趙 培高 巖劉更更

(商洛學(xué)院地理系, 陜西 商洛 726000)

南水北調(diào)中線水源地的水質(zhì)安全,是南水北調(diào)中線工程成效的關(guān)鍵影響因素。 丹江是漢江的一級(jí)支流,是南水北調(diào)中線水資源保障的重要河流之一[1]。 丹江水源地主要位于國(guó)家秦巴山區(qū)集中連片特困地區(qū),經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后,但水質(zhì)保護(hù)任務(wù)艱巨。 這項(xiàng)任務(wù)不僅關(guān)系到地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展,更關(guān)系到南水北調(diào)中線的工程效益,特別是對(duì)華北經(jīng)濟(jì)區(qū)的發(fā)展起到重要影響作用[2]。 然而近年來(lái),該地區(qū)農(nóng)村生活污水對(duì)水資源的污染產(chǎn)生了嚴(yán)重的威脅[3],因此,加強(qiáng)對(duì)南水北調(diào)中線水源地農(nóng)村生活污水的處理工作相當(dāng)緊迫。

人工濕地處理農(nóng)村生活污水具有運(yùn)行成本低、處理效果好等優(yōu)點(diǎn)。 很多學(xué)者針對(duì)人工濕地對(duì)生活污水處理的各個(gè)方面開(kāi)展了大量研究。 霍然研究了濕地在北方地區(qū)凈化污水需強(qiáng)化的因素,表明人工濕地處理污水的主要影響因素是水質(zhì)和氣溫[4]。 聶志丹等人研究了水力負(fù)荷的增加與濕地的去除率呈負(fù)相關(guān),各季節(jié)變化濕地凈化效率分別夏季>秋季>春季>冬季[5]。 韓群在研究人工濕地對(duì)農(nóng)村生活污水灌溉尾水中得出濕地的最佳水力負(fù)荷為0.3 m3/(m2·d),人工濕地增氧、增溫可強(qiáng)化系統(tǒng)處理效率[6]。 但在丹江水源區(qū),針對(duì)人工濕地對(duì)農(nóng)村生活污水凈化效率影響相關(guān)研究還較為缺乏。

竹林關(guān)桃花谷景區(qū)位于南水北調(diào)中線水源區(qū)的核心區(qū)域,是國(guó)家級(jí)水土保持科技示范園。 2012 年,該示范園修建了潛流人工濕地對(duì)園內(nèi)生活的十幾戶農(nóng)戶產(chǎn)生的生活污水進(jìn)行處理。 但截止目前,尚缺乏針對(duì)該地區(qū)農(nóng)村生活污水排放濃度、該濕地運(yùn)行狀態(tài)、處理效率和能力等方面的研究,使得在該地區(qū)開(kāi)展利用濕地處理生活污水等方面的工作缺乏科學(xué)支持。 鑒于此,我們針對(duì)該濕地開(kāi)展了農(nóng)村生活污水處理效率研究,以期為該地區(qū)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)、人工濕地方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化等方面提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域狀況概述

研究區(qū)域位于陜西省商洛市丹鳳縣竹林關(guān)鎮(zhèn)國(guó)家水土保持科技示范園,園區(qū)地處秦嶺南麓中緯中山地帶,屬東南季風(fēng)暖溫帶過(guò)渡性氣候區(qū),四季分明。 冬春多旱,夏秋多雨。 年平均氣溫8 ～14 ℃,年平均降水量700 ～840 mm。 區(qū)域地形復(fù)雜,垂直高度差異大,有明顯的山地立體氣候特點(diǎn)。 竹林關(guān)桃花谷潛流人工濕地修建于2012年,種植的植物為鳶尾。

1.2 樣品采集

考慮到農(nóng)村生活污水在春節(jié)期間排放較大的特點(diǎn),從2017 年2 月19 號(hào)開(kāi)始每7 d 進(jìn)行1 次水樣采集,采用單位時(shí)間計(jì)量體積的方法測(cè)定流量,同時(shí)測(cè)定溫度、pH、溶解氧等指標(biāo),水樣裝入500 ml 的聚乙烯瓶。 實(shí)驗(yàn)水樣種類(lèi)可分為:入水口、高出水口和低出水口(高、低出水口的高差為19 mm)。 總共連續(xù)采集12 次,共計(jì)36 個(gè)水樣樣本。 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用間斷性化學(xué)分析儀(德國(guó))測(cè)定銨態(tài)氮、硝態(tài)氮。 BOD 測(cè)定采用5 日培養(yǎng)法。 COD 的測(cè)量采用高錳酸鉀測(cè)法。 使用R 軟件進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)村污水水質(zhì)狀況

人工濕地的生活污水收集主要是來(lái)自景區(qū)內(nèi)十余住戶的生活污水,污水中除了氮、磷等污染元素外,其他元素含量減少。 從表1 可以看出濕地入口水質(zhì)中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、COD 的含量均已超過(guò)國(guó)家地表水三類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)地表1倍以上[8],已對(duì)丹江水資源產(chǎn)生威脅,對(duì)該地區(qū)生活污水的治理非常必要。

表 1 丹江流域農(nóng)村生活污水水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)Table 1 Parameters of water quality of sewage in Danjiang catchment

2.2 銨態(tài)氮變化分析

從圖1 可以看出,研究期內(nèi)生活污水中銨態(tài)氮的濃度較為穩(wěn)定,潛流人工濕地對(duì)生活污水的銨態(tài)氮去除效率呈波動(dòng)趨勢(shì),高出水口的平均去除率為42.1%,低出水口的平均去除效率為40.7%,反映出潛流人工濕地對(duì)生活污水的去除效果在兩個(gè)濕地間差異較小。

2.3 硝態(tài)氮變化分析

從圖2 可以看出,農(nóng)村生活污水中硝態(tài)氮濃度變化較大,出水中的硝態(tài)氮濃度相對(duì)入水口較為穩(wěn)定。 人工濕地對(duì)生活污水的硝態(tài)氮去除率高低出水口平均值達(dá)到56.1%、41.4 mg/L 和57.2%、36.2 mg/L,去除效果顯著,硝態(tài)氮去除率隨著時(shí)間的變動(dòng)呈增長(zhǎng)趨勢(shì),但變化波動(dòng)較大。 人為排污的不確定性導(dǎo)致了硝態(tài)氮的變化也隨之相應(yīng)地變化波動(dòng)。

2.4 BOD 變化分析

結(jié)合表1 和圖3 可見(jiàn),生活污水的BOD 值沒(méi)有超過(guò)地表水三類(lèi)水的標(biāo)準(zhǔn),這表明污水的BOD 并非該地區(qū)主要的污染物[9]:人工濕地對(duì)生活污水處理效果為20.7%和26.4%,處理效率較低。 從冬季到早春,處理效率很平穩(wěn),在4 月1 日達(dá)到極值。 再到初夏的這個(gè)時(shí)節(jié),處理效率呈下降趨勢(shì),主要是因?yàn)闇囟鹊纳呓档土巳芙庋醯臐舛?導(dǎo)致了BOD 處理能力的下降[10]。

2.5 COD 變化分析

從圖4 可見(jiàn),該人工濕地對(duì)COD 的平均去除率分別為56.1%和57.2%,去除率相近大體在30%-70%波動(dòng)。去除率呈緩慢上升趨勢(shì),后在高去除水平上波動(dòng)。 由于COD 的去除主要靠微生物吸附和代謝作用,適宜的溫度,合適的酸堿度(pH 7.2 ～7.6)和必要的氣體環(huán)境,隨著溫度的上升,從而為微生物的繁殖提供了充足的營(yíng)養(yǎng)和適宜的溫度[11]。 而人工濕地植物的根系又是微生物重要的棲息、附著和繁殖的場(chǎng)所,植物為微生物的吸附生長(zhǎng)提供了更大的表面積[12～14]。 另外該濕地植物中的鳶尾植物的生長(zhǎng)一方面為微生物的生存提供了溫床,另一方面根系本身的作用可能增加了去除效率。

2.6 各去除率的相關(guān)性分析

表2 列出了人工濕地4 種污染物去除效率與影響因素相關(guān)分析結(jié)果。 從表2 可以看出,流速和硝態(tài)氮、BOD、COD 相關(guān)性不強(qiáng),和銨態(tài)氮顯著相關(guān),且存在負(fù)相關(guān)關(guān)系;溫度與銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、BOD、COD 的去除效率無(wú)顯著相關(guān)性。 這與聶志丹等和韓群的研究結(jié)論不一致,可能主要是由于本試驗(yàn)期主要是在冬春,生活污水本身溫度較高,輸入濕地是通過(guò)地下排水管網(wǎng)收集,外界溫度影響有限,造成溫度對(duì)污染物的去除影響不顯著。 溶解氧顯著影響著B(niǎo)OD 的去除效率,而硝態(tài)氮和COD 的去除效率主要受進(jìn)入濕地前污水中的濃度影響。 因此,各污染物的影響因素并不一致,溫度、植物、水力駐留時(shí)間和污染物初始濃度等綜合影響著濕地對(duì)各元素的去除效率。 從濕地處理效率來(lái)看,該潛流人工濕地應(yīng)該加強(qiáng)管理和維護(hù),以便達(dá)到最好的運(yùn)行周期和處理效率。

表 2 污染物去除率與入水濃度和影響因素相關(guān)分析Table 2 Correlation coefficients between purification efficiency of pullutants and environmental factors

4 結(jié)論

本試驗(yàn)基于潛流人工濕地入水和出水銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、BOD 和COD 的濃度進(jìn)行測(cè)定,采用相關(guān)分析法分析了溫度、流速和溶解氧濃度等因素對(duì)上述污染物去除效率的影響,得到了以下主要結(jié)論:南水北調(diào)中線水源地區(qū)丹江流域的農(nóng)村生活污水中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、COD 污染突出,BOD 污染相對(duì)不嚴(yán)重;人工濕地對(duì)農(nóng)村生活污水中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、BOD 和COD 平均去除率分別為40.7%、38.8%、23.5%和56.6%,對(duì)COD 去除效率最好,對(duì)BOD去除效率最差。

影響人工濕地對(duì)4 種污染物凈化效率因素并不相同,濕地內(nèi)水流的溫度與各污染物的去除效率無(wú)關(guān)。 銨態(tài)氮與流速關(guān)系顯著,入水污染物初始濃度與硝態(tài)氮、COD 顯著相關(guān),BOD 主要與溶解氧的關(guān)系最密切。 明確人工濕地對(duì)污染物去除效率的影響因素對(duì)于提高濕地運(yùn)行效率非常有利,并且濕地進(jìn)水濃度變化的大小以及進(jìn)水量也能對(duì)凈化效率產(chǎn)生影響。 總體來(lái)說(shuō),對(duì)潛流人工濕地,入水污染物濃度低、植物密度大、通氣狀況好,則濕地處理污水的效果較好。 由于本研究數(shù)據(jù)時(shí)間較短,下一步研究應(yīng)對(duì)全年濕地運(yùn)行狀況進(jìn)行研究,以便提高人工濕地對(duì)生活污水處理效率,使人工濕地污水處理技術(shù)在該地區(qū)農(nóng)村生活污水處理中得到更好、更廣泛的推廣和應(yīng)用。