陽宗海流域冬季典型農村污水污染特征及水質評價

梅涵一,劉云根,2,梁啟斌,2,王 妍,2,侯 磊,2,鄭 寒

(1.西南林業大學環境科學與工程學院,云南 昆明 650224; 2.西南林業大學農村污水處理研究所,云南 昆明 650224)

陽宗海流域冬季典型農村污水污染特征及水質評價

梅涵一1,劉云根1,2,梁啟斌1,2,王 妍1,2,侯 磊1,2,鄭 寒1

(1.西南林業大學環境科學與工程學院,云南 昆明 650224; 2.西南林業大學農村污水處理研究所,云南 昆明 650224)

為揭示陽宗海流域不同類型農村污水各污染指標的影響因素和分布特征,選取云南省的海晏村(傳統型)和大營村(集鎮型)的污水進行水樣采集,通過方差分析研究其不同污染指標的濃度變化以及不同類型農村污水水質的差異性,并運用主成分分析法對污水進行水質評價。結果表明:陽宗海流域海晏村污水中的TN、COD均明顯超過了城鎮污水處理廠污染物排放二級標準,大營村的TP、TN、COD均明顯超過了二級標準;pH值與氧化還原電位都是農村污水中污染物濃度的重要影響因子;兩村的水質具有顯著的差異性;傳統型農村的水質比集鎮型農村的要好,說明對陽宗海流域造成污染風險更大的是集鎮型農村污水。

農村污水;污染特征;水質評價;陽宗海流域

農村水環境污染是導致下游湖泊水體富營養化污染的原因之一[1-3]。由于長期受到生活污水、廚余垃圾及畜禽糞便等的影響,農村水環境中氮、磷等營養元素含量過高,農村生態環境存在較大潛在污染風險。為此,對農村污水的排放控制和污染治理成為當前農村建設的首要任務[4]。陽宗海是云南省的九大高原湖泊之一,被譽為滇中高原的一顆璀璨明珠,兼具供水、灌溉及旅游等功能,是昆明市未來的重要風景旅游區[5]。近年來,隨著上游農村污水、工廠廢水的大量排入,旅游活動的增加以及網箱養魚等的影響,陽宗海水質不斷惡化,至今已多次出現大面積水華現象[6]。

圖1 采樣布點示意圖

畢建培等[7]對陽宗海水質砷污染開展了研究,指出湖水中貝類等水生生物對As的富集能力較強,為陽宗海流域水污染的研究提供了類比和借鑒;蘇嫚麗等[8]對太湖流域農村污水污染特征研究表明，農村生活污水中氮、磷和COD含量超標嚴重,為農村污水污染特征的研究提供了典型案例。當前,雖已有不少學者[5-7,9-11]對陽宗海流域水質污染問題開展了研究,但對其污染的源頭——上游農村污水的研究還較少。對上游農村污水進行污水特征分析和水質評價有利于陽宗海水污染的預防與控制。本文以云南省陽宗海上游的海晏村和大營村為研究對象,分析不同類型農村污水排放的氮、磷和COD等污染物濃度的分布特征及差異性,并運用主成分分析法對水質進行評價,以期為陽宗海流域的水質污染預防及控制提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

云南省澄江縣的海晏村(102°59′E, 24°51′N)和大營村(102°59′E, 24°50′N),兩村均為陽宗海流域上游農村。研究區概況見表1。

1.2 樣點布設與水樣采集

在兩村主要溝渠內沿水流方向各設置了5個點,共10個采樣點(圖1)。每個采樣點分上、下午各采集一次。為方便分析水樣在進入農村和流出農村時的分布特征,在農村入水口和出水口各設置了一個采樣點。2016年1月在海晏村和大營村進行了一次采樣,在每個采樣點水面采集的水樣裝于聚乙烯瓶中并帶回實驗室,在48 h內做分析。

表1 研究區概況

1.3 樣品分析與數據處理

水樣測定。TP采用鉬銻抗分光光度法,SRP(活性磷)采用鉬銻抗分光光度法,TN采用紫外分光光度法,NH3-N采用納氏試劑分光光度法,COD采用重鉻酸鉀微波消解法,pH值采用直接玻璃電極法。

利用Excel 2007對數據進行初步處理,并采用統計軟件SPSS 17.0進行單因素方差分析和獨立樣本t檢驗。

2 結果與討論

2.1 不同類型農村污水各污染物濃度分布特征

農村污水包括居民生活污水和畜禽養殖污水兩大類。生活污水來源于廚房污水、生活洗滌污水、廁所污水等[8]。不同類型生活污水的成分特征和污水水量存在較大差異[3]。地形條件、生活習慣和家庭收入水平等可能是影響農村生活污染物產生及排放的主要因素[12]。畜禽養殖污水主要由動物糞便排泄、飼料殘留物、圈舍沖洗廢水等組成[13]。

本文將通過對傳統型和集鎮型農村排放污水的實驗結果進行數據對比和分析來揭示陽宗海流域不同類型農村的污水特征和水質狀況。為方便研究,在海晏村和大營村的主要流通溝渠內自上游農村入水口到下游出水口分別各取了5個采樣點,分析各污染物濃度的空間分布特征。

圖2 海晏村監測期內各污染指標值

2.1.1 海晏村

海晏村氮、磷、COD質量濃度以及pH值分布特征如圖2所示。海晏村溝渠中水的TP和SRP的質量濃度分別為0.04～0.62 mg/L和0.01～0.52 mg/L,平均值分別為0.30 mg/L和0.17 mg/L;TN和NH3-N的質量濃度分別為31.32～88.44 mg/L和3.32～28.72 mg/L,平均值分別為53.01 mg/L和13.27 mg/L;COD的質量濃度為33.00～194.00 mg/L,平均值為102.20 mg/L;pH值為7.45～8.09。采用城鎮污水處理廠污染物排放二級標準[14](ρ(COD)=100 mg/L,ρ(TP)=3 mg/L,ρ(TN)=20 mg/L(一級B標),ρ(NH3-N)=30 mg/L,pH=6～9,以下簡稱國家標準)對水質單一指標進行評價,結果表明:TP、NH3-N和pH均符合國家標準,而TN、COD無論是各采樣點含量還是平均值均明顯超過了國家標準。

各指標含量主要受村民生活習慣的影響,如洗衣做飯、畜禽養殖等。有研究[15-16]表明,對排放污水中磷含量影響最大的是洗衣廢水和廚房洗滌廢水;對氮含量影響最大的是圈舍沖洗廢水及畜禽糞便排泄;而對COD貢獻最大的是攜帶人類糞便的沖廁廢水。由圖2可知,氮、磷以及COD排放的時間規律均表現為上午質量濃度低于下午。村民每天的日常生活都要產生大量的洗衣廢水、廚房洗滌廢水以及沖廁廢水,并且在溝渠中沉降后引起污染物的沉積,造成下午質量濃度高于上午。H5點由于上午采樣時正好有村民在洗衣服,造成該點的TP含量高于下午。此外,采樣點各污染物的濃度規律表現為沿著水流方向趨于遞增,在入水口附近的H1點各指標均為最小值,直到出水口H5點達到最大值。

2.1.2 大營村

大營村監測期內各污染指標值如圖3所示。大營村溝渠中水的TP和SRP的質量濃度分別為1.09～3.45 mg/L和0.78～2.82 mg/L,平均值分別為2.14 mg/L和1.39 mg/L;TN和NH3-N的質量濃度分別為42.12～188.74 mg/L和14.92～34.92 mg/L,平均值分別為116.75 mg/L和23.91 mg/L;COD的質量濃度為329～656 mg/L,平均值為461.40 mg/L;pH值為6.53～7.83。結合表2可知,除pH符合國家標準外,NH3-N有個別采樣點高于國家標準,而TP、TN、COD無論是各采樣點質量濃度還是其平均值均明顯超過了國家標準。

圖3 大營村監測期內各污染指標值

由圖3可知,與海晏村相比,大營村的各污染物質量濃度并沒有表現出很強的規律性,但大部分指標還是呈現出下午質量濃度高于上午的趨勢。實地采樣時發現,上午8時左右在D4點附近有一小型養殖場正在排放畜禽養殖污水,這是造成在養殖場下游的D4和D5兩點下午氮含量高于上午的主要原因。另外,由于大營村屬于集鎮型農村,上午是集市最熱鬧繁華的時間段,這或許也是導致某些采樣點污染物質量濃度表現出上午高于下午的一個因素。此外,與海晏村類似,大營村采樣點各指標的濃度規律也表現為沿著水流方向趨于遞增,最小值位于上游,最大值出現在下游農村出水口。

2.2 理化指標與各污染指標的相關性分析

水體的理化指標如pH、氧化還原電位(Eh)、電導率(σ)等因素都會影響各污染指標的含量和分布[17]。為進一步分析陽宗海流域農村污水污染特征的影響因素,將各指標的濃度與水體部分理化指標作相關性分析,結果見表3。

表3 理化指標與各污染物濃度的相關性

注：*表示在0.05水平(雙側)上顯著相關;**表示在0.01水平(雙側)上顯著相關。

由表3可知,海晏村和大營村的各污染物濃度與σ均沒有相關性,說明σ高低并不是影響農村污水中各污染物濃度大小的因素;除了海晏村的TP和大營村的COD,其余指標均與pH呈顯著正相關(n=5,P<0.05),且水體越呈堿性,濃度越高;此外,不論是海晏村還是大營村,所有指標均與Eh呈顯著負相關(n=5,P<0.05),即水體越呈還原狀態,污染物濃度越高。

以上相關性分析表明,在陽宗海流域不論是集鎮型還是傳統型農村,pH與Eh都是農村污水中污染物濃度的重要影響因子。

2.3 不同類型農村各污染物濃度差異性分析

2.3.1 分析方法

獨立樣本t檢驗通過比較兩個不同樣本在某個變量上的差異,看它們之間的差異是隨機差異還是本質上的差異。本文使用SPSS17.0對海晏村和大營村各指標濃度等變量進行檢驗,比較分析陽宗海不同類型農村之間各指標濃度的差異性。

2.3.2 分析結果

由表4可見,大營村所有指標的平均值均明顯高于海晏村,其中TP、SRP、COD 3個指標的均值差距極大,分別達到了海晏村的7.13倍、8.18倍和4.51倍。說明大營村與海晏村的各指標濃度具有較強的差異性,但為了檢驗這些差異是隨機樣點間的差異還是整體水平上的差異,需要通過進行獨立樣本的t檢驗來驗證。

表4 海晏村和大營村統計量對比

通過檢驗可知(表5),不論方差是否相等,TP、SRP、TN、COD的Sig. 值(雙側)都小于0.05,而NH3-N的Sig.值(雙側)都大于0.05,所以可以驗證：除了NH3-N沒有顯著差異性外,其余指標的濃度在海晏村和大營村均表現出顯著的差異性。由以上獨立樣本t檢驗的分析結果可知,陽宗海流域兩個不同類型農村的水質具有顯著的差異性,并且水質污染情況集鎮型農村要比傳統型農村更為嚴重。

近些年,農村污水的污染問題一直得不到重視,導致農村面源污染、湖泊富營養化等環境問題越來越突出。由于經濟發展較快,集鎮型農村的各方面條件都優于傳統型農村,但由此帶來的生活污水污染問題更為突出,應當引起環保部門的高度重視;傳統型農村雖然污染情況樂觀,但村民也應摒棄生活污水排放習慣,改變先污染后治理的觀念。

表5 海晏村和大營村各指標間的獨立樣本t檢驗

2.4 水質評價

2.4.1 評價方法

采用主成分分析法進行水質評價。主成分分析法是多元分析方法的一種,是通過恰當的數學變換,使新變量主成分成為原變量的線性組合,并選取少數幾個在變差總信息量中比例較大的主成分來分析事物的一種方法[18]。該方法的優勢是能夠根據一系列的運算步驟得出最終的綜合評價得分,得分越高則說明污染越嚴重,這能進一步驗證前文的分析結果。其主要應用步驟如下:

步驟1：建立由m個樣本的n個因子構成的原始變量矩陣X[19]。

(1)

步驟2：數據標準化[20]。對X進行標準化處理,以消除量綱影響,其標準化公式為

(2)

步驟3：計算相關系數矩陣。在標準化數據矩陣的基礎上計算原始指標的相關系數矩陣R。

步驟4：計算特征根[21]。求相關系數矩陣R的特征根λ1≥λ2≥…≥λn,其中λi(i=1,2,…,n)是主成分的方差,表示各個主成分在描述被評價對象上所起作用的大小。

步驟5：確定主成分個數[22]。根據累計方差貢獻率確定主成分個數,通常取貢獻率大于85%來確定主成分個數。

步驟6：確定主成分表達式[23]。將初始因子載荷矩陣的數據分別除以其對應特征根的平方根便可得到特征向量,將其與標準化后的數據Zij相乘,便得主成分的表達式Fj(j=1,2,…,p),即

(3)

式中：向量(a1j,a2j, …,anj)是特征根λj對應的特征向量；p為主成分個數。

步驟7：確定綜合評定函數[20]。根據主成分對應特征根的貢獻率,得到綜合評價函數F：

(4)

2.4.2 評價結果

根據具體步驟方法并結合SPSS 17.0,可實現對海晏村和大營村總共10個采樣點的水質評價。

a. 原始數據標準化。標準化處理結果如表6所示。

表6 標準化矩陣

b. 主成分分析。將標準化矩陣經SPSS 17.0軟件“降維”處理后,特征值及主成分貢獻率結果見表7,初始荷載矩陣列于表8。

表7 特征值和主成分貢獻率及累積貢獻率

表8 初始因子荷載矩陣

由表7可知,當主成分個數為1個時,其累積方差貢獻率均超過了規定的85%,所以本研究確定主成分個數為1。由初始因子荷載矩陣(表8)可知,所有指標均在第一成分F1中有較高載荷,說明該成分能反映這些因子的所有信息(包含TP、SRP、TN、NH3-N和COD)。

c. 綜合評價。 在本研究中,由于只得到一個主成分F1,因此可得綜合評價函數F=F1,并以此計算各采樣點的主成分得分,結果列于表9。

F=F1=0.456Zp1+0.462Zp2+0.452Zp3+

0.415Zp4+0.449Zp5

(5)

表9 各采樣點水質評價結果

根據綜合評價函數得分可知,在總共10個采樣點中,大營村的下游出水口D5污染最嚴重,而海晏村上游入水口H1污染最輕,并且其上游入水口D1得分比海晏村下游出水口H5還高。海晏村和大營村的綜合評價得分均表現為沿著水流方向趨于遞增,即污染程度加重,這與前文的分析結果相同。

3 結 論

a. 陽宗海流域傳統型農村排放的污水中TN、COD濃度明顯超過了國家標準,集鎮型農村除NH3-N外,其余指標均明顯超過了國家標準,說明陽宗海流域的農村水污染問題較為嚴重。環境因子與各指標濃度的相關性分析表明,pH與Eh是農村污水中污染物濃度的重要影響因子。不同類型農村各污染物濃度差異性分析結果表明,傳統型和集鎮型農村的水質具有顯著的差異性。

b. 通過主成分分析法對傳統型和集鎮型農村進行水質評價,結果表現為:村內沿水流方向,水質綜合評價得分越來越高,即H1(-2.59)

c. 造成陽宗海流域農村污水排放的現狀問題與村民的生活習慣以及當地環保部門的監督密切相關。集鎮型農村污染情況較為嚴重,環保部門應高度重視水污染的控制;傳統型農村的水污染情況雖比前者較好,但村民也應當摒棄原有生活污水及畜禽養殖廢水的排放習慣,改變先污染后治理的觀念。

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Pollution characteristics and water quality evaluation of typical rural sewage in winter in Yangzonghai Lake Basin

MEI Hanyi1, LIU Yungen1, 2, LIANG Qibin1, 2, WANG Yan1, 2, HOU Lei1, 2, ZHENG Han1

(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,SouthwestForestryUniversity,Kunming650224,China; 2.ResearchInstituteofRuralSewageTreatment,SouthwestForestryUniversity,Kunming650224,China)

In order to investigate the factors and distribution characteristics of pollution indicators of different types of rural sewage in the Yangzonghai Lake Basin, sewage water was collected from Haiyan (traditional type) and Daying (town type) villages in Yunnan Province, the concentration changes of different pollution indicators and the differences in sewage water quality were studied through analysis of variance, and the water quality was evaluated through principal component analysis. The results show that the concentrations of TN and COD in sewage from Haiyan Village and the concentrations of TP, TN, and COD in sewage from Daying Village significantly exceeded the grade II standard of the Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant (GB18918-2002). The pH value and oxidation-reduction potential were important factors that affect the pollutant concentration in rural sewage. The water quality of the two villages exhibited significant differences. The traditional-type rural water quality was better than the town-type, indicating that the town-type rural sewage will cause a higher risk of pollution in the Yangzonghai Lake Basin.

rural sewage; pollution characteristics; water quality evaluation; Yangzonghai Lake Basin

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.02.013

國家自然科學基金(51469030，31560237，31560147)

梅涵一(1992—),男,碩士研究生,研究方向為濕地生態修復。E-mail: mhyaqq@163.com

劉云根,副教授。E-mail: henryliu1008@163.com

X522

A

1004-6933(2017)02-0067-07

2016-05-23 編輯：徐 娟)