積物之間的遷移與轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)污染物的吸附、轉(zhuǎn)化和釋放。本文對湖蕩上覆水、間隙水及沉積物的相關(guān)性進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。由表2可知，湖蕩上覆水NH3—N、TN、TP之間相關(guān)性顯著。上覆水NH3—N、TN 均與上覆水TP呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為 0.686、0.685；上覆水NH3—N與上覆水TN呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.713，這可能與上覆水氮磷污染源來源一致有關(guān)。間隙水NH3—N與間隙水TN呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.660，間隙水NH3—N與間隙水TP呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.339。沉積物TN與沉積物TP呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為 0.304。

表2 湖蕩上覆水、間隙水及沉積物污染物間相關(guān)性Table 2 Correlation among overlying water，pore water and sediment pollutants in lake wetlands

此外，上覆水、間隙水和沉積物中的污染物也存在一些相關(guān)性。間隙水NH3—N與沉積物TN、TP呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.576、0.436，間隙水TN與沉積物TN、TP呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.511、0.357，且間隙水TP與沉積物TN呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.327。上覆水COD與間隙水COD呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.471。上覆水COD與間隙水COD顯著相關(guān)，而上覆水氮磷與間隙水氮磷及沉積物氮磷相關(guān)性較弱，這與大亞灣[29]和衛(wèi)河新鄉(xiāng)段[30]研究結(jié)果一致。但這并不能說明間隙水和沉積物氮磷濃度的高低對上覆水氮磷濃度沒有影響，上覆水氮磷濃度不僅受沉積物和間隙水方面的影響，還受風(fēng)浪、潮汐以及外源污染等因素的影響。

2.4 農(nóng)村生活污水處理設(shè)施出水排放對湖蕩水質(zhì)影響

2.4.1 設(shè)施出水水質(zhì)與湖蕩水質(zhì)相關(guān)性分析

對各分區(qū)湖蕩上覆水污染物與農(nóng)村生活污水處理設(shè)施出水排放污染物濃度均值進(jìn)行統(tǒng)計，并就相關(guān)性進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 各分區(qū)農(nóng)村生活污水處理設(shè)施出水水質(zhì)與湖蕩水質(zhì)的相關(guān)性分析Fig.5 Correlation analysis between effluent quality of domestic sewage treatment facilities in the rural area and lake water quality

各分區(qū)農(nóng)村生活污水處理設(shè)施出水排COD質(zhì)量濃度均值最大、最小值分別在在S7和S4，為7.19和6.01 mg/L，湖蕩上覆水COD與農(nóng)村生活污水處理設(shè)施出水COD相關(guān)性不顯著，但湖蕩上覆水氮磷與農(nóng)村生活污水處理設(shè)施出水氮磷相關(guān)性顯著。各分區(qū)農(nóng)村生活污水處理設(shè)施出水排放NH3—N的最大、最小值分別在S5和S9，為23.44和9.92 mg/L，且湖蕩上覆水NH3—N與農(nóng)村生活污水處理設(shè)施出水NH3—N在S1、S2、S3、S5、S8均呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.822、0.890、0.885、0.947、0.896，在S7呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.978。各分區(qū)農(nóng)村生活污水處理設(shè)施出水排放TN的最大、最小值分別在S5和S4，為47.99和 19.28 mg/L。湖蕩上覆水TN與農(nóng)村生活污水處理設(shè)施出水TN均在S1、S2、S3、S7、S8呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為 0.856、0.889、0.885、0.956、0.950，在S6呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.980。各分區(qū)農(nóng)村生活污水處理設(shè)施出水TP質(zhì)量濃度最大、最小值分別在S5和S2，為4.51和0.21 mg/L。湖蕩上覆水TP與農(nóng)村生活污水處理設(shè)施出水TP均在S1、S2、S3、S8區(qū)呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為 0.828、0.901、0.879、0.884，在S5、S6均呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.973、0.960。

作為直接污染源的農(nóng)村生活污水處理設(shè)施排放水中的氮磷質(zhì)量濃度與湖蕩上覆水氮磷污染相關(guān)性更為顯著，表明農(nóng)村生活污水處理設(shè)施出水的氮磷排放量對湖蕩上覆水中氮磷營養(yǎng)鹽濃度影響較大。特別是在湖蕩上覆水與農(nóng)村生活污水處理設(shè)施出水排放污染物濃度較高的S5和S7，相關(guān)性更為顯著。因此，提高農(nóng)村生活污水處理設(shè)施出水的水質(zhì)，優(yōu)化農(nóng)村生活污水處理設(shè)施氮磷去除效果，對湖蕩水體富營養(yǎng)化防治具有重要意義。

2.4.2 污染物的設(shè)施去除率與湖蕩水質(zhì)相關(guān)性分析

對各分區(qū)湖蕩上覆水污染物濃度均值與農(nóng)村生活污水處理設(shè)施污染物去除率均值進(jìn)行統(tǒng)計，并對相關(guān)性進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 各分區(qū)農(nóng)村生活污水處理設(shè)施的污染物去除率與湖蕩水質(zhì)間相關(guān)性分析Fig.6 Correlation analysis between pollutant removal rate of domestic sewage treatment facilities in the rural area and lake water quality

各分區(qū)農(nóng)村生活污水處理設(shè)施對污染物的去除率變化相對穩(wěn)定，但湖蕩上覆水污染物濃度在各分區(qū)存在一定差異。各分區(qū)湖蕩上覆水COD、NH3—N、TN、TP質(zhì)量濃度均值最大值在S5，分別為92.46、2.71、3.53、0.38 mg/L，最小值在S9，分別為53.57、0.89、1.82、0.18 mg/L。湖蕩上覆水COD與農(nóng)村生活污水處理設(shè)施COD去除率相關(guān)性不顯著，但上覆水氮磷與污水處理設(shè)施出水排放氮磷存在一定的相關(guān)性。其中:上覆水NH3—N與農(nóng)村生活污水處理設(shè)施NH3—N去除率在S2、S3均呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.902、-0.894；上覆水TN與農(nóng)村生活污水處理設(shè)施TN去除率均在S2、S5呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.903、-0.888；上覆水TP與農(nóng)村生活污水處理設(shè)施TP去除率均在S3、S5、S6呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.907、-0.918、-0.888。

總體而言，湖蕩上覆水氮磷與農(nóng)村生活污水處理設(shè)施氮磷去除率呈顯著負(fù)相關(guān)，表明農(nóng)村生活污水處理設(shè)施氮磷去除率對湖蕩上覆水中的氮磷營養(yǎng)鹽濃度存在影響。尤其是在上覆水氮磷濃度及農(nóng)村生活污水處理設(shè)施污染物去除率較高的S5，相關(guān)性更顯著。因此，提升農(nóng)村生活污水處理設(shè)施氮磷去除率對改善湖蕩水體氮磷污染的現(xiàn)狀具有重要意義。

3 結(jié) 論

(1)研究區(qū)域內(nèi)湖蕩夏季水體氮磷污染尤其嚴(yán)重，大部分湖蕩為劣Ⅴ類水體。其中:上覆水氮磷污染嚴(yán)重；間隙水COD、NH3—N、TN、TP質(zhì)量濃度均值分別是上覆水的7.77、13.14、12.28、2.15倍，具備沉積物中的污染物向上覆水釋放的基礎(chǔ)；沉積物氮磷污染也是非常嚴(yán)重的。

(2)湖蕩上覆水NH3—N、TN、TP之間相關(guān)性顯著；間隙水NH3—N與間隙水TN呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，相關(guān)系數(shù)為0.660；沉積物TN、TP間相關(guān)性顯著(p<0.05)，相關(guān)系數(shù)為0.304。上覆水、間隙水和沉積物中的污染物也具有相關(guān)性。上覆水COD與間隙水COD呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，相關(guān)系數(shù)為0.471。間隙水氮磷與沉積物氮磷相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)為0.357～0.576。

(3)研究區(qū)域湖蕩上覆水COD與農(nóng)村生活污水處理設(shè)施出水排放COD相關(guān)性不顯著，但上覆水氮磷與設(shè)施出水排放氮磷呈顯著正相關(guān)，同樣，區(qū)域內(nèi)湖蕩上覆水COD與農(nóng)村生活污水處理設(shè)施COD去除率相關(guān)性不顯著，但上覆水氮磷與設(shè)施氮磷去除率呈顯著負(fù)相關(guān)。對比農(nóng)村生活污水處理設(shè)施污染物去除率可知，農(nóng)村生活污水處理設(shè)施出水氮磷與湖蕩上覆水氮磷相關(guān)性更為顯著，農(nóng)村生活污水處理設(shè)施出水氮磷排放對湖蕩上覆水氮磷營養(yǎng)鹽濃度影響較大。

(4)控制農(nóng)村生活污水處理設(shè)施出水氮磷排放對湖蕩水體富營養(yǎng)化防治具有重要意義。為控制農(nóng)村生活污水處理設(shè)施出水氮磷排放，可選擇合適的農(nóng)村生活污水處理工藝，加強(qiáng)設(shè)施運營監(jiān)管力度，時刻關(guān)注運行參數(shù)和水質(zhì)變化并及時改進(jìn)處理工藝，對農(nóng)村生活污水處理設(shè)施的建設(shè)、運行、維護(hù)進(jìn)行長效管理，進(jìn)而改善湖蕩水質(zhì)。