近年来有关农村生活污水与养殖废水造成的水环境污染问题引起了人们的广泛关注。针对城市郊区和农村地区污水难以集中和适宜分散治理这一重要特征，我们研发了高负荷地下渗滤技术、高负荷人工湿地技术和高效低耗生物滤池技术，重点突破高效低耗供氧技术，构建高效防堵系统，优化各单元的功能耦合和配置，形成占地少、投资小、运行费用低、操作维护简便、适用范围广的分散型生活污水和畜禽养殖废水处理技术，为减轻分散型水污染作贡献，并推动相关环保产业的发展。同时，将使污水土地（生态）处理理论和技术水平上一个新台阶， 研究分散型污水中复合污染物（重点是新型有机污染物）的微生物分解转化机理和污染物的生物强化去除机制。
(1). 高负荷地下渗滤系统
针对生活废水研发高负荷地下渗滤技术，考察了高负荷地下渗滤系统对生活污水中常规污水指标和典型PPCPs（激素、抗生素等）和耐药基因的去除效率和去除机理，重点研究了处理系统不同层面供氧、COD等因素与微生物多样性以及氮循环功能微生物之间的对应关系。结果表明高负荷地下渗滤系统对水质常规指标COD、氨氮以及病原菌大肠杆菌和大肠菌群等能高效去除，对新型有机污染物如激素和杀生剂等去除效果显著，去除途径主要为微生物降解和基质吸附。渗滤系统中细菌和氨氧化功能菌菌群结构以及氨氧化功能基因丰度与pH、DO、COD和NH3-N浓度变化有关。高负荷地下渗滤系统中细菌菌群结构组成与渗滤层基质类型显著相关，各功能微生物在特定基质类型中富集，系统中pH值降低和亚硝酸盐含量升高分别对嗜酸菌和亚硝酸氧化菌等具有选择性富集作用。研究结果为提高和改进高负荷地下渗滤系统的适应性和长效性提供了微生物机制学依据。
图 1 高负荷地下渗滤系统去除污染物的微生物机制
(2). 高负荷人工湿地系统
针对生活污水和养殖废水研发高负荷人工湿地处理技术，设计和建立了1个调节池（设计长2.0 m，宽1.45 m，高1.5 m）和12个中试人工湿地污水处理单元（设计长0.8 m，宽0.6 m，高0.8 m）。我们考察了不同基质（牡蛎壳、沸石、麦饭石和陶粒）和不同水力负荷（HLR=10、20、30 cm/d）条件下，12个水平潜流人工湿地单元对常规污染指标、抗生素和耐药基因的去除效果。基于污染物去除效果，筛选出最佳设计条件，同时深入分析了污染物的去除机理。研究结果显示以沸石为基质，HLR=20 cm/d的湿地单元是最佳选择，水平潜流和垂直潜流对污染物的去除效果要优于表面流，种植植物后更有利于湿地单元对污染物的去除。通过实验室内基质吸附试验和微生物降解实验，以及日抗生素去除通量核算，微生物量与污染物去除量相关性分析（R = 0.61 ~ 0.66，p < 0.05）结果表明，基质吸附和微生物降解是构建的人工湿地单元去除抗生素和耐药基因的重要途径，微生物降解是主要去除途径。进一步考察不同水流方式（表面流、水平潜流、上行垂直潜流和下行垂直潜流）和不同植物种类（鸢尾和再力花，以及不种植植物）的中试人工湿地单元对生活污水中常规污染指标、抗生素和耐药基因的去除。研究结果表明：水平潜流和垂直潜流对污染物的去除效果要优于表面流，种植植物后有利于湿地单元对污染物的去除。污染物去除质量平衡核算发现去除比重为基质吸附（1.99 % ~ 4.29 %）、植物吸收（1.86×10-5 % ~ 1.65×10-5 %）和微生物降解（73.7 % ~ 95.2 %）。
图 2 高负荷人工湿地系统中污染物去除的主要途径
为获取更好的污染物去除效果，进一步考察了串联湿地以及人工曝气2种强化方式对湿地系统去除污染物的影响，结合微生物丰度及多样性分析，推断出影响湿地系统污染物去除能力的影响因子。研究结果显示以垂直潜流-水平潜流串联能有效去除污水中的各类污染物，且垂直潜流曝气，水平潜流不曝气的人工曝气方式是最佳选择。通过对抗生素的质量平衡核算发现，微生物降解（91.0 ~ 94.7 %）是去除抗生素最主要的途径，基质吸附（5.24 ~ 8.60 %）和植物吸收（8.96×10-4 % ~ 1.17×10-3 %）为辅助作用。基于16S rRNA高通量测序结果发现，人工湿地系统内的主要微生物种群为变形菌门（Proteobacteria），拟杆菌门（Bacteroidetes），放线菌门（Actinobacteria）以及厚壁菌门（Firmicutes），占比达80 %以上。且污水中抗生素的浓度，COD浓度、氮素污染物的浓度以及污水pH值均能显著影响湿地系统内微生物的多样性。
图 3 串联湿地和人工曝气条件下人工湿地系统中微生物组成
(3). 高效低耗生物滤池系统
针对养猪废水研发高效低耗生物滤池技术，并重点研究了生物滤池系统对污染物的去除效果，同时通过实验室接种养猪废水抗生素降解实验分析了生物滤池系统去除抗生素的机理。研究结果显示，生物滤池系统对养猪废水中的常规污染指标BOD5、COD、TN和NH3-N以及抗生素具有较高的去除效果（ > 82 %）。实验室抗生素降解机理实验发现养猪废水中的抗生素在好氧和厌氧条件下均符合一级降解动力学，抗生素好氧降解半衰期为18.2-69.3 d，厌氧降解半衰期为2.60 - 347 d。根据抗生素降解动力学的半衰期，以及生物滤池的设计水利停留时间，可以很好的预测目标抗生素物质在生物滤池系统内的降解情况。
图 4 生物滤池处理养猪废水中抗生素的研究
References
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