从景观设计的角度探讨农村生活污水处理与二氧化碳排放

《Ecological Engineering》：Rural domestic sewage treatment and CO 2 FLUX from the perspective of landscape design

农村生活污水经厌氧预处理结合人工湿地（CW）处理，CW1采用“鲤鱼跳龙门”景观设计，COD去除率72.41%-92.91%，TN去除率51.64%-85.59%，CO2通量（145.68-1637.11 mg/m2/h）略高于CW2，低温导致微生物活性下降和植物萎蔫是主要影响因素。植物群落（狼尾草、芦苇）通过分泌有机物增强微生物活性，影响碳固定与排放。研究为乡村振兴中生态可持续的污水处理提供参考。

　　

孙浩军|刘志辉|何晨曦|甄志蕾|郝凤珍

山西农业大学城乡建设学院，晋中030801，中国

摘要

农村生活污水处理的有效性对居民的生活环境和生活质量有着显著影响。本研究利用中国山西省运城市的一个农村生活污水处理设施，调查了该污水处理工艺的运行效果和二氧化碳（CO₂）通量。该工艺包括厌氧预处理，随后采用两组人工湿地（CWs）进行深度处理。一组人工湿地融入了当地民间故事元素，通过植物配置营造出了“鲤鱼跃龙门”的景观（CW1）；另一组则采用了常规的行列设计（CW2）。结果表明，CW1对化学需氧量（COD）（72.41–92.91%）、氨氮（NH₄⁺-N）（94.80–99.33%）和总磷（TP）（27.56–67.62%）的去除率与CW2相当；然而，总氮（TN）（51.64–85.59%）的去除率高于CW2。同时，CW1的基质二氧化碳通量（145.68–1637.11 mg/m²/h）略高于CW2（131.22–1697.22 mg/m²/h）。日均温度的下降导致微生物活性降低和植物萎蔫，这是污染物去除率和二氧化碳通量变化的主要因素。Pennisetum giganteum z. x. lin和Arundo donax L. var. versicolor Stokes成簇生长，其根系生物量较大，能够分泌更多有机物质以增强根际微生物的活性。植物种类的差异导致了根系碳固定的不同速率，进而影响了基质层中的二氧化碳排放。放线菌门（Actinobacteriota）、变形菌门（Proteobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）、酸杆菌门（Acidobacteriota）和拟杆菌门（Bacteroidota）是主要菌门，它们可以利用植物根部输送的营养物质和氧气来促进硝化和反硝化过程。本研究为中国农村地区的生活污水处理提供了参考。

引言

中国长期以来一直重视农村生活环境问题的重要性和严峻性（Qing等人，2022年）。然而，过去农村经济基础薄弱（Liu等人，2018年），缺乏改善农村生活环境的物质、制度或思想基础。随着乡村振兴战略的推进，农业和农村地区的发展制定了宏伟而美好的蓝图。特别是中国历史性的减贫胜利（Deng等人，2022年；Liu等人，2020年），为改善农村生活环境奠定了坚实的物质和制度基础。

农村生活污水的低碳处理对农村生活环境有显著影响（Wang等人，2022年）。农村生活污水处理是一个复杂的系统工程，与村民的身体健康和生活质量密切相关（Ghosh等人，2024年）。近年来，中国农村生活污水处理取得了进展，但仍存在一些管理问题，如资本投入不足、管理和保护机制不完善、设施建设成本高以及运行和维护困难（Bo和Wen，2022年；Zhang等人，2024a）。由于自然资源、地理位置和文化背景的差异，中国不同地区的农村生活环境存在不平衡现象，整体生活环境质量呈现“东部较高、西部较低”的空间格局（Cheng等人，2025年）。因此，迫切需要根据当地条件开发低能耗、易于管理和高效的生活污水处理技术。

农村生活污水含有多种污染物。农村生活污水处理的重要水质指标包括悬浮固体（SSs）、化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、总氮（TN）、氨氮（NH₄⁺-N）和总磷（TP）（Li等人，2024a；Paruch等人，2011年）。中国农村地区倾向于采用低成本且易于管理的生态处理技术，如人工湿地（CWs）（Parde等人，2021年）、土壤渗透（Yang等人，2016年）和稳定塘（Oberholster等人，2019年）。然而，在实际应用中，特别是在低温条件下，TN、TP和COD的去除效果并不理想。此外，还采用了厌氧/缺氧/好氧（Li等人，2024a）、膜生物反应器（Biswas，2020年）和序批式活性污泥反应器（Akyürek和A?da?，2024年）等工艺进行农村生活污水净化。目前，结合多种工艺的农村生活污水处理方式可能成为未来趋势（Zheng等人，2022年），可以提高水质、减少空间占用，并适应发展中国家的需求（Chen等人，2022年）。但由于设计不规范、单一水生植物配置和景观效果不佳，这些组合处理工艺在中国“美丽和谐乡村”建设中的应用受到限制。

近年来，一些研究开始关注农村能源消耗（Gon?alves等人，2012年）及其相关的二氧化碳排放和低碳策略（Garnier等人，2019年）。中国政府制定了多项国家行动和计划以应对气候变化，并在国家和区域层面进行了制度改革。因此，监测农村环境治理的温室气体排放效应对于改善农村生活环境至关重要。由于废水中碳负荷较高，人工湿地在去除营养物质和有机物的过程中可能会释放大量二氧化碳（Gu等人，2022年）。二氧化碳是一种重要的温室气体，会导致全球变暖，从而降低人工湿地的生态效益（Mander等人，2014年），从而限制了人工湿地的推广和应用。然而，关于人工湿地基质层中二氧化碳通量及其变化机制的研究仍然有限，尤其是在具有景观设计的人工湿地中。

因此，本研究重点研究了厌氧预处理与先进人工湿地处理工艺相结合的农村生活污水处理方法。研究了以下方面：（1）人工湿地植物景观设计对农村生活污水处理效果的影响；（2）植物景观设计对人工湿地基质中二氧化碳通量的影响；（3）植物景观设计后污染物去除和二氧化碳生成的机制。本研究将为促进中国农村地区的生活污水处理以及建设美丽、生态可持续和宜居的村庄提供参考。

研究区域

研究区域（北纬35°30′1′′，东经110°41′52′′）位于中国山西省运城市的一个村庄，该村庄建于2018年。该地区的溶解氧（DO）、pH值和出水水质基本稳定。运城市全年都受季风影响，属于暖温带大陆性季风气候，年平均降雨量为537毫米，年平均气温为13.0摄氏度（Zhang等人，2021年）。冬季需要收割并覆盖

温度变化分析

2023年，研究区域的空气温度总体呈下降趋势；2024年则呈现先上升后波动下降的模式（图2）。2024年6月13日记录的最高日均温度为32.87摄氏度，2023年11月23日的最低温度为2.46摄氏度。空气温度的下降会影响微生物活性和植物生长，从而导致污染物去除效率和人工湿地呼吸速率降低（Dixon等人，2016年）。

微生物对污染物的影响

在本研究中，CW1和CW2中优势菌门为放线菌门（Actinobacteriota）、变形菌门（Proteobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）、酸杆菌门（Acidobacteriota）和拟杆菌门（Bacteroidota）（图8a），这与以往的研究结果一致（Lin等人，2023年）。Sun等人（2024年）指出，在阶梯式组合人工湿地中，变形菌门（43.4%）和放线菌门（19.9%）是主要细菌门类。Wang等人（2016年）指出，变形菌门、放线菌门和拟杆菌门也是主要菌类

结论

本研究提出了一种结合厌氧预处理和具有景观设计的人工湿地处理工艺的农村生活污水处理方法。通过景观设计，CW1不仅保持了较高的TN、TP、NH₄⁺-N和COD去除率，还改善了农村生活环境。此外，TP和COD的去除率与常规设计的人工湿地相当，而氮的去除率更高。

无论是具有景观设计的人工湿地还是常规设计的人工湿地

作者贡献声明

孙浩军：撰写——初稿、方法论、概念构思。刘志辉：概念构思、撰写——初稿。何晨曦：撰写——审阅与编辑、方法论。甄志蕾：撰写——审阅与编辑、概念构思。郝凤珍：方法论、撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

孙浩军表示得到了威海西（上海）环保科技有限公司和山西宣普生态环保科技有限公司的行政支持。如果还有其他作者，他们也声明没有已知的可能会影响研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了“山西省‘特优’农业高质量发展科技支撑项目”[项目编号：TYGC24-67]和“山西省水利科学技术研究与推广计划”[项目编号：2023GM40]的资助。我们感谢匿名审稿人的建设性建议，这些建议提高了本研究的质量。同时，我们也感谢胡建龙和王亚宁的贡献