李 奕，王宗麗，宋墩福

(1. 萍鄉(xiāng)學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，江西 萍鄉(xiāng)，337055；2.江西環(huán)境工程職業(yè)學(xué)院 林業(yè)學(xué)院，江西 贛州，341000)

隨著我國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，生活污水對周圍環(huán)境水體的負(fù)面影響越來愈嚴(yán)重，而在大部分地區(qū)，生活污水并沒有配套處理設(shè)施，只能直接排放[1-2].由于居民居住分散，管網(wǎng)設(shè)施不完善，技術(shù)手段運(yùn)行管理成本高等缺陷，導(dǎo)致農(nóng)村生活污水處理的推廣有一定的難度[3-4].近年來，人工濕地在農(nóng)村生活污水的應(yīng)用越來越受關(guān)注，它具有運(yùn)行費(fèi)用低、無二次污染、景觀效果良好等優(yōu)點(diǎn)[5-6].人工濕地的核心技術(shù)為潛流式濕地，按水流形式分水平流和垂直流[7].垂直流人工濕地主要優(yōu)點(diǎn)為占地面積小、處理效率高等，在農(nóng)村生活污水處理中具有一定的競爭力.本研究針對江西省地區(qū)農(nóng)村生活污水處理不完善問題，建立垂直流人工濕地選定合適的植物體系，并考察其對生活污水的處理效果.

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 廢水來源

實(shí)驗(yàn)廢水為江西省某農(nóng)村生活污水，生活污水中混入了養(yǎng)殖廢水，具體分析指標(biāo)如表1所示.該村落地址南高北低，污水可順勢自流進(jìn)行收集.收集后的生活污水經(jīng)格柵預(yù)處理后進(jìn)入人工濕地系統(tǒng)，污水量為80 m3/d.

表1 生活污水水質(zhì)

1.2 模擬濕地實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)筒式生態(tài)濕地模擬實(shí)驗(yàn)以選擇最合適的植物種類，實(shí)驗(yàn)植物種類選擇常見的鳳眼蓮、蘆葦和傘草三種.實(shí)驗(yàn)采用4個滾筒，每個滾筒總?cè)莘e為200 L，高90 cm，每個單元按表2一級濕地方式充滿礫石層，作為過濾層，底物連接穿孔管進(jìn)行通風(fēng).其中一個滾筒未種植任何植物作為對照組，另外三個滾筒分別單一種植鳳眼蓮、蘆葦和傘草.滾筒在第一個月內(nèi)以稀釋過的污水作為底物，以建立功能良好的植物體系.在后續(xù)運(yùn)行的一個月內(nèi)，改為以原污水作為底物，水力負(fù)荷設(shè)計(jì)為0.15 m·d-1.

表2 濕地填充介質(zhì)參數(shù)

1.3 中試濕地實(shí)驗(yàn)

通過模擬濕地實(shí)驗(yàn)確定最適的植物種類后，建立兩級垂直流人工濕地進(jìn)行現(xiàn)場中試實(shí)驗(yàn).人工濕地為鋼砼結(jié)構(gòu)，并做防滲處理.一級人工濕地表面積為20 m2，二級人工濕地表面積為10 m2.人工濕地內(nèi)部按表2的方式填充河流礫石，河流礫石具有很高的導(dǎo)水率，為生物膜的形成提供了較好的基礎(chǔ).系統(tǒng)在第一個月內(nèi)處理稀釋后的污水以形成良好的植物體系，在以后的運(yùn)行中處理僅經(jīng)格柵預(yù)處理的生活污水.一級人工濕地設(shè)置2個平行組，依次運(yùn)行，水力負(fù)荷為0.15 m·d-1，處理后的水自流進(jìn)入二級人工濕地，二級人工濕地設(shè)置2組，依次運(yùn)行，水力負(fù)荷為0.15 m·d-1.運(yùn)行4個月后，提高水力負(fù)荷為0.22 m·d-1，以考察系統(tǒng)運(yùn)行性能.

1.4 分析方法

水中TDS指標(biāo)按稱量法[8]進(jìn)行測定，COD、BOD、TKN、NH3—N、TP和SS等指標(biāo)按國家標(biāo)準(zhǔn)[9]進(jìn)行分析.微生物分析采用文獻(xiàn)[10]中所述的DNA提取、PCR擴(kuò)增及焦磷酸測序法完成.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 模擬實(shí)驗(yàn)性能

表3為各組模擬實(shí)驗(yàn)在第2個月內(nèi)的運(yùn)行性能總結(jié).從表3中可以看出，與對照組相比，鳳眼蓮組、蘆葦組和傘草組對各項(xiàng)污染物均有不同程度提高的去除效果.對照組、鳳眼蓮組、蘆葦組和傘草組對COD的平均去除率分別為19.4%、40.5%、39.5%和48.7%，較對照組，鳳眼蓮組、蘆葦組和傘草組的COD平均去除率分別提高了108.8%、103.6%和151.3%.對照組對TKN和NH3—N的去除率很低，分別僅為9.4%和8.7%，鳳眼蓮組和蘆葦組對TKN和NH3—N的去除率也處于較低水平，且基本相當(dāng)，在33.2%～36.9%之間變化.傘草組對TKN和NH3—N的去除率最高，分別達(dá)到59.5%和67.5%.本研究人工濕地對TKN和NH3—N的去除率低于其他類似研究，主要原因在于本研究模擬人工濕地運(yùn)行時間較短，植物根系不足以馴化出穩(wěn)定的硝化菌群.就TP去除而言，可以看出，各組系統(tǒng)對TP的去除率均很低，對照組、鳳眼蓮組、蘆葦組和傘草組出水TP的質(zhì)量濃度分別為(6.2±0.3)、(5.7±0.4)、(5.5±0.5) mg·L-1和(4.9±0.3) mg·L-1，對應(yīng)的TP去除率分別為3.1%、10.9%、14.1%和23.4%，傘草組對TP的去除率高于鳳眼蓮組和蘆葦組.人工濕地對TP的去除率較低是因?yàn)槿斯竦貙P的去除主要通過根系吸收、菌群增殖代謝需求及生物礦化方式來實(shí)現(xiàn)，對TP的去除能力有限，在其他的類似研究中，人工濕地對TP的去除率同樣不高.因此，在本模擬實(shí)驗(yàn)中，傘草組對COD、TKN、NH3—N和TP的去除率均最高，可以確定傘草為本人工濕地系統(tǒng)最適合的植物體系.

表3 模擬實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定運(yùn)行性能

圖1 三組人工濕地在運(yùn)行末期基質(zhì)

2.2 中試實(shí)驗(yàn)性能

基于模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用傘草植物建立兩級垂直流人工濕地，并考察0.15 m·d-1和0.22 m·d-1水力負(fù)荷對系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響.圖2為不同水力負(fù)荷下兩級人工濕地出水有機(jī)物污染質(zhì)量濃度變化情況，圖3為不同水力負(fù)荷下兩級人工濕地對有機(jī)物污染物的去除情況.第1～11周為系統(tǒng)啟動期，從圖3中可以看出，人工濕地出水中各項(xiàng)污染物質(zhì)量濃度隨著運(yùn)行時間的推進(jìn)逐漸降低，出水COD和BOD質(zhì)量濃度在運(yùn)行的第5周基本穩(wěn)定，而TKN和NH3—N出水質(zhì)量濃度穩(wěn)定時間較長，在第11周達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這表明硝化細(xì)菌培養(yǎng)馴化較異氧菌需要更長的時間.系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，當(dāng)人工濕地在0.15 m·d-1的水力負(fù)荷下運(yùn)行時(第12～27周)，一級人工濕地對 COD、BOD、TKN、NH3—N、TDS和SS的平均去除率分別為70.8%、71.2%、53.3%、65.4%、21.1%和55.2%，二級人工濕地對COD、BOD、TKN、NH3—N、TDS和SS的平均去除率分別為65.7%、69.4%、51%、60.8%、38.2%和75%，除TDS和SS指標(biāo)外，其余指標(biāo)的去除率均比一級人工濕地低，一級人工濕地承擔(dān)了有機(jī)污染物的大部分去除.整個系統(tǒng)對上述各項(xiàng)指標(biāo)的平均去除率分別達(dá)到了90%、90.9%、77.1%、86.4%、51.2%和88.8%，各項(xiàng)指標(biāo)出水質(zhì)量濃度分別為(69.9±3.3)、(28.6±1.5)、(8.6±0.7)、(4.2±0.3)、(585.5±104.5) mg·L-1和27.2±3.6 mg·L-1.當(dāng)水力負(fù)荷提高到0.22 m·d-1時(第28～35周)，各項(xiàng)污染物出水質(zhì)量濃度和去除率均有一定的變化.從圖3中可以看出，兩級人工濕地對COD和BOD的去除率略有小幅度的下降，本研究水力負(fù)荷的提高對COD和BOD的去除影響很小，有小幅度下降，分別由90%和90.9%下降至88.6%和89.1%.TKN的去除率也隨水力負(fù)荷的提高而小幅度下降，由77.1%下降至67.9%.但NH3—N的去除率卻隨水力負(fù)荷的提高而呈升高趨勢，這可能與植物根系吸收作用有關(guān)，一級人工濕地對NH3—N的去除率由65.4%提高到69%，二級人工濕地對NH3—N的去除率基本沒變化，Xu et al[15]曾以人工濕地處理農(nóng)村生活污水，得到了類似的變化趨勢.隨著水力負(fù)荷的提高，出水TDS和SS質(zhì)量濃度呈升高趨勢，這表明上升流速的提高的對根系鹽分吸收效果和礫石懸浮物截留效果有一定的負(fù)面影響.

圖2 不同水力負(fù)荷下有機(jī)物污染質(zhì)量濃度變化情況(單位：周)

圖3 不同水力負(fù)荷下系統(tǒng)對有機(jī)物污染的去除情況

3 結(jié) 論

1)兩級傘草垂直流人工濕地應(yīng)用于農(nóng)村生活污水處理中具有一定的可行性，系統(tǒng)對COD、BOD、TKN、NH3—N、TDS和SS的平均去除率分別達(dá)90%、90.9%、77.1%、86.4%、51.2%和88.8%.

2)提高的水力負(fù)荷對系統(tǒng)運(yùn)行性能有一定的負(fù)面影響，較低的水力負(fù)荷更適合于人工濕地的運(yùn)行.