人工湿地处理川西北散户农村生活污水的应用研究

巫小云，谢翼飞，李旭东，王 臣，兰书焕

(1.中国科学院成都生物研究所，中国科学院环境与应用微生物重点实验室，成都 610041；2.眉山市洪雅生态环境监测站，四川 眉山 620010)

引 言

《全国农村环境综合整治“十三五”规划》提到全国仅有22%的建制村生活污水得到处理[1]。农村地区多存在水资源不足、枯水期生态水量短缺，大量的农村生活污水虽经处理，但仍然存在污染临近水体，降低其生态功能等威胁。因此，提高农村生活污水处理效果，缩小出水水质与《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)间差距，补充当地河道生态需水等十分必要。生态环境部部长黄润秋在2021年全国生态环境保护工作会议上指出“农业农村污水治理亟待加强”[2]。逯元堂在第四届环境施治论坛上指出，我国污水处理存在区域不均衡，东部区域污水处理率达34.1%，中部区域为13%，而西部地区仅为12.4%[3]。因此，西部地区农村生活污水处理应给予高度的重视。

川西北生态示范区(简称“示范区”)是四川省重要的生态功能区、生态环境敏感区和生态系统脆弱区，该区地处高原、多数村落居住分散、经济条件落后、污水处理管网修建难度大、污水处理普及率低。该地区昼夜温差较大，冬季温度低且持续时间长，其水污染防治较为薄弱。关于该地区农村生活污水处理的研究鲜有报道，开展区域内农村生活污水处理研究十分必要。近年来，人工湿地被广泛用于农村地区生活污水处理[4-5]，研究表明其对于分散式的低浓度生活污水处理较为适用[6]，但在实际运行过程中面临冬季植物枯萎、容易堵塞而使处理效果变差等难题[7-8]。因此，亟需筛选适应当地环境的耐寒植物以构建经济高效易维护的农村生活污水处理模式。

笔者在调查示范区生活污水水质及处理现状等基础上，以阿坝州茂县十里沟村农户生活污水为研究对象，构建适用于当地散户生活污水处理的景观型人工湿地一体化装置。该系统将经济高效脱氮除磷填料、当地易得的耐低温湿生植物和底部曝气及搭建保温棚等强化措施应用于当地农村生活污水处理中。本研究开展为期7个月的应用示范研究，以期为示范区及此类地区散户农村生活污水处理提供理论及技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域及其生活污水水质

川西北生态示范区指位于四川省西北地区的阿坝州和甘孜州，本文主要对示范区内阿坝州茂县、汶川县和理县的9个镇14个典型村落开展调研(详见图1)，发现该地区仍有许多村落污水收集管网和污水处理设施滞后，污水直排、散排和乱排严重。部分村庄建有污水处理设施，但设施多为闲置或运行效果极差，总氮(TN)和总磷(TP)常有超标，冬季低温条件下出水超标问题尤为凸显。因此，结合该区域实际情况，选择在茂县十里沟村开展散户农村生活污水处理的应用研究。

图1 研究区域及调查点位分布Fig.1 Distribution map of the study area and the research points

本文研究区域生活污水水温可低至1.2℃，当地生活污水水质偏低，具体水质表1所示。

表1 研究区域生活污水水质Tab.1 Water quality of domestic sewage in the study area

1.2 试验装置设计

结合当地的生活污水水质及区域特点，本文因地制宜地提出构建适用于当地散户生活污水处理的景观型人工湿地一体化装置，该装置可灵活安放于庭院前后、建设运行成本低、维护简单，兼顾美学价值，助力美丽乡村建设。

试验装置及基质配置：图2为装置示意图，该装置体积小，质量轻，可置于房前屋后可自由移动，也可地埋入厕所旁。试验装置设计尺寸为1.2 m*0.5 m*0.6 m，设计处理水量为100～200 L/d，运行期间的实际水力负荷为0.3～0.4 m3·(m2·d)-1。装置由进水区、湿地区和出水区三部分构成。化粪池生活污水经过格栅后进入调节池，可通过虹吸或重力自流等方式进入处理装置。湿地系统由下至上填充厚度分别为5 cm(粒径20～40 mm)、10 cm(粒径8～16 mm)的砾石，厚度为35 cm(粒径5～10 mm)的沸石。沸石基质上层覆土10 cm左右。

图2 景观型人工湿地装置示意图Fig.2 Schematic illustration of landscape constructed wetland device

植物选择及配置：2019年1～4月间，考察了西伯利亚鸢尾、白花鸢尾、牛筋草等10种当地可得的湿生植物的越冬情况。在此基础上，确定白花鸢尾、西伯利亚鸢尾和麦冬三种可越冬植物及生物量大、根系发达、耐污能力强的美人蕉作为本研究中湿地系统植物。在沸石基质上层覆土10 cm，其上种植西伯利亚鸢尾、美人蕉、白花鸢尾和麦冬，种植比例1∶1∶1∶1，种植密度为每平方米16块茎。

本研究中所用沸石购自河南巩义市城区德源物资经销部，团队前期的筛选结果表明，该沸石对氨氮等的吸附能力较强，比表面积大，有利于微生物的附着[9-10]。此外，在装置前端1/3底部平铺黑色通气管(直径20 mm)，可通过控制曝气(气水比为10∶1，每3 h曝气1 h)形成富氧区和缺氧区[9]，并于11月中旬在装置上方搭建了PVC透明保温棚，实现了棚内温度提高3～4℃。

2019年6月1日至2020年1月12日间，该装置用于处理十里沟村的实际生活污水，以开展应用示范研究。本研究中以平均气温接近为原则，把6～8月视为此地的夏季，11～1月为冬季。经过近10天的启动，随着微生物、植物等的适应，系统的处理效果逐渐提高并趋于稳定，出水水质基本稳定。

1.3 分析方法

1.3.1 水质指标分析

1.3.2 植物与植物根际指标分析

在2019年11月21日和2020年1月12日，每种植物分别选取3株平均长势的植株，取其适量的根系、叶片，收集根际(直径10 cm，深度5～10 cm)土壤，进行植物生长量、根系活力(TTC还原量)及叶片丙二醛(MDA)含量的测定。植物生长量的测定采用植物鲜重测定法；植物根系活力测定和叶片MDA含量测定参照李合生的《植物生理生化实验原理和技术》测定[15]；土壤脲酶和磷酸酶的测定分别采用苯酚钠—次氯酸钠比色法和磷酸苯二钠比色法[16]。

2 结果与讨论

2.1 COD的去除效果

处理装置正式运行期间对COD的去除效果如图3所示。

图3 运行期间CODCr的去除效果Fig.3 Removal efficiency of CODCr during operation

由图3可知，装置运行期间进水CODCr波动较大(26.08 ～139.15 mg/L)，出水CODCr为5.26～33.45 mg/L，能稳定达到《地表水环境质量标准 GB3838-2002》的Ⅴ类水质标准。夏季，装置对CODCr的去除率为85.07%±2.59%，冬季，CODCr去除率为66.50%±8.83%，平均下降18.57%。冬季处理效果差是人工湿地的公认的缺点之一[17-18]，该系统冬季的处理效果虽有所下降，但仍是较为高效和适用的。湿地净化系统主要通过基质的过滤、吸附、沉淀，景观植物的吸收，微生物的氧化分解等作用去除污水中的CODCr，而温度的降低，导致微生物、植物活性的降低和基质吸附能力的下降。

图4 运行期间的去除效果Fig.4 Removal efficiency of during operation

2.3 TN的去除效果

处理装置正式运行期间对TN的去除效果如图5所示。

图5 运行期间TN的去除效果Fig.5 Removal efficiency of TN during operation

2.4 TP的去除效果

处理装置正式运行期间对TP的去除效果如图6所示。

图6 运行期间TP的去除效果Fig.6 Removal efficiency of TP during operation

由图6可知，装置运行期间进水TP浓度较低(0.27～1.83 mg/L)，出水TP为0.09 ～0.69mg/L，均达到四川省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB51/2626-2019)一级标准，大多可达《地表水环境质量标准 GB3838-2002》的Ⅴ类水质标准。夏季，TP的去除率为65.78%±1.55%，冬季，TP去除率为58.23%±4.89%，平均下降7.55%。磷在湿地中的去除主要依靠基质的吸附及沉淀，除磷能力不足也是人工湿地的普遍缺点之一[25]，且温度的降低会在一定程度上影响基质对磷等的吸附能力[26]。该系统出水TP稳定达标，这说明了其适用于当地农村生活污水的处理。

2.5 污染物去除效果对运行温度的响应

研究区域全年气温最高的夏季(6～8月)平均气温仅为18.0～20.1℃，冬季最低温一般出现在1～2月，低至-5℃左右，2020年1月中旬，实际测得的冬季平均气温为4.2℃(见表2)。

表2 装置运行期间温度变化情况Tab.2 Temperature Changes during Operation of the Installation (℃)

表3 不同温度下沸石对不同浓度氨氮的吸附量Tab.3 The adsorption amount of different concentrations of ammonia nitrogen by zeolite at different temperatures

2.6 不同植物对低温的响应

植物的生长量、根系TTC还原量和叶片MDA常用于表征植物适应环境的能力的重要指标，植物的生长量和TTC还原量越高说明植物适应环境的能力和根系活力越强，低温下MDA含量越低说明其抗寒能力较强。植物根根际基质脲酶、磷酸酶与人工湿地的有机物及氮磷去除存在一定的相关性[31-32]。

美人蕉在寒冷的1月(-3～5℃)来临之前，植株枯萎，白花鸢尾地上部分凋亡。西伯利亚鸢尾、白花鸢尾等在TTC还原量、MDA含量、脲酶和磷酸酶活力等均对冬季低温有所响应，测定结果表4所示。西伯利亚鸢尾的平均生长量最大，低温下其叶片MDA含量最低，TTC还原量仅次于麦冬。低温下，植物根际基质脲酶和磷酸酶活性由强到弱依次为：西伯利亚鸢尾>麦冬>白花鸢尾>美人蕉。这表明，西伯利亚鸢尾适应低温环境的能力较强，根系活力等优势也较为突出。

表4 不同植物在低温下的响应情况Tab.4 Response of different plants at low temperatures

在11月份(4～9℃)，美人蕉的TTC还原量、基质脲酶和磷酸酶活力最高，说明其根系活力和污染物去除潜力较强[31～33]，可考虑美人蕉与西伯利亚鸢尾等搭配种植。Kumwimba等指出，在美人蕉、菖蒲、莎草、西伯利亚鸢尾等6种植物中，美人蕉对氮和磷的去除效果最好[34]。因此，美人蕉与其他植物的组合种植可实现充分发挥美人蕉的净化能力和景观价值，更低温度来临前及时收割其地上部分，根部安全越冬。寒冷的冬季，随美人蕉搭配种植的其他耐寒植物发挥其净化作用和景观价值。

3 结 论

(2)该装置的污水处理规模量为100～200L/d，非常适用于农村地区散户型居民生活污水处理。采用实际生活污水进行应用示范研究，获取连续7个月的污水处理效果数据，验证了所提污水处理技术的适用性。

(3)该处理模式能够提高农户维护的积极性，管理方便，经济实惠，对此类地区散户农村生活污水处理具指导意义和推广价值。该应用研究可助力于改善乡村水生态环境和构建“山水林田湖草”美丽乡村，可为乡村振兴提供良好的技术支持。