王紅玲，王瑞剛，施士爭*，王 磊，黃瑞芳

(1.江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院，江蘇省農(nóng)業(yè)資源保護與利用平臺，江蘇 南京 211153;2.農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護科研監(jiān)測所，天津 300191)

近年來，我國鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村生活污水的排放量不斷 增加，已成為環(huán)境污染的重要來源。據(jù)估算，2010年全國農(nóng)村生活污水年排放總量為270億t，主要分布在人口密集的東部和中部地區(qū)[1]，為避免或減輕污水危害，急需切實有效的凈化處理措施。生物修復(fù)技術(shù)因其安全、高效、低成本、易操作等優(yōu)點，成為污水攔截和凈化的主要措施之一。污水土地處理系統(tǒng)是一種污水生物凈化系統(tǒng)，污水通過灌溉作物、林地或草地得到凈化，其工藝類型主要包括快速滲濾、慢速滲濾、地表漫流、地下滲濾和濕地系統(tǒng)等5種[2]，在國外已得到成熟應(yīng)用[3-4]，具有成本低廉，管理維護簡單，環(huán)境生態(tài)效益好等優(yōu)勢，可供我國農(nóng)村生活污水處理參照[5]。

由于我國土地資源緊張，污水灌溉農(nóng)作物又存在食物安全隱患[6]，因此更應(yīng)關(guān)注利用林地進行污水處理，用于修復(fù)的樹種主要有楊樹、柳樹、桉樹、柑桔、葡萄等[7-8]。其中柳樹因易栽培、生長迅速、適應(yīng)性和耐性強等特性，尤其適用于農(nóng)村生活污水處理，瑞典、丹麥、法國等地均有較成熟的應(yīng)用[9-10]，而國內(nèi)關(guān)于柳樹應(yīng)用于處理污水的報道很少[11]。江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院柳樹研究所保存和選育了豐富的柳樹資源，為我國利用柳樹進行農(nóng)村污水土地處理系統(tǒng)的研究、應(yīng)用及推廣奠定了基礎(chǔ)[12]。為此，本文以自主選育的高生物量灌木柳樹優(yōu)良無性系和鄉(xiāng)土喬木柳腺柳為試驗材料，模擬傳統(tǒng)土地處理系統(tǒng)，構(gòu)建以灌木柳林慢滲帶和腺柳林表流濕地為主體的柳樹特色生活污水處理系統(tǒng)，并開展了其對人工配制污水凈化效果的研究，為我國柳樹土地處理系統(tǒng)凈化農(nóng)村生活污水提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 柳林生活污水處理系統(tǒng)的構(gòu)建

2012年初，在位于蘇州吳中區(qū)西山島金庭鎮(zhèn)某生態(tài)農(nóng)莊內(nèi)營建柳樹生活污水處理系統(tǒng)，占地共計約1 334 m2，由垂直型一、二、三級灌木柳林慢滲帶和腺柳林表流濕地4部分組成。系統(tǒng)呈帶狀，寬6.5 m，三級慢滲帶長分別為35，20，25 m，表流濕地長20 m(如圖1)。慢滲帶中加布管道，帶內(nèi)土深40 cm，底部和管道周邊布石質(zhì)，引導(dǎo)污水經(jīng)過整個林帶;用水泥混凝土砌邊，使過濾帶成為半封閉系統(tǒng)。

用于營建慢滲帶的高生物量灌木柳樹無性系為無性系2413、51-3、2396，以及蘇柳1053和蘇柳2345等，分別為簸杞柳、杞柳、二色柳、銀柳等的雜交后代;表柳濕地因常年處于高水位，采用蘇州西山島種源的腺柳(喬木)插干造林。一級和二級慢滲帶中灌木柳的栽植密度為30 cm×20 cm，三級栽植密度為40 cm×20 cm，表流濕地柳樹栽植密度為50 cm ×40 cm。污水灌溉前，一級、二級和三級柳林長勢基本一致，株高150～200 cm，平均存活率約92%;表流濕地柳樹為喬木柳樹，常年淹水，長勢較弱，株高120 cm左右，存活率約75%。

圖1 柳林生活污水處理系統(tǒng)示意圖

1.2 人工生活污水的配制

參考農(nóng)村實際生活污水濃度，配制灌溉用生活污水，污水中COD質(zhì)量濃度為335 mg/L，TN質(zhì)量濃度為65 mg/L，TP質(zhì)量濃度為23.8 mg/L;其中COD以葡萄糖配制，1 mg/L葡萄糖等同于1 mg/L COD，氮源為NH4Cl(化學(xué)純)，磷源為K2HPO4· 3H2O(化學(xué)純)[13]。生活污水中的N主要是有機氮和銨態(tài)氮為主，在pH低于8的環(huán)境中，銨態(tài)氮所占比例超過90%，故本文以銨態(tài)氮作為主要氮源。

1.3 污水灌溉和取樣方法

污水灌溉從7月17日開始，7月21日止;水樣采集止于22日。試驗開始時，試驗地土壤含水率約為20%，按土壤飽和含水率60%估算(土壤容重約為1.4 g/cm3)，總灌溉量應(yīng)不超過290 t。為防止流速過快影響處理效率，將灌溉速度控制在4～5 t/h，每天7:00開始灌溉，每天連續(xù)灌溉時間不高于12 h，污水在系統(tǒng)內(nèi)停留時間不低于12 h。污水均提前配制，并在發(fā)酵池中停留8～10 h。連續(xù)灌溉5 d，每天灌溉量分別為50，60，60，46，30 t;前3 d為連續(xù)灌溉，后2 d為間斷性灌溉，即灌溉1～2 h，暫停3～4 h。

設(shè)立2種水樣采集方式，一是灌溉期間出水口水質(zhì)實時監(jiān)測，即灌溉期間，從出水口出水開始計時，每3～4 h取樣1次，實時采集各級林地出水口的水樣，7月17日開始，7月21日止;每次采樣間隔5 min，采集3次，作為重復(fù)。二是灌溉期內(nèi)各級水質(zhì)的日變化，即每天7:00采集3級收集池和表流濕地收集池的水樣，7月18日開始，7月22日止;每次在各收集池的3個不同部位采集。

1.4 污水水質(zhì)測定方法

污水水質(zhì)測定參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第4版)進行[14]，具體分析方法為:TN采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法，TP采用過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度光度法，COD采用重鉻酸鉀消解-硫酸亞鐵銨滴定法，N-N采用納式試劑-可見分光光度法。柳樹污水處理系統(tǒng)凈化效率以末端腺柳林表流濕地收集池水質(zhì)和進水水質(zhì)進行計算。

1.5 數(shù)據(jù)分析

對比人工配制污水營養(yǎng)鹽的起始濃度，采用excel 2010對數(shù)據(jù)進行比較分析，得出柳樹污水系統(tǒng)對富營養(yǎng)鹽的凈化效率，并繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌溉期間出水口水質(zhì)連續(xù)變化情況

2.1.1 出水中TN濃度變化情況 經(jīng)過慢滲帶處理后，人工配制的污水中TN的含量出現(xiàn)明顯的降低，第2，3，4，5 d的最后1次取樣時(即第33，56，80，103 h)，第三級慢滲帶出水口TN分別比對照降低了81.5%，53.8%，60.0%和55.4%(如圖2所示)。在5 d的處理過程中，總體呈現(xiàn)出隨著林帶處理級數(shù)的增加，污水中TN的凈化效率也增加。以每天最后1次出水采集樣為例，第2，3，4，5 d第三級慢滲帶出水中TN含量分別是第一級的22.6%，48.4%，27.7%和33.7%。處理第2，3 d時，三級慢滲帶出水口TN含量均小于進水，且同一級慢滲帶不同時間段出水中TN含量變化不明顯;隨著處理天數(shù)的增加，在處理后的第4，5 d，第一級慢滲帶出水中的TN含量均接近或大于進水，第二級中TN含量均小于進水(除第80 h和第90 h)。

2.1.2 出水中TP濃度變化情況 經(jīng)過慢滲帶處理后，人工配制的污水中TP的含量出現(xiàn)明顯的降低，第33，56，80，103 h，第三級慢滲帶出水口TP分別比對照降低了91.6%，91.1%，83.6%和84.9%。在103 h的處理過程中，污水中TP的凈化效率變化不明顯。以每天最后1次出水為例，第2，3，4，5 d第三級慢滲帶出水的TP量分別是第一級出水的30%，17%，22%和23%。同一天同一級柳林濕地不同時間段出水中TP變化不明顯(如圖3所示)。

圖2 3級灌木柳林慢滲帶出水中的TN質(zhì)量濃度

圖3 3級灌木柳林慢滲帶出水中的TP質(zhì)量濃度

2.1.3 出水中COD濃度變化情況 經(jīng)過慢滲帶處理后，人工配制的污水中COD的含量出現(xiàn)明顯的降低，第33，56，80，103 h，第三級慢滲出水口COD分別比對照降低了62.4%，65.4%，73.4%和72.5%。在5 d的處理過程中，總體呈現(xiàn)出隨著慢滲帶級數(shù)的增加，污水中COD的凈化效率也增加。以每天最后1次出水為例，第2，3，4，5 d第三級慢滲帶出水的COD量分別是第一級出水的70.8%，70.7%，38.4%和42.9%。同一天同一級慢滲帶不同時間段出水中COD變化不明顯(如圖4所示)。

圖4 3級灌木柳林慢滲帶出水中COD的質(zhì)量濃度

圖5 3級灌木柳林慢滲帶出水中N?-N的質(zhì)量濃度

2.2 灌溉期內(nèi)各級水質(zhì)的日變化情況及凈化效率

如圖6所示，經(jīng)過三級灌木柳林慢滲帶(垂直型)和腺柳林表流濕地的逐級凈化，其一、二、三級慢滲帶收集池和腺柳林表流濕地收集池水體中TN，TP，COD和N-N的含量逐漸降低，96 h凈化處理后，一、二、三級慢滲帶收集池以及腺柳林表流濕地收集池水體中 TN含量分別為43，36，17，16 mg/L，與對照相比分別降低 33.8%，44.6%，73.8%，75.4%;TP含量分別為3.7，3.0，2.5，0.19 mg/L，與對照相比分別降低84.4%，87.4%，89.5%和99.2%;COD含量分別為76，80，66，34 mg/L，與對照相比分別降低 77.3%，76.1%，80.3%，89.9%;N-N含量分別為0.1，0.15，0.05，0.03 mg/L，與對照相比分別降低84.6%，76.9%，92.3%和95.4%。除TN外，腺柳林表流濕地收集池水體中的TP，COD和N-N含量均達到或優(yōu)于五類水質(zhì)標準[15]，所有指標均優(yōu)于或達到國家準排標準[16]。

圖6 柳樹污水處理系統(tǒng)各級出水水質(zhì)的變化

96 h凈化處理后，整個污水處理系統(tǒng)末端腺柳林表流濕地收集池水體中TN，TP，COD和N-N去除率分別達到75.4%，99.2%，89.9%和95.4%，除TN的去除率隨著處理時間有小幅度降低外，其他指標在96 h的處理時間內(nèi)變化不明顯(如圖7所示)。

圖7 柳樹污水處理系統(tǒng)對人工配制污水的凈化效率

3 討論

污水土地處理系統(tǒng)主要是利用土壤、植物、微生物等相互作用，從土表層到土壤內(nèi)部形成了好氧、缺氧和厭氧的多項系統(tǒng)，使各種污染物質(zhì)在不同的環(huán)境中發(fā)生作用，最終達到去除或削減污染物的目的[2]。污水土地處理系統(tǒng)去除TN，TP，N-N和COD的高效性，與其他傳統(tǒng)工程措施相比最具顯著的優(yōu)勢。

硝化—反硝化脫氮作用、氮素揮發(fā)和作物吸收是土壤—植物系統(tǒng)中氮的主要去除途徑[17-18]。北京某小區(qū)土壤毛細管滲濾系統(tǒng)建成運行6 a的結(jié)果表明，系統(tǒng)對生活污水中有機物、氮和磷的去除率較高，其中NH+4-N去除率大于90%[19]。本文實時監(jiān)測結(jié)果顯示，經(jīng)過灌木柳林慢滲帶處理后，各時間段第三級柳林慢滲帶出水口水體中TN和NH+4-N去除率均超過了53.8%，并呈現(xiàn)出隨著處理級數(shù)的增加，污水的凈化效率也隨之增加的趨勢。日監(jiān)測結(jié)果顯示，5 d連續(xù)灌溉的污水，經(jīng)過3級灌木柳林慢滲帶(垂直型)和腺柳林表流濕地的逐級凈化后，腺柳林表流濕地出水中TN和NH+4-N去除率達到75.4%和95.4%(絕對濃度達到16.0，0.03 mg/L)，對NH+4-N的處理效果更佳。但隨著處理時間的延長，系統(tǒng)對人工污水中TN和NH+4-N的凈化能力有所下降，可能與污水灌溉量大有關(guān)，使柳林土地經(jīng)常處于一個滿水厭氧條件，降低了其好氧處理能力。

污水土地處理系統(tǒng)中磷的去除主要是通過土壤吸附后與土壤中鈣、鋁、鐵等離子發(fā)生沉淀反應(yīng)，被鐵、鋁氧化物吸附去除和植物吸收利用。土地處理系統(tǒng)對TP的去除率幾乎維持在80%以上，最高可達95%，且?guī)缀跛形鬯恋靥幚硐到y(tǒng)常年運行后均未出現(xiàn)磷吸附飽和現(xiàn)象[20-22]。例如，貴州黃壤的實驗工藝中，土壤的固磷和除磷明顯高于其他生物除磷工藝，而且運行較穩(wěn)定[23]。本研究結(jié)果顯示，經(jīng)過5 d連續(xù)污水灌溉后，3級慢滲帶對TP的處理效果均能達到83.6%，且經(jīng)過慢滲帶和表流濕地處理后，5 d的總體去除效果為99.2%(絕對濃度達到0.19 mg/L)，優(yōu)于五類(0.4 mg/L)。這說明本研究構(gòu)建的污水處理系統(tǒng)對TP的處理效果很好，和前人的研究結(jié)果相似[23]。

土地處理系統(tǒng)對有機物，特別對可降解有機物的凈化能力較強，污水中的有機質(zhì)進入土壤后，首先通過過濾、吸附作用被截留下來，然后通過生物氧化作用將其降解。李海軍[24]與澳大利亞科學(xué)與工業(yè)組織(CISCO)對新型滲濾土地處理系統(tǒng)進行的實驗結(jié)果表明:滲濾系統(tǒng)通過土壤的生物、物理、化學(xué)作用，使COD的去除率達到70%;從沈陽西部慢濾系統(tǒng)幾年的運行數(shù)據(jù)看，對 COD的去除率達87.8%[18]。本研究實時監(jiān)測結(jié)果顯示，連續(xù)5 d灌溉的污水，3級慢滲帶(垂直型)對COD處理效果均達到了62.4%;日監(jiān)測也顯示，在經(jīng)過3級慢滲帶和表流濕地的逐級凈化后，表流濕地收集池水體中COD的去除率達到了89.9%。這表明整個柳林污水處理系統(tǒng)對人工污水中COD的處理效果很好，達到并超過了前人報道的凈化效果[19]，但隨著處理時間的延長，其對COD的處理效果有所降低，可能灌溉污水的量太多導(dǎo)致好氧微生物失效有關(guān)。

各級出水口實時監(jiān)測中一級和三級富營養(yǎng)鹽含量比較分析表明，TN和TP的攔截主要集中在第一級，而COD和NH+4-N的攔截在3級慢滲帶中相對比較平均。隨著林帶的延長，富營養(yǎng)鹽去除效率越高，日監(jiān)測結(jié)果顯示二級收集池富營養(yǎng)濃度最高，說明2級柳林慢滲帶不足以滿足此類級別污水濃度的修復(fù)效率，經(jīng)3級柳林慢滲帶處理后，基本能達到或優(yōu)于城鎮(zhèn)二級污水處理廠排放標準，增加下游的腺柳林表流濕地后，基本能達到五類水標準。

4 結(jié)論

3級灌木柳林慢滲帶和腺柳林表流濕地對TN， TP，COD和NH+4-N的的去除率75.4%，99.2%，89.9%，95.4%;對TP和COD的處理效果好于TN和NH3-N;凈化效率總體呈現(xiàn)出隨著柳林處理級數(shù)的增加，污水的凈化效率也增加;整個處理系統(tǒng)在5 d(污水200 t)的處理過程中對水質(zhì)的控制比較穩(wěn)定。

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