水培蔬菜与潜流湿地组合工艺净化农村生活污水尾水

目前，农村生活污水经过生物处理单元后，尾水中有机物浓度较低，但氮磷营养元素浓度仍然较高，直接排放会造成水体的富营养化。人工湿地主要通过微生物的生物降解转化、植物吸收、基质过滤等作用净化水质，处理成本较低、运行效果稳定且易于维护，因此，常被应用于净化经生物单元处理后的农村生活污水尾水，以及被污染的、富营养化的水体。传统的人工湿地技术多栽培景观植物，在冬季，人工湿地中植物易枯萎，净化效率和景观效益会大大降低。水培蔬菜系统是在污水中栽培适宜的蔬菜，该系统能够在净化水体的同时，产出具有经济价值的蔬菜，充分实现污水中氮磷的资源化利用，与传统人工湿地相比具有明显优势。

目前，利用人工湿地或水培蔬菜系统处理生活污水尾水或富营养化水体的研究已有很多。但大部分研究主要关注湿地中基质的优选及所植植物种类的选择，对于通过水培蔬菜与潜流湿地工艺组合进行尾水净化，以及对系统中氮、磷沿程变化情况分析研究较少。本试验依据东南大学提出的脱氮池/脉冲生物滤池/人工湿地(水培蔬菜系统)工艺，生物处理单元主要进行有机物去除和硝化反应，人工湿地单元主要实现对氮、磷的资源化利用。本试验构筑4种生态处理单元，如表1所示，研究了在4种系统中，不同组合工艺对污染物的降解特性，提出不同处理系统的最佳水力负荷，并对系统中污染物的沿程变化规律进行研究，为水培蔬菜系统进行农村生活污水尾水的净化提供参考。

1 材料及方法

1.1 试验设置

工艺流程如图1所示，试验装置位于常州市，进水为农村生活污水经脉冲生物滤池处理后的出水，污水经提升泵提升到水箱，之后由高位水箱连续自流进入试验装置，通过阀门控制各单元进水流量。

不同装置的具体尺寸与有效水深如表1所示，水培蔬菜系统内不填充基质，种植蔬菜选择空心菜，栽植密度为100～150株/m2，潜流湿地填充基质，下层基质为砾石，上层填充粗砂，在基质上栽种西伯利亚鸢尾。

1.2 检测方法与进水水质

试验在夏季进行(7月～10月)，试验期间水温为23.5～30.1 ℃。水力负荷分别设定为0.1、0.2、0.3 m3/(m2·d)，1号系统相对应的水力停留时间(HRT)分别为24、12、8 h，2号系统相对应的HRT分别为5.5、2.75、1.83 d，3号系统及4号系统相对应的HRT分别为78、39、26 h。取样频率为每天一次，检测进水水质如表2所示。

去除负荷表示单位处理单元单位时间对污染物的去除量，它反应了装置对污染物的去除能力，污染物去除负荷如式(1)。

其中：L—去除负荷，g/(㎡·d)；

Q—进水流量，m³/d；

A—系统有效面积，㎡；

C1—进水污染物浓度，mg/L；

C2—出水污染物浓度，mg/L。

2 结果与讨论

2.1 水力负荷对不同系统污染物去除影响

(1)CODCr去除效果

由图2(a)可知，水力负荷为0.1～0.3 m3/(m2·d)时，随着水力负荷的增加，4组工艺内CODCr的去除率均明显降低，这是因为水力负荷越大，污水在各个系统中的停留时间越短，影响微生物对CODCr的降解效果。对于1号水培蔬菜系统，CODCr的去除率在不同水力负荷下均为最小，这可能是因为水培蔬菜系统有效水深较浅，并且系统内不填充基质，所以水培蔬菜根系中微生物的量相对潜流湿地较少，而进水为经过脉冲滤池生物处理后的出水，水中CODCr主要为小分子溶解性有机物，CODCr的去除主要依靠微生物的降解和转化作用，所以潜流湿地单元可发挥较好的作用。

随着水力负荷增大，3号系统对CODCr的去除率由58.2%下降到39.5%，4号系统对CODCr的去除率由50.3%下降到34.6%。其中3号系统相对较好，可能是因为4号系统首先流经潜流湿地，流经后段水培蔬菜系统中CODCr含量减少，溶解氧浓度低(0.3～2.1 mg/L)，导致后段水培蔬菜生长状况不好，部分未长出发达的根系或出现烂根现象，减弱了水培蔬菜根系中微生物的生长繁殖和CODCr降解作用。

由图2(b)可知，2号系统、3号系统与4号系统对CODCr的去除负荷均随水力负荷的增大而增加，去除负荷增大趋势减缓。这是因为水培蔬菜系统根系较浅，随水力负荷增加，水流对根系冲刷加强，不利于根系中微生物的生长繁殖。

(2)TN去除效果

4种系统对TN的去除率如图3(a)所示，去除率均随着水力负荷增加而下降。在相同的水力负荷条件下，2号系统对TN的去除率最大，这是由于进水为生物接触氧化池的出水，氮的形态以width=46,height=15,dpi=110为主，潜流湿地内有效水深较深，为微生物进行反硝化脱氮创造了较好的缺氧环境，所以该系统对TN的去除率最大。水力负荷为0.1 m3/(m2·d)时，4号系统对TN的去除率远低于其他3种系统，可能是在4号系统中，污水先经过水深较深的潜流湿地，流入后段水培蔬菜系统时水中溶解氧浓度较低(0.3～2.1 mg/L)，影响到空心菜的正常生长和根系微生物生存环境，使植物吸收与微生物去除作用减弱。随着水力负荷增大，1号系统中TN的去除率从76.9%降至45.7%，去除率波动较大，说明水力负荷对水培蔬菜系统中TN的去除影响较大。

(3)TP去除效果

各系统TP的去除率情况如图4(a)所示。1号系统、2号系统与3号系统去除率随着水力负荷增加呈明显下降的趋势，2号潜流湿地系统去除率最大。当水力负荷由0.1 m3/(m2·d)增大到0.3 m3/(m2·d)时，1号系统去除率由78.9%下降至40.8%，下降幅度最大，这可能是因为在水培系统中，磷的去除主要是植物对磷素的吸收，水力负荷加大使停留时间缩短，植物对磷的吸收作用会明显减弱。而2号系统与3号系统中，随着水力负荷的增加，潜流湿地中填料对磷的吸附作用优势凸显，使TP去除率下降幅度小于水培蔬菜系统。对于4号系统，由于前段流入潜流湿地造成后段水培蔬菜系统中溶解氧的浓度过低，植物生长状况与根系微生物受到影响，系统对TP去除率始终较低，水力负荷为0.1 m3/(m2·d)时，4号系统对TP的去除率为53.7%，其他3种工艺系统对TP的去除率分别为84.2%、81.5%、78.9%。系统进水TP浓度为0.84～1.34 mg/L，水力负荷为0.1～0.3 m3/(m2·d)时，2号系统、3号系统、4号系统中出水TP浓度可以达一级A标准(GB 18918—2002)，1号水培蔬菜系统在水力负荷0.3 m3/(m2·d)时，出水TP难以达到一级A标准。

图4(b)为TP去除负荷随水力负荷变化情况，与TN去除负荷变化情况相似。2号系统、3号系统、4号系统TP去除负荷随水力负荷的增加而增大，增加幅度减缓，2号系统TP去除负荷表现最佳，这与潜流湿地中基质吸附作用强的结论一致本试验中氮磷去除率及去除负荷的变化趋势与其他研究相似。

(4)水力负荷的优选

去除率反映了进出水中污染物浓度的变化程度，是出水水质是否达标应该考虑的因素，去除负荷反映了装置对污染物的去除能力，去除负荷越大表明系统对污染物的去除效率越高。根据各系统对CODCr、TN、TP去除率与去除负荷的分析，不同工艺系统的最适水力负荷不同。对于1号水培蔬菜系统，CODCr、TN、TP去除负荷均在水力负荷为0.2 m3/(m2·d)时最大，出水CODCr、TN、TP可满足一级A的标准，2号系统与3号系统水力负荷为0.3 m3/(m2·d)时，CODCr、TN、TP去除负荷可达到最大，且出水CODCr、TN、TP均可达满足一级A的标准，而对于4号系统，污染物去除率较低，虽然出水CODCr和TN能够达到一级A标准，但TP很难达到，且所植空心菜出现烂根情况，该组合不适宜农村生活污水尾水处理。

2.2 不同工艺系统污染物去除特性

为了解各系统内部不同段对污染物的去除情况，沿程均匀设置若干取样点，检测各污染物浓度的沿程变化规律。

(1)CODCr沿程变化

CODCr沿程变化如图5所示。由图5(a)可知，在1号系统中，CODCr浓度近似呈线性下降，沿程各段中CODCr的降解量相当，出水CODCr浓度较2号系统高，即在潜流湿地内CODCr去除效果较水培蔬菜系统更好；2号系统内CODCr在前1/4段下降较多，由69 mg/L降低至50 mg/L，占整个系统CODCr去除量的48.7%，之后各段中CODCr的下降量相当，出水浓度较低。

由图5(b)可知，对于3号系统，CODCr浓度在前2/3段从69 mg/L降低至58 mg/L，占去除总量的40.1%，后段CODCr浓度从58 mg/L降低至42 mg/L，该段去除量占系统CODCr去除总量的59.9%；对于4号系统，CODCr浓度在前1/3段下降较多，从69 mg/L降低至55 mg/L，占总去除量的54.5%，后段水培蔬菜内CODCr浓度近似线性下降，CODCr浓度从55 mg/L下降至48 mg/L，出水CODCr浓度较高。

(2)TN浓度沿程变化

图6表示TN沿程变化情况。由图6(a)可知，1号系统与2号系统内氮浓度沿程基本呈线性下降，其中前1/4段去除量相对较多，之后下降趋势放缓。进水TN浓度为10.4 mg/L，1号系统与2号系统前1/4段TN去除量分别占总去除量的44.6%、54.2%，出水TN浓度分别达到3.7、3.2 mg/L，与CODCr去除效果相似，2号潜流湿地系统内对TN的去除效果优于1号水培蔬菜系统。由图6(b)可知，在4号系统中，TN浓度在前1/3段下降较多，从10.4 mg/L下降至7.4 mg/L；而进入后段，TN浓度近乎不变，后段水培蔬菜对TN的去除率仅为30.5%，这解释了4号系统整体对TN较低的去除率现象。3号系统对TN的总去除率明显更高，出水TN浓度仅为4.0 mg/L，在前2/3的水培系统中，TN浓度由10.4 mg/L降至6.7 mg/L，占TN总去除量的58.1%；后段系统仍进行较多的TN去除，占总去除量的41.9%，该组合系统对TN的去除效果较好，且前段水培空心菜生长状况良好，是一种净化尾水较适宜采用的组合系统。

(3)TP浓度沿程变化

TP浓度沿程变化情况如图7所示。1号系统、2号系统中TP浓度变化与TN相似，随着沿程近似呈线性下降，在前1/4段均下降较多，前1/4段去除量占比分别达到43.1%、55.9%，进水TP浓度为0.89 mg/L时，出水浓度分别达到0.26、0.20 mg/L。2号潜流湿地沿程各段对TP的去除效果更好，这是因为潜流湿地中基质对磷具有较好的吸附性。3号系统、4号系统中，TP的沿程变化趋势与TN呈现相同的规律。4号系统TP总去除率最低，且TP去除集中于前1/3段，占比为73.3%，后2/3段去除量仅占26.7%；而3号系统对TP总去除率较大，水培蔬菜段TP浓度由0.89 mg/L降至0.63 mg/L，去除量占比54.4%，后段湿地系统内去除量占总去除量45.6%，出水TP浓度满足一级A的标准。

3 蔬菜安全性

利用尾水进行经济作物水培，重金属含量低，但植物可对污水中重金属污染物进行富集，使作物中重金属含量增高。因此，对1号水培蔬菜系统(1#)、3号水培蔬菜+潜流湿地系统(2#)中空心菜进行重金属含量测定，检测由农产品质量安全监督检验测试中心完成，监测项目及结果如表3所示。结果显示，水培系统中所采摘的空心菜中Cr、Pb、Cu、As 和 Cd 的含量均未超过限定值，符合国家标准(GB 2762—2012)，可放心食用。

4 结论

采用水培蔬菜、潜流湿地及其组合系统4种工艺，净化经过生物接触氧化生物处理后的农村生活污水，水培蔬菜、潜流湿地、水培蔬菜+潜流湿地系统适宜水力负荷分别为0.2、0.3、0.3 m3/(m2·d)，各系统不仅达到氮磷最大化利用，同时出水能够满足一级A标准。而潜流湿地+水培蔬菜组合工艺处理农村污水尾水时，部分空心菜出现烂根现象，因此该工艺不适用于农村污水尾水的处理。

在水培蔬菜系统、潜流湿地系统内，CODCr、TN、TP在前1/4段下降较多，后段近似呈现线性下降；水培蔬菜+潜流湿地组合系统内，前段水培蔬菜系统对CODCr、TN、TP去除的贡献率分别为40.7%、58.1%、53.7%，总去除率为39.1%、61.1%、55%。在水培蔬菜系统与水培蔬菜+潜流湿地组合工艺中，空心菜中重金属含量低于国家标准限值，采收的空心菜可安全食用。

综上，采取水培蔬菜及水培蔬菜+潜流湿地组合系统净化农村生活污水尾水，出水不仅满足污水一级A(GB 18918—2002)排放标准，同时可通过蔬菜吸收进行氮磷资源的有效利用，将污水处理与农业生产有机结合，在农村地区具有广泛的应用价值。