农村生活污水处理设施出水排放对湖荡水质影响分析

卢昶雨，凃成琪，刘 星，靳郑海，葛光环，储玖琳，黄 威,

(1.安康学院 旅游与资源环境学院，陕西 安康 725000；2.东华大学 环境科学与工程学院，上海 201620；3.河北地质大学 河北省水资源可持续利用与开发实验室，水资源与环境学院，河北，石家庄 050031；4.中国环境科学研究院 湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室，北京 100012)

我国农村生活污水处理设施普遍存在重建设轻管理的现象，造成部分设施出水效果不佳甚至出现闲置现状，易引发水体污染。例如，洱海流域农村生活污水处理设施的氨氮(NH3—N)、总氮(TN)、总磷(TP)处理效果不佳，平均去除率不足20%[1]，滇池流域农村生活污水处理设施的运行率不足20%[2]。大部分农村排水管网相对分散，农村生活污水表现为粗放型、间歇式排放，排放分散不易收集[3-4]。农村生活污水易受人口密度、季节变化、经济发展水平等因素的影响，不同地区、不同季节农村生活污水的产生与排放差异性显著[5-6]，导致农村生活污水的处理具有一定的难度。现如今我国农村生活污水处理已形成一定规模，并取得了相应的成绩。但由于历史遗留等因素，全国范围内农村生活污水处理未能达到预期，农村生活污水处理设施出水排放水质情况不容乐观。

湖荡作为一种典型的湿地类型，由湿地植物、湿地微生物、栖息于湿地的动物及其环境组成，对调蓄洪水、净化水质、维护生境、保持生态平衡和维持物种多样性具有重要的生态作用[7-13]。据了解，湖荡水体及沉积物污染的季节变化特征显著，且夏季污染尤其严重[14-15]。随着农村生活污水处理设施排放大量的污染物进入湖荡，湖荡污染加剧，大部分湖荡水体未能达到功能区要求，湖荡水环境系统污染对当地生态环境和社会经济的良性发展产生威胁[16-19]。因此，研究农村生活污水处理设施出水排放特征对控制湖荡水体污染具有重要意义。

本文以嘉兴市的海宁市和秀洲区为研究区域，对区域内44个湖荡夏季(6月)上覆水、间隙水及沉积物污染特征进行研究，对湖荡上覆水污染物与160座农村生活污水处理设施的污染物去除率和农村生活污水处理设施出水污染物进行相关性分析，探究了湖荡水体污染和农村生活污水处理设施出水排放的关系，以期为嘉兴市湖荡水质的治理提供研究依据，进而为农村生活污水防控提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

嘉兴市位于浙江省东北部，属长江三角洲杭嘉湖东部平原。嘉兴市域水系属长湖荡江水系太湖流域，境内水网密布，地势平坦，湖荡众多，有67个0.1 km2以上的湖荡。2015年嘉兴市各地区农村生活污水排放量总计7.126 99 ×107t。其中，化学需氧量(chemical oxygen demand，COD)、NH3—N、TN、TP排放总量分别为107.96、13.75、54.34、1.97 t。所研究的海宁和秀洲两个地区的农村生活污水处理设施出水COD、NH3—N、TN、TP排放达标率分别为25.6%、29.4%、35.6%、8.1%，农村生活污水处理设施出水排放未达到理想状态。大量的污染物进入湖荡，导致嘉兴市农村地区湖荡污染普遍严重，大部分湖荡水体未能达到功能区要求，湖荡水环境现状不容乐观。本研究选择嘉兴市的海宁市和秀洲区作为研究区域，面积约1 248.32 km2，包括8个街道和13个镇，区域内建成的分散式污水处理设施合计1 000余座，占整个嘉兴市的一半以上。

1.2 采样点布设

针对湖荡污染的调查，综合当地环保部门提供的定位监测点位信息，结合区域内湖荡与农村生活污水的地理位置分布，选取区域内均匀分布的44个湖荡作为研究对象，于2019年6月(夏季)采集湖荡的上覆水、间隙水、沉积物样品。同时为探究该区农村生活污水处理设施出水排放情况对湖荡水质的影响，根据就近原则，将区域内日处理量达30 t/d以上的160座污水处理设施和44个湖荡统一划分为9个区域，每个区域涵盖的设施数和湖荡点位数如表1所示。采样点分布见图1。

表1 研究区域设施和湖荡数量分布Table 1 The distribution of facilities and lake wetlands in the study area

图1 采样点分布图Fig.1 Map of sampling sites

1.3 样品采集与处理

采用有机玻璃采水器采集表层沉积物0.5 m处的上覆水样品，加入H2SO4酸化并装入聚乙烯塑料瓶中密封，放入装有冰袋的保存箱中暂存冷藏，48 h内于实验室进行各项水质指标的测定[20]。采用抓泥斗采集湖荡表层沉积物样品，样品放入干净的自封袋内，并于24 h 内带回实验室处理。取适量沉积物样品冷冻干燥处理4 d，再去除冷冻干燥后的沉积物样品中的砂石等杂质，然后于通风橱研磨过孔径为150 μm(100目)的尼龙筛，装入干净的自封袋备用[21]。取250 g沉积物样品于10 000 r/min的离心机中离心15 min获得间隙水，采用Whatman型玻璃纤维滤膜GF/F(450 ℃灼烧5 h)过滤，滤液冷藏保存[22]。

根据HJ 828—2017，采用重铬酸盐法测定COD的质量浓度；根据HJ 535—2009，采用纳氏试剂分光光度法测定NH3—N的质量浓度；根据GB 11894—1989，采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定水样中TN的质量浓度；采用分级浸提法[23]测定沉积物中TN的质量浓度；根据GB 11893—1989，采用过硫酸钾氧化钼酸铵分光光度法测定水样中TP的质量浓度；采用欧洲标准测试委员会的SMT分离方法[24]测定沉积物中TP的质量浓度。

1.4 数据处理

为保证数据的准确性，做3次平行试验，试验结果以3次测量结果的平均值为准(相对误差小于5%)。在IBM SPSS Statistics 21软件中，采用皮尔逊(Pearson)相关系数法进行相关性分析；采用Arcgis 10.5软件对采样分布图进行分析。

2 结果与分析

2.1 湖荡水体污染特征分析

2.1.1 上覆水

研究区域的湖荡夏季上覆水污染特征如图2所示。由图2可知：上覆水中COD的质量浓度为4.08～8.94 mg/L(均值为6.58 mg/L)，NH3—N、TN、TP质量浓度分别为0.78～2.96、1.68～3.68、0.15～0.40 mg/L，均值依次为1.38、2.47、0.27 mg/L，高于某些湖泊上覆水污染物均值(NH3—N、TN、TP分别为0.24、2.17、0.07 mg/L)[25]。根据GB 3838—2002《地表水环境质量标准》，COD质量浓度均值满足Ⅰ类水水质标准、NH3—N浓度均值满足Ⅳ类水水质标准，而TN、TP表现为劣Ⅴ类水。其中，COD样本全部达到Ⅰ类水水质标准；NH3—N满足Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、劣Ⅴ类水质标准样本占比分别为31.8%、75.0%、84.1%、15.9%；TN满足Ⅴ类和劣Ⅴ水质标准样本占比分别为22.7%、13.6%，TP满足Ⅴ类和劣Ⅴ类水质标准样本占比分别为77.3%、86.4%。COD、NH3—N、TN、TP能同时满足Ⅴ类水水质标准样本仅占9.1%。总体而言，研究区域湖荡上覆水氮磷污染严重，大部分湖荡为劣Ⅴ类水体，存在较大的生态环境风险。

图2 湖荡上覆水污染特征Fig.2 Pollution characteristics of overlying water in lake wetlands

2.1.2 间隙水

间隙水在沉积物与上覆水间污染物的迁移转化中扮演重要角色，因此，对区域内湖荡夏季间隙水污染特征进行研究具有重要意义。湖荡间隙水污染特征如图3所示。由图3可知：间隙水COD质量浓度为29.87～77.14 mg/L(均值为51.12 mg/L)，NH3—N、TN、TP的质量浓度分别为7.59～32.39、16.44～55.21、0.31～1.26 mg/L，均值依次为18.13、30.32、0.58 mg/L，高于某些湖泊间隙水污染物质量浓度均值(NH3—N、TN、TP分别为2.23、3.83、0.15 mg/L)[25]和某些河流间隙水污染物质量浓度均值(TN、TP分别为15.25、0.65 mg/L)[26]。间隙水COD、NH3—N、TN、TP质量浓度均值分别是上覆水的7.77、13.14、12.28、2.15倍，表明间隙水污染物浓度显著高于上覆水，具备沉积物污染物向上覆水释放的基础。间隙水与上覆水的COD分布规律较为一致，但与上覆水的氮磷分布规律一致性较低，这与上覆水受外源污染、风浪等外界干扰有关[27]。

图3 湖荡间隙水污染特征Fig.3 Pollution characteristics of pore water in lake wetlands

2.2 湖荡沉积物污染特征分析

湖荡沉积物污染特征如图4所示。由图4可知：沉积物TN、TP的质量浓度分别为 901.29～6 368.41、791.74～2 523.12 mg/kg(均值分别为2 627.41、1 704.62 mg/kg)，远高于长荡湖表层沉积物TN、TP质量浓度的均值(TN、TP分别为995、695 mg/kg)[28]。参照《全国河流湖泊水库底泥污染状况调查评价》对湖荡沉积物污染物进行评价，沉积物TN、TP均值均为四级断面(一级断面最优)。其中，沉积物TN的一级断面、二级断面、三级断面、四级断面样本占比分别为6.8%、22.7%、15.9%、54.6%，沉积物TP的二级断面、三级断面、四级断面样本占比分别为11.4%、27.3%、61.3%。由此可见，湖荡沉积物氮磷污染是非常严重的。

图4 湖荡沉积物污染特征Fig.4 Pollution characteristics of sediments in lake wetlands

2.3 湖荡水体与沉积物污染物间相关性分析

在湖荡体系中，污染物以间隙水为介质进行水体与沉积物之间的迁移与转换，实现污染物的吸附、转化和释放。本文对湖荡上覆水、间隙水及沉积物的相关性进行分析，结果见表2。由表2可知，湖荡上覆水NH3—N、TN、TP之间相关性显著。上覆水NH3—N、TN 均与上覆水TP呈极显著正相关，相关系数分别为 0.686、0.685；上覆水NH3—N与上覆水TN呈极显著正相关，相关系数为0.713，这可能与上覆水氮磷污染源来源一致有关。间隙水NH3—N与间隙水TN呈极显著正相关，相关系数为0.660，间隙水NH3—N与间隙水TP呈显著正相关，相关系数为0.339。沉积物TN与沉积物TP呈显著正相关，相关系数为 0.304。

表2 湖荡上覆水、间隙水及沉积物污染物间相关性Table 2 Correlation among overlying water，pore water and sediment pollutants in lake wetlands

此外，上覆水、间隙水和沉积物中的污染物也存在一些相关性。间隙水NH3—N与沉积物TN、TP呈极显著正相关，相关系数分别为0.576、0.436，间隙水TN与沉积物TN、TP呈极显著正相关，相关系数分别为0.511、0.357，且间隙水TP与沉积物TN呈显著正相关，相关系数为0.327。上覆水COD与间隙水COD呈极显著正相关，相关系数为0.471。上覆水COD与间隙水COD显著相关，而上覆水氮磷与间隙水氮磷及沉积物氮磷相关性较弱，这与大亚湾[29]和卫河新乡段[30]研究结果一致。但这并不能说明间隙水和沉积物氮磷浓度的高低对上覆水氮磷浓度没有影响，上覆水氮磷浓度不仅受沉积物和间隙水方面的影响，还受风浪、潮汐以及外源污染等因素的影响。

2.4 农村生活污水处理设施出水排放对湖荡水质影响

2.4.1 设施出水水质与湖荡水质相关性分析

对各分区湖荡上覆水污染物与农村生活污水处理设施出水排放污染物浓度均值进行统计，并就相关性进行分析，结果如图5所示。

图5 各分区农村生活污水处理设施出水水质与湖荡水质的相关性分析Fig.5 Correlation analysis between effluent quality of domestic sewage treatment facilities in the rural area and lake water quality

各分区农村生活污水处理设施出水排COD质量浓度均值最大、最小值分别在在S7和S4，为7.19和6.01 mg/L，湖荡上覆水COD与农村生活污水处理设施出水COD相关性不显著，但湖荡上覆水氮磷与农村生活污水处理设施出水氮磷相关性显著。各分区农村生活污水处理设施出水排放NH3—N的最大、最小值分别在S5和S9，为23.44和9.92 mg/L，且湖荡上覆水NH3—N与农村生活污水处理设施出水NH3—N在S1、S2、S3、S5、S8均呈显著正相关，相关系数分别为0.822、0.890、0.885、0.947、0.896，在S7呈极显著正相关，相关系数为0.978。各分区农村生活污水处理设施出水排放TN的最大、最小值分别在S5和S4，为47.99和 19.28 mg/L。湖荡上覆水TN与农村生活污水处理设施出水TN均在S1、S2、S3、S7、S8呈显著正相关，相关系数分别为 0.856、0.889、0.885、0.956、0.950，在S6呈极显著正相关，相关系数为0.980。各分区农村生活污水处理设施出水TP质量浓度最大、最小值分别在S5和S2，为4.51和0.21 mg/L。湖荡上覆水TP与农村生活污水处理设施出水TP均在S1、S2、S3、S8区呈显著正相关，相关系数分别为 0.828、0.901、0.879、0.884，在S5、S6均呈极显著正相关，相关系数为0.973、0.960。

作为直接污染源的农村生活污水处理设施排放水中的氮磷质量浓度与湖荡上覆水氮磷污染相关性更为显著，表明农村生活污水处理设施出水的氮磷排放量对湖荡上覆水中氮磷营养盐浓度影响较大。特别是在湖荡上覆水与农村生活污水处理设施出水排放污染物浓度较高的S5和S7，相关性更为显著。因此，提高农村生活污水处理设施出水的水质，优化农村生活污水处理设施氮磷去除效果，对湖荡水体富营养化防治具有重要意义。

2.4.2 污染物的设施去除率与湖荡水质相关性分析

对各分区湖荡上覆水污染物浓度均值与农村生活污水处理设施污染物去除率均值进行统计，并对相关性进行分析，结果如图6所示。

图6 各分区农村生活污水处理设施的污染物去除率与湖荡水质间相关性分析Fig.6 Correlation analysis between pollutant removal rate of domestic sewage treatment facilities in the rural area and lake water quality

各分区农村生活污水处理设施对污染物的去除率变化相对稳定，但湖荡上覆水污染物浓度在各分区存在一定差异。各分区湖荡上覆水COD、NH3—N、TN、TP质量浓度均值最大值在S5，分别为92.46、2.71、3.53、0.38 mg/L，最小值在S9，分别为53.57、0.89、1.82、0.18 mg/L。湖荡上覆水COD与农村生活污水处理设施COD去除率相关性不显著，但上覆水氮磷与污水处理设施出水排放氮磷存在一定的相关性。其中:上覆水NH3—N与农村生活污水处理设施NH3—N去除率在S2、S3均呈显著负相关，相关系数分别为-0.902、-0.894；上覆水TN与农村生活污水处理设施TN去除率均在S2、S5呈显著负相关，相关系数分别为-0.903、-0.888；上覆水TP与农村生活污水处理设施TP去除率均在S3、S5、S6呈显著负相关，相关系数分别为-0.907、-0.918、-0.888。

总体而言，湖荡上覆水氮磷与农村生活污水处理设施氮磷去除率呈显著负相关，表明农村生活污水处理设施氮磷去除率对湖荡上覆水中的氮磷营养盐浓度存在影响。尤其是在上覆水氮磷浓度及农村生活污水处理设施污染物去除率较高的S5，相关性更显著。因此，提升农村生活污水处理设施氮磷去除率对改善湖荡水体氮磷污染的现状具有重要意义。

3 结 论

(1)研究区域内湖荡夏季水体氮磷污染尤其严重，大部分湖荡为劣Ⅴ类水体。其中:上覆水氮磷污染严重；间隙水COD、NH3—N、TN、TP质量浓度均值分别是上覆水的7.77、13.14、12.28、2.15倍，具备沉积物中的污染物向上覆水释放的基础；沉积物氮磷污染也是非常严重的。

(2)湖荡上覆水NH3—N、TN、TP之间相关性显著；间隙水NH3—N与间隙水TN呈极显著正相关(p<0.01)，相关系数为0.660；沉积物TN、TP间相关性显著(p<0.05)，相关系数为0.304。上覆水、间隙水和沉积物中的污染物也具有相关性。上覆水COD与间隙水COD呈极显著正相关(p<0.01)，相关系数为0.471。间隙水氮磷与沉积物氮磷相关性显著，相关系数为0.357～0.576。

(3)研究区域湖荡上覆水COD与农村生活污水处理设施出水排放COD相关性不显著，但上覆水氮磷与设施出水排放氮磷呈显著正相关，同样，区域内湖荡上覆水COD与农村生活污水处理设施COD去除率相关性不显著，但上覆水氮磷与设施氮磷去除率呈显著负相关。对比农村生活污水处理设施污染物去除率可知，农村生活污水处理设施出水氮磷与湖荡上覆水氮磷相关性更为显著，农村生活污水处理设施出水氮磷排放对湖荡上覆水氮磷营养盐浓度影响较大。

(4)控制农村生活污水处理设施出水氮磷排放对湖荡水体富营养化防治具有重要意义。为控制农村生活污水处理设施出水氮磷排放，可选择合适的农村生活污水处理工艺，加强设施运营监管力度，时刻关注运行参数和水质变化并及时改进处理工艺，对农村生活污水处理设施的建设、运行、维护进行长效管理，进而改善湖荡水质。