基于污水处理厂尾水深度净化的漂浮植物生态治理工程模式比较研究

徐寸发，刘晓利*，闻学政，孙丽，宋伟，张迎颖，刘海琴，张志勇**

1.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏 南京 210014；2.江苏省农业科学院中心实验室，江苏 南京 210014；3.中国科学院南京土壤研究所，江苏 南京 210008；4.农业农村部长江下游平原农业环境重点实验室，江苏 南京 210014；5.无锡市滨湖区水利局，江苏 无锡 214071

随着我国城镇污水处理厂建设力度加大，其尾水排放量日益增大。由于用地、投资运行资金等因素制约，现阶段我国大多数城镇污水处理厂尾水是通过地表径流直接排入就近河流等受纳水体（赵联芳等，2015）。然而，污水处理厂尾水即使执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准（TN质量浓度15.0 mg·L-1、TP质量浓度 0.5 mg·L-1）排放，尾水中氮、磷的质量浓度仍明显高于《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中的V类标准，其也会对水环境造成二次污染，需进一步的深度处理，以实现尾水回用、减缓水体污染和水资源短缺等目标（徐腊梅等，2010；Bertin et al.，2009）。因此，为减轻污水处理厂尾水排放对地表水造成的污染，在尾水排入受纳水体前进行深度处理以削减或拦截尾水氮、磷等污染物是最为理想的方法。

目前，污水处理厂尾水深度处理常采用活性炭吸附、混凝、沉淀、生物膜等物理、化学、生物法（冯欣欣等，2015；常会庆等，2015；段田莉等，2017），然而这些方法在应用过程中存在投资运行成本高、二次污染、净化效果不大理想等缺陷而制约其广泛应用。因此，寻求低成本、高效果的污水处理厂尾水深度处理工艺尤其重要。水生植物生态修复技术是一种典型的生态处理技术，兼具太阳驱动、环境友好、投资运行成本低廉、可资源化利用等优势，有较强的污染物处理能力和环境、经济、生态效益，已广泛用于各种污水处理（Batty et al.，2013；Wang et al.，2013；Qin et al.，2016）。吴丹等（2015）研究圆币草（Hydrocotyle verticillata）、大聚藻（Myriophyllum aquaticum）、苦草[Vallisneria natans(Lour.)Hara]、黄菖蒲（Iris pseudacorus）等水生植物对污水处理厂尾水的净化效果，发现圆币草和大聚藻提升尾水水质效果更明显；刘海琴等（2018）通过模拟实验比较凤眼莲（Eichhornia crassipes）、水浮莲（Pistia stratiotes）、轮叶黑藻（Hydrilla verticillata）和黄菖蒲（Iris pseudacorus）4种水生植物对同一村镇生活污水处理厂尾水的处理效果，得出凤眼莲和轮叶黑藻是深度净化生活污水处理厂尾水的优势种群；岑璐瑶等（2019）研究不同季节芦苇（Phragmites communis）、风车草（Cyperus alternifolius）、美人蕉（Canna indica）、丝带草（Phalaris arundinacea）和菖蒲（Acorus calamus）处理污水处理厂尾水，结果显示五种水生植物对尾水水质净化效果因季节变化而变化。综合文献报道得知，不同水生植物对污水处理厂尾水中氮、磷等污染物的去除能力有差异，不同生长环境也影响水生植物对尾水的净化作用。同时，水生植物深度净化污水处理厂尾水的研究多集中于室内模拟或室外小试为主的研究，缺乏规模化工程治理的相关研究，尤其是工程模式方面的探索，比如工程规模配置、水生植物、种养方式等方面的差异对尾水水质改善的影响。此外，笔者所在团队前期一直致力于水生植物生态修复各种污染水体的技术研究，尤其是针对漂浮植物的研究取得重要成果，以水葫芦（Eichhornia crassipes）和水浮莲（Pistia stratiotes）为主，已形成漂浮植物“安全控养-机械化收获、加工处置-资源化利用”的成套工程技术体系。因此，本文以规模化构建的单一种养水葫芦，水葫芦、水浮莲组合种养两种三级串联净化塘生态治理工程模式深度净化城镇污水处理厂尾水为研究内容，探索不同治理工程模式对尾水的净化效果，以期获得更优的尾水生态治理工程模式及相关工程参数，并为后续尾水治理提供相关的理论与实践依据。

1 材料与方法

1.1 污水处理厂尾水生态治理工程建设

污水处理厂尾水源自南京市高淳区东坝镇（31°17′28.0″N，119°02′29.3″E）污水处理厂。该污水处理厂采用 A2O工艺处理东坝镇及附近的生活污水，日接纳污水能力为2000 t，尾水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级 A标准排放。试验期间日均处理生活污水1024.5 t。

生态治理工程建设：2015年2—4月利用南京市高淳区东坝镇污水处理厂北侧旁闲置土地构建净化塘，并铺设污水处理厂尾水进水管道；净化塘由三级串联方式组成，总面积8400 m2，总有效容积7500 m3；各级净化塘长度均为105 m，深度均为1.2 m，一级净化塘宽度为25 m，二级、三级净化塘宽度均为27.5 m（图1），在一级净化塘进水口处和三级净化塘出水口处分别安装巴歇尔槽流量计；各级净化塘之间采用夯土或防水土工布方式隔开，底部和岸堤均铺设防水布防止渗漏，出水口设置溢流堰使水深维持1 m。2015年5月底正式持续接入污水处理厂尾水，并于6月初按最佳初始投放量0.60 kg·m-2（张志勇等，2010）的方式投放水葫芦种苗于净化塘进行扩繁，形成单一种养水葫芦三级串联净化塘生态治理工程模式（简称单一种养水葫芦模式），该模式漂浮植物覆盖净化塘水面比例为100%。根据团队前期研究的结果发现，11月后水葫芦生长速率缓慢甚至停滞生长，对水质改善作用小。因此，待水葫芦三级串联净化塘运行一个月后，即6月30日正式开始试验，11月结束，试验结束后及时打捞全部水葫芦上岸进行粉碎-脱水-堆肥处置。由于 2015年试验期间三级和二级净化塘水质差异不明显，2016年变更生态治理工程设计，但净化塘仍采用三级串联方式组成。工程设计变更包括：一是增选了漂浮植物水浮莲；二是缩小净化塘总面积至5355 m2，用防水土工布将原有二级净化塘分隔为等面积的二级、三级净化塘，并在各级净化塘内设置若干单元间断式种养漂浮植物。其中，一级净化塘内设4个种养单元，长和宽分别为25 m和22 m，种养单元间隔约4 m，二级和三级净化塘内分别各设2个，长和宽分别为43 m和13 m，种养单元间隔约8 m（图2）。同年6月初按 0.60 kg·m-2交替投放水葫芦和水浮莲种苗于种养单元扩繁，形成水葫芦、水浮莲组合种养三级串联净化塘生态治理工程模式（简称水葫芦、水浮莲组合种养模式），该模式下漂浮植物覆盖净化塘水面比例为80%，其他同2015年一致。

图1 2015年净化塘示意图Fig.1 The schematic diagram of purification pond in 2015

图2 2016年净化塘示意图Fig.2 The schematic diagram of purification pond in 2016

1.2 样品采集与处理

图3 漂浮植物单位面积生物量和总生物量变化Fig.3 Changes of per unit area biomass and total biomass of floating plant

整个净化塘内2015年设4个水体采样点（W1—W4）和9个植物采样点（P1—P9），如图 1所示；2016年设 4个水体采样点（W1—W4）和 12个植物采样点（H1—H12），如图2所示。试验期内，每隔7天于上午09:00—11:00采集水样，带回实验室及时测定水体总氮（TN）、铵态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）、可溶性磷酸盐（PO43--）和总磷（TP）质量浓度，并现场测定净化塘水体pH和DO质量浓度，同时，每隔15天现场测定植物采样点单位面积植物生物量（鲜质量）。2016年 6—7月连续暴雨天气，污水处理厂被淹，因抢修而停止运行，导致当年7月的试验数据缺失。

1.3 分析方法与数据处理

现场利用YSI测定净化塘水体pH值和DO质量浓度，水体TN、NH4+-N、NO3--N、PO43-和TP质量浓度则利用德国 SEAL AA3连续流动分析仪测定（夏倩等，2012）。漂浮植物单位面积生物量（鲜重）测定：将1 m2内的植株从水中捞起放在筛网上，直至无滴水时称重而得。

各采样点采集3个样品重复测定，最后试验数据结果用平均值±标准偏差表示，数据统计分析应用Excel 2003和SPSS 20.0软件处理，采用单因素方差分析，LSD检验2种生态治理工程模式下净化塘内相关指标的显著性差异，设置P＜0.05为显著性差异，作图使用Origin 8.0软件。

2 结果与分析

2.1 两种不同治理模式下漂浮植物生物量变化

如图3所示，两种不同治理模式下漂浮植物单位面积生物量与总生物产量整体呈上升趋势。2015年采用单一种养水葫芦模式时，一级和二级、三级净化塘内漂浮植物单位面积平均生物量均存在显著性差异（P＜0.05），其平均生物量分别为 25.95 kg·m-2和 18.45 kg·m-2、13.94 kg·m-2；10 月时，一级净化塘漂浮植物单位面积生物量高达 31.71 kg·m-2，约是初始投放量的53倍，总生物量也高到191.0 t。与2015年相比，2016年采用水葫芦、水浮莲组合种养模式时，各级净化塘内漂浮植物单位面积生物量差异不显著（P＞0.05），但漂浮植物生长速率更大；同时，由于试验初期连续暴雨天气、净化塘规模缩小及水浮莲组织密度低于水葫芦等原因导致漂浮植物单位面积生物量与生物总产量明显低于2015年（P＜0.05），漂浮植物最高单位面积生物量和总生物量分别仅有23.35 kg·m-2和90.44 t。

2.2 两种不同治理模式下尾水净化效果

2.2.1 尾水pH和DO变化

如图4a所示，2015年采用单一种养水葫芦模式时，7—11月尾水进水pH值在7.55—8.63之间变化，均值为7.94，净化塘内水体pH值在7.08—8.09之间，均值为7.52，略低于进水pH值，净化塘水体pH值也无显著性差异（P＞0.05）；2016年采用水葫芦、水浮莲组合种养模式时，8—11月进水pH值低于2015年同期，进水pH值仍是高于各级净化塘内水体，其中进水pH值在7.40—7.85之间，均值为7.59，净化塘水体pH值在6.87—7.44之间（均值为7.20）。同时，从图4b可看出，进水DO质量浓度均显著高于净化塘（P＜0.05），各级净化塘DO质量浓度差异较小（P＞0.05）；2015年7—11月净化塘水体 DO质量浓度在 1.87—5.30 mg·L-1之间，均值为 3.64 mg·L-1，显著低于 2016年8—11月净化塘水体DO质量浓度（在3.56—8.17 mg·L-1之间，均值 5.60 mg·L-1）（P＜0.05），这可能是因为2015年漂浮植物100%覆盖水面，高于2016年80%的覆盖度。因此，可以得知两种不同治理模式均降低了尾水pH值和DO质量浓度。

2.2.2 尾水氮、磷浓度变化

尾水氮、磷污染物指标变化如图5所示，试验期内污水处理厂尾水TN、NH4+-N、NO3--N、PO43--和TP质量浓度均呈明显降低趋势。2015年7—11月尾水TN去除率在54.01%—84.73%之间，平均为71.06%；尾水 TN平均质量浓度由进水的 10.62 mg·L-1降至出水的 3.07 mg·L-1，其中出水 TN 最低质量浓度为 2.27 mg·L-1，已接近地表水 V类水标准。2016年8—11月尾水TN去除率则高达88.72%—91.39%，平均为90.37%，高于2015年，但不存在显著性差异（P＞0.05），尾水TN平均质量浓度则是由进水的 13.13 mg·L-1降至出水的 1.26 mg·L-1，出水已优于地表水Ⅳ类水标准。由此可见，水葫芦、水浮莲组合种养模式对尾水TN去除效果明显优于单一种养水葫芦模式。同时，两种不同治理模式对尾水NH4+-N、NO3--N也具有较好的净化效果，但是两种模式之间对其的去除效果均无显著性差异（P＞0.05），2015年和2016年试验期内尾水NO3--N平均去除率分别为71.75%和94.34%，均高于NH4+-N平均去除率（58.15%和53.41%）。

两种不同治理模式对尾水中TP和PO43--也表现出较好去除效果。其中，2015年 7—11月尾水 TP去除率为43.88%—84.99%，平均为68.42%，TP平均质量浓度由进水的 0.43 mg·L-1降至出水的 0.12 mg·L-1，出水已优于地表水V类标准；同年8月尾水 TP去除率最高，出水 TP质量浓度低至 0.06 mg·L-1。2016年8—11月尾水TP去除率在59.73%—79.60%之间，平均为70.53%，与 2015年的去除效果差异不显著（P＞0.05），出水TP平均质量浓度也低至0.12 mg·L-1。同时，2015年生态治理工程对尾水中PO43-的平均去除率为72.50%略低于2016年的78.25%，但其间并无显著性差异（P＞0.05）。因此，说明相比单一种养水葫芦模式，水葫芦、水浮莲组合种养模式并未明显提高尾水磷素的去除效果。

2.3 两种不同治理模式的效能比较分析

图4 尾水pH和DO变化Fig.4 Changes of pH and DO in tail water

图5 尾水TN、NH4+-N、NO3--N、PO43--和TP浓度变化Fig.5 Changes of TN, NH4+-N, NO3--N, PO43- and TP in tail water

根据生态治理工程实践情况，从以下几方面比较分析单一种养水葫芦模式和水葫芦、水浮莲组合种养模式的效能。一是尾水氮、磷削减方面，两种治理模式均具有较好去除污水处理厂尾水氮、磷的能力，水葫芦、水浮莲组合种养模式对尾水TN和TP 平均削减速率分别为 2.27 g·m-2·d-1和 0.05 g·m-2·d-1， 优 于 单 一 种 养 水 葫 芦 模 式 的 0.92 g·m-2·d-1和 0.03 g·m-2·d-1；依据种养面积和处理尾水量得知每种养8—9 m2水葫芦即可将1吨一级A标准尾水水质净化为接近地表Ⅴ类水标准，而每组合种养5—6 m2水葫芦和水浮莲则可达到同等甚至更佳的净化效果。二是生态治理工程规模配置方面，水葫芦、水浮莲组合种养模式在节省工程土地使用的基础上，其对尾水水质提升效果仍好于单一种养水葫芦模式。三是尾水处理量方面，两种治理模式均有日处理1000 t污水厂一级A标准尾水的能力，甚至可以日处理更多尾水量，并保证其净化效果，尤其是水葫芦、水浮莲组合种养模式，该模式尾水经一、二级净化塘后，其TN和TP平均质量浓度已优于地表水V类标准。基于上述效能方面分析，表明水葫芦、水浮莲组合种养模式更适合应用于深度净化污水处理厂尾水。

3 讨论

3.1 生态工程对尾水的净化作用

本试验结果显示，尾水经两种生态治理工程模式深度净化后，尾水DO和pH明显降低，这与王智等（2013）研究发现水葫芦等漂浮植物可降低水体DO和pH的研究结论一致。2016年采用水葫芦、水浮莲组合种养模式时，漂浮植物覆盖净化塘水面比例为80%，并未完全阻碍水体自然复氧及浮游藻类的光合作用，所以净化塘内尾水DO水平明显高于 2015年的单一种养水葫芦模式。而净化塘水体pH降低，这是因为种养水浮莲、水葫芦抑制了水中藻类的光合作用，阻止了水体初级生产者对CO2的利用，同时根系的呼吸作用不断地向水中补充CO2使水体 CO32-含量增加；水葫芦和水浮莲通过吸收水中的NH4+-N，在水中留下H+（Giraldo et al.，2002）；另外，也有研究表明根系附着的厌氧微生物的厌氧发酵会产生大量有机酸，根系也会分泌酸性化感物质，这些都会导致水体pH下降（杨红玉，2006；方云英，2006）。

漂浮植物水葫芦和水浮莲均以其显著的氮、磷去除效果而被应用于污水水体植被修复（Zimmcls et al.，2006；Hanks et al.，2015），其去除水体氮、磷的主要途径除了自身吸收作用外，还可以促进水体的硝化、反硝化过程加强脱氮（高岩等，2012），以及促进水体颗粒态氮、磷沉降与吸附等其他途径对水体脱氮除磷。本研究以城镇污水处理厂一级A标准排放的尾水为净化对象，尾水中氮、磷大部分以溶解态的营养盐形式存在，所以该生态治理工程中水葫芦和水浮莲对尾水中氮素的去除途径主要是自身吸收及微生物的硝化、反硝化作用，而对磷素的去除更多是植物自身吸收作用。同时，有研究发现水葫芦和水浮莲对水体氮、磷的吸收总量随着水体氮、磷浓度的升高而逐渐升高（李猛等，2012；刘旻慧等，2017；张志勇等，2010），这与本研究中随着尾水氮、磷浓度沿水流流程方向降低，漂浮植物对尾水氮、磷削减能力也逐渐随之减弱的结果基本一致。此外，秦红杰等（2016）研究发现水葫芦和水浮莲组合模式净化城市黑臭河道水体的效果较单一漂浮植物更佳，这也与本试验结果类似，即水葫芦、水浮莲组合种养模式对污水处理厂尾水深度净化效果优于单一种养水葫芦种养模式。虽然水葫芦、水浮莲组合种养模式时生态工程占地面积缩小，漂浮植物生物总产量也更少，但其对尾水TN和TP的去除效果更好，尤其是对尾水TN的平均去除率高达90.37%。其主要原因：一是水葫芦、水浮莲组合种养模式时，这两种漂浮植物一直维持较高的生长速率，促进了其对水中氮、磷的吸收；二是水葫芦对水体氮素的吸收作用大于水浮莲，对水体磷素的吸收作用小于水浮莲（Qin et al.，2016），两者之间对水体氮、磷的削减形成了互补协同作用；三是水葫芦、水浮莲组合种养模式时净化塘尾水DO浓度高于单一种养水葫芦模式，在较高的DO浓度下，水生植物净化塘对污水处理效率更高，因为水体中较高的DO浓度可提高系统的氧化性，有利于磷的沉降吸附和化学沉淀，从而促进水体中磷的有效去除（蔡景波等，2007；Song et al.，2007），同时可形成有利于微生物硝化作用和植物吸收硝酸盐的好氧环境，促进水中氮的去除（任文君等，2011）。

然而，尽管两种不同治理模式净化污水处理厂一级A标准尾水效果显著，但其后续的推广应用仍具有局限性和适用性。一是土地方面，两种模式均需要一定工程用地，对于土地资源紧张地区，水葫芦、水浮莲组合种养模式较单一种养水葫芦模式用地更少，更加适合推广应用；二是尾水处理观念方面，目前污水处理厂的尾水水质只要达到相应标准即可排放，而大多地区并未强制性要求尾水进入受纳水域之前需再进一步深度净化；三是对水葫芦和水浮莲认知方面，作为外来入侵物种，因其惊人的扩繁能力而会导致生态毒害，即使具有极强的净水能力也会被大多数人摈弃。但结合本研究的结果，两种治理模式的应用均可达到生态去污和美化环境的双重效果，而从运行成本、去污能力、水域景观及后期植物打捞工程量等方面考虑，水葫芦、水浮莲组合种养模式更加适用于污水处理厂尾水的深度净化。

3.2 生态治理工程良性运行的管理建议

综合 2015—2016年生态治理工程的实践的效果，笔者对工程运行过程中积累的经验及存在的问题进行总结和分析，以便为其他类似工程提供参考。首先，水葫芦和水浮莲均属于快速生长繁殖的漂浮水生植物，投放后短期内即可覆盖试验水面，所以在植物种群密度达到一定程度后需定期打捞，其主要原因：一是防止水体缺氧、影响其他动植物生长；二是种群密度过大，不利于植物快速扩繁及最大幅度吸收水体氮、磷等污染物；三是打捞植物上岸后，水生植物吸收的氮、磷等污染物完全脱离水体，防止二次污染。其次，应结合尾水处理水量和水质目标，选择合适的治理模式和工程匹配规模，以期节省污水治理成本。最后，水葫芦和水浮莲正常生长期主要在6—11月，11月后植物生长缓慢，甚至可能出现负增长，对水质净化效果并不明显，需及时全部打捞上岸，这也导致生态治理工程并不能整年发挥对尾水高效净化功能，因此，应该在冬春低温季节考虑种养耐寒的水生植物，如水芹、黑麦草、西伯利亚鸢尾等，以解决生态治理工程季节衔接问题，保证全年度具有较好的尾水处理效果。

4 结论

通过两种不同生态治理模式深度净化城镇污水处理厂尾水效果的试验结果，可以得出，（1）种养漂浮植物水葫芦和水浮莲降低了尾水 pH和 DO水平，尾水氮、磷浓度沿着水流流程方向逐渐降低，明显地削减了尾水中氮、磷含量。（2）单一种养水葫芦模式对尾水 TN和 TP平均去除率分别为71.06%和 68.42%，平均削减速率分别为 0.92 g·m-2·d-1和 0.03 g·m-2·d-1；水葫芦、水浮莲组合种养模式对尾水TN和TP平均去除率分别为90.37%和 70.53%，平均削减速率分别为 2.27 g·m-2·d-1和0.05 g·m-2·d-1。（3）水葫芦、水浮莲组合种养模式在尾水氮、磷削减能力、工程用地、尾水处理量等效能方面均优于单一种养水葫芦模式，每组合种养5—6 m2即可处理1吨一级A尾水至地表Ⅴ类水标准，更适合应用于深度净化城镇污水处理厂尾水。