不同污染負荷下光催化耦合垂直流人工濕地對農(nóng)村污水的凈化效果研究

不同污染負荷下光催化耦合垂直流人工濕地對農(nóng)村污水凈化效果的研究摘要：農(nóng)村生活污水不僅僅是影響人們的生活和健康，且對河流、水庫、湖泊、地下水造成一定的污染，本論文主要針對我國農(nóng)村地區(qū)生活污水治理效率不高、難以集中處理等問題，在農(nóng)村水污染治理技術起步較晚，缺乏穩(wěn)定的資金支持，可靠的處理技術的情況下，研發(fā)適合于農(nóng)村污水處理的技術以及成套的污水處理裝置，為提高傳統(tǒng)濕地對污水的凈化效果，本實驗初步將光催化技術與垂直流人工濕地進行耦合，并探究在不同污染負荷下反應器對生活污水的凈化效果。以傳統(tǒng)的垂直流人工濕地為基礎、嵌入以紫外燈，構建長*寬*高為40*30*50cm的光催化耦合垂直流人工濕地反應器，以西南林業(yè)大學校園生活污水為模擬對象，進行72h的處理，結果表明：當進水污染負荷為107.5時,COD、氨氮和TP的去除率分別為40%、98%、66%，出水濃度分別64mg/L、0.2mg/L、0.32mg/L，參照表1可知出水中以上污染物均達到了排放的一級標準。通過實驗結果可得該光催化耦合垂直流人工濕地對污水中氨氮的去處效果最好，對COD和TP的去除沒有明顯的促進效果。關鍵詞：光催化；農(nóng)村污水；污染負荷StudyonthepurificationeffectofphotocatalyticcouplingverticalflowconstructedwetlandonruralsewageunderdifferentpollutionloadsAbstract:Ruraldomesticsewagenotonlyaffectspeople'slifeandhealth,butalsocausescertainpollutiontorivers,reservoirs,lakesandgroundwater.ThispapermainlyaimsattheproblemsoflowefficiencyanddifficultyincentralizedtreatmentofdomesticsewageinruralareasofChina.Undertheconditionoflatestartofruralwaterpollutioncontroltechnology,lackofstablefinancialsupportandreliabletreatmenttechnology,thetechnologysuitableforruralsewagetreatmentandacompletesetofsewagetreatmentequipmentaredeveloped.Inordertoimprovethepurificationeffectoftraditionalwetlandonsewage,thisexperimentpreliminarilycouplesphotocatalytictechnologywithverticalflowconstructedwetland.Thepurificationeffectofthereactorondomesticsewageunderdifferentpollutionloadswasexplored.Basedonthetraditionalverticalflowconstructedwetlandandembeddedwithultravioletlamp,aphotocatalyticcouplingverticalflowconstructedwetlandreactorwithalength*width*heightof40*30*50cmwasconstructed.TakingthedomesticsewageofSouthwestForestryUniversityasthesimulationobject,thetreatmentwascarriedoutfor72h.Theresultsshowedthatwhentheinfluentwaterpollutionloadwas107.5,theremovalratesofCOD,ammonianitrogenandTPwere40%,98%and66%,respectively,andtheeffluentconcentrationswere64mg/L,0.2mg/Land0.32mg/L,respectively.Accordingtotable1,theabovepollutantsintheeffluentreachedthefirst-levelstandardofdischarge.Theexperimentalresultsshowthatthephotocatalyticcouplingverticalflowconstructedwetlandhasthebestremovaleffectonammonianitrogeninsewage,andhasnoobviouspromotioneffectontheremovalofCODandTP.Keywords:photocatalysis;ruralsewage;pollutionload目錄TOC\o"1-4"\h\u30089摘要 -5-1緒論1.1研究背景提升農(nóng)村居民居住環(huán)境，是推進建設社會主義新農(nóng)村建設的重要內容。近年來，隨著我國經(jīng)濟社會發(fā)展水平不斷提升，城鄉(xiāng)差距逐步縮小，廣大農(nóng)民群眾對美好生活的向往日益增強。治理農(nóng)村污水是改善農(nóng)村人居環(huán)境的首要任務，也是實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興的重要措施，同時也是新時期深入推進農(nóng)村農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)污治理的關鍵。近年來隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化水平不斷提高，城鄉(xiāng)差距日益縮小，年農(nóng)村居民生活質量顯著提升。然而，農(nóng)村地區(qū)在水污染防治方面的進展與工業(yè)城鎮(zhèn)相比明顯落后，導致農(nóng)村居住環(huán)境質量不盡人意，生活污水隨意排放，水體黑臭和富營養(yǎng)化等問題日益凸顯。據(jù)統(tǒng)計，全國現(xiàn)有2.5×106個自然村，農(nóng)村人口約為5.1億人，農(nóng)村生活污水排放量大于2×106t/aREF_Ref7457\r\h[1]，COD、氨氮、總磷的排放量分別是5×106t/a、2.5×105t/a、、4×104t/aREF_Ref7565\r\h[2]。隨著經(jīng)濟的快速增長，農(nóng)村居民生活水平不斷提高，對健康衛(wèi)生環(huán)境需求也越來越高，農(nóng)村地區(qū)污水處理工作刻不容緩。不過2021年全國農(nóng)村生活污水治理率只有28%REF_Ref7614\r\h[3]。我國農(nóng)村污水處理困難，效率不高，大范圍推進困難，污水治理情況不容樂觀。我國農(nóng)村居住特點是小聚居和分散居住，分布范圍廣，南方北方差異較大；污水的排放總量小，排放具有時間間隔性；按其主要來源及特點可分為以下幾類：（1）農(nóng)村日常生活活動中廚房、廁所、洗滌用水直接通過暗溝或者明溝排出，部分滲透到泥土里。此外在雨水的沖刷下直接被排放進入河流，其某些指標大大超出環(huán)境承受能力，造成水體富營養(yǎng)化，致使水體變黑發(fā)臭。（2）一些農(nóng)村特別是旅游村的農(nóng)家樂，飯店等生活功能區(qū)，由于農(nóng)村排污設施簡陋，環(huán)保意識和環(huán)保技術不足，污水直接排入到溝渠中；這一類排污中COD、BOD及懸浮物的濃度較高。（3）家禽家畜養(yǎng)殖，其糞便等排泄物未經(jīng)處理就直接排放，加之雨水沖刷更是四處流走，臭氣熏天，使人居環(huán)境質量大大降低，嚴重污染環(huán)境。（4）生活垃圾的隨意擺放丟棄，缺少處理技術，難以統(tǒng)一收集，雨水沖刷下匯集到河道中，排入自然河流水體中污染水體。（5）農(nóng)藥化肥及其使用過后包裝袋的隨意丟棄，過量的化肥農(nóng)藥最終進入環(huán)境。農(nóng)村水污染治理需要消耗大量的資金。農(nóng)村生活污水不僅危害居民身體健康和生活環(huán)境，同時對河流、地下水、水庫和湖泊等水體造成污染。農(nóng)村生活污水的處理率較低、凈化系統(tǒng)不完善，政策上需要政府相關部門明確管理機制；因此在鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略持續(xù)發(fā)展的過程中，農(nóng)村污水處理工作也越來越受關注和重視，并且已經(jīng)逐步成為了限制鄉(xiāng)村發(fā)展的大重要因素。人們在對污水進行治理的時候，不僅僅需要考慮到生活最終處理質量上的問題，還需要考慮到怎樣把污水帶到資源化利用的途徑上來，了解農(nóng)村污水的不益性質并對污水處理方法進行合理的選擇。為了確保農(nóng)村污水治理工作的正常運行，需要加大社會各界對資金的投入；在污水治理領域，不斷進行技術創(chuàng)新和優(yōu)化是至關重要的，必須根據(jù)實際情況制定出最適合的治理方法和模式，政策方面需要進一步完善相關制度規(guī)范，為后續(xù)研究提供依據(jù)。為確保農(nóng)村生活污水治理工作的有效實施，必須建立完善的監(jiān)督管理機制，加強專業(yè)人才培養(yǎng)，同時注重社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟效益，積極宣傳污水治理工作，引導各方提高環(huán)保意識，并積極參與其中。1.2研究的目的和意義1.2.1研究目的本論文旨在探究是我國農(nóng)村生活污水凈化效率低、缺乏適宜適宜可行的裝置技術和成套設備等問題，通過引入光催化技術強化生物生態(tài)型耦合工藝，致力于研究適用于農(nóng)村地區(qū)的能高效處理污水的技術和設備，目的是打造一種低投資、低成本、易維護、高效率的小型生活污水處理工藝，為改善農(nóng)村環(huán)境提供技術支持。1.2.2研究意義人工濕地系統(tǒng)作為典型的生態(tài)凈化技術，被廣泛應用于農(nóng)村生活污水治理領域。但傳統(tǒng)垂直流人工濕地床體氧環(huán)境較差，出水水質往往難以滿足污水排放標準，還存在3-5年生命周期的限制。因此，本研究初步將光催化強化技術與人工濕地耦合，并探究在不同污染負荷下反應器對生活污水的凈化效果。擬開發(fā)新型光催化耦合人工濕地農(nóng)村生活污水處理工藝。1.2.3研究內容低污染負荷進水條件下，污水處理反應器對生活污水中COD、氨氮、TP、正磷的去出效果。中等污染負荷進水條件下，反應器對生活污水中COD、氨氮、TP和正磷的去除情況。高等污染負荷進水條件下，反應器對污水中COD、氨氮、TP、正磷的凈化效果。1.3國內外研究現(xiàn)狀1.3.1國內農(nóng)村污水處理我國農(nóng)村生活污水處理方面的研究起步較晚，隨著經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，環(huán)境保護水平和環(huán)境保護意識的增強以及國家美麗鄉(xiāng)村建設的號召，農(nóng)村環(huán)境備受關注，英雌農(nóng)村污水處理技術也得到了快速發(fā)展。一些經(jīng)濟發(fā)達的省份逐漸意識到到農(nóng)村生活污水污染的嚴重性，開始采取一些適合于自身的治理措施，采用高效、實用、節(jié)能、方便運行管理的技術來處理污水。國內農(nóng)村生活污水的處理技術主要包括：（1）化糞池沉淀厭氧發(fā)酵污水處理技術，該技術具有能耗低、運行管理方便、污水處理效果較好等優(yōu)點。對COD在100－400mg/L的生活污水，經(jīng)過化糞池作用后可去除50－60%的懸浮物，再經(jīng)過厭氧池的發(fā)酵使污水中的有機物轉化為無機物，利用化糞池處理生活污水的技術其周期較長，至少要經(jīng)過三個月的處理時間，化糞池內沉降下來的池渣可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，需定期對化糞池進行清理REF_Ref7696\r\h[4]。在溫度較低的情況下，化糞池內進行的反應較平緩，因此處理效率不高。（2）利用人工濕地處理污水的技術，人工濕地是一種可調控的濕地系統(tǒng)，通過綜合運用物理、化學和生物的作用優(yōu)化組合，對污水進行合理高效的處理。濕地處理系統(tǒng)的構建涉及到顆粒填料、水生植物以及水中微生物群落的有機統(tǒng)一。其主要原理有物理過濾、沉淀、吸附，粒子間作用，水生植物根系的吸收利用，水中微生物的分解作用來使水中一些污染物濃度降低。（3）農(nóng)村沼氣池技術。沼氣池是農(nóng)村常見的污染物厭氧處理技術，沼氣池是適用于農(nóng)村分散居住生活污水集中處理困難情況的一個很好的解決方法，小型的沼氣池幾乎可以做到每家每戶建立起來，其占地小位于地下耗材少、價廉、處理效果好，不僅處理了農(nóng)村生活污水，更是產(chǎn)生了甲烷這一清潔能源；其沼渣沼液還能做肥料作用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，改良土壤結構，提高土壤肥力。1.3.2國外農(nóng)村污水處理自1952年德國科學家Seidel開始進行工程化的人工濕地研究以來REF_Ref7758\r\h[5]，人工濕地技術已在歐洲、北美洲、南美洲、亞洲、大洋洲和非洲等多個地區(qū)得到廣泛應用。在新西蘭的農(nóng)莊污水處理中，人工濕地因其符合當?shù)赝林幕瘍r值、低的處理成本和生態(tài)理念等特點，已經(jīng)成為一種快速發(fā)展的處理方式，不僅可用于處理生活污水，還可用于處理農(nóng)場加工中乳酪加工制作排放的污水以及減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的面源污染等問題REF_Ref7928\r\h[6]。隨著國外工業(yè)化進程的不斷加快，農(nóng)村人口大量向城市轉移，使得農(nóng)村污水污染問題日益嚴峻，對生態(tài)環(huán)境和人類健康帶來了嚴重影響，因此開展人工濕地污水處理技術在農(nóng)村地區(qū)具有重要的推進意義。人工濕地在歐美國家的應用歷史可以追溯到更早的時期，而其研究也更加深入。歐洲有超過50000座人工濕地用于污水處理REF_Ref7996\r\h[7]，大多數(shù)的人工濕地被建于鄉(xiāng)村或小城鎮(zhèn)，適用于規(guī)模較小的生活污水的處理。這些人工濕地都是利用微生物作用來進行處理的。為了對英國農(nóng)村污水站點的出水進行深度凈化，，人們廣泛采用了人工濕地技術，并成立了人工濕地協(xié)會，建立了一個由900個人工濕地組成的數(shù)據(jù)庫REF_Ref8035\r\h[8]。據(jù)Molle等人的研究REF_Ref8150\r\h[9]，法國的鄉(xiāng)村中存在著數(shù)量超過500個的人工濕地，這些濕地均為污水處理提供了重要的生態(tài)環(huán)境。在波蘭，人工濕地也有超過30a的應用歷史了，在這之中的人工濕地大多用于小于5m3·d-1的單戶農(nóng)村生活污水處理REF_Ref8251\r\h[10]。目前我國鄉(xiāng)村地區(qū)存在著用于處理生活污水的設施。多個國家，包括英國、法國、意大利、德國、丹麥和捷克，已陸續(xù)發(fā)布了人工濕地設計規(guī)范，以處理分散型生活污水REF_Ref7928\r\h[6]。我國對人工濕地的研究起步較晚，但近幾年隨著各地建設水平和經(jīng)濟實力的提高，其數(shù)量逐步增加。在北美建起了超過10000座的人工濕地，且從南部地區(qū)到北部地區(qū)皆有分布，僅是肯塔基一個州就有超過4000個用于單戶生活污水處理的潛流人工濕地REF_Ref7928\r\h[6]。這些國家對人工濕地技術都相當重視，并且為此投入了巨大的資金用于研發(fā)和示范。當前，北美洲涌現(xiàn)了大批致力于人工濕地研究的科研人才，并成功構建了一個案例數(shù)據(jù)庫，為該領域的進一步發(fā)展奠定了堅實的基礎。1.4國內應用人工濕地處理農(nóng)村污水的現(xiàn)狀1987年見證了我國人工濕地處理污水技術研究工作的開端，試驗工程在天津、北京等地得以建成REF_Ref8457\r\h[11]。此后，各地相繼開展相關的示范和推廣工作。自2004年起，我國人工濕地應用技術進入了蓬勃發(fā)展的階段，截止2015年，已有700多個人工濕地工程被公開報道REF_Ref8489\r\h[12]。隨著技術進步和經(jīng)濟的高速發(fā)展，國內對人工濕地的需求越來越大。在我國，人工濕地的應用范圍不斷擴大，無論是在規(guī)模還是污水類型上，都呈現(xiàn)出多元化的趨勢。處理規(guī)模方面，有設計處理量25萬m3·d-1的地表水凈化濕地REF_Ref8816\r\h[13]，也有10m3·d-1以下的農(nóng)村污水濕地REF_Ref8489\r\h[12]。污水處理方式上，主要是以活性污泥為主，其次是植物吸附法等。人工濕地已被廣泛應用于處理多種類型的污水，包括但不限于生活污水、河湖水以及垃圾滲濾液等REF_Ref8489\r\h[12]。近年來，隨著國家對“生態(tài)文明”建設重視程度的不斷提高以及各地政府加大對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入力度，國內學者開始關注以生物多樣性保護為目的的人工濕地技術研究與推廣工作?？紤]到我國環(huán)境問題的復雜性、人口集中密度大以及土地資源的稀缺性，人工濕地的研究為該技術的規(guī)?；途毣l(fā)展提供了創(chuàng)新的視角和可靠的數(shù)據(jù)支持。隨著國家對生態(tài)環(huán)境保護工作重視程度的提升和“綠水青山就是金山銀山”理念的提出，人工濕地成為解決水污染治理難題的重要途徑之一。我國各省市均有關于人工濕地在農(nóng)村污水處理方面的研究報道。近年來，隨著國家政策支持及資金投入力度加大，國內一些省市開始探索農(nóng)村污水處理技術應用與推廣工作。因為各地污水的特性和建設條件各不相同，所以具體的技術路線也會因地區(qū)而異。以某鄉(xiāng)鎮(zhèn)為例，從水質特征、工程規(guī)模及經(jīng)濟性方面分析了人工濕地在我國農(nóng)村污水處理中的適用性。郝目遠等REF_Ref8976\r\h[14]針對北京市農(nóng)村地區(qū)的現(xiàn)狀，經(jīng)過對多種常用技術的對比研究，得出結論：采用“地埋式一體化生物接觸氧化法+生態(tài)處理法”組合模式，不僅能夠適應當?shù)貙嶋H情況，而且能夠滿足水污染物排放標準REF_Ref9038\r\h[15]的要求。在對北京平谷區(qū)農(nóng)村污水運行情況進行調查后，任占軍等REF_Ref9074\r\h[16]發(fā)現(xiàn)MBR、A/O等工藝占據(jù)了一半以上的比例，但在運行1～3年后，由于運行維護費用高、管理要求程度高等原因，這些工藝被迫停止運行。相比之下，人工濕地工藝因其簡便的運行維護方式，成為了平谷地區(qū)目前最受歡迎的處理工藝。吳昊等REF_Ref9126\r\h[17]對江蘇省太湖流域6000多套農(nóng)村污水處理設施進行走訪，在100余種污水處理工藝中挑選出4種運用比較較廣泛的工藝進行分析，對其中3種工藝運用了人工濕地處理單元。根據(jù)分析，建設初期的費用略高的“厭氧產(chǎn)沼氣－缺氧反硝化脫臭－跌水充氧接觸氧化法－人工濕地”技術，雖然處理效果穩(wěn)定，但其對COD、總磷和氨氮的去除率均超過80%，且運行成本不到A/O工藝的四分之一。另外另外,“厭氧水解酸化池－好氧脫氮除磷－沉淀池－人工濕地系統(tǒng)”技術的前期投資也相對低廉，后期運營費用低，是一種較為經(jīng)濟可行的農(nóng)村污水處理模式。徐志榮等REF_Ref9247\r\h[18]在對浙江67個縣的386座農(nóng)村生活污水處理設施進行的調查中，發(fā)現(xiàn)厭氧+人工濕地工藝是最為廣泛應用的處理方式，其應用比例高達44.8%。該處理工藝可有效去除費事中有機污染物和氮磷元素，提高水質。根據(jù)據(jù)楊磊三等REF_Ref9286\r\h[19]，廣州地區(qū)的農(nóng)村污水處理設施中，人工濕地占比高達60%，其出水穩(wěn)定達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)中一級B標準的要求REF_Ref9325\r\h[20]。目前我國許多省市已經(jīng)開始在村鎮(zhèn)推廣和使用厭氧體－生物流化床反應器系統(tǒng)。作為農(nóng)村環(huán)境綜合整治的重點建設內容之一，廣東省郁南縣已將厭氧處理和人工濕地污水處理設施納入其中REF_Ref9361\r\h[21]。覃玲玲REF_Ref9407\r\h[22]對廣西玉林市的兩個村莊的污水設施進行了分析，發(fā)現(xiàn)其采用了潛流人工濕地－表流人工濕地－生態(tài)塘工藝流程，不僅實現(xiàn)了污水凈化的目標，同時也為農(nóng)村居民提供了一個獨特的生態(tài)景觀，為他們提供了休閑娛樂場所。在海南省瓊縣進行的預處理設施－生態(tài)濕地的分散處理模式，該模式有效提升了普通自然村的出水水質達到了一級A標準REF_Ref9443\r\h[23]。1.5光催化技術研究現(xiàn)狀復合的光生電子和空穴在催化劑表面參與氧化還原反應。然后，由于光生空穴具有較強的氧化能力，可以將催化劑表面吸附的水或表面羥基氧化成更具有強氧化能力的羥基自由基。最后具有強氧化能力的羥基自由基可將有機污染物等部分或完全礦化。此外，由于光生電子具有較強的還原能力，還可在導帶上還原產(chǎn)生氫氣。由此可見，光催化技術是以光催化劑為核心的處理技術，因此對光催化劑已經(jīng)展開了許多研究。光催化劑的種類繁多，但目前研究較多且光催化效果較好的催化劑的主要包括納米二氧化鈦、硫化物半導體和金屬氧化物等。其中，二氧化鈦因其廉價易得、無毒且穩(wěn)定性好而被廣泛研究。2材料與方法2.1光催化耦合垂直流人工濕地的構建圖1光催化垂直流人工濕地反應器Fig1Photocatalyticverticalflowconstructedwetlandreactor試驗所用裝置如圖1所示，反應器是由不銹鋼板焊接而成的箱體，尺寸（長×寬×高）為40*30*50cm，系統(tǒng)內部有隔板并在底部開孔連通，水流在處理單元內部以垂直流流動。隔板將其分為前半端和后半端，前半端以直徑5cm的聚氨酯海綿生物膜球內填充火山石、YDT纖維、海綿、陶粒、生態(tài)墊等五種吸附材料為填料，填充至45cm高，為生物處理單元。后半端為垂直流人工濕地單元，由下往上填充該裝置，其填充的第一層材料為陶粒，粒徑為0.4cm－0.6cm，其填充高度為10厘米，第二層為碎石層，粒徑為0.6cm-0.9cm的碎石填充，其填充高度為10厘米；依次填充至45cm高。主要催化區(qū)域如圖1，垂直流人工濕地單元中嵌入直徑2.3cm、長度為43.6cm、功率為16w的UV紫外線燈管，燈管周圍采用粒徑為3-5mm的二氧化鈦填料作為光催化劑，以加強光催化作用。此反應器有效水深為46cm，有效表面積為1.2cm2。表1農(nóng)村生活污水處理設施水污染物排放標準污染物項目質量濃度/(mg/L)一級標準二級標準三級標準總磷（Tp）13c-氨氮（氨氮）8(15)15（20）c15（20）bCOD（COD）60100120注：a括號外數(shù)值為水溫>12℃時的控制指標,括號內數(shù)值為水溫≦12℃時的控制指標。b當出水直接排入村莊附近池塘等環(huán)境功能未明確水體時執(zhí)行。c當出水直接排入氮磷不達標水體時執(zhí)行?！对颇鲜∞r(nóng)村生活污水排放標準》(DB53/T953—2019)Table1DischargestandardsofwaterpollutantsfromruralDomesticsewagetreatmentFacilities2.2實驗方案為了綜合考慮水力條件對人工濕地污染物去除的影響，本實驗設定了一個運行時間在2小時到72小時之間的方案。針對農(nóng)村生活污水中碳與氮的質量比(簡稱碳氮比)較低的現(xiàn)狀，分別設置了三種不同污染濃度等級，分別為低、中、高，來探究濕地所能承受的污染負荷，具體參數(shù)見表2。表2不同進水污染負荷Table2Differentinletwaterpollutionloads污染負荷TPmg/L氨氮mg/LCODmg/LQ1（低）≦1.5≦20≦135Q2（中）1.5-2.520-30160-170Q3（高）≧2.5≧30≧200為了模擬農(nóng)村生活污水中的氨氮、TP、COD的濃度，我們選用了西南林業(yè)大學校園生活污水作為實驗進水的來源，實驗進水水質見表3。表3實驗進水水質Table3Experimentalinletwaterquality進水濃度/mg/LTP氨氮COD低0.94－1.8713.2－25.87107.5－133.94中2.25－2.4826.47－28.79168.39－169.16高2.50－2.7330.23－31.26225.00－236.67通過對進水口和出水口流量進行控制，使其達到所設定的水力條件后，當穩(wěn)定運行24h時，從反應器出水口取100mL出水水樣，立即置于保溫箱中，以備對各種污染物的濃度進行檢測分析。對于每種污染負荷的實驗進行兩次重復，并計算平均值，對實驗數(shù)據(jù)進行簡單的處理分析。為了減小實驗誤差，反應器運行一個實驗周期(72h)結束，取水樣完成后將人工濕地內的水盡量排空，以減少上個周期遺留水對實驗的影響。（1）處理農(nóng)村生活污水的光催化耦合垂直流處理工藝的設計根據(jù)課題組前期理論基礎，深入研究農(nóng)村地形特性和水環(huán)境質量及其性質，同時，分析農(nóng)村生活污水的性質和污染物特征，針對上述特點，設計對應的生態(tài)化工藝尺寸和選材。（2）處理農(nóng)村生活污水的人工濕地耦垂直流處理工藝。根據(jù)現(xiàn)有條件和（1）設計的生態(tài)化新工藝的能量消耗，資源消耗和人力消耗，對消耗過大的工藝應考慮剔除，同時應考慮對農(nóng)村生活污水的處理與野外應用效果，對處理效果好但高耗能的工藝應綜合考慮，若野外條件滿足的條件下應保留，最后應得到低耗能、便于管理的強化工藝。（3）光催化條件下農(nóng)村生活污水處理工藝的啟動，通過感官觀察進出水水質變化，使其污水適應裝置的處理，并優(yōu)化其運行參數(shù)，而后通過改變水力停留時間、不同的污染負荷，分析測定各耦合裝置對西南林業(yè)大學生活污水內污染物的凈化效果，探究不同水力停留時間與污染負荷下強化工藝對生活污水的凈化效率。(4)采用《HJ/T399-2007-水質-COD的測定-快速消解分光光度法》測定樣品中CODREF_Ref9557\r\h[24]、《HJ535-2009-水質-氨氮的測定-納氏試劑分光光度法》測定樣品中NH+4-NREF_Ref9593\r\h[25]和《GB/T11893-1989-水質-總磷的測定-鉬酸銨分光光度法》測定樣品中TP的質量濃度REF_Ref9619\r\h[26]。2.3數(shù)據(jù)分析及方法去除率計算公式為：，R：去除率；C0：進水濃度，單位mg/L；Ct：出水濃度，mg/L；運用Excel軟件對實驗所得人工濕地中各類污染物數(shù)據(jù)分析處理；利用Origin軟件對繪制各類污染物出水水質濃度和去除效率的柱狀圖。3結果與分析3.1低污染負荷下反應器進出水水質3.1.1COD凈化效果由圖2知，當進水COD濃度為133.94mg/L，經(jīng)過反應器24h的處理，反應器對COD的去除率達到了39%，此時污水中COD濃度為82mg/L；反應器運行處理48h時，反應器對COD的去除率為40%，此時出水COD濃度為80mg/L；與處理24h時的出水濃度相差不大，當處理時間達到72小時的情況下，COD的去除率達到了55%，COD的出水濃度為60mg/L；當進水COD濃度在107.50mg/L時，污水處理24h后，COD的去除率為22%，COD濃度86mg/L；處理時間48h時COD去除率為24%，COD濃度82mg/L；污水處理時間達到72h時，去除率達到40%，出水COD達到64mg/L，當進水COD濃度為107.50mg/L時，COD濃度達到《云南省農(nóng)村生活污水排放標準》(DB53/T953—2019)的一級標準，在進水COD濃度133.94mg/L時，出水水質中COD的濃度滿足排放的二級標準。從最終出水COD濃度上看，在進水COD濃度107.50－133.94mg/L下對COD的去處效果差。圖2低污染負荷下反應器對COD的凈化效果Fig2PurificationeffectofthereactoronCODunderlowpollutionload3.1.2氨氮凈化效果從圖下圖看，當光催化耦合垂直流人工濕地在低COD濃度的進水條件下，在污水經(jīng)過反應器24小時處理的情況下，氨氮的去除率在75%－83%，其污水中氨氮濃度在3.5mg/L－4.5mg/L之間；在反應器48小時的處理下，氨氮的去除率達到88%－91%之間，此時污水中氨氮的濃度在1.7mg/L－2.6mg/L之間；當處理時間達到72小時的情況下，氨氮的去除率達到94%－98%，此時污水中氨氮的濃度降到了0.2mg/L－1.5mg/L；在處理時間從24小時到48h時，去除率明顯提高，污水處理時間達到72h時，當進水COD濃度為107.50－133.94mg/L時，出水水質氨氮濃度可滿足《云南省農(nóng)村生活污水排放標準》(DB53/T953—2019)一級標準。從去除率和出水濃度上看，對污進水COD濃度107.50mg/L時對氨氮的處理效果比進水COD濃度133.94mg/L的處理效果好。圖3低污染負荷下反應器對氨氮的凈化效果Fig3Purificationeffectofthereactoronammonianitrogenunderlow-pollutionload3.1.3TP凈化效果從圖4上看，當光催化耦合垂直流人工濕地在低染負荷的進水條件下，在反應器處理時間為24h時，對TP的去除率在58%－59%，污水中TP濃度為0.39mg/L－0.93mg/L；在處理時間達到48小時的情況下，TP的去除率為60%－65%，污水中TP的濃度為0.340mg/L－0.89mg/L；當處理時間達到72小時的后，TP的去除率為61%－66%，污水中TP的濃度為0.32mg/L－0.87mg/L；處理時間從24小時到72小時，去除率在上升但沒有太明顯上升，在污染負荷為107.50時裝置對污水中TP的處理效果明顯好于污染負荷133.94時，污水處理時間達到72h時，此時污水中TP的出水濃度可滿足《云南省農(nóng)村生活污水排放標準(DB53/T953—2019)的一級標準。圖4低污染負荷下反應器對TP的凈化效果Fig4ThepurificationeffectofthereactoronTPunderlowpollutionload3.1.4正磷凈化效果從圖5中可以看出，當光催化耦合垂直流人工濕地在低污染負荷的進水條件下，在污水經(jīng)過反應器24小時處理，對正磷的去除率在51－54%，污水中正磷濃度為0.38－0.88mg/L；污水經(jīng)過反應器48小時的處理，對正磷的去除率在57%到60%之間，污水中正磷的濃度為0.36－0.85mg/L；污水經(jīng)過裝置72小時的的處理，TP的去除率為58－67%，污水中TP的濃度為0.28－0.80mg/L；處理時間從24小時到72小時，去除率沒有太明顯上升，同總磷情況一樣，當進水COD濃度為107.50mg/L時裝置對污水中TP的處理效果明顯好于進COD濃度133.94mg/L時。圖5低污染負荷下反應器對正磷的凈化效果Fig5Thepurificationeffectofthereactoronn-phosphomhorusunderlowpollutionload3.2中污染負荷下反應器進出水水質3.2.1COD凈化效果由下圖可知，污水經(jīng)過裝置24小時的處理，當光催化耦合垂直流人工濕地在中染負荷的進水條件下，COD的去除率在33－41%，污水中COD濃度在100mg/L和114mg/L之間；處理時間達到48h時，COD的去除率為36－47%，污水中COD的濃度為61－108mg/L；當處理時間達到72小時的情況下，TP的去除率為56－61%，污水中COD的濃度為68－75mg/L；反應器處理時間24小時到72小時，去除率在上升，對污水的處理時間48小時到72小時這一過程中，裝置對污水中COD的去除率大幅提升，污水中COD的濃度也大幅降低。當對污水的處理時間達到停72h時，此時污水中COD的出水濃度滿足《云南省農(nóng)村生活污水排放標準》(DB53/T953—2019)的二級標準。圖6中污染負荷下反應器對COD的凈化效果PurificationeffectofthereactoronCODunderpollutionloadshowninFig63.2.2氨氮凈化效果當光催化耦合垂直流人工濕地在進水COD濃度168.39mg/L時，從圖7得，經(jīng)過反應器24小時的處理，氨氮的去除率為84%，此時污水中氨氮濃度為5.2mg/L；在反應器處理48小時的情況下，氨氮的去除率為91%，氨氮濃度為2.6mg/L；相比于處理24小時，污水中氨氮濃度大幅降低，降低到24小時的一半；當處理時間達到72小時的情況下，氨氮的去除率達到了96%，此時污水中氨氮的出水濃度為0.9mg/L；當進水COD濃度為169.17mg/L時，污水處理時間24h時，氨氮的去除率為65%，氨氮濃度為9mg/L；處理時間48h時氨氮去除率為78%，出水中氨氮濃度6.9mg/L；污水處理時間達到72h時，去除率達到86%，出水氨氮濃度達到3.9mg/L，參照表1《云南省農(nóng)村生活污水排放標準》(DB53/T953—2019)，當進水COD濃度為168.39mg/L時，氨氮濃度達到《云南省農(nóng)村生活污水排放標準》(DB53/T953—2019)的一級標準，在進水COD濃度為169.17mg/L情況下，此時氨氮的濃度也達到了排放的一級標準。污水處理時間達到72h時，出水氨氮的濃度在進水COD濃度168.39mg/L時為0.9mg/L，遠低于進水COD濃度169.17mg/L時的氨氮濃度3.9mg/L，所以裝置對進水COD濃度為168.39mg/L時的處理效果遠高于進水COD濃度為169.17mg/L時。。圖7中污染負荷下反應器對氨氮的凈化效果InFig7thepurificationeffectofthereactoronammonianitrogenunderthepollutionload3.2.3TP凈化效果從圖8看，當光催化耦合垂直流人工濕地在中污染負荷的進水條件下，當光催化耦合垂直流人工濕地在進水COD濃度168.39mg/L時，污水經(jīng)過反應器為24小時處理的情況下，TP的去除率為47%，此時污水中TP濃度為1.3mg/L；在處理時間為48小時的情況下，TP的去除率為58%，TP濃度為1.2mg/L；當處理時間達到72小時的情況下，TP的去除率達到了65%，此時污水中TP的出水濃度為0.89mg/L；當進水COD濃度為169.17mg/L時，污水經(jīng)過反應器24h的處理，對TP的去除率為49%，出水口TP濃度為0.94mg/L；處理時間48h時TP去除率為57%，TP濃度0.8mg/L；污水處理時間達到72h時，去除率達到67%，出水TP濃度為0.6mg/L，參照表1《云南省農(nóng)村生活污水排放標準》(DB53/T953—2019)，當進水COD濃度為168.39mg/L時，出水水質中TP濃度達到《云南省農(nóng)村生活污水排放標準》(DB53/T953—2019)一級標準，在進水COD濃度為169.17mg/L的情況下，此時TP的濃度也達到了排放的一級標準。污水處理時間達到72h時，出水TP的濃度在進水COD濃度為168.39mg/L時為0.89mg/L，進水COD濃度169.17mg/L時TP濃度0.6mg/L，處理72小時后，TP出水濃度小于進水COD濃度169.17mg/L時，所以裝置對進水COD濃度在168.39mg/L時的處理效果低于進水COD濃度為169.17mg/L時。圖8中污染負荷下反應器對TP的凈化效果ThepurificationeffectofthereactorontheTPunderthepollutionloadisshowninFig83.2.4正磷凈化效果從下圖得，當光催化耦合垂直流人工濕地在進水COD濃度為168.39－169.17mg/L時，經(jīng)過反應器24處理后，正磷的去除率在51－52%，其污水中正磷濃度在0.65－1.1mg/L之間；在處理時間為48小時的情況下，正磷的去除率達到51－58%之間，此時污水中正磷的濃度在0.65－1.1mg/L之間；當處理時間達到72小時，正磷的去除率達到63－65%，此時污水中正磷的濃度降到了0.57－0.85mg/L；在處理時間從24小時到48h，當進水COD濃度168.39mg/L時，對正磷的去除率雖然提高了，但其污水中正磷的濃度卻沒有降低，進水COD濃度169.17mg/L時，處理時間24h和48h其去除率一樣，出水中正磷濃度相同。圖9中污染負荷下反應器對正磷的凈化效果ThepurificationeffectofthereactoronpositivephosphorusunderpollutionloadinFig93.3高污染負荷下反應器進出水水質3.3.1COD凈化效果如圖9所示，當人工濕地在進水COD濃度為225.00mg/L時，經(jīng)過反應器24小時的處理，COD的去除率為42%，此時污水中出水COD濃度為120mg/L；處理時間為48h時，COD的去除率為54%，出水COD濃度為102mg/L；當處理時間達到72小時的情況下，COD的去除率達到了60%，此時出水水質中COD的濃度為89mg/L；當進水COD濃度為236.67mg/L時，污水處理時間24h時，COD的去除率為54%，出水水質中COD濃度108mg/L；處理時間48h時COD去除率為58%，出水水質COD濃度100mg/L；污水處理時間達到72h時，去除率達到60%，出水COD達到90mg/L；當進水COD濃度為225.00mg/L和236.67mg/L時可滿足《云南省農(nóng)村生活污水排放標準》(DB53/T953—2019)的二級標準。從圖上看在進水COD濃度為225.00mg/L時，處理時間從24h到48h，其對COD的去處率要低于進水COD濃度36.67mg/L時。處理時間達到72h時，其對COD的去除率一樣，出水中COD濃度相差不大。圖10高污染負荷下反應器對COD的凈化效果Fig10ThepurificationeffectofthereactoronCODunderhighpollutionload3.3.2氨氮凈化效果從圖11上看，當光催化耦合垂直流人工濕地在進水COD濃度225.00mg/L時，經(jīng)過反應器24小時處理，氨氮的去除率在33－41%，其污水中氨氮濃度為17.5－19mg/L；在處理48小時后，氨氮的去除率在42%到47%之間，此時污水中氨氮的濃度為16.5mg/Lmg/L；當處理時間達到72小時的情況下，氨氮的去除率達到53%－54%，此時污水中氨氮的濃度降到了13mg/L－14mg/L；在72小時的處理過程中，氨氮的去除率呈上升趨勢，污水中氨氮濃度穩(wěn)定降低。在處理時間達到72h時，當進水COF濃度為225.00mg/L到236.67mg/L之間，出水氨氮濃度可滿足《云南省農(nóng)村生活污水排放標準》(DB53/T953—2019)二級標準。從去除率上看，對進水COD濃度為236.67mg/L時對氨氮的處理效果比進水COD濃度225.00mg/L的處理效果好。圖11中污染負荷下反應器對氨氮的凈化效果Fig11Thepurificationeffectofthereactorontheammonianitrogenunderthepollutionload3.3.3TP凈化效果光催化耦合垂直流人工濕地在高污染負荷的進水條件下，由圖12看，在進水COD濃度225.00mg/L時，處理時間為24小時的情況下，TP的去除率為18%，污水中TP濃度為2.25mg/L；處理48小時后，TP的去除率為21%，出水水質中TP濃度為2.2mg/L；反應器處理72h時，TP的去除率達到了29%，此時污水中TP的出水濃度為1.85mg/L；當進水污染負荷為236.67時，污水處理時間24h時，TP的去除率為27.5%，出水口TP濃度為1.75mg/L；處理時間48h時TP去除率為21%，TP濃度2.0mg/L；污水處理時間達到72h時，去除率為29.5%，出水TP濃度為1.75mg/L，《云南省農(nóng)村生活污水排放標準》(DB53/T953—2019)，當進水COD濃度為225.00mg/L時，出水TP濃度達到《云南省農(nóng)村生活污水排放標準》(DB53/T953—2019)二級標準，在進水COD濃度236.67mg/L情況下此時TP的濃度也達到了排放的二級標準。污水處理時間48h－72h時，TP的去除率增長幅度大；進水COD濃度為236.67mg/L時，處理時間達到48h時與24h相比TP濃度反增了0.25mg/L，處理時間達到72h時的TP濃度與處理時間24h時相同；24h時TP的去除率大于48h時去除率。圖12高污染負荷下反應器對正磷的凈化效果Fig12Purificationeffectofthereactoronorthophosphorusunderhighpollutionload3.3.4正磷凈化效果從圖13看，當進水COD濃度225.00mg/L,在污水經(jīng)過反應器24小時處理，正磷的去除率為14%，出水正磷濃度為2.5mg/L，在反應器處理48小時的情況下，正磷的去除率為16%，出水口正磷濃度為2.0mg/L，進過反應器72小時處理的情況下，正磷的去除率為24%，出水水質中正磷濃度1.8mg/L；進水COD濃度為236.67mg/L時，經(jīng)過24h時處理，正磷的去除率為18%，正磷濃度為1.7mg/L，在處理時間為48小時的情況下，正磷的去除率為14.5%，污水中正磷濃度為18mg/L，經(jīng)過72小時的處理，正磷的去除率為20%，最終出水正磷濃度16.5mg/L，進水COD濃度225.00mg/L時，去除率增大，最終出水中正磷的濃度低于進水COD濃度236.67mg/L時的濃度；進水COD濃度236.67mg/L時，其48小時的去除率低于24小時去除率，污水中正磷濃度大于24h時正磷濃度。圖13高污染負荷下反應器對正磷的凈化效果Fig13Purificationeffectofthereactoronorthophosphorusunderhighpollutionload4討論4.1光催化耦合垂直流人工濕地對去除COD的影響污染負荷在人工濕地處理農(nóng)村生活污水中是一個重要的設計參數(shù)，影響著人工濕地對污水的凈化效果，研究表明，隨著進水污染負荷的增加，對污染物的去除率降低REF_Ref30809\r\h[27]。本研究表明光催化人工濕地對COD的去除效果呈先增后減趨勢，經(jīng)過反應器處理在進水COD濃度168.39mg/L時去除率達到最大值61%。從人工濕地處理農(nóng)村生活污水的結果進行對比可得，人工濕地對農(nóng)村生活污水中的污染物氨氮、COD以及TP去除率分別保持在62.9%、65.1%以及76.0%，就從去除率上看，光催化耦合垂直流人工濕地對COD的去除效果沒有促進作用。4.2光催化耦合垂直流人工濕地對去除氨氮的影響由實驗分析得反應器對氨氮的去除效果呈逐漸降低趨勢，對氨氮的去除率在進水COD濃度107.50mg/L時最大，達到了98%。與人工濕地對氨氮的去除率做簡單的對比，不難看出對氨氮的去除率遠高于62.9%，所以光催化條件下，垂直流人工濕地對氨氮的去除具有很好的促進作用。4.3光催化耦合垂直流人工濕地對去除TP的影響從本文實驗結果得出，反應器對TP的去除效果呈先增后減趨勢，其中在COD濃度為169.17mg/L時TP的去除率最高，為67%，與人工濕地對TP的去除率對比看出，光催化條件對該反應器對TP的去除效果增益不明顯。5結論在污水經(jīng)過24h-72h小時處理,光催化耦合垂直流人工濕地在低、中、高污染負荷的進水條件下，設計并實施了不同污染負荷條件下的實驗，計算了不同污染負荷下光催化耦合垂直流人工濕地對農(nóng)村污水中COD、氨氮、TP、正磷的去除率結果如下：（1）光催化耦合垂直流人工濕地在低污染負荷的進水條件下，污水經(jīng)過72h的處理，在光催化耦合垂直流人工濕地的去除作用下，農(nóng)村污水中COD、氨氮、TP、正磷的濃度均達到了云南省農(nóng)村生活污水處理設施水污染物排放一級標準。在此污染負荷下光催化耦合垂直流人工濕地對氨氮的去除效果最好，在72小時時其去除率最高達到了98%，其出水氨氮濃度最低降到了0.2mg/L。隨著進水污染負荷的增加，去除率逐漸降低，光催化耦合垂直流人工濕地對氨氮的去除效果減弱，對氨氮的去除效果最好的進水COD濃度范圍是107.5mg/L－168.39mg/L。（2）污水經(jīng)過污水處理反應器72h的處理，COD的去除率在中污染負荷進水條件下去除率最高為61%，TP在進水COD濃度為107.5－169.17mg/L范圍內去除效果較好，去除率為61%－67%，正磷在進水COD濃度在107.5mg/L、168.39mg/L、169.17mg/L時的去除效果較好，均達到60%以上。（3）在低污染負荷下，對水中污染物的去除效果呈先出氨氮高于TP、正磷和COD的趨勢；在中等污染負荷條件下，氨氮的去除效果優(yōu)于TP、正磷和COD；在高污染負荷進水下也有一定的去除效果，高污染條件下對污水中氮磷均有一定程度的去除效果，在該污染負荷下對COD的去除效果最為顯著，其次是氨氮和TP，最后是正磷。5參考文獻陸家緣.中國污水處理行業(yè)碳足跡與減排潛力分析[D].中國科學技術大學,2019.第二次全國污染源普查公報[J].環(huán)境保護,2020,48(18):8-10.向家瑩.生態(tài)環(huán)境部：2025年全國農(nóng)村生活污水治理率將達40%[N].經(jīng)濟參考報,2022-04-25(002).DOI:10.28419/ki.njjck.2022.002004.王叢雅,胡夢嬌,黃世業(yè),溫正軍.溫州市農(nóng)村生活污水處理現(xiàn)狀與問題[J].給水排水,2019,55(S1):181-184.?；?閻百興,王鑫壹.我國人工濕地的研究與應用進展及未來發(fā)展建議[J].中國科學基金,2022,36(03):391-397.DOI:10.16262/ki.1000-8217.2022.03.004.RobertH.Kadlec,ScottWallace.TreatmentWetlands,SecondEdition[M].TaylorandFrancis;CRCPress:2008-07-22.王洪臣.探索農(nóng)村污水治理的中國之路——淺議農(nóng)村污水治理設施的規(guī)劃、建設與管理[J].給水排水,