农村生活污水净化试验研究

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　　摘要：针对农村生活污水处理难、基建投资成本高、技术复杂等问题，以广州市岑村河污水为例，开展了农村生活污水排放期间种植皇竹草（Pennisetum sinese Roxb）和美人蕉（Canna indica L.）处理污水的静态试验。结果表明，与不种植植物的对照相比，种植皇竹草和美人蕉处理的总氮（TN）、总磷（TP）的去除率分别提高了43.01、41.70和61.62、60.44个百分点，且种植皇竹草对污水的净化效果优于种植美人蕉，皇竹草对污水中化学需氧量（COD）、总磷、氨氮、总氮的去除率分别为79.86%、99.83%、98.86%、98.14%，而美人蕉则分别为57.51%、98.65%、98.18%、96.83%。
　　关键词：农村生活污水;净化;皇竹草（Pennisetum sinese Roxb）;美人蕉（Canna indica L.）;静态试验
　　中图分类号：X703         文献标识码：A
　　文章编号：0439-8114（2020）01-0039-05
　　DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.01.008           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　Abstract： In response to the difficulties in rural sewage treatment， high investment costs in infrastructure， and complex technology， the static test of wastewater from sewage treatment in the Cencun river， Guangzhou city， was carried out to simulate the discharge time of rural household sewage， and the treatment of sewage with the planting of Pennisetum sinese Roxb and Canna generalis L. was conducted. The results showed that compared with the control treatment， the removal rates of ammonia nitrogen， total nitrogen （TN） and total phosphorus （TP） of planting Pennisetum sinese Roxb and Canna generalis L. increased by 43.01，41.70 and 61.62， 60.44 percent， respectively， and the treatment of Pennisetum sinese Roxb was better than the treatment of planting Canna generalis L.. The removal rates of COD， TP， ammonia nitrogen， and TN in wastewater of Pennisetum sinese Roxb were 79.86%， 99.83%， 98.86% and 98.14%， respectively， while the Canna generalis L. was 57.51%， 98.65%， 98.18% and 96.83%， respectively.
　　Key words： rural domestic sewage; purification; Pennisetum sinese Roxb; Canna generalis L.; static test
　　中国农村人口众多，生活污水排量不断增大[1]。同时，生活污水未经任何处理被肆意排放，农村生态环境遭受极大破坏[2]，人们身体健康和农村经济的可持续发展受到严重影响[3]。未经过处理的生活污水自流到地势低洼的河流、湖泊和池塘等地表水體中，严重污染各类水源;另外，肆意排放的生活污水容易引发疾病传染，导致患病地区传染病以及人畜共患疾病的暴发与传播。为了解决目前生活污水的处理难题，国内外学者进行了大量的研究[4-8]。本试验比较了皇竹草（Pennisetum sinese Roxb）和美人蕉（Canna indica L.）对岑村河污水的pH、溶解氧（DO）、化学需氧量（COD）、总氮、硝态氮、氨氮、总磷的变化情况，以及研究植物在脱氮除磷中的作用大小和机理探讨，以期为生活污水处理提供参考。
　　1  材料与方法
　　1.1   试验方法
　　试验在通风有光照的室外进行，顶部有遮雨。试验采用蓝色塑料筐（长、宽、高分别为43.5、32.5、16.5 cm），上面均用泡沫板覆盖，每块泡沫板上分别开7个孔，其中6个孔用于定植植物（缝隙用小泡沫填塞密封），1个孔用于取水样监测。对照处理只开1个取样孔。取样孔在不取样时均遮盖，如图1所示。试验设3个处理，处理1和处理2分别种植皇竹草和美人蕉，而处理3不种植植物（即对照处理）。
　　试验开始（进水为第1天）后，分别在第1、3、5、7、9、11天取样测定污水的溶解氧（DO）、pH、化学需氧量（COD）、总磷（TP）、总氮（TN）、氨氮、硝态氮。试验结束后，称量植物增重量，洗净烘干后测植物含水率及其氮、磷含量[9]。试验过程中不外加水，所以种植植物的处理由于植物的生长会消耗一部分水分，使水量减少，所以每次取样测定时，同时也测量水深。 　　1.2  试验污水
　　岑村河起于华南植物园，注入珠江，经华南农业大学第五教学区、荷园饭堂、跃进南和跃进北学生公寓，是一条横贯跃进区学生学习、生活区域的河流。车陂涌是广州市六大重点河涌治理之一，全长25.4 km，是天河区流域面积最大的河涌，流经天河区6条街道，影响人口多达20余万人。岑村河是车陂涌在华南农业大学的一段，其污染主要来自河边的生活垃圾和生活污水，也有部分来自旧砖厂、纸厂、家具厂的工厂废液;流经华南农业大学一段也受到了学校食堂的污水影响[10]。岑村河常年发臭，河道沙化，水质浑浊，不仅影响到城市美观和附近的空气质量，也影响到附近居民的健康。在2012年5月至2013年3月水质监测期间，污水水质DO为0～0.68 mg/L，pH为7.23～7.82，COD为32.00～107.70 mg/L，氨氮为10.45～51.64 mg/L，硝态氮为0.08～1.24 mg/L，总氮为11.76～100.50 mg/L，总磷为1.01～3.67 mg/L。
　　1.3  试验用水
　　试验用水是取自岑村河静置0.5 h取上清液的污水。原污水DO为0.24 mg/L，pH为7.53±0.09，COD为（58.22±6.18） mg/L，氨氮为（33.24±0.99） mg/L，硝态氮为（0.42±0.01） mg/L，总氮为（35.37±0.69） mg/L，总磷为（1.75±0.01） mg/L。
　　1.4  试验用植物
　　植物的选取方法：①美人蕉挑选植株（具根）高度为15～20 cm的幼苗[11]。②皇竹草挑选较成熟的植株，选取健康、无病虫害的茎秆为种节，先撕去包裹腋芽的叶片，用刀切成小段，每段保留两个节[12]。③将美人蕉幼苗和皇竹草带节段用稀释1倍的岑村河水育苗7 d左右，皇竹草带节段已发芽长叶，两种植物已适应水中环境，再换成不稀释的岑村河水继续育苗，使植物更好地适应污水环境，然后挑选长势健康的美人蕉和皇竹草进行试验。
　　试验开始时定植的皇竹草和美人蕉的鲜重分别为（1.53±0.13） kg和（1.53±0.03） kg。
　　1.5  水样分析方法
　　1.5.1  水质分析方法 取回的水样在4 ℃以下进行冷藏，并且在24 h内进行监测。根据《水质分析方法国家标准汇编》（1996年）测定水质，其中，COD采用重铬酸钾法测定;DO采用溶解氧便携仪测定;TN采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定;TP采用钼锑抗分光光度法测定;NH4+-N采用纳式试剂比色法测定;NO3--N采用酚二磺酸分光光度法测定;pH采用电极法测定。各指标去除率计算公式：去除率=（原污水污染物浓度×原污水体积-第n天污水污染物浓度×第n天污水体积）/原污水污染物浓度×原污水体积。
　　植物样品按照文献[13]的方法把收获部分的植株洗净、烘干、粉碎，备测。植物TN采用H2SO4-H2O2消化-蒸馏法测定;TP采用H2SO4-H2O2消化-钼锑抗比色法测定。
　　1.5.2  统计分析方法  用Excel 2003对数据进行整理和作图，采用SAS 9.1软件对数据进行方差分析、多重比较（Duncan法）和t检验，并采用P<0.05的显著水平。
　　2  结果与分析
　　2.1  皇竹草和美人蕉对污水处理的效果
　　2.1.1  DO的变化情况  水中溶解氧的高低是衡量水体自净能力的一个指标[14]。本试验DO在8：00取样时现场测定，使用的原污水处于缺氧状态，溶解氧为0.24 mg/L。
　　从图2可以看出，3个处理的污水中DO均是先降后升。这主要是因为经过遮光和密封，大大减少了空气中氧气在水中的溶解，同时，由于污水中污染物的自然降解和生物（包括微生物或植物）的生命活动消耗了水中的溶解氧[15]。随着污染物的减少，污水中的DO普遍有所上升。对照处理DO总是高于植物处理。种植有皇竹草处理的污水DO总是高于种植美人蕉处理的，可能是由于皇竹草属于禾本科植物，其根部泌氧作用强于属于草本植物的美人蕉。
　　2.1.2  硝态氮的变化情况  从图3可以看出，对照的硝态氮含量随时间延长大幅度增加，第11天硝態氮的总量比原污水增加了31.63倍。植物处理硝态氮总量变化的原因主要有植物的吸收，使硝态氮减少;硝化反应使硝态氮增加;反硝化反应使硝态氮减少。美人蕉处理硝态氮的累积量大于皇竹草处理。植物处理水质均保持在厌氧缺氧状态，有助于厌氧反硝化的进行。
　　2.1.3  氨氮的净化效果  试验中氨氮的去除主要靠氨氮硝化和植物吸收。从图4可以看出，第11天对照、皇竹草、美人蕉3个处理氨氮的累积去除率分别为97.42%、98.86%、98.18%。
　　2.1.4  pH的变化情况  从图5可以看出，由于水中存在氨氮和其他弱碱性物质，污水初始pH达到7.53左右。从硝化反应和反硝化反应的机理可以看出，硝化反应会产生酸，反硝化反应产生碱[16]。对照处理的污水pH随着时间逐渐降低，从硝态氮总量的变化（图3）也可以看出，对照处理的硝化反应强于反硝化反应，水中酸增加。种植有植物的处理，由于硝化反应和反硝化反应交替进行，pH有所波动。同时，植物的生长过程中根系分泌有机酸也会影响pH的变化。在监测期间，植物处理pH维持在6.64～7.29。
　　2.1.5  COD的净化效果  从图6可以看出，3个处理的COD的累积去除率均随时间延长不断升高，种植皇竹草和对照的COD的累积去除率相近，且均高于种植美人蕉处理，第11天3个处理的COD累积去除率对照、种植皇竹草处理、种植美人蕉处理分别为89.07%、79.86%、57.51%。 　　在植物生長过程中，根系会向生长介质中分泌大量的有机物，如有机酸和氨基酸等。同时，根系表皮细胞在新陈代谢的作用下被微生物分解为腐殖质，这些腐殖质包含胡敏酸、富里酸和胡敏素等。这些分泌物和腐殖质中有一系列功能团，对水中污染物起到一个吸附、过滤和沉淀的作用，同时也可以为污水中的微生物提供碳源，促进微生物的生长，但这些有机碳也可能会导致出水COD浓度上升[17]。所以，植物处理对COD去除效果低于对照处理，而美人蕉处理对污水COD的去除效果远远低于皇竹草处理。
　　2.1.6  TN的净化效果  从图7可以看出，植物有利于污水总氮的降解。第11天皇竹草处理和美人蕉处理对TN的累积去除率分别达到98.13%和96.82%，而对照仅为55.13%。这说明植物有利于污水总氮的降解，一方面是因为植物生长需要吸收氮，另一方面也是因为植物有利于微生物的生长，根际泌氧作用所形成的微环境有利于硝化反应的进行，而污水一直处于厌氧缺氧状态又有利于反硝化反应的进行。
　　2.1.7  TP的净化效果  从图8可以看出，第11天TP的去除效果从大到小依次为种植皇竹草处理、种植美人蕉处理、对照，且去除率分别为99.83%、98.65%、38.21%。由于植物的生长需要吸收磷，而且植物根部由于有泌氧作用和分泌有机酸等有利于微生物的生长[18]，所以相较于对照，植物处理对总磷的去除效果更好。
　　2.2  植物对N、P的摄取作用
　　2.2.1  对N的摄取作用  试验污水中氮的去除主要依靠植物的吸收和微生物的硝化-反硝化作用[19]。植物生长所吸收的氮量与植物的生物量和植物的种类密切相关。从表1可以看出，11 d内，皇竹草从污水中吸收的氮量比美人蕉的要少，只占了污水总氮去除量的26.23%，而美人蕉吸收的氮量达到267.80 mg，占污水总氮去除量的38.68%。美人蕉从污水中直接吸收的氮量大于皇竹草的，其原因是美人蕉的生物量11 d的增量虽比皇竹草多，但就植物本身的含氮量皇竹草是美人蕉的1倍多。11 d内，种植有皇竹草的处理污水中硝化-反硝化去除的氮量为528.50 mg，比美人蕉多了104.00 mg。
　　2.2.2  对P的摄取作用  由于试验过程中，种植有植物处理的污水DO均是处于厌氧或缺氧状态，不利于聚磷菌对磷的吸收降解[20]，试验过程磷的降解主要依靠植物的吸收去除。从表2可以看出，11 d内，皇竹草吸收的磷达到36.10 mg，占磷总去除量的99.83%;而美人蕉吸收的磷为34.69 mg，占磷总去除量的99.11%。
　　3  结论
　　挺水植物与水中的藻类都能吸收水生环境中的氮和磷等营养元素，两者存在竞争关系，种植挺水植物能抑制藻类生长。本试验所用的植物皇竹草和美人蕉均属挺水植物，具有较强的抗逆性和水环境适应能力。由于挺水植物生物量较大，且净化效率高，适合用作污染水体净化。两种植物在水中都能长出茂密的根系，不仅有利于吸收污水中的营养物质用于生长，同时，发达的植物根部通过泌氧能力，将氧气输送到植物根际，有利于各种微生物附着繁殖，促进污染物的降解。
　　通过静态试验结果分析，美人蕉和皇竹草都有助于提高污水的净化效果，能大大提高污水中氮、磷的去除效果，而且随时间延长，效果越明显。通过11 d水力停留时间，皇竹草和美人蕉对总氮、总磷的去除率比不种植植物的对照分别提高了43.01、41.70和61.62、60.44个百分点;且皇竹草对污水中COD、TP、氨氮、TN的去除效果均优于美人蕉处理，净化效果较优。随污水停留时间的延长，污染物去除的效果越明显。皇竹草更有利于硝化-反硝化脱氮的进行。
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