快速渗滤和生物湿地综合系统处理农村生活污水的季节性运行效果分析

2018-02-28吴昌智李新建

西南农业学报 2018年1期

吴昌智，李新建

(桂林市农田灌溉试验中心站，广西桂林 541105)

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于广西桂林市临桂区临桂镇乐和村，地处北纬25°17′53″，东经110°10′43″。村内生活污水主要来源于禽畜养殖、家庭清洁及其他日常洗涤等，日均排放量达到72 800 L。污水中含有大量的有机污染物和氮、磷等富营养化物质，经检测COD平均浓度为294.68 mg/L，TN、TP的平均浓度分别为26.10和7.90 mg/L。

1.2 试验设计

在试验区依地形构建快速渗滤(CRI)和人工生物湿地(WRSIS)综合系统，CRI由3个串联式滤池组成，滤池深2 m、长和宽均为2.5 m，池中滤料按进水顺序依次为河砂、陶粒和石灰石；WRSIS综合系统共有8个生物塘，每个生物塘面积在40～120 m2之间，有效水深约1.0 m，塘内水生植物从靠近CRI数起分别为凤眼莲、水芋、浮萍、狐尾藻、美人蕉、茭白、芦竹和睡莲。各滤池和生物塘之间通过U-PVCФ100管连接，具体系统平面布置见图1。

污水进入系统后，首先通过CRI滤料的吸附以及池中微生物的降解等多种作用，使水体中污染物分解去除，然后再通过人工湿地系统各种水生植物的吸附、截留以及生物塘内厌氧、好氧等微生物转化、降解的共同作用下，使污水得到有效净化。

1.3 试验方法

图1 CRI和WRSIS系统平面布置Fig.1 The layout plan of CRI and WRSIS integrated system

试验分别在春季(3月21日、4月23日、5月6日)、夏季(6月17日、7月15日、8月11日)、秋季(9月10日、10月17日、11月11日)及冬季(2月26日、11月30日、12月27日)开展污水净化试验，分析快速渗滤和人工生物湿地综合系统对农村生活污水的季节性处理效果。试验前先取快速渗滤系统进水口的水样，然后打开阀门放污水进入滤池，在每个滤池的停留时间为1 d，采样后再排入下个滤池，直至污水进入湿地系统；污水在各湿地生物塘停留1 d，汲取水样后将其放入下个生物塘，余类推，整个污水循环处理周期为11 d。测定水样中TN、TP及COD的浓度，计算去除率(K, %)。

式中，C0为进水口水样污染物浓度，Ca为滤池或生物塘水样污染物浓度。

1.4 测定项目与方法

采集水样后参照《水和废水监测分析方法》[14]测量各种污染物指标：采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测TN浓度，用过硫酸钾消解-钼蓝比色法测定TP浓度，重铬酸钾法测定COD浓度。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2003进行数据处理及分析。

2 结果与分析

2.1 系统对COD处理效果分析

从图2可以看出，CRI和WRSIS系统对农村生活污水有机污染物COD的去除效果非常明显。

图2 CRI和WRSIS系统对COD去除率的季节性变化Fig.2 The seasonal variation of COD removal rate by CRI and WRSIS system

在春季试验期间，经过CRI系统3个滤池拦截、过滤和吸附后，污水中COD的平均去除率为21.5 %；然后将污水导入WRSIS系统，再经由8个生物塘植物的吸收、降解等作用，COD的平均去除率达到85.0 %。夏季CRI系统对COD的平均去除率为21.8 %，与春季接近；之后通过WRSIS系统的逐级处理，COD的平均去除率高达92.2 %。秋季3次重复试验的污水在流经CRI系统后其COD的平均去除率为22.3 %，比夏季略有提高；经过WRSIS系统的最终处理后，COD平均去除率达到86.9 %的水平。在冬季，COD在CRI系统的平均去除率为18.5 %，比春、夏和秋季均有所下降；COD在WRSIS系统的平均去除率则为81.8 %，与上述3季相比绝对值分别降低3.2 %、10.4 %和5.1 %。结果表明，CRI和WRSIS综合系统在整个年份对农村生活污水COD均有较大的去除效果，但其去除率存在不同程度的季节性变化，夏、秋季较高，而春、冬较低。原因可能与温度和水生植物的长势有关，冬季水温较低，会影响CRI系统材料的渗滤性能和池内微生物活动，春季生物塘内植物生长发育不全及冬季植株衰老，均会抑制系统对COD的净化作用。因此可推测出正是以上因素造成CRI和WRSIS综合系统对COD的去除率出现季节性波动现象。

2.2 系统对TN处理效果分析

图3 CRI和WRSIS系统对TN去除率的季节性变化Fig.3 The seasonal variation of TN removal rate by CRI and WRSIS system

由图3可以发现，CRI和WRSIS综合系统对TN的去除率也呈现出比较明显的季节性变化特征。农村生活污水经过CRI系统的快速渗滤后，各季节TN的去除率在18 %～26 %的区间内波动。其中，夏季TN的平均去除率高达25.3 %；秋季与夏季相当，达到25.0 %；春季为24.3 %，略低于夏、秋；冬季TN的平均去除率最低，为19.5 %。由此可见，春、夏和秋三季CRI系统对TN的去除率差别不大，而冬季的去除率则出现较大的降幅，说明季节性低温影响CRI系统的渗滤效果。CRI系统3个滤池的滤料依次为河砂、陶粒和石灰石，水温下降会导致陶粒孔隙收缩，降低其对污染物的吸附作用。同时低水温条件也不利于微生物活动，进而抑制滤池中氮素的硝化和反硝化过程。因此，上述因素可能是造成冬季CRI系统对TN去除率下降的主要原因。试验污水从滤池排出后进入WRSIS系统，再经过8个生物塘的连续净化处理，各季节TN的去除率均迅速升高。春季WRSIS系统对污水TN的平均去除率上升到82.9 %；夏季TN的平均去除率更高，达到87.0 %，为全年的最高水平；秋季略低于夏季，为84.8 %；到冬季之后，TN的平均去除率明显下跌，仅为76.1 %。原因可能与WRSIS系统内水生植物的季节性生长周期有关，在春、夏和秋季节各生物塘的植物长势较好，根系生长快，茎、叶生物量也不断增加，有利于植株从污水中吸收大量的TN。同时庞大的根系组织为水中微生物生长和繁殖提供良好的栖身场所，促进细菌的硝化和反硝化作用及其他微生物活动，加剧TN的转化和降解。在冬季，生物塘内的水生植物根系逐渐衰老，对TN的吸收能力减弱，而且低温抑制污水中微生物的活动，从而导致TN去除率下降。综上分析可知，CRI和WRSIS综合系统对农村生活污水的TN具有较强的去除效果，即使是在冬季，系统对TN仍有76 %左右的去除水平。

由图3可以发现，CRI和WRSIS综合系统对TN的去除率也呈现出比较明显的季节性变化特征。农村生活污水经过CRI系统的快速渗滤后，各季节TN的去除率在18 %～26 %的区间内波动。其中，夏季TN的平均去除率高达25.3 %；秋季与夏季相当，达到25.0 %；春季为24.3 %，略低于夏和秋；冬季TN的平均去除率最低，为19.5 %。由此可见，春、夏和秋三季CRI系统对TN的去除率差别不大，而冬季的去除率则出现较大的降幅，说明季节性低温影响CRI系统的渗滤效果。CRI系统3个滤池的滤料依次为河砂、陶粒和石灰石，水温下降会导致陶粒孔隙收缩，降低其对污染物的吸附作用。同时低水温条件也不利于微生物活动，进而抑制滤池中氮素的硝化和反硝化过程。因此，上述因素可能是造成冬季CRI系统对TN去除率下降的主要原因。试验污水从滤池排出后进入WRSIS系统，再经过8个生物塘的连续净化处理，各季节TN的去除率均迅速升高。春季WRSIS系统对污水TN的平均去除率上升到82.9 %；夏季TN的平均去除率更高，达到87.0 %，为全年的最高水平；秋季略低于夏季，为84.8 %；到冬季之后，TN的平均去除率明显下跌，仅为76.1 %。原因可能与WRSIS系统内水生植物的季节性生长周期有关，在春、夏和秋季各生物塘的植物长势较好，根系生长快，茎、叶生物量也不断增加，有利于植株从污水中吸收大量的TN。同时庞大的根系组织为水中微生物生长和繁殖提供良好的栖身场所，促进细菌的硝化和反硝化作用及其他微生物活动，加剧TN的转化和降解。在冬季，生物塘内的水生植物根系逐渐衰老，对TN的吸收能力减弱，而且低温抑制污水中微生物的活动，从而导致TN去除率下降。综上分析可知，CRI和WRSIS综合系统对农村生活污水的TN具有较强的去除效果，即使是在冬季，系统对TN仍有76 %左右的去除水平。

2.3 系统对TP处理效果分析

图4结果显示，CRI和WRSIS系统对农村生活污水TP的去除效果也具有较明显的季节性特点。各季节CRI系统对TP去除率的高低表现为：秋季>夏季>春季>冬季，其中秋季TP的平均去除率最高，达到24.6 %；夏季为24.3 %，与秋季差别不大；春季与夏、秋相比有所下降，其TP的平均去除率为23.0 %；冬季TP的平均去除率最低，为19.4 %。显然季节性温度变化与CRI系统对TP的去除水平有关，冬季低温不仅影响滤料的吸附作用，而且抑制池内微生物对磷素的转化和分解，因此导致TP去除率下降。试验污水进入WRSIS系统经过各生物塘的逐级净化后，各季节TP去除率均得到不同程度的提高。其中夏季TP平均去除率上升最为显著，达到85.9 %；其次为秋季，其TP平均去除率升高到83.0 %；春季TP平均去除率也提升到79.0 %的水平；冬季TP的平均去除率为70.4 %，其升幅与前面季节的相比明显下跌。从中可发现，季节因素对WRSIS系统去除TP的影响机制与COD、TN相似，主要表现为春、夏和秋季为水生植物生长和水中微生物群落形成和聚集提供适宜的气候条件，TP被吸收、转化和降解较多，而冬季随着温度降低，水生植物逐渐衰老和微生物活动不断减弱，导致系统对TP的去除率出现下降。

3 讨论

图4 CRI和WRSIS系统对TP去除率的季节性变化Fig.4 The seasonal variation of TP removal rate by CRI and WRSIS system

人工快速渗滤系统(CRI)是在传统土壤渗滤技术的基础上改进而发展起来的新型污水净化系统，其核心主要是采用河砂、沸石、陶粒和活性炭等滤料代替天然土层，以提高水力负荷和去污效率[15]。CRI对水体污染物的去除是在基质过滤、截留、吸附等非生物机制与微生物吸收、转化等生物机制协同作用下完成的[16]，但不同污染物的去除机理有所区别，其中有机物和氮首先由滤料及其表面的微生物吸附而被截留在系统内，并通过细菌的好氧-厌氧作用而降解，生物机制的去除占70 %以上；磷以基质吸附和化学沉降为主要去除途径，生物作用的贡献有限，只占30 %左右[17]。由于微生物主要依附滤料进行繁殖和其他代谢活动，因此选择合适的滤料是提高CRI系统处理能力的关键。不同填料材质对污染物的去除率差别很大，例如活性炭可以吸附污水中90 %以上的COD，而石英砂则在80 %以下，沸石能去除85 %左右的总磷，但对总氮只有约30 %的去除率[18]，说明单一滤料会限制系统的去污功能，而采用不同滤料多管齐下才能取得更全面、彻底的净化效果。本试验由3个串联式滤池构建快速渗滤系统，以河砂+陶粒+石灰石为填料处理农村生活污水，短短3 d内使COD、TN、TP的平均去除率均达到18 %以上。由此可见，在场地允许的情况下将CRI分成多个相连单元，再根据污水主要成分挑选最佳的滤料组合，能最大限度的发挥系统的净化作用。CRI的滤料和微生物活动受气候因素特别是温度的影响，夏季气温高，微生物活性大，系统对污水有较好的净化效果，冬季温度低，微生物活动受到抑制，同时低温条件下滤料比表面积收缩导致污水的渗透率下降，从而使系统的去污能力变差[19-20]。本研究也发现，人工快速渗滤系统对农村生活污水各污染物的去除率夏、秋高于春、冬，其季节性变化特征较为明显。试验结果表明，CRI的处理效果与当地温度存在不同程度的正相关性。

人工生物湿地(WRSIS)是以水生植物为基础构建的生态处理系统，通过物理、化学和生物等协同作用去除各种污染物，改善水质环境。水生植物能通过根系吸收来提高氮、磷等营养物质的去除率，但所占的比例并不高[21]。刘晓宁和邱荣华[22]研究发现，污水中植物吸收所去除的氮占比不足总去除率的20 %。张建等[23]也认为，由植物直接吸收而得到的总氮去除率只有20 %左右，对磷的去除则更加有限。水生植物在系统中的主要作用是为微生物群落创造适宜的栖息场所，并供应大量的碳源促进微生物各项新陈代谢活动以转化和降解水体中的污染物[24]。水生植物还有项重要功能是通过根系通气组织输送氧气，在根区形成好氧环境，而同时远离根际的周边仍为厌氧区域，于是整个湿地系统存在氧化区、兼性区和还原区，各区微生物通过相互配合大量去除有机物和氮、磷等化合物[25]。本试验WRSIS系统由8个环环相扣的生物塘组成，每个生物塘种上凤眼莲、水芋、浮萍、狐尾藻等不同的水生植物。试验污水从CRI滤池流出进入WRSIS，经过各生物塘的连续净化处理后COD的平均去除率达到80 %以上，TN、TP的平均去除率也分别高于76 %和70 %，出口水质得到极大的改善。WRSIS系统基本上建在室外，容易受环境变化的影响。梁威和吴振斌[26]研究发现，不同季节湿地微生物的数量有很大的变化，通常夏、秋季较高，春季有所降低，冬季下降又更明显，并由此带来系统去污效果的季节性差异。本研究也发现，各季节WRSIS系统对试验污水COD、TN、TP的去除率高低均表现为：夏季>秋季>春季>冬季，说明人工生物湿地系统运行效果与水生植物、微生物的季节性变化周期相吻合。虽然系统在冬季的去污能力相对较差，但对COD、TN、TP仍达到81.8 %、76.1 %和70.4 %的平均去除水平。试验结果表明，在冬季低温条件下，即使植物水上部分枯萎凋零，污水中各类微生物仍能依靠摄食残枝碎叶来维持基本的数量和较高的活性，从而保障湿地系统的正常运行。