無動力級聯(lián)生物濾池對山區(qū)村鎮(zhèn)生活污水的凈化效果

韓 陽,董志新,肖乾穎,陸傳豪,胡 磊,朱 波*,汪 濤

無動力級聯(lián)生物濾池對山區(qū)村鎮(zhèn)生活污水的凈化效果

韓 陽1,2,3,董志新1,2,肖乾穎1,2,3,陸傳豪1,2,3,胡 磊1,2,3,朱 波1,2*,汪 濤1,2

(1.中國科學院成都山地災害與環(huán)境研究所,四川 成都 610041；2.中國科學院山地表生過程與生態(tài)調控重點實驗室,四川 成都 610041；3.中國科學院大學,北京 100049)

依據低山丘陵地形,結合生態(tài)凈化原理,構建一套無動力級聯(lián)生物濾池系統(tǒng),通過整年連續(xù)監(jiān)測,研究了四川盆地低山丘陵區(qū)村鎮(zhèn)分散生活污水的排放與級聯(lián)生物濾池的凈化效率及其影響因素.結果表明,村鎮(zhèn)生活排放污水中化學需氧量(COD)、總氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、總磷(TP)的平均濃度分別為147.33, 32.52, 14.39, 3.03mg/L;級聯(lián)生物濾池對COD、TN、TP的平均削減率分別為59.6%, 60.8%, 67.4%,其中級聯(lián)式生物濾池單元是削減污染物的核心,削減率分別為39.1%, 44.1%, 54.1%;級聯(lián)生物濾池對氮磷的削減率呈夏季(秋季)>春季>冬季的季節(jié)特點.級聯(lián)生物濾池的凈化效果主要受污染物進水濃度、溫度、生物量、水力負荷(HL)等影響.因此,后期可通過耐低溫植物補植、雨污分流等強化措施,進一步優(yōu)化削減效果,提升系統(tǒng)的普適性.

生態(tài)凈化；農村；生活污水；氮磷去除；削減率

近年來,過量氮磷輸入導致江河或湖泊富營養(yǎng)化已成為主要環(huán)境問題之一.根據《第一次全國污染源調查公報》[1]、《第三次全國農業(yè)普查》[2]數(shù)據,我國農村地區(qū)每年產生超過9′109t廢水,其中僅有17.4%的村鎮(zhèn)生活污水得到了集中或部分集中凈化,而中西部地區(qū)僅為12.1%.由于缺乏污水凈化設施,大部分農村生活污水未經凈化直接排入附近水域,加劇了地表水體的富營養(yǎng)化和水質惡化[3].因此,選擇適合農村的生活污水凈化措施與工藝已成為十分迫切的問題.

迄今為止,已有生態(tài)工程措施應用于農村生活污水凈化[4-5],如生態(tài)溝渠、人工濕地等生態(tài)凈化技術[5].但這些措施在凈化農村生活污水過程中仍存在大量不足,如出水水質波動大,易受溫度、濕地植物種類和污染物濃度等[6]的影響;下滲濕地的堵塞;沉積物、過濾材料和腐爛植物的二次污染等問題突出,導致生態(tài)凈化方法的推廣應用困難[7].此外,生態(tài)凈化方法盡管在污染物削減和經濟成本方面優(yōu)于污水處理廠,但對土地需求較高,特別是在可利用土地較少的山區(qū)受到限制[8].因此,如何在經濟低廉且減少土地需求的前提下,通過生態(tài)工程的方法凈化山區(qū)村鎮(zhèn)生活污水是一個巨大的挑戰(zhàn).

生物濾池作為污水凈化工程中應用最早且最廣泛的工藝之一[9],其主要依靠自然水體的自凈機制,如曝氧、植物吸收、硝化和反硝化、沉淀、吸附、揮發(fā)等[10],具有工程控制性強、耐沖擊負荷、成本低廉、環(huán)境友好等優(yōu)點[11].但在應用于山區(qū)村鎮(zhèn)生活污水凈化方面仍存在不足,一方面,在低碳氮比(C/N)和低溶解氧(DO)濃度下,大多數(shù)植物不容易長時間存活[12-13];另一方面,流速不穩(wěn)定,生物濾池的凈化能力有限[14].因此,為解決山區(qū)村鎮(zhèn)生活污水凈化問題,利用和改造生物濾池以適用于山區(qū)村鎮(zhèn)變得十分迫切.

本研究選擇長江上游一個典型山區(qū)村鎮(zhèn)作為試驗示范點,建設一套由沉降溝渠、滯留池、跌落曝氧、多級生物過濾無縫鏈接的級聯(lián)生物濾池系統(tǒng).利用水質監(jiān)測結果,評估該系統(tǒng)對山區(qū)村鎮(zhèn)生活污水的凈化性能及其影響因素,為山區(qū)村鎮(zhèn)生活污水生態(tài)凈化工程的建設提供技術支撐.

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

依托位于四川盆地中部的鹽亭縣林山鄉(xiāng)的中國科學院鹽亭紫色土農業(yè)生態(tài)試驗站(105o27′24″E, 31o16′31″N)開展研究.研究區(qū)域屬中亞熱帶濕潤性季風氣候,年平均氣溫17.3℃,年均降雨量836mm,大多數(shù)降雨發(fā)生在6～9月[15].林山鄉(xiāng)村鎮(zhèn)面積約2.32hm2,常駐人口約800人,村民以外出務工為主要收入來源;村鎮(zhèn)餐館、茶坊、商鋪分布較多,每隔2～3d有大規(guī)模的農村集市活動,人流可達3000人左右,集市散場后街道未清掃.每天產生約20～150m3的生活污水,直接排入居民點附近的排水溝渠.

1.2 無動力級聯(lián)生物濾池工藝設計

村鎮(zhèn)生活污水由每戶居民下水管道排入村鎮(zhèn)公路兩旁的自然排水溝渠(雨、污未分流),因此在排水溝末端地勢低洼處建設匯流溝,利用地勢自流匯入測量池(2m′2m′2m),污水排量設置薄壁三角堰(90°)測定[16],測量池污水自流進入前置沉淀單元(U1),沉淀單元溝底鋪設秸稈以增加C/N,并同時沉降顆粒態(tài)污染物;后置一滯留池(4.5m′1.5m′1.5m),以穩(wěn)定進入級聯(lián)生物濾池的污水,隨后污水進入三級級聯(lián)式生物濾池單元(U2).級聯(lián)生物濾池依托山丘區(qū)高程差建設,并由兩棲植物反應濾池(1.5mí 1.5m′1.5m)和同尺寸的水生生物反應濾池從高到低交替銜接,并利用高程差設置自流跌落通道,形成水陸兩棲植物配置與干濕交替的氧化-還原環(huán)境.兩棲植物反應濾池中設置卵石床,篩選根系發(fā)達、喜濕、抗污染、耐修剪且壽命長的小型喬木移植于卵石床生根,并培育成蜂窩網狀結構,增加生物膜附著面積,同時卵石床周圍移植鄉(xiāng)土高富集氮磷水生植物.各級濾池底部均鋪墊碎石、紫色泥巖及活性炭,厚度20cm.系統(tǒng)池體由鋼筋混凝土構筑,依地勢在坡腳建設,避免擠占耕地,建設成本約6000元/m2,處理該村鎮(zhèn)污水需60m2,建設成本遠低于普通生活污水處理廠.無動力級聯(lián)生物濾池結構與工藝如圖1所示.

1.3 系統(tǒng)維護與管理

系統(tǒng)啟動,管理維護也隨之而行.每周清理測量池、沉淀單元中懸浮固體廢物;每3個月從沉淀單元和滯留池中清除累積沉淀物并更換秸稈;每年秋天對生物濾池的介質材料進行更新.同時,系統(tǒng)植物定期進行養(yǎng)護.例如,每年修剪1次生物濾池中的小喬木,以保持下部水生植物光照;每季收割水生植物預防腐爛造成二次污染.及時疏浚清除系統(tǒng)內多余淤泥及雜草,以避免堵塞.

1.4 采樣與分析

沿級聯(lián)生物濾池各單元共設置6個污水凈化采樣點S1～S6(圖1),采樣日期為2019年7月～2020年6月,采樣時間間隔為5d.采樣時使用便攜式多參數(shù)水質分析儀測量采樣點污水的物理化學參數(shù),包括pH值、溫度()等.

水樣采集后立即送回實驗室分析,使用流動分析儀測定濾液硝酸鹽氮(NO3--N)、氨氮(NH4+-N)、正磷酸鹽(PO43--P);采用堿性過硫酸鉀紫外分光光度法、鉬酸銨分光光度法和重鉻酸鹽法測定原始水樣中總氮(TN)、總磷(TP)和化學需氧量(COD)濃度[17];過濾0.45mm樣品的總溶解態(tài)氮(TDN)和總溶解態(tài)磷(TDP)的測定方法同TN、TP.使用TN、TP與TDN、TDP的差值計算顆粒態(tài)氮(PN)、顆粒態(tài)磷(PP)濃度.

圖1 無動力級聯(lián)生物濾池系統(tǒng)示意

1.5 數(shù)據處理與統(tǒng)計分析

使用公式(1)計算污染物的削減率[18].

=(in-out)/in′100%(1)

使用公式(2)計算污染物的削減負荷.

A=(in-out)/′(2)

式中:為污染物削減率, %;in和out分別為級聯(lián)生物濾池中污染物的流入濃度和流出濃度,mg/L;為進水流量,m3/d;為系統(tǒng)面積,m2;A為削減負荷,g/ (m2×d).

采用Canoco 5.0進行冗余分析,SPSS 21軟件進行方差及相關分析,使用顯著水平為0.05表示不同時空污染物濃度之間差異顯著,并采用Origin 9.0、AutoCAD 2014作圖.

2 結果與分析

2.1 山區(qū)村鎮(zhèn)分散生活污水的水質特性

通過1a的連續(xù)監(jiān)測,獲得了典型山區(qū)村鎮(zhèn)排放的生活污水基本理化特性(表1).結果發(fā)現(xiàn),研究區(qū)日排污流量為20～228m3/d;pH值在7.14～8.69之間;DO范圍為0.16～5.85mg/L;COD范圍為53.73～ 513.60mg/L.可見,山區(qū)村鎮(zhèn)生活污水的排放流量、污染物濃度均波動較大,極不穩(wěn)定.

山區(qū)村鎮(zhèn)生活污水的氮磷形態(tài)及濃度監(jiān)測表明,TN、PN、NO3--N和NH4+-N的平均濃度分別為32.52, 10.62, 1.73和14.39mg/L,生活污水氮素污染物主要以NH4+-N形態(tài)存在;C/N平均值僅為4.53,表明該村鎮(zhèn)排放的污水是典型的低C/N污水,不利于污水中氮的削減.生活污水中TP、PP和PO43--P的平均濃度分別為3.03, 1.17和1.86mg/L,PO43--P是生活污水主要磷形態(tài).村鎮(zhèn)生活污水中TN、NH4+-N、TP分別超過(GB3838-2002)[19]Ⅴ類水所規(guī)定濃度的15.30、6.20、6.60倍.

表1 村鎮(zhèn)生活污水的理化特性及其污染物濃度

注:-為標準無規(guī)定;a為《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)[20]一級A標準;b為《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838-2002)[19]Ⅴ類水標準.

2.2 級聯(lián)生物濾池的不同單元對污染物削減

級聯(lián)生物濾池對污染物的削減率列入表2.在監(jiān)測期間,系統(tǒng)對COD平均削減負荷、削減率分別為49.27g/(m2×d), 59.6%;對TN、PN、NO3--N、NH4+-N的平均削減負荷為5.39, 1.96, 0.38, 2.99g/(m2×d),平均削減率分別為60.8%, 91.0%, 74.3%, 66.0%;對TP、PP、PO43--P的平均削減負荷分別為1.24, 0.57, 0.74g/(m2×d),平均削減率分別為67.4%, 88.8%, 63.4%.經系統(tǒng)削減后全年出水水質平均可達到(GB18918-2002)[20]一級B標準.

表2 不同凈化單元對污染物的削減率、削減負荷

其中沉淀單元對PN、PP的削減貢獻最大,削減率達60.2%, 56.3%;三級級聯(lián)式生物濾池單元對COD、NO3--N、NH4+-N、PO43--P的削減效果最好,削減率可高達39.1%, 63.9%, 55.3%, 52.9%.可以看出,無動力級聯(lián)生物濾池不同凈化單元對污染物均有很好的削減效果,但對不同污染物的削減率差異較大(<0.05).

同時,級聯(lián)生物濾池各凈化單元逐步提高了污水DO的含量,S1進口DO含量為2.84mg/L,經沉淀單元后DO含量增加0.82mg/L,經多級生物濾池單元跌落曝氧后DO含量增加2.83mg/L.這說明村鎮(zhèn)生活污水在進入多級生物濾池單元后,自然跌落可以有效地提高污水中DO濃度(圖2).

圖2 不同采樣點DO濃度

2.3 級聯(lián)生物濾池對污染物削減的季節(jié)特征

如圖3所示,系統(tǒng)對NH4+-N的削減率在夏季最高,為89.7%;對PN、PP及PO43--P的削減率在秋季最高,分別為86.4%、93.6%、65.0%.系統(tǒng)夏季對TN的削減率為73.5%,春季、秋季和冬季分別比夏季低28.8%、4.3%和41.2%,且隨氣溫、生物量的增長呈現(xiàn)較好的一致性;秋季對TP的削減率為68.7%,春季、夏季和冬季分別比秋季低23.1%、11.4%和30.1%;對TN和TP的削減率均在冬季最低,分別為32.3%、38.0%,且各季節(jié)間差異顯著(<0.05).

2.4 水力條件對污染物削減的影響

村鎮(zhèn)生活污水日排放量受集鎮(zhèn)活動及降雨的影響,出現(xiàn)較大浮動.據實際運行條件,將系統(tǒng)進水劃分為4級不同水力負荷條件.不同水力條件下系統(tǒng)對污染物削減率如圖4所示.系統(tǒng)在HL1條件下對TN、NO3--N和NH4+-N削減率最高,分別為73.3%, 81.5%, 82.5%;在HL4條件下削減率最低,分別為43.1%、65.4%、46.3%.系統(tǒng)對TN、NO3--N和NH4+-N的削減率與水力負荷均呈現(xiàn)顯著負相關關系, Pearson相關系數(shù)分別為-0.82, -0.94和-0.84(< 0.05).在HL4條件下,系統(tǒng)對TP、PP、PO43--P的削減率最低,分別為47.7%, 59.2%, 44.4%.然而,在水力負荷低于HL4條件下,HL1、HL2和HL3三種水力負荷對TP、PO43--P的削減差異不顯著.僅對PP的削減率與水力負荷呈現(xiàn)顯著負相關關系(2=0.83,<0.05).

不同小寫字母表示不同季節(jié)間生物量、污染物消減率差異達顯著水平(<0.05)

圖4 不同水力負荷氮磷的削減率

不同水力負荷條件HL1<50m3/d;HL2:50～100m3/d;HL3:100～150m3/d;HL4>150m3/d,不同小寫字母表示不同水力負荷條件下污染物消減率差異達顯著水平(<0.05)

3 討論

3.1 級聯(lián)生物濾池凈化效率的主要影響因素

通過冗余分析可知(圖5),污水進水濃度等理化特性及溫度、HL等運行條件解釋了級聯(lián)生物濾池出水水質總變化的70.2%.COD、TN、NH4+-N、TP的出水濃度與級聯(lián)生物濾池的該污染物的進水濃度呈正比,且相關性最大;與溫度、生物量、HL、進水NO3--N濃度、N:P呈反比,且與污染物出水濃度的相關性為:溫度>NO3--N濃度>HL>N: P>生物量.

圖5 出水水質與環(huán)境因子相互關系的冗余分析排序

季節(jié)間系統(tǒng)對污染物的削減差異主要體現(xiàn)在溫度的顯著變化.研究表明,在氣溫高于8℃,系統(tǒng)出水水質可達(GB18918-2002)[20]一級B標準;低于8℃,系統(tǒng)出水水質未能達標排放(圖6).一方面,溫度對系統(tǒng)中硝化、反硝化細菌的活性有影響[21],從而影響系統(tǒng)的硝化-反硝化能力;硝化細菌與反硝化細菌最適溫度為25～30℃[14],這與當?shù)叵募镜臏囟认嗨?有利的溫度條件提高了系統(tǒng)硝化-反硝化能力;另一方面,溫度亦影響著系統(tǒng)高富集氮磷水生植物的生長,進而影響植物對氮磷的吸收[22].因此,在氣溫較高的夏季,適宜的溫度為微生物氧化還原作用及植物吸收利用提供了有利條件,從而使級聯(lián)生物濾池達到較好的脫氮效果.

另外,HL對級聯(lián)生物濾池出水也有較大影響.在較低水力負荷(HL<50m3/d)時,系統(tǒng)對氮磷的削減率較高,分別為73%、60%.在有植被覆蓋的凈化系統(tǒng)中,較低的HL有利于氮素與空氣的接觸,利于硝化反應以提高對氮的削減[23].此外,較低的HL有效增加了污水滯留時間,利于系統(tǒng)對顆粒態(tài)污染物的沉降截留[24],這也提高了系統(tǒng)對磷的截留能力.在本研究中,當HL<100m3/d時,系統(tǒng)有利于氮素與空氣、植物根系的接觸,促進系統(tǒng)植物對氮素的吸收、沉降截留及硝化作用,使得出水水質達標排放;當100m3/d< HL<150m3/d時,系統(tǒng)出水主要受集鎮(zhèn)活動增加排污的影響而未能達標排放;HL>150m3/d時,出水水質因主要受降雨稀釋影響而達標排放.因此,系統(tǒng)出水達標排放的最大HL為100m3/d,這普遍適用于山區(qū)村鎮(zhèn)生活污水的凈化.

除溫度和HL對污染物削減的影響以外,還有很多因素也可能影響級聯(lián)生物濾池削減污染物的效率,包括植物種類、基質材料、后期維護等[23-25].植物在級聯(lián)生物濾池中發(fā)揮著重要作用,不僅直接吸收氮磷等污染物,而且可通過根系分泌物等改變水體中的污染物濃度、DO、pH值及有機碳等[26].基質材料,如黏土和生物炭等[18],根據材料的吸附能力,除磷效率也不同[27].

3.2 級聯(lián)生物濾池的系統(tǒng)優(yōu)化與效益分析

盡管級聯(lián)生物濾池對氮磷的削減已表現(xiàn)出較好的潛力,但仍需加強管理,解決在低溫和雨污混雜等條件下系統(tǒng)面臨削減率降低的問題.例如,及時清淤疏浚、更新介質、收割植物等措施均保證了系統(tǒng)的長期可持續(xù)運行.為保證生物濾池低溫正常運行,必須引入能適應低溫生長的植物以彌補低溫條件下削減率較差的缺陷[14].伊樂藻、微齒眼子菜、菹草、竹葉眼子菜等[28]冬季生長旺盛,可以滿足級聯(lián)生物濾池冬季對氮磷污染物的高效削減.同時,應合理利用山區(qū)自然溝渠,改造或實行雨污分流等[29]組合調控措施,亦可進一步提高級聯(lián)生物濾池對村鎮(zhèn)生活污水的凈化能力.

我國現(xiàn)階段污水處理設施的建設運行是基于政府財政支持,但由于運行和維護成本較高,農村地區(qū)污水處理設施較難維持長期的運行管理[30].因而,農村地區(qū)污水處理設施的建設運行成本是影響推廣的一個重要因素.據四川省相關規(guī)定,生活污水在直接排放的情況下,排污業(yè)主需繳納污染稅2.8元/t[31].無動力級聯(lián)生物濾池系統(tǒng)的建設成本約36萬元,維護運行成本約為0.08 元/t,遠低于其他生態(tài)凈化系統(tǒng)[32].同時,處理后的污水用于農田灌溉亦可實現(xiàn)部分環(huán)境效益.雖然該效益是中水回用取代自來水成本計算的間接效益,但長期運行的效益遠高于繳納污染稅.可見,該研究驗證了級聯(lián)生物濾池系統(tǒng)作為一種無動力、立體化的生態(tài)凈化技術在長江上游山區(qū)農村應用的有效性,為從根本上解決長江上游農村分散式生活污水提供了一定的技術支撐.

4 結論

4.1 山區(qū)村鎮(zhèn)排水雨污混雜,其流量、濃度極不穩(wěn)定,且受村鎮(zhèn)人口流動和降雨特性的影響.污水中COD、TN、NH4+-N、TP均遠超(GB3838-2002)Ⅴ類水標準,且以NH4+-N、PO43--P為主.無動力級聯(lián)生物濾池對山區(qū)村鎮(zhèn)生活污水COD、TN、TP的平均削減率分別為59.6%、60.8%、67.4%;經系統(tǒng)削減后全年出水平均可達標排放.

4.2 無動力級聯(lián)生物濾池有效削減村鎮(zhèn)生活污水氮磷污染主要受污染物進水濃度、溫度、生物量、HL等影響,溫度>8℃或HL<100m3/d時,系統(tǒng)出水水質可達標排放.無動力級聯(lián)生物濾池作為一種較完善的農村分散式生活污水處理技術,可在類似地區(qū)以較低成本構建并運行,對于長江上游地區(qū)乃至我國山區(qū)農村生活污水的治理都具有一定的推廣價值.

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致謝：本實驗的現(xiàn)場采樣工作由中國科學院鹽亭紫色土農業(yè)生態(tài)試驗站等工作人員協(xié)助完成,在此表示感謝.

Purification effect of non-dynamic cascading bio-filter on domestic sewage in a mountainous village.

HANYang1,2,3, DONG Zhi-xin1,2, XIAO Qian-ying1,2,3, LU Chuan-hao1,2,3, HU Lei1,2,3, ZHU Bo1,2*, WANG Tao1,2

(1.Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China；2.Key Laboratory of Mountain Surface Processes and Ecological Regulation, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China；3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)., 2021,41(5)：2232～2239

The present study investigated the performances of a set of non-power cascade bio-filter system constructed based on the low mountains and hills terrain on rural sewage. A continuous one-year monitoring of the performances of this system had been carried out in the typical rural village in low mountainous areas of the Sichuan Basin. The results showed that the average concentrations of chemical oxygen demand (COD), total nitrogen (TN), ammonium nitrogen (NH4+-N) and total phosphorus (TP) in the rural domestic sewage were 147.33, 32.52, 14.39 and 3.03mg/L, respectively. The average removal efficiencies of COD, TN and TP in the cascading bio-filter were 59.6%, 60.8% and 67.4%, with the multi-stage bio-filter units being 39.1%, 44.1% and 54.1%, respectively. The seasonal reduction rates of TN and TP were in the order of summer (autumn) > spring > winter. Influent concentrations, air temperature, plant biomass and hydraulic loading (HL) were regulators of the purification efficiency. Thus, the low-temperature-resistant plants and rain-sewage separation in the later stage to optimize purifying efficiency and improve the general applicability were recommended to improve domestic sewage purification to protect water environment in mountainous villages of the upper reaches of the Yangtze River.

ecological purification；rural area；domestic sewage；nitrogen and phosphorus removal；removal efficiencies

X703

A

1000-6923(2021)05-2232-08

韓 陽(1996-),男,四川巴中人,中國科學院大學碩士研究生,主要從事山區(qū)面源污染控制.

2020-10-12

四川省環(huán)境治理與生態(tài)保護重大科技專項(2018SZDZX0025); 四川省科技計劃項目(21DYF3176)

* 責任作者, 研究員, bzhu@imde.ac.cn