十三五时期,我国城镇化进程不断推进,经济迅猛增长,农村生活质量不断改善。然而经济发展的同时,农村生活污水收集、处理设施建设未能跟上发展步伐现有的城市污水处理工艺存在投资大、运行费用高和管理复杂等缺点,无法在农村广泛应用。导致仍有大量农村生活污水未经处理直接排入天然水体,农村水环境面临严峻挑战。
 因此,寻找符合农村特点、建设成本较低且易于维护的工艺来提高农村生活污水尾水水质,势在必行。
 针对农村生活污水尾水氮、磷浓度过高的问题,在以沸石为主材料的传统人工湿地基础上,以铁基生物炭填料为添加物,设计建立了3种竖直潜流人工湿地系统。重点考察了包括铁基生物炭人工湿地在内的3种湿地系统在不同HRT、进水C/N比、温度下对农村生活污水尾水的处理效果,对基质微生物群落结构和脱氮除磷功能基因进行测定和分析。
 取得的主要成果如下:1.在环境温度25℃-35℃时对比3种系统在不同水力停留时间下的运行效果。当HRT为1d,表面负荷为0.2081 m~3/m~2·d时,W_(IC)的COD、NH_4~+-N、NO_3~--N、TN、TP去除率分别为83.2%、87.3%、81.9%、87.8%、83.7%,出水水质达到地表Ⅴ类水标准。与对照组相比,W_(IC)的NO_3~--N、TN、TP去除效率分别提高19.7%-52.9%、6.4%-21.8%、44.6%-52.5%。对不同点位的污染物浓度和理化参数进行测定,结果表明,铁基生物炭填料使系统下层(40cm处)单层去除率明显上升,W_(IC)的NH_4~+-N、NO_3~--N、TN、TP去除率比对照组分别提高了4.9-11.1%、53.2-58.3%、26.5-41.8%、25.5-28.6%。与此同时,系统下层DO消耗量增加,p H升高,ORP电位低于100mv,更具还原性。
 2.对比分析典型周期(HRT=1d)下铁基生物炭质量比、进水C/N比、温度等因素对不同湿地系统运行效果的影响。不同的铁基生物炭填料比例影响着铁基生物炭填料人工湿地的处理效果,当铁基生物炭填料质量比为5:1时,W_(IC)对NO_3~--N、TN、TP去除率高,分别为81.9%、83.9%、87.8%。接着对限制脱氮除磷的因素之一——进水C/N比进行研究,三种系统COD出水浓度保持稳定,NH_4~+-N、NO_3~--N、TN、TP去除率明显上升,W_F和W_(IC)受碳源影响大于W_C;当进水C/N比≤3.52时,各湿地系统TN内各组分比例无明显变化,当进水C/N比≥4.70时,W_(IC)出水中NH_4~+-N比例上升至87.6%,NO_3~--N比例下降12.0%,情况与对照组相反。
 后对限制微生物活性的因素之一——温度进行研究,对比了3种人工湿地夏冬两季的运行效果。当环境温度低于15℃时,3种系统NH_4~+-N、NO_3~--N、TN、TP去除率分别下降3.1%-32.9%、44.6%-96.0%、19.0%-59.3%、2.7%-20.7%。W_F和W_C中NO_3~--N出现负增长,W_(IC)系统的NH_4~+-N、NO_3~--N、TN、TP去除率分别为84.2%、35.2%、64.8%、90.5%。
 3.为探究基质对系统内功能微生物定殖分布的影响,对3种系统不同基质层内的细菌进行了高通量测序。Alpha多样性分析中,W_C、W_(IC)下层基质中OUT number、observed＿species、shannon指数、simpson指数均高于W_F,投加铁基生物炭均能提高系统内土壤细菌群落的丰度和多样性。Beta多样性分析中,Weighted Unifrac热图和PCA分析菌表明,不同系统和同一系统内的不同基质层间的细菌群落差异明显。
 研究结果表明,农村生活污水治理使用铁基生物炭填料人工湿地具有良好的脱氮除磷能力,能为提高农村生活污水尾水水质提供一种新的思路,也能为相关领域的科学研究和工程实践提供一定的参考。