人工湿地对农村生活污水净化效率的影响

赵 培高 岩刘更更

(商洛学院地理系, 陕西 商洛 726000)

南水北调中线水源地的水质安全,是南水北调中线工程成效的关键影响因素。 丹江是汉江的一级支流,是南水北调中线水资源保障的重要河流之一[1]。 丹江水源地主要位于国家秦巴山区集中连片特困地区,经济相对落后,但水质保护任务艰巨。 这项任务不仅关系到地区经济社会发展,更关系到南水北调中线的工程效益,特别是对华北经济区的发展起到重要影响作用[2]。 然而近年来,该地区农村生活污水对水资源的污染产生了严重的威胁[3],因此,加强对南水北调中线水源地农村生活污水的处理工作相当紧迫。

人工湿地处理农村生活污水具有运行成本低、处理效果好等优点。 很多学者针对人工湿地对生活污水处理的各个方面开展了大量研究。 霍然研究了湿地在北方地区净化污水需强化的因素,表明人工湿地处理污水的主要影响因素是水质和气温[4]。 聂志丹等人研究了水力负荷的增加与湿地的去除率呈负相关,各季节变化湿地净化效率分别夏季>秋季>春季>冬季[5]。 韩群在研究人工湿地对农村生活污水灌溉尾水中得出湿地的最佳水力负荷为0.3 m3/(m2·d),人工湿地增氧、增温可强化系统处理效率[6]。 但在丹江水源区,针对人工湿地对农村生活污水净化效率影响相关研究还较为缺乏。

竹林关桃花谷景区位于南水北调中线水源区的核心区域,是国家级水土保持科技示范园。 2012 年,该示范园修建了潜流人工湿地对园内生活的十几户农户产生的生活污水进行处理。 但截止目前,尚缺乏针对该地区农村生活污水排放浓度、该湿地运行状态、处理效率和能力等方面的研究,使得在该地区开展利用湿地处理生活污水等方面的工作缺乏科学支持。 鉴于此,我们针对该湿地开展了农村生活污水处理效率研究,以期为该地区农村生活污水处理技术、人工湿地方案设计与优化等方面提供基础数据和科学依据。

1 材料与方法

1.1 区域状况概述

研究区域位于陕西省商洛市丹凤县竹林关镇国家水土保持科技示范园,园区地处秦岭南麓中纬中山地带,属东南季风暖温带过渡性气候区,四季分明。 冬春多旱,夏秋多雨。 年平均气温8 ～14 ℃,年平均降水量700 ～840 mm。 区域地形复杂,垂直高度差异大,有明显的山地立体气候特点。 竹林关桃花谷潜流人工湿地修建于2012年,种植的植物为鸢尾。

1.2 样品采集

考虑到农村生活污水在春节期间排放较大的特点,从2017 年2 月19 号开始每7 d 进行1 次水样采集,采用单位时间计量体积的方法测定流量,同时测定温度、pH、溶解氧等指标,水样装入500 ml 的聚乙烯瓶。 实验水样种类可分为:入水口、高出水口和低出水口(高、低出水口的高差为19 mm)。 总共连续采集12 次,共计36 个水样样本。 实验室内采用间断性化学分析仪(德国)测定铵态氮、硝态氮。 BOD 测定采用5 日培养法。 COD 的测量采用高锰酸钾测法。 使用R 软件进行相关的数据进行统计分析[7]。

2 结果与分析

2.1 农村污水水质状况

人工湿地的生活污水收集主要是来自景区内十余住户的生活污水,污水中除了氮、磷等污染元素外,其他元素含量减少。 从表1 可以看出湿地入口水质中铵态氮、硝态氮、COD 的含量均已超过国家地表水三类标准地表1倍以上[8],已对丹江水资源产生威胁,对该地区生活污水的治理非常必要。

表 1 丹江流域农村生活污水水质指标统计Table 1 Parameters of water quality of sewage in Danjiang catchment

2.2 铵态氮变化分析

从图1 可以看出,研究期内生活污水中铵态氮的浓度较为稳定,潜流人工湿地对生活污水的铵态氮去除效率呈波动趋势,高出水口的平均去除率为42.1%,低出水口的平均去除效率为40.7%,反映出潜流人工湿地对生活污水的去除效果在两个湿地间差异较小。

2.3 硝态氮变化分析

从图2 可以看出,农村生活污水中硝态氮浓度变化较大,出水中的硝态氮浓度相对入水口较为稳定。 人工湿地对生活污水的硝态氮去除率高低出水口平均值达到56.1%、41.4 mg/L 和57.2%、36.2 mg/L,去除效果显著,硝态氮去除率随着时间的变动呈增长趋势,但变化波动较大。 人为排污的不确定性导致了硝态氮的变化也随之相应地变化波动。

2.4 BOD 变化分析

结合表1 和图3 可见,生活污水的BOD 值没有超过地表水三类水的标准,这表明污水的BOD 并非该地区主要的污染物[9]:人工湿地对生活污水处理效果为20.7%和26.4%,处理效率较低。 从冬季到早春,处理效率很平稳,在4 月1 日达到极值。 再到初夏的这个时节,处理效率呈下降趋势,主要是因为温度的升高降低了溶解氧的浓度,导致了BOD 处理能力的下降[10]。

2.5 COD 变化分析

从图4 可见,该人工湿地对COD 的平均去除率分别为56.1%和57.2%,去除率相近大体在30%-70%波动。去除率呈缓慢上升趋势,后在高去除水平上波动。 由于COD 的去除主要靠微生物吸附和代谢作用,适宜的温度,合适的酸碱度(pH 7.2 ～7.6)和必要的气体环境,随着温度的上升,从而为微生物的繁殖提供了充足的营养和适宜的温度[11]。 而人工湿地植物的根系又是微生物重要的栖息、附着和繁殖的场所,植物为微生物的吸附生长提供了更大的表面积[12～14]。 另外该湿地植物中的鸢尾植物的生长一方面为微生物的生存提供了温床,另一方面根系本身的作用可能增加了去除效率。

2.6 各去除率的相关性分析

表2 列出了人工湿地4 种污染物去除效率与影响因素相关分析结果。 从表2 可以看出,流速和硝态氮、BOD、COD 相关性不强,和铵态氮显著相关,且存在负相关关系;温度与铵态氮、硝态氮、BOD、COD 的去除效率无显著相关性。 这与聂志丹等和韩群的研究结论不一致,可能主要是由于本试验期主要是在冬春,生活污水本身温度较高,输入湿地是通过地下排水管网收集,外界温度影响有限,造成温度对污染物的去除影响不显著。 溶解氧显著影响着BOD 的去除效率,而硝态氮和COD 的去除效率主要受进入湿地前污水中的浓度影响。 因此,各污染物的影响因素并不一致,温度、植物、水力驻留时间和污染物初始浓度等综合影响着湿地对各元素的去除效率。 从湿地处理效率来看,该潜流人工湿地应该加强管理和维护,以便达到最好的运行周期和处理效率。

表 2 污染物去除率与入水浓度和影响因素相关分析Table 2 Correlation coefficients between purification efficiency of pullutants and environmental factors

4 结论

本试验基于潜流人工湿地入水和出水铵态氮、硝态氮、BOD 和COD 的浓度进行测定,采用相关分析法分析了温度、流速和溶解氧浓度等因素对上述污染物去除效率的影响,得到了以下主要结论:南水北调中线水源地区丹江流域的农村生活污水中铵态氮、硝态氮、COD 污染突出,BOD 污染相对不严重;人工湿地对农村生活污水中铵态氮、硝态氮、BOD 和COD 平均去除率分别为40.7%、38.8%、23.5%和56.6%,对COD 去除效率最好,对BOD去除效率最差。

影响人工湿地对4 种污染物净化效率因素并不相同,湿地内水流的温度与各污染物的去除效率无关。 铵态氮与流速关系显著,入水污染物初始浓度与硝态氮、COD 显著相关,BOD 主要与溶解氧的关系最密切。 明确人工湿地对污染物去除效率的影响因素对于提高湿地运行效率非常有利,并且湿地进水浓度变化的大小以及进水量也能对净化效率产生影响。 总体来说,对潜流人工湿地,入水污染物浓度低、植物密度大、通气状况好,则湿地处理污水的效果较好。 由于本研究数据时间较短,下一步研究应对全年湿地运行状况进行研究,以便提高人工湿地对生活污水处理效率,使人工湿地污水处理技术在该地区农村生活污水处理中得到更好、更广泛的推广和应用。