巫小云，謝翼飛，李旭東，王 臣，蘭書煥

(1.中國科學(xué)院成都生物研究所，中國科學(xué)院環(huán)境與應(yīng)用微生物重點實驗室，成都 610041；2.眉山市洪雅生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，四川 眉山 620010)

引 言

《全國農(nóng)村環(huán)境綜合整治“十三五”規(guī)劃》提到全國僅有22%的建制村生活污水得到處理[1]。農(nóng)村地區(qū)多存在水資源不足、枯水期生態(tài)水量短缺，大量的農(nóng)村生活污水雖經(jīng)處理，但仍然存在污染臨近水體，降低其生態(tài)功能等威脅。因此，提高農(nóng)村生活污水處理效果，縮小出水水質(zhì)與《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)間差距，補充當(dāng)?shù)睾拥郎鷳B(tài)需水等十分必要。生態(tài)環(huán)境部部長黃潤秋在2021年全國生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作會議上指出“農(nóng)業(yè)農(nóng)村污水治理亟待加強”[2]。逯元堂在第四屆環(huán)境施治論壇上指出，我國污水處理存在區(qū)域不均衡，東部區(qū)域污水處理率達(dá)34.1%，中部區(qū)域為13%，而西部地區(qū)僅為12.4%[3]。因此，西部地區(qū)農(nóng)村生活污水處理應(yīng)給予高度的重視。

川西北生態(tài)示范區(qū)(簡稱“示范區(qū)”)是四川省重要的生態(tài)功能區(qū)、生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)和生態(tài)系統(tǒng)脆弱區(qū)，該區(qū)地處高原、多數(shù)村落居住分散、經(jīng)濟(jì)條件落后、污水處理管網(wǎng)修建難度大、污水處理普及率低。該地區(qū)晝夜溫差較大，冬季溫度低且持續(xù)時間長，其水污染防治較為薄弱。關(guān)于該地區(qū)農(nóng)村生活污水處理的研究鮮有報道，開展區(qū)域內(nèi)農(nóng)村生活污水處理研究十分必要。近年來，人工濕地被廣泛用于農(nóng)村地區(qū)生活污水處理[4-5]，研究表明其對于分散式的低濃度生活污水處理較為適用[6]，但在實際運行過程中面臨冬季植物枯萎、容易堵塞而使處理效果變差等難題[7-8]。因此，亟需篩選適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的耐寒植物以構(gòu)建經(jīng)濟(jì)高效易維護(hù)的農(nóng)村生活污水處理模式。

筆者在調(diào)查示范區(qū)生活污水水質(zhì)及處理現(xiàn)狀等基礎(chǔ)上，以阿壩州茂縣十里溝村農(nóng)戶生活污水為研究對象，構(gòu)建適用于當(dāng)?shù)厣羯钗鬯幚淼木坝^型人工濕地一體化裝置。該系統(tǒng)將經(jīng)濟(jì)高效脫氮除磷填料、當(dāng)?shù)匾椎玫哪偷蜏貪裆参锖偷撞科貧饧按罱ū嘏锏葟娀胧?yīng)用于當(dāng)?shù)剞r(nóng)村生活污水處理中。本研究開展為期7個月的應(yīng)用示范研究，以期為示范區(qū)及此類地區(qū)散戶農(nóng)村生活污水處理提供理論及技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域及其生活污水水質(zhì)

川西北生態(tài)示范區(qū)指位于四川省西北地區(qū)的阿壩州和甘孜州，本文主要對示范區(qū)內(nèi)阿壩州茂縣、汶川縣和理縣的9個鎮(zhèn)14個典型村落開展調(diào)研(詳見圖1)，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)仍有許多村落污水收集管網(wǎng)和污水處理設(shè)施滯后，污水直排、散排和亂排嚴(yán)重。部分村莊建有污水處理設(shè)施，但設(shè)施多為閑置或運行效果極差，總氮(TN)和總磷(TP)常有超標(biāo)，冬季低溫條件下出水超標(biāo)問題尤為凸顯。因此，結(jié)合該區(qū)域?qū)嶋H情況，選擇在茂縣十里溝村開展散戶農(nóng)村生活污水處理的應(yīng)用研究。

圖1 研究區(qū)域及調(diào)查點位分布Fig.1 Distribution map of the study area and the research points

本文研究區(qū)域生活污水水溫可低至1.2℃，當(dāng)?shù)厣钗鬯|(zhì)偏低，具體水質(zhì)表1所示。

表1 研究區(qū)域生活污水水質(zhì)Tab.1 Water quality of domestic sewage in the study area

1.2 試驗裝置設(shè)計

結(jié)合當(dāng)?shù)氐纳钗鬯|(zhì)及區(qū)域特點，本文因地制宜地提出構(gòu)建適用于當(dāng)?shù)厣羯钗鬯幚淼木坝^型人工濕地一體化裝置，該裝置可靈活安放于庭院前后、建設(shè)運行成本低、維護(hù)簡單，兼顧美學(xué)價值，助力美麗鄉(xiāng)村建設(shè)。

試驗裝置及基質(zhì)配置：圖2為裝置示意圖，該裝置體積小，質(zhì)量輕，可置于房前屋后可自由移動，也可地埋入廁所旁。試驗裝置設(shè)計尺寸為1.2 m*0.5 m*0.6 m，設(shè)計處理水量為100～200 L/d，運行期間的實際水力負(fù)荷為0.3～0.4 m3·(m2·d)-1。裝置由進(jìn)水區(qū)、濕地區(qū)和出水區(qū)三部分構(gòu)成?；S池生活污水經(jīng)過格柵后進(jìn)入調(diào)節(jié)池，可通過虹吸或重力自流等方式進(jìn)入處理裝置。濕地系統(tǒng)由下至上填充厚度分別為5 cm(粒徑20～40 mm)、10 cm(粒徑8～16 mm)的礫石，厚度為35 cm(粒徑5～10 mm)的沸石。沸石基質(zhì)上層覆土10 cm左右。

圖2 景觀型人工濕地裝置示意圖Fig.2 Schematic illustration of landscape constructed wetland device

植物選擇及配置：2019年1～4月間，考察了西伯利亞鳶尾、白花鳶尾、牛筋草等10種當(dāng)?shù)乜傻玫臐裆参锏脑蕉闆r。在此基礎(chǔ)上，確定白花鳶尾、西伯利亞鳶尾和麥冬三種可越冬植物及生物量大、根系發(fā)達(dá)、耐污能力強的美人蕉作為本研究中濕地系統(tǒng)植物。在沸石基質(zhì)上層覆土10 cm，其上種植西伯利亞鳶尾、美人蕉、白花鳶尾和麥冬，種植比例1∶1∶1∶1，種植密度為每平方米16塊莖。

本研究中所用沸石購自河南鞏義市城區(qū)德源物資經(jīng)銷部，團(tuán)隊前期的篩選結(jié)果表明，該沸石對氨氮等的吸附能力較強，比表面積大，有利于微生物的附著[9-10]。此外，在裝置前端1/3底部平鋪黑色通氣管(直徑20 mm)，可通過控制曝氣(氣水比為10∶1，每3 h曝氣1 h)形成富氧區(qū)和缺氧區(qū)[9]，并于11月中旬在裝置上方搭建了PVC透明保溫棚，實現(xiàn)了棚內(nèi)溫度提高3～4℃。

2019年6月1日至2020年1月12日間，該裝置用于處理十里溝村的實際生活污水，以開展應(yīng)用示范研究。本研究中以平均氣溫接近為原則，把6～8月視為此地的夏季，11～1月為冬季。經(jīng)過近10天的啟動，隨著微生物、植物等的適應(yīng)，系統(tǒng)的處理效果逐漸提高并趨于穩(wěn)定，出水水質(zhì)基本穩(wěn)定。

1.3 分析方法

1.3.1 水質(zhì)指標(biāo)分析

1.3.2 植物與植物根際指標(biāo)分析

在2019年11月21日和2020年1月12日，每種植物分別選取3株平均長勢的植株，取其適量的根系、葉片，收集根際(直徑10 cm，深度5～10 cm)土壤，進(jìn)行植物生長量、根系活力(TTC還原量)及葉片丙二醛(MDA)含量的測定。植物生長量的測定采用植物鮮重測定法；植物根系活力測定和葉片MDA含量測定參照李合生的《植物生理生化實驗原理和技術(shù)》測定[15]；土壤脲酶和磷酸酶的測定分別采用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法和磷酸苯二鈉比色法[16]。

2 結(jié)果與討論

2.1 COD的去除效果

處理裝置正式運行期間對COD的去除效果如圖3所示。

圖3 運行期間CODCr的去除效果Fig.3 Removal efficiency of CODCr during operation

由圖3可知，裝置運行期間進(jìn)水CODCr波動較大(26.08 ～139.15 mg/L)，出水CODCr為5.26～33.45 mg/L，能穩(wěn)定達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) GB3838-2002》的Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。夏季，裝置對CODCr的去除率為85.07%±2.59%，冬季，CODCr去除率為66.50%±8.83%，平均下降18.57%。冬季處理效果差是人工濕地的公認(rèn)的缺點之一[17-18]，該系統(tǒng)冬季的處理效果雖有所下降，但仍是較為高效和適用的。濕地凈化系統(tǒng)主要通過基質(zhì)的過濾、吸附、沉淀，景觀植物的吸收，微生物的氧化分解等作用去除污水中的CODCr，而溫度的降低，導(dǎo)致微生物、植物活性的降低和基質(zhì)吸附能力的下降。

圖4 運行期間的去除效果Fig.4 Removal efficiency of during operation

2.3 TN的去除效果

處理裝置正式運行期間對TN的去除效果如圖5所示。

圖5 運行期間TN的去除效果Fig.5 Removal efficiency of TN during operation

2.4 TP的去除效果

處理裝置正式運行期間對TP的去除效果如圖6所示。

圖6 運行期間TP的去除效果Fig.6 Removal efficiency of TP during operation

由圖6可知，裝置運行期間進(jìn)水TP濃度較低(0.27～1.83 mg/L)，出水TP為0.09 ～0.69mg/L，均達(dá)到四川省《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB51/2626-2019)一級標(biāo)準(zhǔn)，大多可達(dá)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) GB3838-2002》的Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。夏季，TP的去除率為65.78%±1.55%，冬季，TP去除率為58.23%±4.89%，平均下降7.55%。磷在濕地中的去除主要依靠基質(zhì)的吸附及沉淀，除磷能力不足也是人工濕地的普遍缺點之一[25]，且溫度的降低會在一定程度上影響基質(zhì)對磷等的吸附能力[26]。該系統(tǒng)出水TP穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，這說明了其適用于當(dāng)?shù)剞r(nóng)村生活污水的處理。

2.5 污染物去除效果對運行溫度的響應(yīng)

研究區(qū)域全年氣溫最高的夏季(6～8月)平均氣溫僅為18.0～20.1℃，冬季最低溫一般出現(xiàn)在1～2月，低至-5℃左右，2020年1月中旬，實際測得的冬季平均氣溫為4.2℃(見表2)。

表2 裝置運行期間溫度變化情況Tab.2 Temperature Changes during Operation of the Installation (℃)

表3 不同溫度下沸石對不同濃度氨氮的吸附量Tab.3 The adsorption amount of different concentrations of ammonia nitrogen by zeolite at different temperatures

2.6 不同植物對低溫的響應(yīng)

植物的生長量、根系TTC還原量和葉片MDA常用于表征植物適應(yīng)環(huán)境的能力的重要指標(biāo)，植物的生長量和TTC還原量越高說明植物適應(yīng)環(huán)境的能力和根系活力越強，低溫下MDA含量越低說明其抗寒能力較強。植物根根際基質(zhì)脲酶、磷酸酶與人工濕地的有機物及氮磷去除存在一定的相關(guān)性[31-32]。

美人蕉在寒冷的1月(-3～5℃)來臨之前，植株枯萎，白花鳶尾地上部分凋亡。西伯利亞鳶尾、白花鳶尾等在TTC還原量、MDA含量、脲酶和磷酸酶活力等均對冬季低溫有所響應(yīng)，測定結(jié)果表4所示。西伯利亞鳶尾的平均生長量最大，低溫下其葉片MDA含量最低，TTC還原量僅次于麥冬。低溫下，植物根際基質(zhì)脲酶和磷酸酶活性由強到弱依次為：西伯利亞鳶尾>麥冬>白花鳶尾>美人蕉。這表明，西伯利亞鳶尾適應(yīng)低溫環(huán)境的能力較強，根系活力等優(yōu)勢也較為突出。

表4 不同植物在低溫下的響應(yīng)情況Tab.4 Response of different plants at low temperatures

在11月份(4～9℃)，美人蕉的TTC還原量、基質(zhì)脲酶和磷酸酶活力最高，說明其根系活力和污染物去除潛力較強[31～33]，可考慮美人蕉與西伯利亞鳶尾等搭配種植。Kumwimba等指出，在美人蕉、菖蒲、莎草、西伯利亞鳶尾等6種植物中，美人蕉對氮和磷的去除效果最好[34]。因此，美人蕉與其他植物的組合種植可實現(xiàn)充分發(fā)揮美人蕉的凈化能力和景觀價值，更低溫度來臨前及時收割其地上部分，根部安全越冬。寒冷的冬季，隨美人蕉搭配種植的其他耐寒植物發(fā)揮其凈化作用和景觀價值。

3 結(jié) 論

(2)該裝置的污水處理規(guī)模量為100～200L/d，非常適用于農(nóng)村地區(qū)散戶型居民生活污水處理。采用實際生活污水進(jìn)行應(yīng)用示范研究，獲取連續(xù)7個月的污水處理效果數(shù)據(jù)，驗證了所提污水處理技術(shù)的適用性。

(3)該處理模式能夠提高農(nóng)戶維護(hù)的積極性，管理方便，經(jīng)濟(jì)實惠，對此類地區(qū)散戶農(nóng)村生活污水處理具指導(dǎo)意義和推廣價值。該應(yīng)用研究可助力于改善鄉(xiāng)村水生態(tài)環(huán)境和構(gòu)建“山水林田湖草”美麗鄉(xiāng)村，可為鄉(xiāng)村振興提供良好的技術(shù)支持。