農村生活污水處理設施出水排放對湖蕩水質影響分析

盧昶雨，凃成琪，劉 星，靳鄭海，葛光環，儲玖琳，黃 威,

(1.安康學院 旅游與資源環境學院，陜西 安康 725000；2.東華大學 環境科學與工程學院，上海 201620；3.河北地質大學 河北省水資源可持續利用與開發實驗室，水資源與環境學院，河北，石家莊 050031；4.中國環境科學研究院 湖泊水污染治理與生態修復技術國家工程實驗室，北京 100012)

我國農村生活污水處理設施普遍存在重建設輕管理的現象，造成部分設施出水效果不佳甚至出現閑置現狀，易引發水體污染。例如，洱海流域農村生活污水處理設施的氨氮(NH3—N)、總氮(TN)、總磷(TP)處理效果不佳，平均去除率不足20%[1]，滇池流域農村生活污水處理設施的運行率不足20%[2]。大部分農村排水管網相對分散，農村生活污水表現為粗放型、間歇式排放，排放分散不易收集[3-4]。農村生活污水易受人口密度、季節變化、經濟發展水平等因素的影響，不同地區、不同季節農村生活污水的產生與排放差異性顯著[5-6]，導致農村生活污水的處理具有一定的難度。現如今我國農村生活污水處理已形成一定規模，并取得了相應的成績。但由于歷史遺留等因素，全國范圍內農村生活污水處理未能達到預期，農村生活污水處理設施出水排放水質情況不容樂觀。

湖蕩作為一種典型的濕地類型，由濕地植物、濕地微生物、棲息于濕地的動物及其環境組成，對調蓄洪水、凈化水質、維護生境、保持生態平衡和維持物種多樣性具有重要的生態作用[7-13]。據了解，湖蕩水體及沉積物污染的季節變化特征顯著，且夏季污染尤其嚴重[14-15]。隨著農村生活污水處理設施排放大量的污染物進入湖蕩，湖蕩污染加劇，大部分湖蕩水體未能達到功能區要求，湖蕩水環境系統污染對當地生態環境和社會經濟的良性發展產生威脅[16-19]。因此，研究農村生活污水處理設施出水排放特征對控制湖蕩水體污染具有重要意義。

本文以嘉興市的海寧市和秀洲區為研究區域，對區域內44個湖蕩夏季(6月)上覆水、間隙水及沉積物污染特征進行研究，對湖蕩上覆水污染物與160座農村生活污水處理設施的污染物去除率和農村生活污水處理設施出水污染物進行相關性分析，探究了湖蕩水體污染和農村生活污水處理設施出水排放的關系，以期為嘉興市湖蕩水質的治理提供研究依據，進而為農村生活污水防控提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

嘉興市位于浙江省東北部，屬長江三角洲杭嘉湖東部平原。嘉興市域水系屬長湖蕩江水系太湖流域，境內水網密布，地勢平坦，湖蕩眾多，有67個0.1 km2以上的湖蕩。2015年嘉興市各地區農村生活污水排放量總計7.126 99 ×107t。其中，化學需氧量(chemical oxygen demand，COD)、NH3—N、TN、TP排放總量分別為107.96、13.75、54.34、1.97 t。所研究的海寧和秀洲兩個地區的農村生活污水處理設施出水COD、NH3—N、TN、TP排放達標率分別為25.6%、29.4%、35.6%、8.1%，農村生活污水處理設施出水排放未達到理想狀態。大量的污染物進入湖蕩，導致嘉興市農村地區湖蕩污染普遍嚴重，大部分湖蕩水體未能達到功能區要求，湖蕩水環境現狀不容樂觀。本研究選擇嘉興市的海寧市和秀洲區作為研究區域，面積約1 248.32 km2，包括8個街道和13個鎮，區域內建成的分散式污水處理設施合計1 000余座，占整個嘉興市的一半以上。

1.2 采樣點布設

針對湖蕩污染的調查，綜合當地環保部門提供的定位監測點位信息，結合區域內湖蕩與農村生活污水的地理位置分布，選取區域內均勻分布的44個湖蕩作為研究對象，于2019年6月(夏季)采集湖蕩的上覆水、間隙水、沉積物樣品。同時為探究該區農村生活污水處理設施出水排放情況對湖蕩水質的影響，根據就近原則，將區域內日處理量達30 t/d以上的160座污水處理設施和44個湖蕩統一劃分為9個區域，每個區域涵蓋的設施數和湖蕩點位數如表1所示。采樣點分布見圖1。

表1 研究區域設施和湖蕩數量分布Table 1 The distribution of facilities and lake wetlands in the study area

圖1 采樣點分布圖Fig.1 Map of sampling sites

1.3 樣品采集與處理

采用有機玻璃采水器采集表層沉積物0.5 m處的上覆水樣品，加入H2SO4酸化并裝入聚乙烯塑料瓶中密封，放入裝有冰袋的保存箱中暫存冷藏，48 h內于實驗室進行各項水質指標的測定[20]。采用抓泥斗采集湖蕩表層沉積物樣品，樣品放入干凈的自封袋內，并于24 h 內帶回實驗室處理。取適量沉積物樣品冷凍干燥處理4 d，再去除冷凍干燥后的沉積物樣品中的砂石等雜質，然后于通風櫥研磨過孔徑為150 μm(100目)的尼龍篩，裝入干凈的自封袋備用[21]。取250 g沉積物樣品于10 000 r/min的離心機中離心15 min獲得間隙水，采用Whatman型玻璃纖維濾膜GF/F(450 ℃灼燒5 h)過濾，濾液冷藏保存[22]。

根據HJ 828—2017，采用重鉻酸鹽法測定COD的質量濃度；根據HJ 535—2009，采用納氏試劑分光光度法測定NH3—N的質量濃度；根據GB 11894—1989，采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定水樣中TN的質量濃度；采用分級浸提法[23]測定沉積物中TN的質量濃度；根據GB 11893—1989，采用過硫酸鉀氧化鉬酸銨分光光度法測定水樣中TP的質量濃度；采用歐洲標準測試委員會的SMT分離方法[24]測定沉積物中TP的質量濃度。

1.4 數據處理

為保證數據的準確性，做3次平行試驗，試驗結果以3次測量結果的平均值為準(相對誤差小于5%)。在IBM SPSS Statistics 21軟件中，采用皮爾遜(Pearson)相關系數法進行相關性分析；采用Arcgis 10.5軟件對采樣分布圖進行分析。

2 結果與分析

2.1 湖蕩水體污染特征分析

2.1.1 上覆水

研究區域的湖蕩夏季上覆水污染特征如圖2所示。由圖2可知：上覆水中COD的質量濃度為4.08～8.94 mg/L(均值為6.58 mg/L)，NH3—N、TN、TP質量濃度分別為0.78～2.96、1.68～3.68、0.15～0.40 mg/L，均值依次為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分別為0.24、2.17、0.07 mg/L)[25]。根據GB 3838—2002《地表水環境質量標準》，COD質量濃度均值滿足Ⅰ類水水質標準、NH3—N濃度均值滿足Ⅳ類水水質標準，而TN、TP表現為劣Ⅴ類水。其中，COD樣本全部達到Ⅰ類水水質標準；NH3—N滿足Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、劣Ⅴ類水質標準樣本占比分別為31.8%、75.0%、84.1%、15.9%；TN滿足Ⅴ類和劣Ⅴ水質標準樣本占比分別為22.7%、13.6%，TP滿足Ⅴ類和劣Ⅴ類水質標準樣本占比分別為77.3%、86.4%。COD、NH3—N、TN、TP能同時滿足Ⅴ類水水質標準樣本僅占9.1%。總體而言，研究區域湖蕩上覆水氮磷污染嚴重，大部分湖蕩為劣Ⅴ類水體，存在較大的生態環境風險。

圖2 湖蕩上覆水污染特征Fig.2 Pollution characteristics of overlying water in lake wetlands

2.1.2 間隙水

間隙水在沉積物與上覆水間污染物的遷移轉化中扮演重要角色，因此，對區域內湖蕩夏季間隙水污染特征進行研究具有重要意義。湖蕩間隙水污染特征如圖3所示。由圖3可知：間隙水COD質量濃度為29.87～77.14 mg/L(均值為51.12 mg/L)，NH3—N、TN、TP的質量濃度分別為7.59～32.39、16.44～55.21、0.31～1.26 mg/L，均值依次為18.13、30.32、0.58 mg/L，高于某些湖泊間隙水污染物質量濃度均值(NH3—N、TN、TP分別為2.23、3.83、0.15 mg/L)[25]和某些河流間隙水污染物質量濃度均值(TN、TP分別為15.25、0.65 mg/L)[26]。間隙水COD、NH3—N、TN、TP質量濃度均值分別是上覆水的7.77、13.14、12.28、2.15倍，表明間隙水污染物濃度顯著高于上覆水，具備沉積物污染物向上覆水釋放的基礎。間隙水與上覆水的COD分布規律較為一致，但與上覆水的氮磷分布規律一致性較低，這與上覆水受外源污染、風浪等外界干擾有關[27]。

圖3 湖蕩間隙水污染特征Fig.3 Pollution characteristics of pore water in lake wetlands

2.2 湖蕩沉積物污染特征分析

湖蕩沉積物污染特征如圖4所示。由圖4可知：沉積物TN、TP的質量濃度分別為 901.29～6 368.41、791.74～2 523.12 mg/kg(均值分別為2 627.41、1 704.62 mg/kg)，遠高于長蕩湖表層沉積物TN、TP質量濃度的均值(TN、TP分別為995、695 mg/kg)[28]。參照《全國河流湖泊水庫底泥污染狀況調查評價》對湖蕩沉積物污染物進行評價，沉積物TN、TP均值均為四級斷面(一級斷面最優)。其中，沉積物TN的一級斷面、二級斷面、三級斷面、四級斷面樣本占比分別為6.8%、22.7%、15.9%、54.6%，沉積物TP的二級斷面、三級斷面、四級斷面樣本占比分別為11.4%、27.3%、61.3%。由此可見，湖蕩沉積物氮磷污染是非常嚴重的。

圖4 湖蕩沉積物污染特征Fig.4 Pollution characteristics of sediments in lake wetlands

2.3 湖蕩水體與沉積物污染物間相關性分析

在湖蕩體系中，污染物以間隙水為介質進行水體與沉積物之間的遷移與轉換，實現污染物的吸附、轉化和釋放。本文對湖蕩上覆水、間隙水及沉積物的相關性進行分析，結果見表2。由表2可知，湖蕩上覆水NH3—N、TN、TP之間相關性顯著。上覆水NH3—N、TN 均與上覆水TP呈極顯著正相關，相關系數分別為 0.686、0.685；上覆水NH3—N與上覆水TN呈極顯著正相關，相關系數為0.713，這可能與上覆水氮磷污染源來源一致有關。間隙水NH3—N與間隙水TN呈極顯著正相關，相關系數為0.660，間隙水NH3—N與間隙水TP呈顯著正相關，相關系數為0.339。沉積物TN與沉積物TP呈顯著正相關，相關系數為 0.304。

表2 湖蕩上覆水、間隙水及沉積物污染物間相關性Table 2 Correlation among overlying water，pore water and sediment pollutants in lake wetlands

此外，上覆水、間隙水和沉積物中的污染物也存在一些相關性。間隙水NH3—N與沉積物TN、TP呈極顯著正相關，相關系數分別為0.576、0.436，間隙水TN與沉積物TN、TP呈極顯著正相關，相關系數分別為0.511、0.357，且間隙水TP與沉積物TN呈顯著正相關，相關系數為0.327。上覆水COD與間隙水COD呈極顯著正相關，相關系數為0.471。上覆水COD與間隙水COD顯著相關，而上覆水氮磷與間隙水氮磷及沉積物氮磷相關性較弱，這與大亞灣[29]和衛河新鄉段[30]研究結果一致。但這并不能說明間隙水和沉積物氮磷濃度的高低對上覆水氮磷濃度沒有影響，上覆水氮磷濃度不僅受沉積物和間隙水方面的影響，還受風浪、潮汐以及外源污染等因素的影響。

2.4 農村生活污水處理設施出水排放對湖蕩水質影響

2.4.1 設施出水水質與湖蕩水質相關性分析

對各分區湖蕩上覆水污染物與農村生活污水處理設施出水排放污染物濃度均值進行統計，并就相關性進行分析，結果如圖5所示。

圖5 各分區農村生活污水處理設施出水水質與湖蕩水質的相關性分析Fig.5 Correlation analysis between effluent quality of domestic sewage treatment facilities in the rural area and lake water quality

各分區農村生活污水處理設施出水排COD質量濃度均值最大、最小值分別在在S7和S4，為7.19和6.01 mg/L，湖蕩上覆水COD與農村生活污水處理設施出水COD相關性不顯著，但湖蕩上覆水氮磷與農村生活污水處理設施出水氮磷相關性顯著。各分區農村生活污水處理設施出水排放NH3—N的最大、最小值分別在S5和S9，為23.44和9.92 mg/L，且湖蕩上覆水NH3—N與農村生活污水處理設施出水NH3—N在S1、S2、S3、S5、S8均呈顯著正相關，相關系數分別為0.822、0.890、0.885、0.947、0.896，在S7呈極顯著正相關，相關系數為0.978。各分區農村生活污水處理設施出水排放TN的最大、最小值分別在S5和S4，為47.99和 19.28 mg/L。湖蕩上覆水TN與農村生活污水處理設施出水TN均在S1、S2、S3、S7、S8呈顯著正相關，相關系數分別為 0.856、0.889、0.885、0.956、0.950，在S6呈極顯著正相關，相關系數為0.980。各分區農村生活污水處理設施出水TP質量濃度最大、最小值分別在S5和S2，為4.51和0.21 mg/L。湖蕩上覆水TP與農村生活污水處理設施出水TP均在S1、S2、S3、S8區呈顯著正相關，相關系數分別為 0.828、0.901、0.879、0.884，在S5、S6均呈極顯著正相關，相關系數為0.973、0.960。

作為直接污染源的農村生活污水處理設施排放水中的氮磷質量濃度與湖蕩上覆水氮磷污染相關性更為顯著，表明農村生活污水處理設施出水的氮磷排放量對湖蕩上覆水中氮磷營養鹽濃度影響較大。特別是在湖蕩上覆水與農村生活污水處理設施出水排放污染物濃度較高的S5和S7，相關性更為顯著。因此，提高農村生活污水處理設施出水的水質，優化農村生活污水處理設施氮磷去除效果，對湖蕩水體富營養化防治具有重要意義。

2.4.2 污染物的設施去除率與湖蕩水質相關性分析

對各分區湖蕩上覆水污染物濃度均值與農村生活污水處理設施污染物去除率均值進行統計，并對相關性進行分析，結果如圖6所示。

圖6 各分區農村生活污水處理設施的污染物去除率與湖蕩水質間相關性分析Fig.6 Correlation analysis between pollutant removal rate of domestic sewage treatment facilities in the rural area and lake water quality

各分區農村生活污水處理設施對污染物的去除率變化相對穩定，但湖蕩上覆水污染物濃度在各分區存在一定差異。各分區湖蕩上覆水COD、NH3—N、TN、TP質量濃度均值最大值在S5，分別為92.46、2.71、3.53、0.38 mg/L，最小值在S9，分別為53.57、0.89、1.82、0.18 mg/L。湖蕩上覆水COD與農村生活污水處理設施COD去除率相關性不顯著，但上覆水氮磷與污水處理設施出水排放氮磷存在一定的相關性。其中:上覆水NH3—N與農村生活污水處理設施NH3—N去除率在S2、S3均呈顯著負相關，相關系數分別為-0.902、-0.894；上覆水TN與農村生活污水處理設施TN去除率均在S2、S5呈顯著負相關，相關系數分別為-0.903、-0.888；上覆水TP與農村生活污水處理設施TP去除率均在S3、S5、S6呈顯著負相關，相關系數分別為-0.907、-0.918、-0.888。

總體而言，湖蕩上覆水氮磷與農村生活污水處理設施氮磷去除率呈顯著負相關，表明農村生活污水處理設施氮磷去除率對湖蕩上覆水中的氮磷營養鹽濃度存在影響。尤其是在上覆水氮磷濃度及農村生活污水處理設施污染物去除率較高的S5，相關性更顯著。因此，提升農村生活污水處理設施氮磷去除率對改善湖蕩水體氮磷污染的現狀具有重要意義。

3 結 論

(1)研究區域內湖蕩夏季水體氮磷污染尤其嚴重，大部分湖蕩為劣Ⅴ類水體。其中:上覆水氮磷污染嚴重；間隙水COD、NH3—N、TN、TP質量濃度均值分別是上覆水的7.77、13.14、12.28、2.15倍，具備沉積物中的污染物向上覆水釋放的基礎；沉積物氮磷污染也是非常嚴重的。

(2)湖蕩上覆水NH3—N、TN、TP之間相關性顯著；間隙水NH3—N與間隙水TN呈極顯著正相關(p<0.01)，相關系數為0.660；沉積物TN、TP間相關性顯著(p<0.05)，相關系數為0.304。上覆水、間隙水和沉積物中的污染物也具有相關性。上覆水COD與間隙水COD呈極顯著正相關(p<0.01)，相關系數為0.471。間隙水氮磷與沉積物氮磷相關性顯著，相關系數為0.357～0.576。

(3)研究區域湖蕩上覆水COD與農村生活污水處理設施出水排放COD相關性不顯著，但上覆水氮磷與設施出水排放氮磷呈顯著正相關，同樣，區域內湖蕩上覆水COD與農村生活污水處理設施COD去除率相關性不顯著，但上覆水氮磷與設施氮磷去除率呈顯著負相關。對比農村生活污水處理設施污染物去除率可知，農村生活污水處理設施出水氮磷與湖蕩上覆水氮磷相關性更為顯著，農村生活污水處理設施出水氮磷排放對湖蕩上覆水氮磷營養鹽濃度影響較大。

(4)控制農村生活污水處理設施出水氮磷排放對湖蕩水體富營養化防治具有重要意義。為控制農村生活污水處理設施出水氮磷排放，可選擇合適的農村生活污水處理工藝，加強設施運營監管力度，時刻關注運行參數和水質變化并及時改進處理工藝，對農村生活污水處理設施的建設、運行、維護進行長效管理，進而改善湖蕩水質。