孫鵬++崔康平++許為義+++王鄭+++陳鴻漢

摘要：針對湖北省十堰市百二河沿途農家樂污水的水質特點，從當地水質規(guī)劃要求出發(fā)，結合當地實際設計基于分散式生活污水處理方式的人工快滲-人工濕地-復合浮島組合工藝對其進行處理?？疾煸摻M合工藝穩(wěn)定運行過程中對化學需氧量（COD）、總氮（TN）、銨態(tài)氮（NH+4-N）和總磷（TP）的去除效果及各工藝對水體中污染物的去除貢獻率。結果表明，該組合工藝對百二河流域周邊農家樂生活污水處理效果較好，對COD、NH+4-N、TN、TP 的平均去除率分別為86.2%、88.3%、91.1%、89%，系統(tǒng)的抗沖擊能力較強，出水的COD、NH+4-N濃度、TN濃度、TP濃度達到GB3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》的Ⅳ類標準，是一種較好的組合工藝。這為百二河流域地區(qū)處理農家樂生活污水提供了重要的借鑒和參考。

關鍵詞：人工快滲；人工濕地；復合浮島；生活污水；污水處理

中圖分類號：X703文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）06-0519-03

收稿日期：2016-01-15

基金項目：國家水體污染控制與治理科技重大專項（編號：2012ZX07205-002）。

作者簡介：孫鵬（1987—），男，山東海陽人，博士研究生，主要從事水污染控制技術研究。E-mail：piaofeixue_sp@163.com。

通信作者：崔康平，男，博士，教授，主要從事水體污染控制研究。E-mail：cuikangping@163.com。湖北省十堰市百二河作為丹江口水庫重要的匯水河流，其水質是否安全直接威脅到下游作為水源地的百二河水庫及神定河的水質。由于該地區(qū)經濟發(fā)展相對落后，居民環(huán)保意識不強，基礎污水處理設施缺乏，導致百二河沿岸大量農家樂生活污水未經任何處理直接排入河道，同時，按照南水北調中線輸水工程的水質要求，當前該地區(qū)執(zhí)行的污水排放標準與水源區(qū)規(guī)劃目標水質落差很大，該地區(qū)的水污染控制和水質保障形勢非常嚴峻。因此，采取有效措施開發(fā)一種低成本生態(tài)處理系統(tǒng)治理分散的農家樂生活污水對于保障水質的安全十分必要。針對該地區(qū)農家樂生活污水的特點及單一的生態(tài)處理系統(tǒng)效率不高、抗沖擊性較弱等問題，提出人工快滲-人工濕地-復合浮島的組合處理工藝。人工濕地和復合浮島都是目前生態(tài)處理技術領域的研究熱點，具有造價低廉、運行費用低、維護簡單并具有較好的景觀效益等優(yōu)點，已經被廣泛應用在不同水體的治理當中[1-8]。但是由于生態(tài)處理的效果受到植物生長狀況及氣溫等因素影響較大，因此對進水水質和水量的要求較高，而人工快滲處理系統(tǒng)（CRI）采用滲透性能良好的天然介質作為主要滲濾材料代替天然土層，提高了水力負荷的同時使系統(tǒng)抗沖擊性更強、更穩(wěn)定[9-10]。因此，將CRI和生態(tài)處理方法結合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，形成抗沖擊強、處理費用低、處理效果好的協(xié)同處理新工藝，以期為更廣大地區(qū)的水質改善提供實踐經驗和技術支撐。

1材料與方法

1.1試驗工藝設計及水質

本研究采用人工快滲-潛流人工濕地（簡稱SSF）-表面流人工濕地（簡稱FWS）-復合浮島（簡稱AFB）組合工藝進行農家樂污水處理。其中，人工快滲設計尺寸為6座2 m×1 m×2 m的處理池；潛流濕地設計尺寸為15 m×4 m×1.5 m，表面種植菖蒲、美人蕉；表面流濕地設計尺寸為15 m×4 m×1 m，水面種植水蔥、再力花、梭魚草等植物；復合浮島設計尺寸為15 m×4 m×2.5 m，其上種植菖蒲、美人蕉、千屈菜等，下面懸掛有彈性填料和組合填料；設計的HRT為 7 d。組合系統(tǒng)中CRI按照濕干比1 ∶ 5交替運行，濕地系統(tǒng)和復合浮床則是連續(xù)運行。組合工藝流程見圖1。

試驗于2014年4—10月在十堰市百二河流域某地區(qū)沿岸中試基地進行。試驗水體收集于百二河沿途農家樂生活污水，水質水量季節(jié)差異較大。本研究用水的進水質：化學需氧量（COD）130～310 mg/L，總氮（TN）、氨態(tài)氮（NH+4-N）、總磷（TP）濃度分別為15.6～28.5、9.8～19.1、1.4～5.2 mg/L。

1.2數據采集處理與分析

每月采集各處理單元出水水樣4次，分析其中的COD、NH+4-N濃度、TN濃度、TP濃度等理化指標。水質指標TN、TP、NH+4-N濃度和COD的測定根據《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第4版），TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，TP濃度采用鉬酸銨分光光度法，NH+4-N濃度采用納氏試劑分光光度法，COD采用重鉻酸鉀法。試驗數據為“x±s”，采用Excel和SigmaPlot 12.5 軟件進行處理分析。

2結果與分析

2.1水體中COD的變化

系統(tǒng)啟動初期，水質波動較大，主要因為處理初期各部分處理單元內部微生物種類和數量不足，而微生物降解是去除污染物的主要方式。經過1個月左右的啟動運行，各濾層介質中的微生物種類和數量趨于穩(wěn)定，對污染物的降解作用大大增強，同時也提高了生物膜及介質內部的生物絮體對污染物的吸附和截留[11]，系統(tǒng)的出水水質達到穩(wěn)定，開始連續(xù)正常運行。每月采集各處理單元出水4次，本次研究采用5月、8月、10月3個具有相對代表性的時間段進行各單元出水的水質分析。

污水中的COD可以通過微生物降解、植物根際截留、物理吸附等形式去除，其中以微生物降解為主[12-13]。其過程受水溫、溶氧量、微生物種類和數量等因素影響，發(fā)生厭氧溶解、缺氧降解和好氧降解反應。系統(tǒng)進水的COD為163～260 mg/L，水質差異性較大，是由于農家樂經營特點決定的。夏天（8月）人流量最大，導致用水量最大，水質也最差，COD平均為260 mg/L，5月和10月則相差不大，人流量相差不大，此時氣候處于轉折節(jié)點，測得進水的COD平均為178、163 mg/L。由圖2可知，出水的COD為21.67～28.33 mg/L，3個季節(jié)的出水均比較穩(wěn)定，達到GB 388—2002《地表水環(huán)境質量標準》的Ⅳ類標準。5月的去除率為84%，8月最高，達到91%，10月最低，為82.6%?？赡苁怯捎跍囟容^低，微生物活性及植物活性均較其余月份低所致。對各處理單元進行分析可知，CRI對COD的去除貢獻較大，去除率為51%～57%，潛流濕地去除率為11%～19%，表面流濕地為8%左右，復合浮床為12%左右。后續(xù)處理單元的植物和浮床生物膜均長勢較好，復合浮床中填料的設置顯著增加了系統(tǒng)內部微生物的數量和種類，強化了微生物與植物之間的協(xié)同作用，保證了系統(tǒng)出水的穩(wěn)定性，最終得以達標排放。

2.2水體中氮素的濃度變化

氨氮以游離NH3和NH+4形式存在，是有機氮化物氧化分解的第1步產物，是水體受污染的一個重要標志，NH+4-N的去除主要通過揮發(fā)、吸附、植物吸收和微生物硝化作用去除。由圖3可知，系統(tǒng)進水的銨態(tài)氮濃度為12.17～17.03 mg/L，最終出水濃度為1.43～1.77 mg/L。出水濃度達到GB3838—2002《地表水質量標準》的Ⅳ類標準。去除率最低為5月86.2%，最高為8月91.6%。CRI系統(tǒng)的濕干比為1 ∶ 5，具有較高的富氧效率，在基質內部落干期硝化細菌活性高，對銨態(tài)氮具有較高的去除效率，去除率為45%左右。然后進入潛流濕地，經過濕地內部微生物的硝化作用，去除率為22%左右，再經過表流濕地，去除率為13%左右，最后經過復合浮床系統(tǒng)達標排放。試驗過程中，氣候和季節(jié)的變化對表面流濕地影響最大，CRI和潛流濕地因其結構關系受影響較少。

氮素是水生生物必需的營養(yǎng)因素，也是研究認為引起水體富營養(yǎng)化的限制性因素之一[14]。污水中總氮主要以有機氮、銨態(tài)氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的形式存在。研究結果表明，水體中氮素的去除主要靠微生物的硝化-反硝化作用，而污水中參與氮循環(huán)的微生物大量附著在植物根系或者填料位點上，確保了硝化-反硝化的順利進行[15-17]。由圖4可知，試驗初期進水的總氮濃度為18.83～23.33 mg/L，經過CRI、潛流濕地、表面流濕地和復合浮床的處理，最終出水濃度為1.6～1.9 mg/L，出水水質達到GB3838—2002《地表水質量標準》的Ⅳ類標準。整個處理過程中，CRI的處理效率最高，處理率為49.7%～55.4%，8月的處理效率高于5月和10月，這是由于5月和10月溫度相對較8月低，微生物活性相對不強，同時，8月是濕地植物生長最旺盛的季節(jié)，植物體對氮素和磷素的吸收也是生態(tài)法處理過程中重要的環(huán)節(jié)，并且發(fā)達的根系也為微生物提供了豐富的附著位點，使得8月的處理效率最高。污水經過CRI處理后進入潛流濕地過程中，通過濕地植物的吸收和內部硝化菌的硝化-反硝化作用，TN濃度降低了16%左右，后經表流濕地和復合浮島的進一步進化，最終出水達標排放。

2.3水體中TP的濃度變化

污水中磷常見的存在狀態(tài)有磷酸鹽（H2PO4-、HPO4-、PO43-）、聚磷酸鹽和有機磷，聚磷酸鹽在水中能逐漸水解成磷酸鹽。去除污水總磷主要通過植物吸收、基質過濾、吸附、共沉、離子交換和微生物分解來實現(xiàn)。組合工藝對總磷的去除效果見圖5，由圖5可知，系統(tǒng)對總磷的去除率為 87%～92%，進水的總磷濃度為2.6～4.5 mg/L，水質水量隨季節(jié)波動較大，經過各部分工藝處理，最終出水的總磷濃度為 0.34～0.37 mg/L，出水水質達到GB3838—2002《地表水質量標準》的Ⅳ類標準。其中，CRI系統(tǒng)對總磷的去除率最高，平均為43%，潛流濕地平均去除率為17%，復合浮島的去除率為20%左右，表面流濕地去除率最低，可能是因為植物的枯枝落葉在水體中腐爛分解，將磷重新釋放回到水體中。

2.4溫度的變化

試驗的組合工藝對污染水體的凈化主要依靠微生物降解完成，而溫度對植物的生長發(fā)育及微生物的新陳代謝有重要影響，溫度的高低直接決定微生物活性的強弱和數量的多少。因此，在自然狀態(tài)下溫度與系統(tǒng)對污染物的去除率成正相關。溫度較高時，微生物活性強，濕地植物和浮床植物代謝旺盛，對污水的凈化效果明顯比溫度低時要好。有研究表明，當水溫低于 9.2 ℃ 時，浮床植物美人蕉的生長基本處于停滯狀態(tài)[18]。Brdjanovic對微生物與溫度的關系進行了研究，結果發(fā)現(xiàn)如果溫度變化時間較長，則系統(tǒng)內部的微生物群落就會為適應新環(huán)境而進行調整，其群落種類和數量均會發(fā)生變化[19]。Gao研究發(fā)現(xiàn)，異養(yǎng)細菌的生物量表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化[20]。由圖6可知，8月溫度最高，此時微生物活性最強，植物處于代謝旺盛季節(jié)，因此處理效率最高。5月比10月平均氣溫稍高一些，同時5月處于轉暖時期，而10月則相反，氣溫轉涼，因此5月系統(tǒng)的處理效率要優(yōu)于10月。另外，系統(tǒng)運行過程中經歷過幾次較強的降雨、降溫過程，經過檢測雖然去除率有所下降，但都保持在80%以上的去除率，最終出水效果均達到Ⅳ類水標準，說明系統(tǒng)的抗沖擊能力較強。

3結論

CRI/人工濕地/復合浮島組合工藝對百二河沿途農家樂排放生活污水具有很好的處理效果，對COD、NH+4-N、TN、TP 的平均去除率分別為86.2%、88.3%、91.1%、89%，出水的COD、NH+4-N濃度、TN濃度、TP濃度達到了GB3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》的Ⅳ類標準。組合工藝運行過程中，各工藝對水體中污染物的去除貢獻率不同。其中，CRI的去除率最高，對污染物的去除貢獻最大，潛流濕地和復合浮島次之，復合浮島對磷的去除要優(yōu)于潛流濕地，而潛流濕地對氮的去除則優(yōu)于復合浮島，表面流濕地受到環(huán)境影響較大，去除貢獻率在組合工藝中最低。該組合工藝的抗沖擊能力較強，出水水質穩(wěn)定，同時運行維護費用低，管理方便，達到了當地對水質的較高要求，為百二河流域及其他地區(qū)處理農家樂生活污水提供了重要的借鑒和參考。

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