Ecological ditch system for nutrient removal of rural domestic sewage in the hilly area of the central Sichuan Basin, China
Tao Wang, Bo Zhu, Minghua Zhou
ABSTRACT
Domestic sewage is a key source of surface water pollution in rural areas of developing countries, especially in China, where a large amount of highly concentrated nutrients is directly discharged into the receiving waters. Therefore, in this study, a set of ecological ditch systems was designed to remove nutrients from rural domestic sewage in the hilly area of the central Sichuan Basin, China. The results show that the total nitrogen (TN) removal efficiencies range from 14.87% to 84.24%, with an average of 47.97%, and the total phosphorus (TP) removal efficiencies range from 13.93% to 86.22% with an average of 49.79%. The highest daily TN and TP removal rates are 13.06 and 1.30 g mminus;2 dminus;1 , respectively, and the average removal rates are 3.19 g mminus;2 dminus;1 for TN and 0.28 g mminus;2 dminus;1 for TP. Our results indicate that the ecological ditch system to treat rural domestic sewage with high nutrient concentrations can be used in the study area or areas with similar topography. Furthermore, we found that the nutrient removal efficiencies exhibit considerable seasonal variations and are sensitive to the hydraulic flow rates. The nutrient removal capacity of the ecological ditch system is therefore somewhat limited. Based on our findings, the use of winter-hardy wetland plants and increase of the size of the filter unit are recommended to make the ecological ditch system more efficient and maintain high nutrient removal rates year-round.Furthermore, we suggest that regular mowing of plants and the removal of accumulated sediment are necessary to manage the ecological ditch system.
Keywords: Ecological ditch Domestic sewage Waste water treatment Nitrogen Phosphorus
1. Introduction
Eutrophication of rivers or lakes due to excess nitrogen and phosphorus has become a major environmental concern in recent years (Wang et al., 2016). Domestic sewage is considered to be a major pollution source in rural areas of developing countries(;Zhang et al., 2015; Tran et al., 2015; Lutterbeck et al. 2017). In such areas with a less developed infrastructure for waste water treatment in which waste water is not treated, domestic sewage containing high levels of substances, such as nitrogen, phosphorus, and pathogens, is often directly discharged from open drainage ditches to nearby water bodies (Zou et al., 2012; Moeder et al., 2017). This has caused the eutrophication of the surrounding surface water in developing countries, especially in China (Wang et al., 2017; Kumwimba et al., 2018). Therefore, the identification of suitable domestic sewage treatment approaches in these rural areas, especially nitrogen and phosphorus removal, has become an urgent issue ( Wang et al., 2016; Song et al., 2018).
Many ecological engineering approaches have been developed to treat rural domestic sewage worldwide, such as constructed wetlands (CWs), retention ponds, and subsurface filtration technologies (Tixier et al., 2011; Anderson et al., 2015). Many studies have confirmed that pollutants in domestic sewage, such as chemical oxygen demand (COD), nitrogen, phosphorus, heavy metals, and pathogens, could be effectively removed by CWs (Tang et al., 2013; Kadlec et al., 2009). reviewed the nutrient removal mechanisms of various types of CWs. Similarly, retention ponds and subsurface filtration technology have also been confirmed to be effective methods to remove nutrients in rural areas (Winston et al., 2013; Anderson et al., 2015). However, the effectiveness of nutrient removal via these approaches is highly variable and depends on a range of factors, such as the temperature, discharge, wetland plants, and pollutants concentrations (Headley and Tanner, 2012; Winston et al., 2013; Lucke et al., 2015). In addition, the pollutants accumulated in sediments, filter materials, and decaying wetland plants could be released and re-enter receiving waters, which may lead to the release of the retained nutrients, thus, becoming a source of nutrients of the water column (Hill et al., 2012; Jia et al., 2015; Kumwimba et al., 2018). Furthermore, although all these approaches have significant advantages over typical waste water treatment plants in terms of the nutrient removal and economic costs, the land requirements for these approaches may be the most limiting factor to their application, especially in hilly areas (Wu et al. 2015). Therefore, it is challenge that how to reduce the land requirement for domestic sewage treatment via ecological engineering approaches in rural areas, especially in hilly areas of developing countries.
Vegetated ditches have become an increasingly popular approach to reducing the transport of nutrients derived from agricultural areas; their popularity can be attributed to the smaller land requirements, high nutrient removal rate, and low construction and maintenance operation costs (Liu et al., 2015; Chen et al., 2015). Many studies have demonstrated that vegetated ditches can effectively remove nutrients leached from agricultural soils caused by fertilizer application (Matthew et al., 2006; Krouml;ger et al., 2007; Smith et al., 2010; Moore et al., 2011; Tang et al., 2013; Vymazal et al., 2018). Kumwimba et al. (2018) reviewed the design, mechanism, management strategies, and future directions of the removal of non-point source pollutants from agricultural runoff by vegetated drainage ditches. The treatment measures for the removal of nitrogen from agricultural runoff in vegetated ditches depend on the self-purifying mechanisms of natural water bodies, such as aeration, ammonia oxidation, plant uptake, sedimentation, adsorption, volatilization, nitrification, and denitrification(Tang et al., 2013; Vymazal et al., 2018). The t
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附录A 译文
川中丘陵区农村生活污水去除生态沟系统研究
王涛，朱博，周明华
摘 要
生活污水是发展中国家农村地区，特别是我国农村地区地表水污染的主要来源，大量高浓度的营养物质直接排放到接收水体中。因此，本研究设计了一套生态沟系统，以去除川中丘陵区农村生活污水中的营养物质。结果表明，总氮(TN)去除率为14.87%-84.24%，平均去除率为47.97%，总磷(TP)去除率为13.93%-86.22%，平均去除率为49.79%。总氮和总磷的最高日去除率分别为13.06 gmminus;2dminus;1和1.30gmminus;2dminus;1，TN的平均去除率为3.19gmminus;2dminus;1，TP的平均去除率为0.28gmminus;2dminus;1。结果表明，采用生态沟系统处理高养分浓度的农村生活污水，可应用于地形相似的地区。此外，我们发现，养分去除效率表现出明显的季节性变化，并对水力流量敏感。因此，生态沟系统的养分去除能力是有限的。根据我们的研究结果，建议采用冬季耐寒湿地植物，增加过滤单元的大小，以提高生态沟系统的效率，保持全年较高的养分去除率。此外，还提出了对生态沟系统进行定期割草和清除累积泥沙的必要性。
关键词：生态沟；生活污水；废水处理；氮；磷；
- 介绍
近年来，由于过量的氮和磷造成的河流或湖泊富营养化已经成为一个主要的环境问题(Wang等人，2016年)。生活污水被认为是发展中国家农村地区的主要污染源(Zhang等人，2015年；Tran等人，2015年；Lutterbeck等人，2017年)。在废水处理基础设施欠发达、废水未经处理的地区，含有高浓度物质(如氮、磷和病原体)的生活污水往往从明渠直接排放到附近水体(zou等人，2012年；Moeder等人，2017年)。这在发展中国家造成了周围地表水的富营养化，特别是在中国(Wang等人，2017年；Kumwimba等人，2018年)。因此，在这些农村地区确定合适的生活污水处理方法，特别是脱氮除磷，已成为一个紧迫的问题(Wang等人，2016；Song等人，2018年)。近年来，由于过量的氮和磷造成的河流或湖泊富营养化已经成为一个主要的环境问题(Wang等人，2016年)。生活污水被认为是发展中国家农村地区的主要污染源(Zhang等人，2015年；Tran等人，2015年；Lutterbeck等人,2017年)。在废水处理基础设施欠发达、废水未经处理的地区，含有高浓度物质(如氮、磷和病原体)的生活污水往往从明渠直接排放到附近水体(zou等人，2012年；Moeder等人，2017年)。这在发展中国家造成了周围地表水的富营养化，特别是在中国(Wang等人，2017年；Kumwimba等人，2018年)。因此，在这些农村地区确定合适的生活污水处理方法，特别是脱氮除磷，已成为一个紧迫的问题(Wang等人，2016；Song等人，2018年)。
世界各地已经开发了许多生态工程方法来处理农村生活污水，例如人工湿地(CWs)、蓄水池和地下过滤技术(Tixier等人，2011年；Anderson等人，2015年)。许多研究证实，CWs可以有效去除生活污水中的污染物，如化学需氧量(COD)、氮、磷、重金属和病原体(Don等人，2013年；Kadlec等人，2009年)。综述了不同类型水煤浆去除养分的机理。同样，保留池和地下过滤技术也被证实是去除农村地区养分的有效方法(Winston等人，2013年；Anderson等人，2015年)。然而，通过这些方法去除养分的有效性是高度可变的，取决于一系列因素，例如温度、流量、湿地植物和污染物浓度(Headley和Tanner，2012年；Winston等人，2013年；Lucke等人，2015年)。此外，沉积物、过滤材料和腐烂的湿地植物中积累的污染物可能会被释放并重新进入接收水域，这可能导致保留的营养物质释放，从而成为水柱的营养物质来源(Hill等人，2012年；Jia等人，2015年；Kumwimba等人，2018年)。此外，尽管所有这些方法在养分去除和经济成本方面都比典型的废水处理厂有显著的优势，但这些方法的土地需求可能是它们应用的最大限制因素，特别是在丘陵地区(Wu等人，2015年)。因此，如何通过生态工程方法减少农村地区，特别是发展中国家丘陵地区的生活污水处理用地是一个挑战。
种植植物的沟渠已经成为减少农业区养分运输的一种越来越受欢迎的方法；它们的流行可以归因于较小的土地需求、较高的养分去化率以及较低的建设和维护运营成本(Liu等人，2015年；Chen等人，2015年)。许多研究表明，植被覆盖的沟渠可以有效地清除施肥造成的农田土壤养分流失(Matthew等人，2006年；Krouml;ger等人，2007年；Smith等人，2010年；Moore等人，2011年；Don等人，2013年；Vymazal等人，2018年)。Kumwimba等人(2018年)回顾了植被排水沟渠清除农业径流面源污染物的设计、机理、管理策略和未来方向。植被覆盖的沟渠中农业径流中氮的去除处理措施取决于自然水体的自净机制，如曝气、氨氧化、植物吸收、沉淀、吸附、挥发、硝化和反硝化(Don等人，2013年；Vymazal等人，2018年)。从植被覆盖的沟渠中去除农业径流中磷的处理措施取决于植物的吸收、沉淀和吸附(Vymazal等人，2018年)。此外，维护措施对于保持植被沟渠稳定的养分去除率是必不可少的。Faust等人(2018年)回顾了不同农业沟渠管理做法对下游养分和泥沙流失的影响。近年来，植被沟渠也被成功地用于处理农村生活污水废水(Kumwimba等人，2017年；Bundscheh等人，2016年)。但是，完全应用于农村生活污水处理仍有不足之处。一方面，植被覆盖的沟渠中的大多数植物在高COD和极低溶解氧(DO)浓度下不容易长时间存活(Saggaai等人，2017年)。另一方面，由于高营养浓度、复杂的废水成分和不稳定的流速，植被覆盖的沟渠的养分去除能力是有限的(Kumwimba等人，2018年)。应将水文变量视为管理和实现可持续处理绩效的关键参数(Kumwimba等人，2018年)。一些研究还表明，营养物质的去除效率与水文变量有关(Li等人，2016年；Soana等人，2017年；Castaldelli等人，2018年)。然而，在水力负荷率(HLR)变化很大的情况下，通过植被覆盖的沟渠很难提高营养盐的去除能力。因此，降低污水对植物的毒性，提高植被沟渠在高HLR条件下的养分去除能力，成为未来用于处理农村生活污水的植被沟渠可持续、长期运行的主要挑战。一些研究还表明，营养物质的去除效率与水文变量有关(Li等人，2016年；Soana等人，2017年；Castaldelli等人，2018年)。然而，在水力负荷率(HLR)变化很大的情况下，通过植被覆盖的沟渠很难提高营养盐的去除能力。因此，降低污水对植物的毒性，提高植被沟渠在高HLR条件下的养分去除能力，成为未来用于处理农村生活污水的植被沟渠可持续、长期运行的主要挑战。
本研究针对四川盆地中部丘陵地区的一个小城镇，设计并建造了由蓄水池、曝气池、滤池和植被沟组成的生态沟系统来处理生活污水。本研究的目的是：(1)评价生态沟系统处理某乡镇生活污水的效果；(2)分析不同环境条件下生态沟系统对营养的去除能力。
- 材料与方法
2.1 研究区域
图1所示，研究地点位于中国长江上游
本研究在四川省(北纬31°16rsquo;，东经105°27rsquo;)的一个乡镇进行。研究地点位于中国西南部四川盆地中部一座海拔500至600米的山顶上(图1)。该地区属中等亚热带季风气候，年平均气温17.3°C，年平均降水量826毫米。大部分降水发生在4月至10月(Zhu等人，2009年)。
这个乡是全区典型的乡镇，面积1.26公顷，稳定人口在每平方公里500人左右。每两天大约有500名移民进入这个小镇进行贸易。这个小镇建在贯穿它的主干道两边。山坡本身的坡度为15°，该镇分为居民区(0.77公顷)、学校(0.11公顷)和道路(0.38公顷)(Luo等人，2012年)。每天大约产生30-150m3dminus;1的污水。日产约0.86-4.31kgNdminus;1和约0.05-0.23kgPdminus;1。这个乡修建了两条混凝土沟渠，一条在道路两边，这两条沟都是用来降雨和排污的。在这项研究之前，这些废水汇入其中一条沟渠，暴雨径流和污水没有被分成不同的系统。此外，该乡没有污水处理设施，也没有合格的屠宰场。所有未经处理的污水和径流都直接进入排水沟，随后流入河流等接受水。
2.2. 生态沟渠系统设计
在生活污水收集沟附近设计并施工了两条沟渠。一种是生态沟渠系统，旨在改善乡镇产生的生活污水的水质，另一种是设计为防洪排水沟，用于隔离洪水。砂岩被用来防止暴雨径流对生态沟系统的破坏。通常，生活污水排入生态沟系统，而洪水通过导流坝与污水分离，直接排入防洪排水沟。
图2所示，水处理工艺及生态沟系统的设计
生态沟系统长308.0米，最大底宽1.5m，最小底宽0.8m，平均深0.6m，旨在最大限度地利用排水沟的自然过程和生态功能。沟渠分为四个连续的单元：沉降单元(U1)、曝气单元(U2)、过滤单元(U3)和植被沟渠单元(U4；图2)。首先，沉降单元(U1)由沿生态沟渠系统的几个部分组成，全长110.0米，其中一部分用于泥沙沉降和固体废物处理，长度、宽度和深度分别为3.0m、2.0m和1m(图2)。第二部分是用来作为生物滤池的。采用干稻草填充，提高有机碳浓度，其长、宽、深分别为1.5m、1.5m、1.0m。第三部分是一条混凝土沟渠，在沟内种植了水生植物中国水生植物和肉豆蔻。种植这些水生植物时，沟底有一定的泥沙沉积。混凝土沟长20.0m，宽1.5m，水位30.0cm，水宽1.5m。大小池塘的长度、宽度和深度分别为2.0m、2.0m和1.0m。采用高27.0m、坡度70°的陡坡，顶部设置垂直卵石床对降水进行曝气。在卵石床表面种植石菖蒲，以提高曝气效率。石菖蒲具有发达的网状根。网状结构通过增加水的表面积来增加水和空气之间的交换，从而提高曝气效率。接下来，我们建造了一个长、宽、深分别为3.0m、3.0m和1.5m的滤池来收集下落的曝气水。盆地包含多层过滤材料，包括沙、砾石和角晶石(图2)。每层约有10.0厘米厚。滤层上铺了一层6.0厘米厚的砖块，以防止系统因悬浮泥沙而堵塞(图2)；砖下面放了一张孔径为1.0毫米的塑料网。最后修筑了长150.0m、宽1.0-1.5m的植被沟，用一系列堰作为治水结构，在泥沙上保持10.0cm的水位和1.0m的水宽，堰间距至少30.0m，植被沟以土壤为基质。堰前、堰后铺设长1.0m、深0.1m的鹅卵石，以减弱水土流失。这些堰的目的是延缓水力停留时间(HRT)。利用的优势湿地植物是海棠、蝴蝶花、蝴蝶兰、美人蕉、异枝毛竹、石菖蒲、和沼泽马蹄莲我们在第一条湿地表面流沟中种植了白杨、异枝松和假山楂，在第二条沟中种植了籼稻和沼泽锦鸡儿，在第三条沟中种植了唐菖蒲，在第四条湿地表面流沟中种植了白杨和拟南芥(图2)。
2.3 生态沟渠系统维护
随着生态沟渠系统运行的启动，沟渠养护开始了。我们每天从安置点清除悬浮固体废物，如塑料袋和垃圾。每三个月从沉淀池和过滤单元中清除积聚的沉淀物。每年春天，我们都会更新过滤单元中的材料。不同的湿地植物需要不同的维护方法。例如，我们没有修剪青蒿，因为它是全年生长的多年生草本植物，高度不超过0.3米；相反，我们每半年修剪一次，因为它们的生物量很大，所以我们每六个月修剪一次。籼稻在每年3月首次修剪，异枝莲和沼泽锦鸡儿在5月份首次修剪。割草后，我们及时清除植物凋落物，以防止二次污染物的发生。此外，我们亦透过疏浚，迅速清除植被沟内积聚的多余泥沙，以避免缩短水力停留时间。此外，我们亦透过疏浚，清除沉降和过滤装置内积聚的沉淀物，以避免淤塞。从生态沟系统疏浚的沉积物集中收集，然后暴露在阳光下3个月，以清除病原体。最后，他们被送回了林地土壤。此外，植物病虫害的防治也很重要。
图3所示，研究期间的雨量
2.4 抽样分析
在污水流经生态沟系统的过程中设置了5个采样点(表1)。第1-5个采样点分别位于生态沟进水口(EDI)、沉降出水口(SEO)、落水口(FWO)、过滤系统出水口(FSO)和湿地沟渠出水口(WDO)。2016年1月至12月，每月两次从生态沟系统的6个采样点采集地表水样本，使用5%硫酸洗涤塑料瓶(500m/L)，用去离子水预冲洗。在每个采样点同时采集三个水样副本，并将其储存在干净的聚乙烯瓶中，保存在冰盒(4°C)中，然后进行分析。我们用矩形堰对生态沟入口处的流量进行了监测。用自动水位探头(奥德赛，新西兰)每隔10分钟记录堰内的水位。最后，利用流速和断面面积计算出水力流量。
我们使用TN和TDN差值计算颗粒氮(PN)浓度，并采用相同的方法计算颗粒磷(PP)浓度。采用便携式多参数水质分析仪(HACH，美国)对沟水的pH、温度(T)、溶解氧(DO)等理化参数进行了现场测量。用紫外-可见分光光度法和重铬酸钾消化法测定了未过滤样品的有机物(化学需氧量：COD)浓度。降雨量是使用雨量计(R13，芬兰维萨拉)测量的。在70°C条件下，采用烘干法测定了采收植株的地上干生物量。
2.5 数据分析
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