快速滲濾和濕地綜合系統處理農村生活污水效果分析

粟世華，劉圣鋒，吳昌智，方榮杰，郭 攀，衛承芳

（1.桂林市農田灌溉試驗中心站，廣西 桂林 541105；2.東華理工大學水資源與環境工程學院，南昌 330013；3.桂林理工大學環境科學與工程學院，廣西 桂林 541004）

隨社會經濟的發展，農村地區的水環境問題日漸突出。在農村地區，大部分生活及農業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%行政村未建設生活污水處理設施［1］。自然界的自凈能力已無法處理農村地區日益增加的污水排放量，開發經濟合理、技術可行的農村地區生活污水處理技術，對農村地區環境保護和水資源可持續利用有著重要作用。

人工快速滲透系統（Constructed Rapid Infiltra?tion System，CRIS）及灌溉-排水-濕地綜合管理系統（Wetland Reservoir Sub-Irrigation System，WRSIS）在農村污水處理技術領域得到了廣泛關注，被認為是解決農村污水處理問題的可行方法。學者研究了不同填料CRIS對污水的處理效果［2，3］。Hua等［4］和陳華清等［5］研究了CRIS堵塞規律，提出了解決方案；陳佼等［6］模擬低溫CRIS運行，得出了提高系統脫氮除磷效果的方法；Chen等［7］提出了分步進料和溢流等措施，優化了CRIS系統的進出水以及凈水能力。同時學者對WRSIS進行改良［8，9］。董斌等［10］和燕紅等［11］引用并改良WRSIS用于稻田非點源污染治理，發現WRSIS可顯著降低水中總氮、總磷的含量。Luckeydoo等［12］運用被動植被恢復法解決了WRSIS的植被恢復問題，取得了顯著成效。CRIS和WRSIS的單獨研究已趨向成熟，但對CRIS和WRSIS結合處理農村地區生活污水的研究較少。

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

1 試驗區概況

試驗設在桂林市靈川縣靈田鎮西岸村（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《水和廢水監測分析方法》（第四版），在該村集中污水管出口采集各季節水樣監測，結果見表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《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級B類標準和三級標準。

2 材料與方法

2.1 快速滲濾和濕地綜合系統建立

快速滲濾和濕地綜合系統的設計圖1。

由圖1可見，生活污水經CRIS預處理，進入WRSIS，在水生植物代謝、吸附以及微生物和基質的協同作用下凈化。兩個系統采用漿砌磚結合濕地串聯，系統建設面積59 m2，污水管道采用埋地直徑400 mm水泥管，CRIS分為3個濾池，每個長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個生物塘，每個面積7～8 m2。結合實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

連續兩年（2019年4月至2020年4月）共進行76次水質監測，其中氣溫為現場測量。設定生活污水停留時間（HRT）為12 d，通過CRIS和WRSIS試驗歷時12 d。取樣按照《中華人民共和國國家環境保護標準》（HJ 493—2009），用500 mL聚乙烯取樣瓶采集水樣，每個監測指標采樣3瓶（共采樣12瓶）。水樣加入HNO4（優級純）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內進行檢測分析或4℃冰箱密封保存。測定參照《中華人民共和國國家環境保護標準》，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 數據處理

使用Excel 2010軟件進行數據處理和計算，使用Origin 2018軟件繪圖，使用SPSS 24進行數據相關性分析。

3 結果與分析

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，去除率受pH、植被和氣溫等因素影響［19］。由圖2可見，系統輸入NH3-N的濃度為40.18 mg/L，污水通過去污池，NH3-N下降。系統中單個去污池的去除率為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，累計去除率為87.75%，水質達到了（GB 18918—2002）的一級A類標準（8 mg/L），達標率為100%。可見，快速滲濾和濕地綜合系統對污水NH3-N處理效果明顯，經過系統處理后，NH3-N濃度符合城鎮污水排放標準。

3.2 TN去除特征分析

污水TN去除特征見圖3。

由圖3可知，系統中單個去污池的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%。系統對TN的累計去除率為78.88%，出口TN平均濃度為12.49 mg/L，達到了（GB 18918—2002）一級A類標準（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化的原因［23］。在農村地區，洗滌劑和磷肥造成污水中TP含量超準。由圖4可見，快速滲濾和濕地綜合系統降低TP效果良好，系統累計去除率達到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，達到了GB 18918—2002一級A類標準（0.5 mg/L）。但系統在出口處TP濃度與（GB 18918—2002）一級A類標準限值相差較大，說明該系統對TP的處理能力還有待加強。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%。在系統內增加生物量、合理調整植物結構，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。

有氧環境下，水中的有機污染物會被微生物分解為無機鹽、二氧化碳等，然后被植物吸收利用，達到除污效果［26］。由圖5可見，系統中各去污池COD去除率為4.92%～12.30%，其中WRSIS 2（種植蓮藕）去除率最高，達到12.30%，系統累計去除率達到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類標準（50 mg/L），COD去除效果明顯。張國珍等［27］研究復合垂直流-水平流人工濕地系統處理農村生活污水，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對COD的去除率較高，在枯水期可緩解農田用水的壓力，在豐水期可起到一定的防洪作用。

3.5 監測項目相關分析

用SPSS 24軟件對NH3-N、TN、TP、COD的去除率和氣溫進行Pearson相關性分析，結果見表2。

表2 監測項目的相關系數

由表2可見，5個監測項目（NH3-N、TN、TP、COD和氣溫）間均屬于正相關，其中COD、TN和COD、NH3-N之間存在極顯著相關性，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，相關系數分別為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與氣溫間存在著強正相關關系，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在南方地區的污染物去除率會比北方地區高，同時在寒冷地區建設該系統需種植耐寒水生植物，利于系統正常運行。

3.6 系統在不同時期運行效果

為了解快速滲濾和濕地綜合系統在不同時期的除污效果，分析了系統在枯水期（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，結果見圖6。

由圖6可見，TN、TP、COD和NH3-N在系統中去除率總體表現為平水期優于豐水期優于枯水期。枯水期與靈川縣的冬季（12月22日到次年2月26日）時間吻合，為水生植物枯萎時期，太陽照射相對較弱，氣溫低，植物光合、代謝和蒸騰作用弱，導致植物凈化污水能力減弱。豐水期與當地的春季和初夏吻合，為水生植物成長階段，生物量不足，未達到茂盛階段，凈化能力一般。平水期與當地夏季末期和秋季初期時間相吻合，期間水生植物生物量大，長勢佳，系統凈化效果佳，去污能力強。

枯水期降水量較少，污染物濃度較高，導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，進而影響系統的運行效果。枯水期水生植物多處于枯死階段，系統運行效果減弱，而豐水期和平水期水生植物生長狀況良好，有利于系統運行。

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

4 結論

1）系統對農村生活污水中的NH3-N、TN、TP和COD去除效果明顯，系統去除率分別為87.75%、78.88%、93.94%和89.24%，出水符合（GB 18918—2002）的一級A類標準。可以通過改善系統中的生物量、水生植物種類和種植結構等繼續提高系統的去除率。

2）通過Pearson相關分析得知，NH3-N、TN、TP、COD去除率與氣溫在0.01水平顯著正相關，相關系數分別為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，高溫可提高系統的除污效果。

（3）不同時期，系統對NH3-N、TN、TP和COD的去除效果有一定差距。總體上，系統對NH3-N、TN、TP、COD的去除效果為平水期優于豐水期優于枯水期。在系統種植終年植物及提高水力條件有利于降低不同時期去除率的差異，提高系統去除率。