不同污染负荷下光催化耦合垂直流人工湿地对农村污水的净化效果研究

不同污染负荷下光催化耦合垂直流人工湿地对农村污水净化效果的研究摘要：农村生活污水不仅仅是影响人们的生活和健康，且对河流、水库、湖泊、地下水造成一定的污染，本论文主要针对我国农村地区生活污水治理效率不高、难以集中处理等问题，在农村水污染治理技术起步较晚，缺乏稳定的资金支持，可靠的处理技术的情况下，研发适合于农村污水处理的技术以及成套的污水处理装置，为提高传统湿地对污水的净化效果，本实验初步将光催化技术与垂直流人工湿地进行耦合，并探究在不同污染负荷下反应器对生活污水的净化效果。以传统的垂直流人工湿地为基础、嵌入以紫外灯，构建长*宽*高为40*30*50cm的光催化耦合垂直流人工湿地反应器，以西南林业大学校园生活污水为模拟对象，进行72h的处理，结果表明：当进水污染负荷为107.5时,COD、氨氮和TP的去除率分别为40%、98%、66%，出水浓度分别64mg/L、0.2mg/L、0.32mg/L，参照表1可知出水中以上污染物均达到了排放的一级标准。通过实验结果可得该光催化耦合垂直流人工湿地对污水中氨氮的去处效果最好，对COD和TP的去除没有明显的促进效果。关键词：光催化；农村污水；污染负荷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目录TOC\o"1-4"\h\u30089摘要 -5-1绪论1.1研究背景提升农村居民居住环境，是推进建设社会主义新农村建设的重要内容。近年来，随着我国经济社会发展水平不断提升，城乡差距逐步缩小，广大农民群众对美好生活的向往日益增强。治理农村污水是改善农村人居环境的首要任务，也是实现乡村振兴的重要措施，同时也是新时期深入推进农村农业生产产污治理的关键。近年来随着我国经济快速发展，城镇化水平不断提高，城乡差距日益缩小，年农村居民生活质量显著提升。然而，农村地区在水污染防治方面的进展与工业城镇相比明显落后，导致农村居住环境质量不尽人意，生活污水随意排放，水体黑臭和富营养化等问题日益凸显。据统计，全国现有2.5×106个自然村，农村人口约为5.1亿人，农村生活污水排放量大于2×106t/aREF_Ref7457\r\h[1]，COD、氨氮、总磷的排放量分别是5×106t/a、2.5×105t/a、、4×104t/aREF_Ref7565\r\h[2]。随着经济的快速增长，农村居民生活水平不断提高，对健康卫生环境需求也越来越高，农村地区污水处理工作刻不容缓。不过2021年全国农村生活污水治理率只有28%REF_Ref7614\r\h[3]。我国农村污水处理困难，效率不高，大范围推进困难，污水治理情况不容乐观。我国农村居住特点是小聚居和分散居住，分布范围广，南方北方差异较大；污水的排放总量小，排放具有时间间隔性；按其主要来源及特点可分为以下几类：（1）农村日常生活活动中厨房、厕所、洗涤用水直接通过暗沟或者明沟排出，部分渗透到泥土里。此外在雨水的冲刷下直接被排放进入河流，其某些指标大大超出环境承受能力，造成水体富营养化，致使水体变黑发臭。（2）一些农村特别是旅游村的农家乐，饭店等生活功能区，由于农村排污设施简陋，环保意识和环保技术不足，污水直接排入到沟渠中；这一类排污中COD、BOD及悬浮物的浓度较高。（3）家禽家畜养殖，其粪便等排泄物未经处理就直接排放，加之雨水冲刷更是四处流走，臭气熏天，使人居环境质量大大降低，严重污染环境。（4）生活垃圾的随意摆放丢弃，缺少处理技术，难以统一收集，雨水冲刷下汇集到河道中，排入自然河流水体中污染水体。（5）农药化肥及其使用过后包装袋的随意丢弃，过量的化肥农药最终进入环境。农村水污染治理需要消耗大量的资金。农村生活污水不仅危害居民身体健康和生活环境，同时对河流、地下水、水库和湖泊等水体造成污染。农村生活污水的处理率较低、净化系统不完善，政策上需要政府相关部门明确管理机制；因此在乡村振兴战略持续发展的过程中，农村污水处理工作也越来越受关注和重视，并且已经逐步成为了限制乡村发展的大重要因素。人们在对污水进行治理的时候，不仅仅需要考虑到生活最终处理质量上的问题，还需要考虑到怎样把污水带到资源化利用的途径上来，了解农村污水的不益性质并对污水处理方法进行合理的选择。为了确保农村污水治理工作的正常运行，需要加大社会各界对资金的投入；在污水治理领域，不断进行技术创新和优化是至关重要的，必须根据实际情况制定出最适合的治理方法和模式，政策方面需要进一步完善相关制度规范，为后续研究提供依据。为确保农村生活污水治理工作的有效实施，必须建立完善的监督管理机制，加强专业人才培养，同时注重社会效益、环境效益和经济效益，积极宣传污水治理工作，引导各方提高环保意识，并积极参与其中。1.2研究的目的和意义1.2.1研究目的本论文旨在探究是我国农村生活污水净化效率低、缺乏适宜适宜可行的装置技术和成套设备等问题，通过引入光催化技术强化生物生态型耦合工艺，致力于研究适用于农村地区的能高效处理污水的技术和设备，目的是打造一种低投资、低成本、易维护、高效率的小型生活污水处理工艺，为改善农村环境提供技术支持。1.2.2研究意义人工湿地系统作为典型的生态净化技术，被广泛应用于农村生活污水治理领域。但传统垂直流人工湿地床体氧环境较差，出水水质往往难以满足污水排放标准，还存在3-5年生命周期的限制。因此，本研究初步将光催化强化技术与人工湿地耦合，并探究在不同污染负荷下反应器对生活污水的净化效果。拟开发新型光催化耦合人工湿地农村生活污水处理工艺。1.2.3研究内容低污染负荷进水条件下，污水处理反应器对生活污水中COD、氨氮、TP、正磷的去出效果。中等污染负荷进水条件下，反应器对生活污水中COD、氨氮、TP和正磷的去除情况。高等污染负荷进水条件下，反应器对污水中COD、氨氮、TP、正磷的净化效果。1.3国内外研究现状1.3.1国内农村污水处理我国农村生活污水处理方面的研究起步较晚，随着经济的蓬勃发展，环境保护水平和环境保护意识的增强以及国家美丽乡村建设的号召，农村环境备受关注，英雌农村污水处理技术也得到了快速发展。一些经济发达的省份逐渐意识到到农村生活污水污染的严重性，开始采取一些适合于自身的治理措施，采用高效、实用、节能、方便运行管理的技术来处理污水。国内农村生活污水的处理技术主要包括：（1）化粪池沉淀厌氧发酵污水处理技术，该技术具有能耗低、运行管理方便、污水处理效果较好等优点。对COD在100－400mg/L的生活污水，经过化粪池作用后可去除50－60%的悬浮物，再经过厌氧池的发酵使污水中的有机物转化为无机物，利用化粪池处理生活污水的技术其周期较长，至少要经过三个月的处理时间，化粪池内沉降下来的池渣可用于农业生产，需定期对化粪池进行清理REF_Ref7696\r\h[4]。在温度较低的情况下，化粪池内进行的反应较平缓，因此处理效率不高。（2）利用人工湿地处理污水的技术，人工湿地是一种可调控的湿地系统，通过综合运用物理、化学和生物的作用优化组合，对污水进行合理高效的处理。湿地处理系统的构建涉及到颗粒填料、水生植物以及水中微生物群落的有机统一。其主要原理有物理过滤、沉淀、吸附，粒子间作用，水生植物根系的吸收利用，水中微生物的分解作用来使水中一些污染物浓度降低。（3）农村沼气池技术。沼气池是农村常见的污染物厌氧处理技术，沼气池是适用于农村分散居住生活污水集中处理困难情况的一个很好的解决方法，小型的沼气池几乎可以做到每家每户建立起来，其占地小位于地下耗材少、价廉、处理效果好，不仅处理了农村生活污水，更是产生了甲烷这一清洁能源；其沼渣沼液还能做肥料作用于农业生产，改良土壤结构，提高土壤肥力。1.3.2国外农村污水处理自1952年德国科学家Seidel开始进行工程化的人工湿地研究以来REF_Ref7758\r\h[5]，人工湿地技术已在欧洲、北美洲、南美洲、亚洲、大洋洲和非洲等多个地区得到广泛应用。在新西兰的农庄污水处理中，人工湿地因其符合当地土著文化价值、低的处理成本和生态理念等特点，已经成为一种快速发展的处理方式，不仅可用于处理生活污水，还可用于处理农场加工中乳酪加工制作排放的污水以及减少农业生产中的面源污染等问题REF_Ref7928\r\h[6]。随着国外工业化进程的不断加快，农村人口大量向城市转移，使得农村污水污染问题日益严峻，对生态环境和人类健康带来了严重影响，因此开展人工湿地污水处理技术在农村地区具有重要的推进意义。人工湿地在欧美国家的应用历史可以追溯到更早的时期，而其研究也更加深入。欧洲有超过50000座人工湿地用于污水处理REF_Ref7996\r\h[7]，大多数的人工湿地被建于乡村或小城镇，适用于规模较小的生活污水的处理。这些人工湿地都是利用微生物作用来进行处理的。为了对英国农村污水站点的出水进行深度净化，，人们广泛采用了人工湿地技术，并成立了人工湿地协会，建立了一个由900个人工湿地组成的数据库REF_Ref8035\r\h[8]。据Molle等人的研究REF_Ref8150\r\h[9]，法国的乡村中存在着数量超过500个的人工湿地，这些湿地均为污水处理提供了重要的生态环境。在波兰，人工湿地也有超过30a的应用历史了，在这之中的人工湿地大多用于小于5m3·d-1的单户农村生活污水处理REF_Ref8251\r\h[10]。目前我国乡村地区存在着用于处理生活污水的设施。多个国家，包括英国、法国、意大利、德国、丹麦和捷克，已陆续发布了人工湿地设计规范，以处理分散型生活污水REF_Ref7928\r\h[6]。我国对人工湿地的研究起步较晚，但近几年随着各地建设水平和经济实力的提高，其数量逐步增加。在北美建起了超过10000座的人工湿地，且从南部地区到北部地区皆有分布，仅是肯塔基一个州就有超过4000个用于单户生活污水处理的潜流人工湿地REF_Ref7928\r\h[6]。这些国家对人工湿地技术都相当重视，并且为此投入了巨大的资金用于研发和示范。当前，北美洲涌现了大批致力于人工湿地研究的科研人才，并成功构建了一个案例数据库，为该领域的进一步发展奠定了坚实的基础。1.4国内应用人工湿地处理农村污水的现状1987年见证了我国人工湿地处理污水技术研究工作的开端，试验工程在天津、北京等地得以建成REF_Ref8457\r\h[11]。此后，各地相继开展相关的示范和推广工作。自2004年起，我国人工湿地应用技术进入了蓬勃发展的阶段，截止2015年，已有700多个人工湿地工程被公开报道REF_Ref8489\r\h[12]。随着技术进步和经济的高速发展，国内对人工湿地的需求越来越大。在我国，人工湿地的应用范围不断扩大，无论是在规模还是污水类型上，都呈现出多元化的趋势。处理规模方面，有设计处理量25万m3·d-1的地表水净化湿地REF_Ref8816\r\h[13]，也有10m3·d-1以下的农村污水湿地REF_Ref8489\r\h[12]。污水处理方式上，主要是以活性污泥为主，其次是植物吸附法等。人工湿地已被广泛应用于处理多种类型的污水，包括但不限于生活污水、河湖水以及垃圾渗滤液等REF_Ref8489\r\h[12]。近年来，随着国家对“生态文明”建设重视程度的不断提高以及各地政府加大对农业生产投入力度，国内学者开始关注以生物多样性保护为目的的人工湿地技术研究与推广工作。考虑到我国环境问题的复杂性、人口集中密度大以及土地资源的稀缺性，人工湿地的研究为该技术的规模化和精细化发展提供了创新的视角和可靠的数据支持。随着国家对生态环境保护工作重视程度的提升和“绿水青山就是金山银山”理念的提出，人工湿地成为解决水污染治理难题的重要途径之一。我国各省市均有关于人工湿地在农村污水处理方面的研究报道。近年来，随着国家政策支持及资金投入力度加大，国内一些省市开始探索农村污水处理技术应用与推广工作。因为各地污水的特性和建设条件各不相同，所以具体的技术路线也会因地区而异。以某乡镇为例，从水质特征、工程规模及经济性方面分析了人工湿地在我国农村污水处理中的适用性。郝目远等REF_Ref8976\r\h[14]针对北京市农村地区的现状，经过对多种常用技术的对比研究，得出结论：采用“地埋式一体化生物接触氧化法+生态处理法”组合模式，不仅能够适应当地实际情况，而且能够满足水污染物排放标准REF_Ref9038\r\h[15]的要求。在对北京平谷区农村污水运行情况进行调查后，任占军等REF_Ref9074\r\h[16]发现MBR、A/O等工艺占据了一半以上的比例，但在运行1～3年后，由于运行维护费用高、管理要求程度高等原因，这些工艺被迫停止运行。相比之下，人工湿地工艺因其简便的运行维护方式，成为了平谷地区目前最受欢迎的处理工艺。吴昊等REF_Ref9126\r\h[17]对江苏省太湖流域6000多套农村污水处理设施进行走访，在100余种污水处理工艺中挑选出4种运用比较较广泛的工艺进行分析，对其中3种工艺运用了人工湿地处理单元。根据分析，建设初期的费用略高的“厌氧产沼气－缺氧反硝化脱臭－跌水充氧接触氧化法－人工湿地”技术，虽然处理效果稳定，但其对COD、总磷和氨氮的去除率均超过80%，且运行成本不到A/O工艺的四分之一。另外另外,“厌氧水解酸化池－好氧脱氮除磷－沉淀池－人工湿地系统”技术的前期投资也相对低廉，后期运营费用低，是一种较为经济可行的农村污水处理模式。徐志荣等REF_Ref9247\r\h[18]在对浙江67个县的386座农村生活污水处理设施进行的调查中，发现厌氧+人工湿地工艺是最为广泛应用的处理方式，其应用比例高达44.8%。该处理工艺可有效去除费事中有机污染物和氮磷元素，提高水质。根据据杨磊三等REF_Ref9286\r\h[19]，广州地区的农村污水处理设施中，人工湿地占比高达60%，其出水稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中一级B标准的要求REF_Ref9325\r\h[20]。目前我国许多省市已经开始在村镇推广和使用厌氧体－生物流化床反应器系统。作为农村环境综合整治的重点建设内容之一，广东省郁南县已将厌氧处理和人工湿地污水处理设施纳入其中REF_Ref9361\r\h[21]。覃玲玲REF_Ref9407\r\h[22]对广西玉林市的两个村庄的污水设施进行了分析，发现其采用了潜流人工湿地－表流人工湿地－生态塘工艺流程，不仅实现了污水净化的目标，同时也为农村居民提供了一个独特的生态景观，为他们提供了休闲娱乐场所。在海南省琼县进行的预处理设施－生态湿地的分散处理模式，该模式有效提升了普通自然村的出水水质达到了一级A标准REF_Ref9443\r\h[23]。1.5光催化技术研究现状复合的光生电子和空穴在催化剂表面参与氧化还原反应。然后，由于光生空穴具有较强的氧化能力，可以将催化剂表面吸附的水或表面羟基氧化成更具有强氧化能力的羟基自由基。最后具有强氧化能力的羟基自由基可将有机污染物等部分或完全矿化。此外，由于光生电子具有较强的还原能力，还可在导带上还原产生氢气。由此可见，光催化技术是以光催化剂为核心的处理技术，因此对光催化剂已经展开了许多研究。光催化剂的种类繁多，但目前研究较多且光催化效果较好的催化剂的主要包括纳米二氧化钛、硫化物半导体和金属氧化物等。其中，二氧化钛因其廉价易得、无毒且稳定性好而被广泛研究。2材料与方法2.1光催化耦合垂直流人工湿地的构建图1光催化垂直流人工湿地反应器Fig1Photocatalyticverticalflowconstructedwetlandreactor试验所用装置如图1所示，反应器是由不锈钢板焊接而成的箱体，尺寸（长×宽×高）为40*30*50cm，系统内部有隔板并在底部开孔连通，水流在处理单元内部以垂直流流动。隔板将其分为前半端和后半端，前半端以直径5cm的聚氨酯海绵生物膜球内填充火山石、YDT纤维、海绵、陶粒、生态垫等五种吸附材料为填料，填充至45cm高，为生物处理单元。后半端为垂直流人工湿地单元，由下往上填充该装置，其填充的第一层材料为陶粒，粒径为0.4cm－0.6cm，其填充高度为10厘米，第二层为碎石层，粒径为0.6cm-0.9cm的碎石填充，其填充高度为10厘米；依次填充至45cm高。主要催化区域如图1，垂直流人工湿地单元中嵌入直径2.3cm、长度为43.6cm、功率为16w的UV紫外线灯管，灯管周围采用粒径为3-5mm的二氧化钛填料作为光催化剂，以加强光催化作用。此反应器有效水深为46cm，有效表面积为1.2cm2。表1农村生活污水处理设施水污染物排放标准污染物项目质量浓度/(mg/L)一级标准二级标准三级标准总磷（Tp）13c-氨氮（氨氮）8(15)15（20）c15（20）bCOD（COD）60100120注：a括号外数值为水温>12℃时的控制指标,括号内数值为水温≦12℃时的控制指标。b当出水直接排入村庄附近池塘等环境功能未明确水体时执行。c当出水直接排入氮磷不达标水体时执行。《云南省农村生活污水排放标准》(DB53/T953—2019)Table1DischargestandardsofwaterpollutantsfromruralDomesticsewagetreatmentFacilities2.2实验方案为了综合考虑水力条件对人工湿地污染物去除的影响，本实验设定了一个运行时间在2小时到72小时之间的方案。针对农村生活污水中碳与氮的质量比(简称碳氮比)较低的现状，分别设置了三种不同污染浓度等级，分别为低、中、高，来探究湿地所能承受的污染负荷，具体参数见表2。表2不同进水污染负荷Table2Differentinletwaterpollutionloads污染负荷TPmg/L氨氮mg/LCODmg/LQ1（低）≦1.5≦20≦135Q2（中）1.5-2.520-30160-170Q3（高）≧2.5≧30≧200为了模拟农村生活污水中的氨氮、TP、COD的浓度，我们选用了西南林业大学校园生活污水作为实验进水的来源，实验进水水质见表3。表3实验进水水质Table3Experimentalinletwaterquality进水浓度/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通过对进水口和出水口流量进行控制，使其达到所设定的水力条件后，当稳定运行24h时，从反应器出水口取100mL出水水样，立即置于保温箱中，以备对各种污染物的浓度进行检测分析。对于每种污染负荷的实验进行两次重复，并计算平均值，对实验数据进行简单的处理分析。为了减小实验误差，反应器运行一个实验周期(72h)结束，取水样完成后将人工湿地内的水尽量排空，以减少上个周期遗留水对实验的影响。（1）处理农村生活污水的光催化耦合垂直流处理工艺的设计根据课题组前期理论基础，深入研究农村地形特性和水环境质量及其性质，同时，分析农村生活污水的性质和污染物特征，针对上述特点，设计对应的生态化工艺尺寸和选材。（2）处理农村生活污水的人工湿地耦垂直流处理工艺。根据现有条件和（1）设计的生态化新工艺的能量消耗，资源消耗和人力消耗，对消耗过大的工艺应考虑剔除，同时应考虑对农村生活污水的处理与野外应用效果，对处理效果好但高耗能的工艺应综合考虑，若野外条件满足的条件下应保留，最后应得到低耗能、便于管理的强化工艺。（3）光催化条件下农村生活污水处理工艺的启动，通过感官观察进出水水质变化，使其污水适应装置的处理，并优化其运行参数，而后通过改变水力停留时间、不同的污染负荷，分析测定各耦合装置对西南林业大学生活污水内污染物的净化效果，探究不同水力停留时间与污染负荷下强化工艺对生活污水的净化效率。(4)采用《HJ/T399-2007-水质-COD的测定-快速消解分光光度法》测定样品中CODREF_Ref9557\r\h[24]、《HJ535-2009-水质-氨氮的测定-纳氏试剂分光光度法》测定样品中NH+4-NREF_Ref9593\r\h[25]和《GB/T11893-1989-水质-总磷的测定-钼酸铵分光光度法》测定样品中TP的质量浓度REF_Ref9619\r\h[26]。2.3数据分析及方法去除率计算公式为：，R：去除率；C0：进水浓度，单位mg/L；Ct：出水浓度，mg/L；运用Excel软件对实验所得人工湿地中各类污染物数据分析处理；利用Origin软件对绘制各类污染物出水水质浓度和去除效率的柱状图。3结果与分析3.1低污染负荷下反应器进出水水质3.1.1COD净化效果由图2知，当进水COD浓度为133.94mg/L，经过反应器24h的处理，反应器对COD的去除率达到了39%，此时污水中COD浓度为82mg/L；反应器运行处理48h时，反应器对COD的去除率为40%，此时出水COD浓度为80mg/L；与处理24h时的出水浓度相差不大，当处理时间达到72小时的情况下，COD的去除率达到了55%，COD的出水浓度为60mg/L；当进水COD浓度在107.50mg/L时，污水处理24h后，COD的去除率为22%，COD浓度86mg/L；处理时间48h时COD去除率为24%，COD浓度82mg/L；污水处理时间达到72h时，去除率达到40%，出水COD达到64mg/L，当进水COD浓度为107.50mg/L时，COD浓度达到《云南省农村生活污水排放标准》(DB53/T953—2019)的一级标准，在进水COD浓度133.94mg/L时，出水水质中COD的浓度满足排放的二级标准。从最终出水COD浓度上看，在进水COD浓度107.50－133.94mg/L下对COD的去处效果差。图2低污染负荷下反应器对COD的净化效果Fig2PurificationeffectofthereactoronCODunderlowpollutionload3.1.2氨氮净化效果从图下图看，当光催化耦合垂直流人工湿地在低COD浓度的进水条件下，在污水经过反应器24小时处理的情况下，氨氮的去除率在75%－83%，其污水中氨氮浓度在3.5mg/L－4.5mg/L之间；在反应器48小时的处理下，氨氮的去除率达到88%－91%之间，此时污水中氨氮的浓度在1.7mg/L－2.6mg/L之间；当处理时间达到72小时的情况下，氨氮的去除率达到94%－98%，此时污水中氨氮的浓度降到了0.2mg/L－1.5mg/L；在处理时间从24小时到48h时，去除率明显提高，污水处理时间达到72h时，当进水COD浓度为107.50－133.94mg/L时，出水水质氨氮浓度可满足《云南省农村生活污水排放标准》(DB53/T953—2019)一级标准。从去除率和出水浓度上看，对污进水COD浓度107.50mg/L时对氨氮的处理效果比进水COD浓度133.94mg/L的处理效果好。图3低污染负荷下反应器对氨氮的净化效果Fig3Purificationeffectofthereactoronammonianitrogenunderlow-pollutionload3.1.3TP净化效果从图4上看，当光催化耦合垂直流人工湿地在低染负荷的进水条件下，在反应器处理时间为24h时，对TP的去除率在58%－59%，污水中TP浓度为0.39mg/L－0.93mg/L；在处理时间达到48小时的情况下，TP的去除率为60%－65%，污水中TP的浓度为0.340mg/L－0.89mg/L；当处理时间达到72小时的后，TP的去除率为61%－66%，污水中TP的浓度为0.32mg/L－0.87mg/L；处理时间从24小时到72小时，去除率在上升但没有太明显上升，在污染负荷为107.50时装置对污水中TP的处理效果明显好于污染负荷133.94时，污水处理时间达到72h时，此时污水中TP的出水浓度可满足《云南省农村生活污水排放标准(DB53/T953—2019)的一级标准。图4低污染负荷下反应器对TP的净化效果Fig4ThepurificationeffectofthereactoronTPunderlowpollutionload3.1.4正磷净化效果从图5中可以看出，当光催化耦合垂直流人工湿地在低污染负荷的进水条件下，在污水经过反应器24小时处理，对正磷的去除率在51－54%，污水中正磷浓度为0.38－0.88mg/L；污水经过反应器48小时的处理，对正磷的去除率在57%到60%之间，污水中正磷的浓度为0.36－0.85mg/L；污水经过装置72小时的的处理，TP的去除率为58－67%，污水中TP的浓度为0.28－0.80mg/L；处理时间从24小时到72小时，去除率没有太明显上升，同总磷情况一样，当进水COD浓度为107.50mg/L时装置对污水中TP的处理效果明显好于进COD浓度133.94mg/L时。图5低污染负荷下反应器对正磷的净化效果Fig5Thepurificationeffectofthereactoronn-phosphomhorusunderlowpollutionload3.2中污染负荷下反应器进出水水质3.2.1COD净化效果由下图可知，污水经过装置24小时的处理，当光催化耦合垂直流人工湿地在中染负荷的进水条件下，COD的去除率在33－41%，污水中COD浓度在100mg/L和114mg/L之间；处理时间达到48h时，COD的去除率为36－47%，污水中COD的浓度为61－108mg/L；当处理时间达到72小时的情况下，TP的去除率为56－61%，污水中COD的浓度为68－75mg/L；反应器处理时间24小时到72小时，去除率在上升，对污水的处理时间48小时到72小时这一过程中，装置对污水中COD的去除率大幅提升，污水中COD的浓度也大幅降低。当对污水的处理时间达到停72h时，此时污水中COD的出水浓度满足《云南省农村生活污水排放标准》(DB53/T953—2019)的二级标准。图6中污染负荷下反应器对COD的净化效果PurificationeffectofthereactoronCODunderpollutionloadshowninFig63.2.2氨氮净化效果当光催化耦合垂直流人工湿地在进水COD浓度168.39mg/L时，从图7得，经过反应器24小时的处理，氨氮的去除率为84%，此时污水中氨氮浓度为5.2mg/L；在反应器处理48小时的情况下，氨氮的去除率为91%，氨氮浓度为2.6mg/L；相比于处理24小时，污水中氨氮浓度大幅降低，降低到24小时的一半；当处理时间达到72小时的情况下，氨氮的去除率达到了96%，此时污水中氨氮的出水浓度为0.9mg/L；当进水COD浓度为169.17mg/L时，污水处理时间24h时，氨氮的去除率为65%，氨氮浓度为9mg/L；处理时间48h时氨氮去除率为78%，出水中氨氮浓度6.9mg/L；污水处理时间达到72h时，去除率达到86%，出水氨氮浓度达到3.9mg/L，参照表1《云南省农村生活污水排放标准》(DB53/T953—2019)，当进水COD浓度为168.39mg/L时，氨氮浓度达到《云南省农村生活污水排放标准》(DB53/T953—2019)的一级标准，在进水COD浓度为169.17mg/L情况下，此时氨氮的浓度也达到了排放的一级标准。污水处理时间达到72h时，出水氨氮的浓度在进水COD浓度168.39mg/L时为0.9mg/L，远低于进水COD浓度169.17mg/L时的氨氮浓度3.9mg/L，所以装置对进水COD浓度为168.39mg/L时的处理效果远高于进水COD浓度为169.17mg/L时。。图7中污染负荷下反应器对氨氮的净化效果InFig7thepurificationeffectofthereactoronammonianitrogenunderthepollutionload3.2.3TP净化效果从图8看，当光催化耦合垂直流人工湿地在中污染负荷的进水条件下，当光催化耦合垂直流人工湿地在进水COD浓度168.39mg/L时，污水经过反应器为24小时处理的情况下，TP的去除率为47%，此时污水中TP浓度为1.3mg/L；在处理时间为48小时的情况下，TP的去除率为58%，TP浓度为1.2mg/L；当处理时间达到72小时的情况下，TP的去除率达到了65%，此时污水中TP的出水浓度为0.89mg/L；当进水COD浓度为169.17mg/L时，污水经过反应器24h的处理，对TP的去除率为49%，出水口TP浓度为0.94mg/L；处理时间48h时TP去除率为57%，TP浓度0.8mg/L；污水处理时间达到72h时，去除率达到67%，出水TP浓度为0.6mg/L，参照表1《云南省农村生活污水排放标准》(DB53/T953—2019)，当进水COD浓度为168.39mg/L时，出水水质中TP浓度达到《云南省农村生活污水排放标准》(DB53/T953—2019)一级标准，在进水COD浓度为169.17mg/L的情况下，此时TP的浓度也达到了排放的一级标准。污水处理时间达到72h时，出水TP的浓度在进水COD浓度为168.39mg/L时为0.89mg/L，进水COD浓度169.17mg/L时TP浓度0.6mg/L，处理72小时后，TP出水浓度小于进水COD浓度169.17mg/L时，所以装置对进水COD浓度在168.39mg/L时的处理效果低于进水COD浓度为169.17mg/L时。图8中污染负荷下反应器对TP的净化效果ThepurificationeffectofthereactorontheTPunderthepollutionloadisshowninFig83.2.4正磷净化效果从下图得，当光催化耦合垂直流人工湿地在进水COD浓度为168.39－169.17mg/L时，经过反应器24处理后，正磷的去除率在51－52%，其污水中正磷浓度在0.65－1.1mg/L之间；在处理时间为48小时的情况下，正磷的去除率达到51－58%之间，此时污水中正磷的浓度在0.65－1.1mg/L之间；当处理时间达到72小时，正磷的去除率达到63－65%，此时污水中正磷的浓度降到了0.57－0.85mg/L；在处理时间从24小时到48h，当进水COD浓度168.39mg/L时，对正磷的去除率虽然提高了，但其污水中正磷的浓度却没有降低，进水COD浓度169.17mg/L时，处理时间24h和48h其去除率一样，出水中正磷浓度相同。图9中污染负荷下反应器对正磷的净化效果ThepurificationeffectofthereactoronpositivephosphorusunderpollutionloadinFig93.3高污染负荷下反应器进出水水质3.3.1COD净化效果如图9所示，当人工湿地在进水COD浓度为225.00mg/L时，经过反应器24小时的处理，COD的去除率为42%，此时污水中出水COD浓度为120mg/L；处理时间为48h时，COD的去除率为54%，出水COD浓度为102mg/L；当处理时间达到72小时的情况下，COD的去除率达到了60%，此时出水水质中COD的浓度为89mg/L；当进水COD浓度为236.67mg/L时，污水处理时间24h时，COD的去除率为54%，出水水质中COD浓度108mg/L；处理时间48h时COD去除率为58%，出水水质COD浓度100mg/L；污水处理时间达到72h时，去除率达到60%，出水COD达到90mg/L；当进水COD浓度为225.00mg/L和236.67mg/L时可满足《云南省农村生活污水排放标准》(DB53/T953—2019)的二级标准。从图上看在进水COD浓度为225.00mg/L时，处理时间从24h到48h，其对COD的去处率要低于进水COD浓度36.67mg/L时。处理时间达到72h时，其对COD的去除率一样，出水中COD浓度相差不大。图10高污染负荷下反应器对COD的净化效果Fig10ThepurificationeffectofthereactoronCODunderhighpollutionload3.3.2氨氮净化效果从图11上看，当光催化耦合垂直流人工湿地在进水COD浓度225.00mg/L时，经过反应器24小时处理，氨氮的去除率在33－41%，其污水中氨氮浓度为17.5－19mg/L；在处理48小时后，氨氮的去除率在42%到47%之间，此时污水中氨氮的浓度为16.5mg/Lmg/L；当处理时间达到72小时的情况下，氨氮的去除率达到53%－54%，此时污水中氨氮的浓度降到了13mg/L－14mg/L；在72小时的处理过程中，氨氮的去除率呈上升趋势，污水中氨氮浓度稳定降低。在处理时间达到72h时，当进水COF浓度为225.00mg/L到236.67mg/L之间，出水氨氮浓度可满足《云南省农村生活污水排放标准》(DB53/T953—2019)二级标准。从去除率上看，对进水COD浓度为236.67mg/L时对氨氮的处理效果比进水COD浓度225.00mg/L的处理效果好。图11中污染负荷下反应器对氨氮的净化效果Fig11Thepurificationeffectofthereactorontheammonianitrogenunderthepollutionload3.3.3TP净化效果光催化耦合垂直流人工湿地在高污染负荷的进水条件下，由图12看，在进水COD浓度225.00mg/L时，处理时间为24小时的情况下，TP的去除率为18%，污水中TP浓度为2.25mg/L；处理48小时后，TP的去除率为21%，出水水质中TP浓度为2.2mg/L；反应器处理72h时，TP的去除率达到了29%，此时污水中TP的出水浓度为1.85mg/L；当进水污染负荷为236.67时，污水处理时间24h时，TP的去除率为27.5%，出水口TP浓度为1.75mg/L；处理时间48h时TP去除率为21%，TP浓度2.0mg/L；污水处理时间达到72h时，去除率为29.5%，出水TP浓度为1.75mg/L，《云南省农村生活污水排放标准》(DB53/T953—2019)，当进水COD浓度为225.00mg/L时，出水TP浓度达到《云南省农村生活污水排放标准》(DB53/T953—2019)二级标准，在进水COD浓度236.67mg/L情况下此时TP的浓度也达到了排放的二级标准。污水处理时间48h－72h时，TP的去除率增长幅度大；进水COD浓度为236.67mg/L时，处理时间达到48h时与24h相比TP浓度反增了0.25mg/L，处理时间达到72h时的TP浓度与处理时间24h时相同；24h时TP的去除率大于48h时去除率。图12高污染负荷下反应器对正磷的净化效果Fig12Purificationeffectofthereactoronorthophosphorusunderhighpollutionload3.3.4正磷净化效果从图13看，当进水COD浓度225.00mg/L,在污水经过反应器24小时处理，正磷的去除率为14%，出水正磷浓度为2.5mg/L，在反应器处理48小时的情况下，正磷的去除率为16%，出水口正磷浓度为2.0mg/L，进过反应器72小时处理的情况下，正磷的去除率为24%，出水水质中正磷浓度1.8mg/L；进水COD浓度为236.67mg/L时，经过24h时处理，正磷的去除率为18%，正磷浓度为1.7mg/L，在处理时间为48小时的情况下，正磷的去除率为14.5%，污水中正磷浓度为18mg/L，经过72小时的处理，正磷的去除率为20%，最终出水正磷浓度16.5mg/L，进水COD浓度225.00mg/L时，去除率增大，最终出水中正磷的浓度低于进水COD浓度236.67mg/L时的浓度；进水COD浓度236.67mg/L时，其48小时的去除率低于24小时去除率，污水中正磷浓度大于24h时正磷浓度。图13高污染负荷下反应器对正磷的净化效果Fig13Purificationeffectofthereactoronorthophosphorusunderhighpollutionload4讨论4.1光催化耦合垂直流人工湿地对去除COD的影响污染负荷在人工湿地处理农村生活污水中是一个重要的设计参数，影响着人工湿地对污水的净化效果，研究表明，随着进水污染负荷的增加，对污染物的去除率降低REF_Ref30809\r\h[27]。本研究表明光催化人工湿地对COD的去除效果呈先增后减趋势，经过反应器处理在进水COD浓度168.39mg/L时去除率达到最大值61%。从人工湿地处理农村生活污水的结果进行对比可得，人工湿地对农村生活污水中的污染物氨氮、COD以及TP去除率分别保持在62.9%、65.1%以及76.0%，就从去除率上看，光催化耦合垂直流人工湿地对COD的去除效果没有促进作用。4.2光催化耦合垂直流人工湿地对去除氨氮的影响由实验分析得反应器对氨氮的去除效果呈逐渐降低趋势，对氨氮的去除率在进水COD浓度107.50mg/L时最大，达到了98%。与人工湿地对氨氮的去除率做简单的对比，不难看出对氨氮的去除率远高于62.9%，所以光催化条件下，垂直流人工湿地对氨氮的去除具有很好的促进作用。4.3光催化耦合垂直流人工湿地对去除TP的影响从本文实验结果得出，反应器对TP的去除效果呈先增后减趋势，其中在COD浓度为169.17mg/L时TP的去除率最高，为67%，与人工湿地对TP的去除率对比看出，光催化条件对该反应器对TP的去除效果增益不明显。5结论在污水经过24h-72h小时处理,光催化耦合垂直流人工湿地在低、中、高污染负荷的进水条件下，设计并实施了不同污染负荷条件下的实验，计算了不同污染负荷下光催化耦合垂直流人工湿地对农村污水中COD、氨氮、TP、正磷的去除率结果如下：（1）光催化耦合垂直流人工湿地在低污染负荷的进水条件下，污水经过72h的处理，在光催化耦合垂直流人工湿地的去除作用下，农村污水中COD、氨氮、TP、正磷的浓度均达到了云南省农村生活污水处理设施水污染物排放一级标准。在此污染负荷下光催化耦合垂直流人工湿地对氨氮的去除效果最好，在72小时时其去除率最高达到了98%，其出水氨氮浓度最低降到了0.2mg/L。随着进水污染负荷的增加，去除率逐渐降低，光催化耦合垂直流人工湿地对氨氮的去除效果减弱，对氨氮的去除效果最好的进水COD浓度范围是107.5mg/L－168.39mg/L。（2）污水经过污水处理反应器72h的处理，COD的去除率在中污染负荷进水条件下去除率最高为61%，TP在进水COD浓度为107.5－169.17mg/L范围内去除效果较好，去除率为61%－67%，正磷在进水COD浓度在107.5mg/L、168.39mg/L、169.17mg/L时的去除效果较好，均达到60%以上。（3）在低污染负荷下，对水中污染物的去除效果呈先出氨氮高于TP、正磷和COD的趋势；在中等污染负荷条件下，氨氮的去除效果优于TP、正磷和COD；在高污染负荷进水下也有一定的去除效果，高污染条件下对污水中氮磷均有一定程度的去除效果，在该污染负荷下对COD的去除效果最为显著，其次是氨氮和TP，最后是正磷。5参考文献陆家缘.中国污水处理行业碳足迹与减排潜力分析[D].中国科学技术大学,2019.第二次全国污染源普查公报[J].环境保护,2020,48(18):8-10.向家莹.生态环境部：2025年全国农村生活污水治理率将达40%[N].经济参考报,2022-04-25(002).DOI:10.28419/ki.njjck.2022.002004.王丛雅,胡梦娇,黄世业,温正军.温州市农村生活污水处理现状与问题[J].给水排水,2019,55(S1):181-184.祝惠,阎百兴,王鑫壹.我国人工湿地的研究与应用进展及未来发展建议[J].中国科学基金,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.探索农村污水治理的中国之路——浅议农村污水治理设施的规划、建设与管理[J].给水排水,