快速渗滤和湿地综合系统处理农村生活污水效果分析

粟世华，刘圣锋，吴昌智，方荣杰，郭 攀，卫承芳

（1.桂林市农田灌溉试验中心站，广西 桂林 541105；2.东华理工大学水资源与环境工程学院，南昌 330013；3.桂林理工大学环境科学与工程学院，广西 桂林 541004）

随社会经济的发展，农村地区的水环境问题日渐突出。在农村地区，大部分生活及农业污水被直接排放到河沟或者池塘中，造成了一系列的水体污染和土壤污染等问题。至2015年，中国仍有78%行政村未建设生活污水处理设施［1］。自然界的自净能力已无法处理农村地区日益增加的污水排放量，开发经济合理、技术可行的农村地区生活污水处理技术，对农村地区环境保护和水资源可持续利用有着重要作用。

人工快速渗透系统（Constructed Rapid Infiltra⁃tion System，CRIS）及灌溉-排水-湿地综合管理系统（Wetland Reservoir Sub-Irrigation System，WRSIS）在农村污水处理技术领域得到了广泛关注，被认为是解决农村污水处理问题的可行方法。学者研究了不同填料CRIS对污水的处理效果［2，3］。Hua等［4］和陈华清等［5］研究了CRIS堵塞规律，提出了解决方案；陈佼等［6］模拟低温CRIS运行，得出了提高系统脱氮除磷效果的方法；Chen等［7］提出了分步进料和溢流等措施，优化了CRIS系统的进出水以及净水能力。同时学者对WRSIS进行改良［8，9］。董斌等［10］和燕红等［11］引用并改良WRSIS用于稻田非点源污染治理，发现WRSIS可显著降低水中总氮、总磷的含量。Luckeydoo等［12］运用被动植被恢复法解决了WRSIS的植被恢复问题，取得了显著成效。CRIS和WRSIS的单独研究已趋向成熟，但对CRIS和WRSIS结合处理农村地区生活污水的研究较少。

本研究建立了CRIS和WRSIS综合系统（快速渗滤和湿地综合系统），在桂林市灵川县灵田镇西岸村内进行试验，研究NH3-N、TN、TP和COD的去除效果，分析了各指标的关系，评价影响该系统的主要因素，同时分析系统在枯水期、丰水期和平水期的去污效果，以判断该系统在农村地区的适用程度。旨在为农村的污水处理和水资源循环利用提供参考和借鉴。

1 试验区概况

试验设在桂林市灵川县灵田镇西岸村（N25°04′—25°48′，E110°07′—110°47′）。该地属珠江流域，年平均气温18.7℃，降雨量1 926 mm。共接纳47户176人的生活污水，污水排放量15 840 L/d。污水主要为含洗涤剂污水、垃圾淋滤水和人畜粪尿水等。根据《水和废水监测分析方法》（第四版），在该村集中污水管出口采集各季节水样监测，结果见表1。

表1 污水情况 （单位：mg/L）

从表1可知，其中TN和NH3-N、TP和COD的平均值分别为《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级B类标准和三级标准。

2 材料与方法

2.1 快速渗滤和湿地综合系统建立

快速渗滤和湿地综合系统的设计图1。

由图1可见，生活污水经CRIS预处理，进入WRSIS，在水生植物代谢、吸附以及微生物和基质的协同作用下净化。两个系统采用浆砌砖结合湿地串联，系统建设面积59 m2，污水管道采用埋地直径400 mm水泥管，CRIS分为3个滤池，每个长2.0 m，宽1.0 m，深1.2 m。WRSIS面积53 m2，有效水深0.4～0.8 m，分7个生物塘，每个面积7～8 m2。结合实际情况选择填料和水生植物［13，14］。填料为CRIS滤池1（CRIS 1）鹅卵石、滤池2（CRIS 2）陶粒、滤池3（CRIS 3）河沙。水生植物是生物塘1（WRSIS1）和生物塘2（WRSIS 2）莲藕、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）睡莲。

2.2 采样测定

连续两年（2019年4月至2020年4月）共进行76次水质监测，其中气温为现场测量。设定生活污水停留时间（HRT）为12 d，通过CRIS和WRSIS试验历时12 d。取样按照《中华人民共和国国家环境保护标准》（HJ 493—2009），用500 mL聚乙烯取样瓶采集水样，每个监测指标采样3瓶（共采样12瓶）。水样加入HNO4（优级纯）酸化，使水样pH<2，其中COD和NH3-N测量样还加入少量三氯甲烷。

所有水样在24 h内进行检测分析或4℃冰箱密封保存。测定参照《中华人民共和国国家环境保护标准》，TN用碱性过硫酸钾-消解紫外分光光度法［15］，TP用钼酸铵分光光度法［16］，COD用重铬酸钾法［17］，NH3-N用纳氏试剂分光光度法［18］。

2.3 数据处理

使用Excel 2010软件进行数据处理和计算，使用Origin 2018软件绘图，使用SPSS 24进行数据相关性分析。

3 结果与分析

3.1 NH 3-N去除特征分析

污水NH3-N去除特征见图2。

NH3-N含量较高易转化为亚硝酸盐等，而NH3-N的去除主要靠植物的吸收、吸附和NH3-N挥发，去除率受pH、植被和气温等因素影响［19］。由图2可见，系统输入NH3-N的浓度为40.18 mg/L，污水通过去污池，NH3-N下降。系统中单个去污池的去除率为3.76%～11.96%，其中CRIS为3.76%～6.90%，WRSIS为9.01%～11.96%。WRSIS4（种植美人蕉）去除率最高，为11.96%。其次为WRSIS 1（种植莲藕），为11.36%。出口平均NH3-N为4.83 mg/L，累计去除率为87.75%，水质达到了（GB 18918—2002）的一级A类标准（8 mg/L），达标率为100%。可见，快速渗滤和湿地综合系统对污水NH3-N处理效果明显，经过系统处理后，NH3-N浓度符合城镇污水排放标准。

3.2 TN去除特征分析

污水TN去除特征见图3。

由图3可知，系统中单个去污池的TN去除率为4.14%～10.40%，WRSIS5（种植茭白）去除率最高，为10.40%，其次是WRSIS 1（种植莲藕），去除率为10.00%。CRIS各滤池的去除率为4.14%～5.74%，其中CRIS 2（填料陶粒）去除率最大，为5.74%。WRSIS各生物塘的去除率为6.26%～10.40%，WRSIS 7（种植睡莲）去除率最小，为6.26%。系统对TN的累计去除率为78.88%，出口TN平均浓度为12.49 mg/L，达到了（GB 18918—2002）一级A类标准（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］，系统中水生植物根系能够释放分泌物和氧［21］，为硝化和反硝化作用提供了保障。同时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统对TN的去除。

3.3 TP去除特征分析

污水TP去除特征见图4。

磷是造成水体富营养化的原因［23］。在农村地区，洗涤剂和磷肥造成污水中TP含量超准。由图4可见，快速渗滤和湿地综合系统降低TP效果良好，系统累计去除率达到93.94%，CRIS去除率为15.62%，WRSIS去除率为78.32%，WRSIS 1（种植莲藕）去除率最高，达到15.25%。出口处TP浓度为0.23～0.68 mg/L，平均浓度为0.458 mg/L，达到了GB 18918—2002一级A类标准（0.5 mg/L）。但系统在出口处TP浓度与（GB 18918—2002）一级A类标准限值相差较大，说明该系统对TP的处理能力还有待加强。Zhang等［24］研究不同人工湿地，对TP的去除率约为50%，其中效果好的达到69.8%。Weragoda等［25］采用不同的水生植物人工湿地，TP去除率为88.5%。在系统内增加生物量、合理调整植物结构，有利于提高TP去除率。

3.4 COD去除特征分析

污水COD去除特征见图5。

有氧环境下，水中的有机污染物会被微生物分解为无机盐、二氧化碳等，然后被植物吸收利用，达到除污效果［26］。由图5可见，系统中各去污池COD去除率为4.92%～12.30%，其中WRSIS 2（种植莲藕）去除率最高，达到12.30%，系统累计去除率达到89.24%。出水COD的浓度为23.19～69.06 mg/L，平均浓度为44.52 mg/L，符合（GB 18918—2002）一级A类标准（50 mg/L），COD去除效果明显。张国珍等［27］研究复合垂直流-水平流人工湿地系统处理农村生活污水，COD去除率为61.27%。王逸超等［28］探究耕作型湿地净化村落污水，对COD的去除率为47.3%。快速渗滤和湿地综合系统对COD的去除率较高，在枯水期可缓解农田用水的压力，在丰水期可起到一定的防洪作用。

3.5 监测项目相关分析

用SPSS 24软件对NH3-N、TN、TP、COD的去除率和气温进行Pearson相关性分析，结果见表2。

表2 监测项目的相关系数

由表2可见，5个监测项目（NH3-N、TN、TP、COD和气温）间均属于正相关，其中COD、TN和COD、NH3-N之间存在极显著相关性，说明了COD与TN、NH3-N污染来源相同性较大。NH3-N、TN、TP、COD与气温在0.01水平都极显著正相关，相关系数分别为0.394、0.425，0.452，0.652，说明了NH3-N、TN、TP和COD的去除率受气温条件的影响，COD与气温间存在着强正相关关系，说明了COD的去除效果受气温影响较大。Kaseva［29］研究表明，温暖的气候有利于植物的生长和微生物活性，从而提高污染物去除效率。因此，快速渗滤和湿地综合系统在南方地区的污染物去除率会比北方地区高，同时在寒冷地区建设该系统需种植耐寒水生植物，利于系统正常运行。

3.6 系统在不同时期运行效果

为了解快速渗滤和湿地综合系统在不同时期的除污效果，分析了系统在枯水期（12、1和2月）、丰水期（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，结果见图6。

由图6可见，TN、TP、COD和NH3-N在系统中去除率总体表现为平水期优于丰水期优于枯水期。枯水期与灵川县的冬季（12月22日到次年2月26日）时间吻合，为水生植物枯萎时期，太阳照射相对较弱，气温低，植物光合、代谢和蒸腾作用弱，导致植物净化污水能力减弱。丰水期与当地的春季和初夏吻合，为水生植物成长阶段，生物量不足，未达到茂盛阶段，净化能力一般。平水期与当地夏季末期和秋季初期时间相吻合，期间水生植物生物量大，长势佳，系统净化效果佳，去污能力强。

枯水期降水量较少，污染物浓度较高，导致微生物在枯水期的去除效果受到抑制。潘傲等［30］证明植物的生长情况影响着微生物的丰富度和多样性，进而影响系统的运行效果。枯水期水生植物多处于枯死阶段，系统运行效果减弱，而丰水期和平水期水生植物生长状况良好，有利于系统运行。

系统基质也影响污染物去除效果。由于枯水期污染物浓度较大，系统的水力传导度和溶解氧浓度降低，容易造成基质成块状，进而影响基质去污效果，同时改变附着基质中好氧微生物的活动，降低系统的处理效率。针对枯水期的情况，可以改善系统的水力条件，提高水力传导度和溶解氧，以提高系统的运行效果。

4 结论

1）系统对农村生活污水中的NH3-N、TN、TP和COD去除效果明显，系统去除率分别为87.75%、78.88%、93.94%和89.24%，出水符合（GB 18918—2002）的一级A类标准。可以通过改善系统中的生物量、水生植物种类和种植结构等继续提高系统的去除率。

2）通过Pearson相关分析得知，NH3-N、TN、TP、COD去除率与气温在0.01水平显著正相关，相关系数分别为0.394、0.425，0.452，0.652，说明了NH3-N、TN、TP和COD的去除率受气温影响，高温可提高系统的除污效果。

（3）不同时期，系统对NH3-N、TN、TP和COD的去除效果有一定差距。总体上，系统对NH3-N、TN、TP、COD的去除效果为平水期优于丰水期优于枯水期。在系统种植终年植物及提高水力条件有利于降低不同时期去除率的差异，提高系统去除率。