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家秦巴山區(qū)集中連片特困地區(qū),經(jīng)濟(jì)相對落后,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)社會發(fā)展,更關(guān)系到南水北調(diào)中線的工程效益,特別是對華北經(jīng)濟(jì)區(qū)的發(fā)展起到重要影響作用[2]。 然而近年來,該地區(qū)農(nóng)村生活污水對水資源的污染產(chǎn)生了嚴(yán)重的威脅[3],因此,加強(qiáng)對南水北調(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)者針對人工濕地對生活污水處理的各個(gè)方面開展了大量研究。 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),針對人工濕地對農(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,是國家級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,我們針對該濕地開展了農(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 號開始每7 d 進(jìn)行1 次水樣采集,采用單位時(shí)間計(jì)量體積的方法測定流量,同時(shí)測定溫度、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)測定銨態(tài)氮、硝態(tài)氮。 BOD 測定采用5 日培養(yǎng)法。 COD 的測量采用高錳酸鉀測法。 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 的含量均已超過國家地表水三類標(biāo)準(zhǔn)地表1倍以上[8],已對丹江水資源產(chǎn)生威脅,對該地區(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,潛流人工濕地對生活污水的銨態(tài)氮去除效率呈波動趨勢,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)氮濃度相對入水口較為穩(wěn)定。 人工濕地對生活污水的硝態(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)間的變動呈增長趨勢,但變化波動較大。 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。

2.4 BOD 變化分析

結(jié)合表1 和圖3 可見,生活污水的BOD 值沒有超過地表水三類水的標(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,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,該人工濕地對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。去除率呈緩慢上升趨勢,后在高去除水平上波動。 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、附著和繁殖的場所,植物為微生物的吸附生長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,輸入濕地是通過地下排水管網(wǎng)收集,外界溫度影響有限,造成溫度對污染物的去除影響不顯著。 溶解氧顯著影響著BOD 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各元素的去除效率。 從濕地處理效率來看,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 污染相對不嚴(yán)重;人工濕地對農(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COD 去除效率最好,對BOD去除效率最差。

影響人工濕地對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。 明確人工濕地對污染物去除效率的影響因素對于提高濕地運(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)水量也能對凈化效率產(chǎn)生影響。 總體來說,對潛流人工濕地,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)對全年濕地運(yùn)行狀況進(jìn)行研究,以便提高人工濕地對生活污水處理效率,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。