劉玉春，楊小蛟，張芳園，郭 彬，吳佳鵬

（1.河北農(nóng)業(yè)大學 城鄉(xiāng)建設學院，河北 保定 071000；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038）

1 研究背景

水污染的治理一直是環(huán)境和生態(tài)研究的熱點問題，在現(xiàn)有的污水處理技術中，污水的生態(tài)處理在水體富營養(yǎng)化治理［1-2］、農(nóng)村生活污水處理［3］和污水處理廠二級出水深度處理［4］等方面得到越來越多的應用。鑒于已知的水質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)健康風險，目前國際上的研究側重于有效地從污水中去除多種污染物的處理技術［5-6］。目前，存在多種處理生活污水的方法，從依賴于自然生態(tài)過程的簡單系統(tǒng)到精細化操作的工程處理技術，雖然所有系統(tǒng)都傾向于實現(xiàn)至少一定程度的化學物質(zhì)去除，但傳統(tǒng)的廢水處理技術不能用于全面去除CODMn（化學需氧量）、TP（總磷）、TN（總氮）污染物。

NBS（Nature-Based Solutions）即為受自然界啟發(fā)，促使社會采用可持續(xù)的方式應對各種環(huán)境和經(jīng)濟挑戰(zhàn)，強調(diào)管理良好和多樣化的生態(tài)系統(tǒng)對提高人類復原力和可持續(xù)發(fā)展的貢獻［7］。基于NBS的污水生態(tài)處理系統(tǒng)一般是由水生植物、基質(zhì)和微生物組成，主要通過物理、化學和生物協(xié)同作用凈化污染物。水生植物和基質(zhì)是影響污染物去除率的兩種重要介質(zhì)，如Egger?mont等［8］開展了由礫石、沸石和粉煤灰填料組成的三級人工濕地凈化清源河的研究，結果表明對TP、TN的去除率分別為35.1%～65.3%和28.7%～62.9%；張毓媛等［9］研究發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)組合的裝填方式對污染物凈化的效果影響極顯著；肖廣敏等［10］開展了菖蒲、鳶尾、蘆葦和香蒲4種水生植物對污水凈化效果的研究，研究表明，4種水生植物對污染物的去除率都達到了90%以上；何娜等［11］開展了大薸、鳳眼蓮、慈菇、菖蒲、香蒲和水蔥6種水生植物去除水體氮磷效果的研究，發(fā)現(xiàn)香蒲對TP的去除率最高，菖蒲對NH3-N的去除率最高；宋英偉等［12］研究發(fā)現(xiàn)，沸石和爐渣兩種基質(zhì)對污染物的去除率差異顯著，在此過程中水生植物對污染物的去除發(fā)揮了重要作用。在評估污水處理技術方面，整合分析法（Meta-analysis）提供了一種機制用以實現(xiàn)不同類別的污染物間的去除率的差異。

目前，污水生態(tài)處理技術研究中基質(zhì)多考慮單一基質(zhì)，水生植物多為香蒲和蘆葦。本文選取3種單一基質(zhì)、3種組合基質(zhì)和5種水生植物，通過盆栽試驗研究不同基質(zhì)、水生植物的組合對生活污水中CODMn、TN、TP污染物的去除效果。

2 試驗與分析方法介紹

2.1 試驗方法介紹基于NBS的生活污水處理效率與進水方式、植物種類、水力負荷和基質(zhì)類型密切相關。配置水生植物充分利用了各種植物的優(yōu)點，以提高植物的凈化能力及景觀價值?；|(zhì)的選擇因污染物的特征不同而不同，同時考慮便于取材、經(jīng)濟適用等因素。試驗裝置在外觀形式和功能結構上類似天然濕地系統(tǒng)，水力負荷通常較低，水力停留時間較短。試驗從植物選擇、基質(zhì)搭配、水力停留時間以及進水方式、試驗方法等幾方面對生活污水處理試驗材料進行闡述。

（1）試驗位置：試驗裝置位于河北省保定市河北農(nóng)業(yè)大學東校區(qū)。保定位于河北省中部，地理坐標為 N38°10′～40°00′，E113°40′～116°20′，海拔高度 3.8～10.8 m；地處暖溫帶半濕潤大陸季風氣候，四季分明，春季干旱多風，夏季高溫多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷少雪；年平均氣溫12.2℃，極端最高氣溫40.7℃，極端最低氣溫-26.7℃，無霜期203d；年平均日照2578.3h，太陽輻射量128kcal/cm2；年平均降水529.7mm，但年際變化較大，年最大降水量941.6mm（1988年），年最小降水量263.3mm（1962年）。

（2）試驗時間：2017年4—9月。

（3）試驗用裝置：采用塑料水桶進行盆栽試驗（桶高34cm，上口直徑34cm，下底直徑27cm）。試驗盆底部鋪設15cm的礫石（直徑約10mm，孔隙度50%）作為承托層，承托層上面鋪設基質(zhì)層（組合基質(zhì)按體積1∶1的比例進行混合裝填）?；|(zhì)中栽植水生植物。

（4）試驗用水生植物：水生植物的選取參照文獻資料，選取處理污水效果好的常用植物，并且均從白洋淀中移栽，所選植物為千屈菜（Lythrum salicaria）、黃菖蒲（Acorus calamus）、蘆葦（Phragmites australis）、香蒲（Typhaorientalis presl）、荷花（Nelumbo nucifera）共 5種，分別記為 P1、P2、P3、P4、P5。水生植物栽植方式：千屈菜2棵/桶、黃菖蒲2棵/桶、蘆葦5棵/桶、香蒲4棵/桶、荷花1棵/桶。

（5）試驗用基質(zhì)：3種單一基質(zhì)：砂子（S1）、石子（S2）、爐灰渣（S3）。3種組合基質(zhì)：砂子+土（S4）、石子+土（S5）、爐灰渣+土（S6）。試驗采用全面設計，組合方式共計30種，每種處理設5個重復，總計150組試驗對照。試驗裝置4月份建成，經(jīng)過3個月的運行，7月份水生植物生長達到穩(wěn)定，開始進行試驗。

（6）試驗用水：試驗用生活污水取自河北農(nóng)業(yè)大學8號公寓樓下水管道，并采用兩道粗篩（100目）去除廢水中大顆粒的懸浮物。試驗用水從試驗裝置上部/底部進入，上部通過集水管流出。

（7）試驗方法：注入生活污水后，待水生植物緩苗1周后開始試驗。試驗當天（2017年7月24日）將試驗裝置中的水放空，重新進水，并對每個試驗裝置進水水質(zhì)測定。王世和等［13］研究結果表明，在水力停留時間為5d時，COD、NH4+-N、TP的去除率分別為94.5%、65.3%、74.4%，本文試驗水力停留時間取為4d，4d后（2017年7月28日）對每個試驗裝置進水水質(zhì)進行測定。

（8）水質(zhì)檢測：檢測水質(zhì)指標：CODMn、TN、TP。CODMn采用重鉻酸鹽法，TN采用過硫酸鹽消解法，TP采用磷鉬酸鹽法。使用多參數(shù)水質(zhì)檢測儀（YSI ProPlus，Yellow Spring，OH，US）現(xiàn)場測定pH、溶解氧和電導率。

在參考國內(nèi)相關區(qū)域的校園生活污水處理實際工程經(jīng)驗的基礎上，采用自然方法-生態(tài)工程結合的工藝進行污染物的去除效果研究。試驗流程見圖1。在水力條件相同的情況下，為保證植物根系對污染物的充分吸收，考慮到不同粒徑不同的基質(zhì)對污染物的吸附作用，試驗過程中對粗徑基質(zhì)/組合采用底部進水、細徑基質(zhì)采用底部進水。

2.2 整合分析法簡介基于進水和出水濃度計算去除率。污染物去除負荷計算公式為：

圖1 試驗流程圖

式中：LM為去除負荷，g/（m2·d）；Cin、Cout分別為進水和出水中污染物的濃度mg/L；Q為進水流量L/h；A為培育水生植物試驗桶的表面積m2。

污染物去除率計算公式為：

為了進行不同組合對污染物去除率的比較，將去除數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標準化去除率（SRE）、計算公式如下：

式中：χ為單一組合去除率；μ為所有組合（30種）去除率平均值；σ為所有組合（30種）去除率的標準偏差。

本文應用SPSS 18.0軟件中的方差分析（ANOVA）進行污染物去除率的比較計算，并應用Pearson相關系數(shù)進行相關性分析。

3 基質(zhì)與水生植物對生活污水處理的試驗結果分析

根據(jù)廢水的理化參數(shù)，夏季（25℃）的平均溫度顯著高于冬季（1℃）（P＜0.05）、春季（8℃）和 秋季（21℃）（P＞0.05）。各種污染物濃度在溫度的影響下，均沒有明顯的季節(jié)性模式，因此，污染物的去除效率受溫度影響不大。結合表面流、水平潛流和垂直流3種流程人工濕地在處理生活污水時常用的植物種類、基質(zhì)類型、水力負荷及凈化效果相關的分析成果，對基于NBS的生活污水污染物去除能力的有效性進行橫向比較，為自然方法-生態(tài)工程有機結合的生活污水污染物去除工藝的推廣提供實踐參考。

3.1 對CODMn的去除效果分析2017年7月24日進水當天，試驗裝置中CODMn濃度為452～493mg/L，均值為472mg/L。試驗4d后，不同試驗裝置中CODMn濃度值均明顯降低。從表1可以看出，不同水生植物對CODMn平均處理率分別為：千屈菜59%、黃菖蒲66%、蘆葦77%、香蒲85%、荷花63%。不同水生植物對CODMn的去除效果差異明顯，其中，最小為千屈菜59%，最大為香蒲85%，兩者相差26%。香蒲對污水CODMn的去除率最高，香蒲根系能力發(fā)達，可通過根系吸收土壤間隙水中的有機物供植物體生長利用［14-15］。香蒲在不同基質(zhì)條件下對CODMn的處理率與其他水生植物相比均為香蒲處理率應為最高值。不同基質(zhì)對CODMn平均處理率為：砂子69%、石子70%、爐灰渣71%、砂子+土69%、石子+土69%和爐灰渣+土71%。從處理率來看，不同基質(zhì)間無明顯差別。從方差分析結果來看，爐灰渣跟其他基質(zhì)差異均顯著，爐灰渣+土基質(zhì)跟個別處理差異不顯著外，跟其他處理差異均顯著。爐灰渣和爐灰渣+土組合基質(zhì)對污水中CODMn的去除率最高，其次為石子+土、石子，砂子、砂子+土，主要原因在于爐灰渣具有較大的比表面積，可以有效吸附生活污水中的有機污染物。污水中CODMn的去除主要靠水生植物的吸收和微生物的代謝作用，且與氧的關系非常密切。試驗中5種不同水生植物對CODMn的凈化效果存在一定差異，其中，蘆葦和香蒲對CODMn的平均去除率顯著高于千屈菜、黃菖蒲和荷花。其原因與蘆葦和香蒲的通氣組織發(fā)達有關，可將大量氧氣輸送至其根部，使根部微生物數(shù)量增加，從而提高對污水中有機物的去除能力［16］。

基質(zhì)填料表面和植物根系為微生物提供吸附界面，在填料表面和植物根區(qū)形成高效的微生物膜，將有機污染物分解為CO2和H2O，對CODMn去除起關鍵作用?；|(zhì)對有機物的去除主要通過不溶性有機物的沉降、過濾作用，對可溶性有機物吸附作用的去除。土壤、細砂、粗砂、礫石、碎瓦片或灰渣作為基質(zhì)時，受表面吸附面積、水力停留時間、出水水質(zhì)等因素的限制，對COD、BOD5、SS為特征的污染物去除效率具有一定的差別。在進水COD平均濃度分別為251.29mg/L時，煤灰渣基質(zhì)對有機物具有較好的去除效果［17］。水生植物及自然基質(zhì)對CODMn去除率見圖2。

表1 試驗進水當天及4d后CODMn濃度均值和方差分析結果

圖2 CODMn去除率

3.2 對TN的去除效果分析7月24日補水后生活污水中的TN值為40.7～45.9mg/L，均值為43.5mg/L，比原水TN值偏大，見表2。研究結果表明，在水力停留時間為5d時，TN去除率達到最大值65.3%。為此，本文水力停留時間取為4d，基質(zhì)中的TN有一定的殘留。

試驗進展中對TN的去除包括植物的吸收，也包括微生物的硝化和反硝化作用。試驗單元中同時存在大量的硝化細菌和反硝化細菌，氮污染物通過微生物的硝化作用和反硝化作用得以去除［18-19］。試驗4d后，生活污水中的TN值明顯降低。不同水生植物對TN平均處理率為：千屈菜58%、黃菖蒲69%、蘆葦77%、香蒲83%、荷花53%，從處理率來看，不同水生植物間有明顯差別，最小為荷花53%，最大為香蒲83%，兩者相差30%?？梢娤闫押吞J葦對生活污水TN的去除率最高（兩者相差6%），最低的為千屈菜。氮是植物生長的必需營養(yǎng)元素，香蒲根系能力發(fā)達，菖蒲通過自身生長過程實現(xiàn)了對氮污染物良好的去除效果。從方差分析結果來看，不同水生植物間的TN測量值差異顯著，說明不同水生植物對污水氮的去除效果差別較大。其中，香蒲與黃菖蒲兩者之間的差異均不顯著，而兩者與其他水生植物間的差異顯著。因此，去除廢水中TN的適宜水生植物為香蒲、黃菖蒲。試驗中5種水生植物對生活污水的TN平均去除率在49%～82%之間，不同水生植物間差異較大。

不同基質(zhì)對生活污水TN平均處理率為：砂子67%、石子67%、爐灰渣69%、砂子+土66%、石子+土64%、爐灰渣+土68%，從處理率來看，不同基質(zhì)間無明顯差別。從方差分析結果來看，6種基質(zhì)間的TN均值差異不顯著，表明不同基質(zhì)對生活污水TN的去除無明顯差異?；|(zhì)對總氮的去除作用不強，其凈化途徑主要依靠反硝化作用和植物的吸收作用，這與梁康［20］等人的研究結果一致。因此，在選擇基質(zhì)時，應遵循材料的易得、高效、廉價及安全無毒等原則。實驗中TN去除效率見圖3。

表2 7月24日TN值及4d后TN均值和方差分析結果

圖3 TN去除率

3.3 對TP的去除效果分析7月24日進水當天，試驗裝置中TP濃度為8.44～9.13mg/L，均值為8.79mg/L。試驗4d后，不同試驗裝置中TP濃度值均明顯降低。從表3可以看出，不同水生植物對TP平均處理率分別為：千屈菜61%、黃菖蒲71%、蘆葦76%、香蒲85%、荷花69%。不同水生植物對TP的去除效果差異明顯，其中，最小為千屈菜61%，最大為香蒲85%，兩者相差24%。香蒲和蘆葦對污水TP的去除率高的原因在于兩種植物發(fā)達的根系與基質(zhì)交錯成網(wǎng)為微生物的生長提供場所，有利于生物膜的形成，促進污水中的磷被微生物吸收利用。從方差分析結果來看，不同水生植物間的TP差異均顯著，說明不同水生植物對污水磷的去除效果差別極大。

不同基質(zhì)對TP的平均去除率為：砂子72%、石子為72%、爐灰渣74%、砂子+土69%、石子+土71%、爐灰渣+土70%，從處理率來看，不同基質(zhì)間無明顯差別。從方差分析結果來看，爐灰渣跟其他基質(zhì)差異顯著，其中，爐灰渣和爐灰渣+土組合基質(zhì)對污水中TP的去除率最高，其次為石子+土、石子，砂子、砂子+土，主要原因在于爐灰渣中的氧化鈣容易和污水中的磷酸鹽發(fā)生化學反應，形成磷酸鈣沉淀，從而有利于水體中磷的去除。人工濕地除磷主要依賴濕地基質(zhì)、水生植物和微生物三者之間的聯(lián)合作用，通過一系列復雜的物理、化學以及生物途徑實現(xiàn)磷素去除的目的［21］。李龍山等［22］研究發(fā)現(xiàn)蘆葦和香蒲對污水中總磷的去除率可達到94%～99%，本試驗的研究結果與之有一定的差異，這可能由所選濕地植物的種屬不同造成。試驗中TP去除效率見圖4。

表3 試驗進水當天及4d后TP濃度均值和方差分析結果

圖4 TP去除率

4 結論

基于NBS的自然方法-生態(tài)工程結合的校園生活污水處理工藝具有處理設施占地少、造價低、建設費用少和運行成本低等特點。論文選擇千屈菜、黃菖蒲、蘆葦、香蒲、荷花5種水生植物和砂子、石子、爐灰渣、砂子+土、石子+土、爐灰渣+土6種基質(zhì)進行生活污水的生態(tài)處理試驗，借助整合分析法對CODMn、TP、TN的去除效果進行了研究。香蒲對CODMn、TP、TN的平均去除率最高，分別為85%、85%、83%；爐灰渣對CODMn、TP、TN的去除率最高，分別為71%、74%、69%。隨著對基于NBS廢水生態(tài)處理技術研究的不斷深入，自然方法-生態(tài)工程廢水生態(tài)處理技術將日趨完善，為穩(wěn)定、低成本的除去校園生活廢水污染物提供技術支持。