柳林污水处理系统净化效率研究

王红玲，王瑞刚，施士争*，王 磊，黄瑞芳

(1.江苏省林业科学研究院，江苏省农业资源保护与利用平台，江苏 南京 211153;2.农业部环境保护科研监测所，天津 300191)

近年来，我国乡镇、农村生活污水的排放量不断 增加，已成为环境污染的重要来源。据估算，2010年全国农村生活污水年排放总量为270亿t，主要分布在人口密集的东部和中部地区[1]，为避免或减轻污水危害，急需切实有效的净化处理措施。生物修复技术因其安全、高效、低成本、易操作等优点，成为污水拦截和净化的主要措施之一。污水土地处理系统是一种污水生物净化系统，污水通过灌溉作物、林地或草地得到净化，其工艺类型主要包括快速渗滤、慢速渗滤、地表漫流、地下渗滤和湿地系统等5种[2]，在国外已得到成熟应用[3-4]，具有成本低廉，管理维护简单，环境生态效益好等优势，可供我国农村生活污水处理参照[5]。

由于我国土地资源紧张，污水灌溉农作物又存在食物安全隐患[6]，因此更应关注利用林地进行污水处理，用于修复的树种主要有杨树、柳树、桉树、柑桔、葡萄等[7-8]。其中柳树因易栽培、生长迅速、适应性和耐性强等特性，尤其适用于农村生活污水处理，瑞典、丹麦、法国等地均有较成熟的应用[9-10]，而国内关于柳树应用于处理污水的报道很少[11]。江苏省林业科学研究院柳树研究所保存和选育了丰富的柳树资源，为我国利用柳树进行农村污水土地处理系统的研究、应用及推广奠定了基础[12]。为此，本文以自主选育的高生物量灌木柳树优良无性系和乡土乔木柳腺柳为试验材料，模拟传统土地处理系统，构建以灌木柳林慢渗带和腺柳林表流湿地为主体的柳树特色生活污水处理系统，并开展了其对人工配制污水净化效果的研究，为我国柳树土地处理系统净化农村生活污水提供依据。

1 材料和方法

1.1 柳林生活污水处理系统的构建

2012年初，在位于苏州吴中区西山岛金庭镇某生态农庄内营建柳树生活污水处理系统，占地共计约1 334 m2，由垂直型一、二、三级灌木柳林慢渗带和腺柳林表流湿地4部分组成。系统呈带状，宽6.5 m，三级慢渗带长分别为35，20，25 m，表流湿地长20 m(如图1)。慢渗带中加布管道，带内土深40 cm，底部和管道周边布石质，引导污水经过整个林带;用水泥混凝土砌边，使过滤带成为半封闭系统。

用于营建慢渗带的高生物量灌木柳树无性系为无性系2413、51-3、2396，以及苏柳1053和苏柳2345等，分别为簸杞柳、杞柳、二色柳、银柳等的杂交后代;表柳湿地因常年处于高水位，采用苏州西山岛种源的腺柳(乔木)插干造林。一级和二级慢渗带中灌木柳的栽植密度为30 cm×20 cm，三级栽植密度为40 cm×20 cm，表流湿地柳树栽植密度为50 cm ×40 cm。污水灌溉前，一级、二级和三级柳林长势基本一致，株高150～200 cm，平均存活率约92%;表流湿地柳树为乔木柳树，常年淹水，长势较弱，株高120 cm左右，存活率约75%。

图1 柳林生活污水处理系统示意图

1.2 人工生活污水的配制

参考农村实际生活污水浓度，配制灌溉用生活污水，污水中COD质量浓度为335 mg/L，TN质量浓度为65 mg/L，TP质量浓度为23.8 mg/L;其中COD以葡萄糖配制，1 mg/L葡萄糖等同于1 mg/L COD，氮源为NH4Cl(化学纯)，磷源为K2HPO4· 3H2O(化学纯)[13]。生活污水中的N主要是有机氮和铵态氮为主，在pH低于8的环境中，铵态氮所占比例超过90%，故本文以铵态氮作为主要氮源。

1.3 污水灌溉和取样方法

污水灌溉从7月17日开始，7月21日止;水样采集止于22日。试验开始时，试验地土壤含水率约为20%，按土壤饱和含水率60%估算(土壤容重约为1.4 g/cm3)，总灌溉量应不超过290 t。为防止流速过快影响处理效率，将灌溉速度控制在4～5 t/h，每天7:00开始灌溉，每天连续灌溉时间不高于12 h，污水在系统内停留时间不低于12 h。污水均提前配制，并在发酵池中停留8～10 h。连续灌溉5 d，每天灌溉量分别为50，60，60，46，30 t;前3 d为连续灌溉，后2 d为间断性灌溉，即灌溉1～2 h，暂停3～4 h。

设立2种水样采集方式，一是灌溉期间出水口水质实时监测，即灌溉期间，从出水口出水开始计时，每3～4 h取样1次，实时采集各级林地出水口的水样，7月17日开始，7月21日止;每次采样间隔5 min，采集3次，作为重复。二是灌溉期内各级水质的日变化，即每天7:00采集3级收集池和表流湿地收集池的水样，7月18日开始，7月22日止;每次在各收集池的3个不同部位采集。

1.4 污水水质测定方法

污水水质测定参照《水和废水监测分析方法》(第4版)进行[14]，具体分析方法为:TN采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法，TP采用过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度光度法，COD采用重铬酸钾消解-硫酸亚铁铵滴定法，N-N采用纳式试剂-可见分光光度法。柳树污水处理系统净化效率以末端腺柳林表流湿地收集池水质和进水水质进行计算。

1.5 数据分析

对比人工配制污水营养盐的起始浓度，采用excel 2010对数据进行比较分析，得出柳树污水系统对富营养盐的净化效率，并绘制图表。

2 结果与分析

2.1 灌溉期间出水口水质连续变化情况

2.1.1 出水中TN浓度变化情况 经过慢渗带处理后，人工配制的污水中TN的含量出现明显的降低，第2，3，4，5 d的最后1次取样时(即第33，56，80，103 h)，第三级慢渗带出水口TN分别比对照降低了81.5%，53.8%，60.0%和55.4%(如图2所示)。在5 d的处理过程中，总体呈现出随着林带处理级数的增加，污水中TN的净化效率也增加。以每天最后1次出水采集样为例，第2，3，4，5 d第三级慢渗带出水中TN含量分别是第一级的22.6%，48.4%，27.7%和33.7%。处理第2，3 d时，三级慢渗带出水口TN含量均小于进水，且同一级慢渗带不同时间段出水中TN含量变化不明显;随着处理天数的增加，在处理后的第4，5 d，第一级慢渗带出水中的TN含量均接近或大于进水，第二级中TN含量均小于进水(除第80 h和第90 h)。

2.1.2 出水中TP浓度变化情况 经过慢渗带处理后，人工配制的污水中TP的含量出现明显的降低，第33，56，80，103 h，第三级慢渗带出水口TP分别比对照降低了91.6%，91.1%，83.6%和84.9%。在103 h的处理过程中，污水中TP的净化效率变化不明显。以每天最后1次出水为例，第2，3，4，5 d第三级慢渗带出水的TP量分别是第一级出水的30%，17%，22%和23%。同一天同一级柳林湿地不同时间段出水中TP变化不明显(如图3所示)。

图2 3级灌木柳林慢渗带出水中的TN质量浓度

图3 3级灌木柳林慢渗带出水中的TP质量浓度

2.1.3 出水中COD浓度变化情况 经过慢渗带处理后，人工配制的污水中COD的含量出现明显的降低，第33，56，80，103 h，第三级慢渗出水口COD分别比对照降低了62.4%，65.4%，73.4%和72.5%。在5 d的处理过程中，总体呈现出随着慢渗带级数的增加，污水中COD的净化效率也增加。以每天最后1次出水为例，第2，3，4，5 d第三级慢渗带出水的COD量分别是第一级出水的70.8%，70.7%，38.4%和42.9%。同一天同一级慢渗带不同时间段出水中COD变化不明显(如图4所示)。

图4 3级灌木柳林慢渗带出水中COD的质量浓度

图5 3级灌木柳林慢渗带出水中N?-N的质量浓度

2.2 灌溉期内各级水质的日变化情况及净化效率

如图6所示，经过三级灌木柳林慢渗带(垂直型)和腺柳林表流湿地的逐级净化，其一、二、三级慢渗带收集池和腺柳林表流湿地收集池水体中TN，TP，COD和N-N的含量逐渐降低，96 h净化处理后，一、二、三级慢渗带收集池以及腺柳林表流湿地收集池水体中 TN含量分别为43，36，17，16 mg/L，与对照相比分别降低 33.8%，44.6%，73.8%，75.4%;TP含量分别为3.7，3.0，2.5，0.19 mg/L，与对照相比分别降低84.4%，87.4%，89.5%和99.2%;COD含量分别为76，80，66，34 mg/L，与对照相比分别降低 77.3%，76.1%，80.3%，89.9%;N-N含量分别为0.1，0.15，0.05，0.03 mg/L，与对照相比分别降低84.6%，76.9%，92.3%和95.4%。除TN外，腺柳林表流湿地收集池水体中的TP，COD和N-N含量均达到或优于五类水质标准[15]，所有指标均优于或达到国家准排标准[16]。

图6 柳树污水处理系统各级出水水质的变化

96 h净化处理后，整个污水处理系统末端腺柳林表流湿地收集池水体中TN，TP，COD和N-N去除率分别达到75.4%，99.2%，89.9%和95.4%，除TN的去除率随着处理时间有小幅度降低外，其他指标在96 h的处理时间内变化不明显(如图7所示)。

图7 柳树污水处理系统对人工配制污水的净化效率

3 讨论

污水土地处理系统主要是利用土壤、植物、微生物等相互作用，从土表层到土壤内部形成了好氧、缺氧和厌氧的多项系统，使各种污染物质在不同的环境中发生作用，最终达到去除或削减污染物的目的[2]。污水土地处理系统去除TN，TP，N-N和COD的高效性，与其他传统工程措施相比最具显著的优势。

硝化—反硝化脱氮作用、氮素挥发和作物吸收是土壤—植物系统中氮的主要去除途径[17-18]。北京某小区土壤毛细管渗滤系统建成运行6 a的结果表明，系统对生活污水中有机物、氮和磷的去除率较高，其中NH+4-N去除率大于90%[19]。本文实时监测结果显示，经过灌木柳林慢渗带处理后，各时间段第三级柳林慢渗带出水口水体中TN和NH+4-N去除率均超过了53.8%，并呈现出随着处理级数的增加，污水的净化效率也随之增加的趋势。日监测结果显示，5 d连续灌溉的污水，经过3级灌木柳林慢渗带(垂直型)和腺柳林表流湿地的逐级净化后，腺柳林表流湿地出水中TN和NH+4-N去除率达到75.4%和95.4%(绝对浓度达到16.0，0.03 mg/L)，对NH+4-N的处理效果更佳。但随着处理时间的延长，系统对人工污水中TN和NH+4-N的净化能力有所下降，可能与污水灌溉量大有关，使柳林土地经常处于一个满水厌氧条件，降低了其好氧处理能力。

污水土地处理系统中磷的去除主要是通过土壤吸附后与土壤中钙、铝、铁等离子发生沉淀反应，被铁、铝氧化物吸附去除和植物吸收利用。土地处理系统对TP的去除率几乎维持在80%以上，最高可达95%，且几乎所有污水土地处理系统常年运行后均未出现磷吸附饱和现象[20-22]。例如，贵州黄壤的实验工艺中，土壤的固磷和除磷明显高于其他生物除磷工艺，而且运行较稳定[23]。本研究结果显示，经过5 d连续污水灌溉后，3级慢渗带对TP的处理效果均能达到83.6%，且经过慢渗带和表流湿地处理后，5 d的总体去除效果为99.2%(绝对浓度达到0.19 mg/L)，优于五类(0.4 mg/L)。这说明本研究构建的污水处理系统对TP的处理效果很好，和前人的研究结果相似[23]。

土地处理系统对有机物，特别对可降解有机物的净化能力较强，污水中的有机质进入土壤后，首先通过过滤、吸附作用被截留下来，然后通过生物氧化作用将其降解。李海军[24]与澳大利亚科学与工业组织(CISCO)对新型渗滤土地处理系统进行的实验结果表明:渗滤系统通过土壤的生物、物理、化学作用，使COD的去除率达到70%;从沈阳西部慢滤系统几年的运行数据看，对 COD的去除率达87.8%[18]。本研究实时监测结果显示，连续5 d灌溉的污水，3级慢渗带(垂直型)对COD处理效果均达到了62.4%;日监测也显示，在经过3级慢渗带和表流湿地的逐级净化后，表流湿地收集池水体中COD的去除率达到了89.9%。这表明整个柳林污水处理系统对人工污水中COD的处理效果很好，达到并超过了前人报道的净化效果[19]，但随着处理时间的延长，其对COD的处理效果有所降低，可能灌溉污水的量太多导致好氧微生物失效有关。

各级出水口实时监测中一级和三级富营养盐含量比较分析表明，TN和TP的拦截主要集中在第一级，而COD和NH+4-N的拦截在3级慢渗带中相对比较平均。随着林带的延长，富营养盐去除效率越高，日监测结果显示二级收集池富营养浓度最高，说明2级柳林慢渗带不足以满足此类级别污水浓度的修复效率，经3级柳林慢渗带处理后，基本能达到或优于城镇二级污水处理厂排放标准，增加下游的腺柳林表流湿地后，基本能达到五类水标准。

4 结论

3级灌木柳林慢渗带和腺柳林表流湿地对TN， TP，COD和NH+4-N的的去除率75.4%，99.2%，89.9%，95.4%;对TP和COD的处理效果好于TN和NH3-N;净化效率总体呈现出随着柳林处理级数的增加，污水的净化效率也增加;整个处理系统在5 d(污水200 t)的处理过程中对水质的控制比较稳定。

[1]王青颖.中国农村生活污水处理技术应用现状及研究方向[J].污染防治技术，2007，20(5):37-41.

[2]杨文涛，刘春平，文红艳.浅谈污水土地处理系统[J].土壤通报，2007，38(2):394-397.

[3]Belila A，Ghrabi A，Hassen A.Molecular analysis of the spatial distribution of sulfate-reducing bacteria in three eutrophicated wastewater stabilization ponds[J].Annals of Microbiology，2010，61(3):563-573.

[4]陈 艺，陈 昕.用土壤法进行生活污水的深度处理[J].环境科学与管理，2008，33(6):87-90.

[5]孙海如，周虎城，王俊玉.村镇生活污水处理技术整合研究[J].给水排水，2006，32(7):23-25.

[6]齐学斌，钱炬炬，樊向阳，等.污水灌溉国内外研究现状与进展[J].中国农村水利水电，2006(1):13-15.

[7]邵志鹏，苗香雯，崔绍荣.利用污水灌溉树木的研究进展[J].世界林业研究，2002(5):26-32.

[8]白保勋，樊 巍，杨海青，等.生活污水慢渗对‘中林2001’杨树人工林生长的影响[J].应用生态学报，2011，22(6): 1403-1408.

[9]徐芝生.瑞典利用柳树进行污水治理[J].湿地科学与管理，2006，2(2):56-57.

[10]Brix H.Danish guidelines for small-scale constructed wetland systems for onside treatment of domestic sewage:proceedings of the 9th International Conference on Wetland Systems for Water Pollution Control，Avignon，France，September 26-30，2004[C].

[11]WU S B，Austin D，Liu L，et al.Performance of integrated household constructed wetland for domestic wastewater treatment in rural areas[J].Ecological Engineering，2011，37(6):948-954.

[12]施士争.以柳树为原料的生物质能源产业链探讨[J].江苏林业科技，2007，34(2):46-50.

[13]楚伟伟.波形潜流人工湿地处理模拟生活污水的研究[D].郑州:郑州大学，2010，17.

[14]国家环保局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法，3版[M].北京:中国环境科学出版社，1997.

[15]国家环境保护总局.GB 3838-2002中华人民共和国地表水环境质量标准[S].北京:中国环境科学出版社，2002.

[16]国家环境保护总局.GB 18918-2002城镇生活污水处理厂污染物排放标准[S].北京:中国环境科学出版社，2002.

[17]Kadlec R H，Tanner C C，Hally V M，et al.Nitrogen spiraling in subsurface-flow constructed wetlands:Implications for treatment response[J].Ecological Engineering，2005，25(4):365-381.

[18]Huett D O，Morris S G，Smith G，et al.Nitrogen and phosphorus removal from plant nursery runoff in vegetated and unvegetated subsurface flow wetlands[J].Water Research，2005，39(14): 3259-3272

[19]田宁宁，杨丽萍，彭应登.土壤毛细管渗滤处理生活污水[J].中国给水排水，2000，16(5):12-15.

[20]张 建，黄 霞，施汉昌，等.地下渗滤系统在污水处理中的应用研究进展[J].环境污染治理技术与设备，2002，3(4):22-25.

[21]Vymazal J.Removal of nutrients in various types of constructed wetlands[J].Science of The Total Environment，2007，380(1-3):48-65.

[22]张笑一，史 莉，彭润芝，等.地沟式污水土地处理和人工湿地中植物对磷去除的效果研究[J].农业环境科学学报，2004，23(1):151-153.

[23]台培东，宋玉芳，李培军，等.地下渗滤污水土地处理系统中主要温室气体CH4和NO2的排放和控制研究[J].应用生态学报，2000，11(增):77-80.

[24]李海军.阳高县FILTER污水土地处理系统应用效果分析[J].山西水利科技，2006(4):17-19.