基于NBS的生活污水污染物去除效果研究

刘玉春，杨小蛟，张芳园，郭 彬，吴佳鹏

（1.河北农业大学 城乡建设学院，河北 保定 071000；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

1 研究背景

水污染的治理一直是环境和生态研究的热点问题，在现有的污水处理技术中，污水的生态处理在水体富营养化治理［1-2］、农村生活污水处理［3］和污水处理厂二级出水深度处理［4］等方面得到越来越多的应用。鉴于已知的水质和生态系统健康风险，目前国际上的研究侧重于有效地从污水中去除多种污染物的处理技术［5-6］。目前，存在多种处理生活污水的方法，从依赖于自然生态过程的简单系统到精细化操作的工程处理技术，虽然所有系统都倾向于实现至少一定程度的化学物质去除，但传统的废水处理技术不能用于全面去除CODMn（化学需氧量）、TP（总磷）、TN（总氮）污染物。

NBS（Nature-Based Solutions）即为受自然界启发，促使社会采用可持续的方式应对各种环境和经济挑战，强调管理良好和多样化的生态系统对提高人类复原力和可持续发展的贡献［7］。基于NBS的污水生态处理系统一般是由水生植物、基质和微生物组成，主要通过物理、化学和生物协同作用净化污染物。水生植物和基质是影响污染物去除率的两种重要介质，如Egger⁃mont等［8］开展了由砾石、沸石和粉煤灰填料组成的三级人工湿地净化清源河的研究，结果表明对TP、TN的去除率分别为35.1%～65.3%和28.7%～62.9%；张毓媛等［9］研究发现，基质组合的装填方式对污染物净化的效果影响极显著；肖广敏等［10］开展了菖蒲、鸢尾、芦苇和香蒲4种水生植物对污水净化效果的研究，研究表明，4种水生植物对污染物的去除率都达到了90%以上；何娜等［11］开展了大薸、凤眼莲、慈菇、菖蒲、香蒲和水葱6种水生植物去除水体氮磷效果的研究，发现香蒲对TP的去除率最高，菖蒲对NH3-N的去除率最高；宋英伟等［12］研究发现，沸石和炉渣两种基质对污染物的去除率差异显著，在此过程中水生植物对污染物的去除发挥了重要作用。在评估污水处理技术方面，整合分析法（Meta-analysis）提供了一种机制用以实现不同类别的污染物间的去除率的差异。

目前，污水生态处理技术研究中基质多考虑单一基质，水生植物多为香蒲和芦苇。本文选取3种单一基质、3种组合基质和5种水生植物，通过盆栽试验研究不同基质、水生植物的组合对生活污水中CODMn、TN、TP污染物的去除效果。

2 试验与分析方法介绍

2.1 试验方法介绍基于NBS的生活污水处理效率与进水方式、植物种类、水力负荷和基质类型密切相关。配置水生植物充分利用了各种植物的优点，以提高植物的净化能力及景观价值。基质的选择因污染物的特征不同而不同，同时考虑便于取材、经济适用等因素。试验装置在外观形式和功能结构上类似天然湿地系统，水力负荷通常较低，水力停留时间较短。试验从植物选择、基质搭配、水力停留时间以及进水方式、试验方法等几方面对生活污水处理试验材料进行阐述。

（1）试验位置：试验装置位于河北省保定市河北农业大学东校区。保定位于河北省中部，地理坐标为 N38°10′～40°00′，E113°40′～116°20′，海拔高度 3.8～10.8 m；地处暖温带半湿润大陆季风气候，四季分明，春季干旱多风，夏季高温多雨，秋季天高气爽，冬季寒冷少雪；年平均气温12.2℃，极端最高气温40.7℃，极端最低气温-26.7℃，无霜期203d；年平均日照2578.3h，太阳辐射量128kcal/cm2；年平均降水529.7mm，但年际变化较大，年最大降水量941.6mm（1988年），年最小降水量263.3mm（1962年）。

（2）试验时间：2017年4—9月。

（3）试验用装置：采用塑料水桶进行盆栽试验（桶高34cm，上口直径34cm，下底直径27cm）。试验盆底部铺设15cm的砾石（直径约10mm，孔隙度50%）作为承托层，承托层上面铺设基质层（组合基质按体积1∶1的比例进行混合装填）。基质中栽植水生植物。

（4）试验用水生植物：水生植物的选取参照文献资料，选取处理污水效果好的常用植物，并且均从白洋淀中移栽，所选植物为千屈菜（Lythrum salicaria）、黄菖蒲（Acorus calamus）、芦苇（Phragmites australis）、香蒲（Typhaorientalis presl）、荷花（Nelumbo nucifera）共 5种，分别记为 P1、P2、P3、P4、P5。水生植物栽植方式：千屈菜2棵/桶、黄菖蒲2棵/桶、芦苇5棵/桶、香蒲4棵/桶、荷花1棵/桶。

（5）试验用基质：3种单一基质：砂子（S1）、石子（S2）、炉灰渣（S3）。3种组合基质：砂子+土（S4）、石子+土（S5）、炉灰渣+土（S6）。试验采用全面设计，组合方式共计30种，每种处理设5个重复，总计150组试验对照。试验装置4月份建成，经过3个月的运行，7月份水生植物生长达到稳定，开始进行试验。

（6）试验用水：试验用生活污水取自河北农业大学8号公寓楼下水管道，并采用两道粗筛（100目）去除废水中大颗粒的悬浮物。试验用水从试验装置上部/底部进入，上部通过集水管流出。

（7）试验方法：注入生活污水后，待水生植物缓苗1周后开始试验。试验当天（2017年7月24日）将试验装置中的水放空，重新进水，并对每个试验装置进水水质测定。王世和等［13］研究结果表明，在水力停留时间为5d时，COD、NH4+-N、TP的去除率分别为94.5%、65.3%、74.4%，本文试验水力停留时间取为4d，4d后（2017年7月28日）对每个试验装置进水水质进行测定。

（8）水质检测：检测水质指标：CODMn、TN、TP。CODMn采用重铬酸盐法，TN采用过硫酸盐消解法，TP采用磷钼酸盐法。使用多参数水质检测仪（YSI ProPlus，Yellow Spring，OH，US）现场测定pH、溶解氧和电导率。

在参考国内相关区域的校园生活污水处理实际工程经验的基础上，采用自然方法-生态工程结合的工艺进行污染物的去除效果研究。试验流程见图1。在水力条件相同的情况下，为保证植物根系对污染物的充分吸收，考虑到不同粒径不同的基质对污染物的吸附作用，试验过程中对粗径基质/组合采用底部进水、细径基质采用底部进水。

2.2 整合分析法简介基于进水和出水浓度计算去除率。污染物去除负荷计算公式为：

图1 试验流程图

式中：LM为去除负荷，g/（m2·d）；Cin、Cout分别为进水和出水中污染物的浓度mg/L；Q为进水流量L/h；A为培育水生植物试验桶的表面积m2。

污染物去除率计算公式为：

为了进行不同组合对污染物去除率的比较，将去除数据转换为标准化去除率（SRE）、计算公式如下：

式中：χ为单一组合去除率；μ为所有组合（30种）去除率平均值；σ为所有组合（30种）去除率的标准偏差。

本文应用SPSS 18.0软件中的方差分析（ANOVA）进行污染物去除率的比较计算，并应用Pearson相关系数进行相关性分析。

3 基质与水生植物对生活污水处理的试验结果分析

根据废水的理化参数，夏季（25℃）的平均温度显著高于冬季（1℃）（P＜0.05）、春季（8℃）和 秋季（21℃）（P＞0.05）。各种污染物浓度在温度的影响下，均没有明显的季节性模式，因此，污染物的去除效率受温度影响不大。结合表面流、水平潜流和垂直流3种流程人工湿地在处理生活污水时常用的植物种类、基质类型、水力负荷及净化效果相关的分析成果，对基于NBS的生活污水污染物去除能力的有效性进行横向比较，为自然方法-生态工程有机结合的生活污水污染物去除工艺的推广提供实践参考。

3.1 对CODMn的去除效果分析2017年7月24日进水当天，试验装置中CODMn浓度为452～493mg/L，均值为472mg/L。试验4d后，不同试验装置中CODMn浓度值均明显降低。从表1可以看出，不同水生植物对CODMn平均处理率分别为：千屈菜59%、黄菖蒲66%、芦苇77%、香蒲85%、荷花63%。不同水生植物对CODMn的去除效果差异明显，其中，最小为千屈菜59%，最大为香蒲85%，两者相差26%。香蒲对污水CODMn的去除率最高，香蒲根系能力发达，可通过根系吸收土壤间隙水中的有机物供植物体生长利用［14-15］。香蒲在不同基质条件下对CODMn的处理率与其他水生植物相比均为香蒲处理率应为最高值。不同基质对CODMn平均处理率为：砂子69%、石子70%、炉灰渣71%、砂子+土69%、石子+土69%和炉灰渣+土71%。从处理率来看，不同基质间无明显差别。从方差分析结果来看，炉灰渣跟其他基质差异均显著，炉灰渣+土基质跟个别处理差异不显著外，跟其他处理差异均显著。炉灰渣和炉灰渣+土组合基质对污水中CODMn的去除率最高，其次为石子+土、石子，砂子、砂子+土，主要原因在于炉灰渣具有较大的比表面积，可以有效吸附生活污水中的有机污染物。污水中CODMn的去除主要靠水生植物的吸收和微生物的代谢作用，且与氧的关系非常密切。试验中5种不同水生植物对CODMn的净化效果存在一定差异，其中，芦苇和香蒲对CODMn的平均去除率显著高于千屈菜、黄菖蒲和荷花。其原因与芦苇和香蒲的通气组织发达有关，可将大量氧气输送至其根部，使根部微生物数量增加，从而提高对污水中有机物的去除能力［16］。

基质填料表面和植物根系为微生物提供吸附界面，在填料表面和植物根区形成高效的微生物膜，将有机污染物分解为CO2和H2O，对CODMn去除起关键作用。基质对有机物的去除主要通过不溶性有机物的沉降、过滤作用，对可溶性有机物吸附作用的去除。土壤、细砂、粗砂、砾石、碎瓦片或灰渣作为基质时，受表面吸附面积、水力停留时间、出水水质等因素的限制，对COD、BOD5、SS为特征的污染物去除效率具有一定的差别。在进水COD平均浓度分别为251.29mg/L时，煤灰渣基质对有机物具有较好的去除效果［17］。水生植物及自然基质对CODMn去除率见图2。

表1 试验进水当天及4d后CODMn浓度均值和方差分析结果

图2 CODMn去除率

3.2 对TN的去除效果分析7月24日补水后生活污水中的TN值为40.7～45.9mg/L，均值为43.5mg/L，比原水TN值偏大，见表2。研究结果表明，在水力停留时间为5d时，TN去除率达到最大值65.3%。为此，本文水力停留时间取为4d，基质中的TN有一定的残留。

试验进展中对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。试验单元中同时存在大量的硝化细菌和反硝化细菌，氮污染物通过微生物的硝化作用和反硝化作用得以去除［18-19］。试验4d后，生活污水中的TN值明显降低。不同水生植物对TN平均处理率为：千屈菜58%、黄菖蒲69%、芦苇77%、香蒲83%、荷花53%，从处理率来看，不同水生植物间有明显差别，最小为荷花53%，最大为香蒲83%，两者相差30%。可见香蒲和芦苇对生活污水TN的去除率最高（两者相差6%），最低的为千屈菜。氮是植物生长的必需营养元素，香蒲根系能力发达，菖蒲通过自身生长过程实现了对氮污染物良好的去除效果。从方差分析结果来看，不同水生植物间的TN测量值差异显著，说明不同水生植物对污水氮的去除效果差别较大。其中，香蒲与黄菖蒲两者之间的差异均不显著，而两者与其他水生植物间的差异显著。因此，去除废水中TN的适宜水生植物为香蒲、黄菖蒲。试验中5种水生植物对生活污水的TN平均去除率在49%～82%之间，不同水生植物间差异较大。

不同基质对生活污水TN平均处理率为：砂子67%、石子67%、炉灰渣69%、砂子+土66%、石子+土64%、炉灰渣+土68%，从处理率来看，不同基质间无明显差别。从方差分析结果来看，6种基质间的TN均值差异不显著，表明不同基质对生活污水TN的去除无明显差异。基质对总氮的去除作用不强，其净化途径主要依靠反硝化作用和植物的吸收作用，这与梁康［20］等人的研究结果一致。因此，在选择基质时，应遵循材料的易得、高效、廉价及安全无毒等原则。实验中TN去除效率见图3。

表2 7月24日TN值及4d后TN均值和方差分析结果

图3 TN去除率

3.3 对TP的去除效果分析7月24日进水当天，试验装置中TP浓度为8.44～9.13mg/L，均值为8.79mg/L。试验4d后，不同试验装置中TP浓度值均明显降低。从表3可以看出，不同水生植物对TP平均处理率分别为：千屈菜61%、黄菖蒲71%、芦苇76%、香蒲85%、荷花69%。不同水生植物对TP的去除效果差异明显，其中，最小为千屈菜61%，最大为香蒲85%，两者相差24%。香蒲和芦苇对污水TP的去除率高的原因在于两种植物发达的根系与基质交错成网为微生物的生长提供场所，有利于生物膜的形成，促进污水中的磷被微生物吸收利用。从方差分析结果来看，不同水生植物间的TP差异均显著，说明不同水生植物对污水磷的去除效果差别极大。

不同基质对TP的平均去除率为：砂子72%、石子为72%、炉灰渣74%、砂子+土69%、石子+土71%、炉灰渣+土70%，从处理率来看，不同基质间无明显差别。从方差分析结果来看，炉灰渣跟其他基质差异显著，其中，炉灰渣和炉灰渣+土组合基质对污水中TP的去除率最高，其次为石子+土、石子，砂子、砂子+土，主要原因在于炉灰渣中的氧化钙容易和污水中的磷酸盐发生化学反应，形成磷酸钙沉淀，从而有利于水体中磷的去除。人工湿地除磷主要依赖湿地基质、水生植物和微生物三者之间的联合作用，通过一系列复杂的物理、化学以及生物途径实现磷素去除的目的［21］。李龙山等［22］研究发现芦苇和香蒲对污水中总磷的去除率可达到94%～99%，本试验的研究结果与之有一定的差异，这可能由所选湿地植物的种属不同造成。试验中TP去除效率见图4。

表3 试验进水当天及4d后TP浓度均值和方差分析结果

图4 TP去除率

4 结论

基于NBS的自然方法-生态工程结合的校园生活污水处理工艺具有处理设施占地少、造价低、建设费用少和运行成本低等特点。论文选择千屈菜、黄菖蒲、芦苇、香蒲、荷花5种水生植物和砂子、石子、炉灰渣、砂子+土、石子+土、炉灰渣+土6种基质进行生活污水的生态处理试验，借助整合分析法对CODMn、TP、TN的去除效果进行了研究。香蒲对CODMn、TP、TN的平均去除率最高，分别为85%、85%、83%；炉灰渣对CODMn、TP、TN的去除率最高，分别为71%、74%、69%。随着对基于NBS废水生态处理技术研究的不断深入，自然方法-生态工程废水生态处理技术将日趋完善，为稳定、低成本的除去校园生活废水污染物提供技术支持。