農村生活污水凈化試驗研究

高婷 張震邦 吳啟堂

摘要：針對農村生活污水處理難、基建投資成本高、技術復雜等問題，以廣州市岑村河污水為例，開展了農村生活污水排放期間種植皇竹草（Pennisetum sinese Roxb）和美人蕉（Canna indica L.）處理污水的靜態試驗。結果表明，與不種植植物的對照相比，種植皇竹草和美人蕉處理的總氮（TN）、總磷（TP）的去除率分別提高了43.01、41.70和61.62、60.44個百分點，且種植皇竹草對污水的凈化效果優于種植美人蕉，皇竹草對污水中化學需氧量（COD）、總磷、氨氮、總氮的去除率分別為79.86%、99.83%、98.86%、98.14%，而美人蕉則分別為57.51%、98.65%、98.18%、96.83%。

關鍵詞：農村生活污水;凈化;皇竹草（Pennisetum sinese Roxb）;美人蕉（Canna indica L.）;靜態試驗

中圖分類號：X703 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）01-0039-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.01.008 ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務）標識碼（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

中國農村人口眾多，生活污水排量不斷增大[1]。同時，生活污水未經任何處理被肆意排放，農村生態環境遭受極大破壞[2]，人們身體健康和農村經濟的可持續發展受到嚴重影響[3]。未經過處理的生活污水自流到地勢低洼的河流、湖泊和池塘等地表水體中，嚴重污染各類水源;另外，肆意排放的生活污水容易引發疾病傳染，導致患病地區傳染病以及人畜共患疾病的暴發與傳播。為了解決目前生活污水的處理難題，國內外學者進行了大量的研究[4-8]。本試驗比較了皇竹草（Pennisetum sinese Roxb）和美人蕉（Canna indica L.）對岑村河污水的pH、溶解氧（DO）、化學需氧量（COD）、總氮、硝態氮、氨氮、總磷的變化情況，以及研究植物在脫氮除磷中的作用大小和機理探討，以期為生活污水處理提供參考。

1 ?材料與方法

1.1 ? 試驗方法

試驗在通風有光照的室外進行，頂部有遮雨。試驗采用藍色塑料筐（長、寬、高分別為43.5、32.5、16.5 cm），上面均用泡沫板覆蓋，每塊泡沫板上分別開7個孔，其中6個孔用于定植植物（縫隙用小泡沫填塞密封），1個孔用于取水樣監測。對照處理只開1個取樣孔。取樣孔在不取樣時均遮蓋，如圖1所示。試驗設3個處理，處理1和處理2分別種植皇竹草和美人蕉，而處理3不種植植物（即對照處理）。

試驗開始（進水為第1天）后，分別在第1、3、5、7、9、11天取樣測定污水的溶解氧（DO）、pH、化學需氧量（COD）、總磷（TP）、總氮（TN）、氨氮、硝態氮。試驗結束后，稱量植物增重量，洗凈烘干后測植物含水率及其氮、磷含量[9]。試驗過程中不外加水，所以種植植物的處理由于植物的生長會消耗一部分水分，使水量減少，所以每次取樣測定時，同時也測量水深。

1.2 ?試驗污水

岑村河起于華南植物園，注入珠江，經華南農業大學第五教學區、荷園飯堂、躍進南和躍進北學生公寓，是一條橫貫躍進區學生學習、生活區域的河流。車陂涌是廣州市六大重點河涌治理之一，全長25.4 km，是天河區流域面積最大的河涌，流經天河區6條街道，影響人口多達20余萬人。岑村河是車陂涌在華南農業大學的一段，其污染主要來自河邊的生活垃圾和生活污水，也有部分來自舊磚廠、紙廠、家具廠的工廠廢液;流經華南農業大學一段也受到了學校食堂的污水影響[10]。岑村河常年發臭，河道沙化，水質渾濁，不僅影響到城市美觀和附近的空氣質量，也影響到附近居民的健康。在2012年5月至2013年3月水質監測期間，污水水質DO為0～0.68 mg/L，pH為7.23～7.82，COD為32.00～107.70 mg/L，氨氮為10.45～51.64 mg/L，硝態氮為0.08～1.24 mg/L，總氮為11.76～100.50 mg/L，總磷為1.01～3.67 mg/L。

1.3 ?試驗用水

試驗用水是取自岑村河靜置0.5 h取上清液的污水。原污水DO為0.24 mg/L，pH為7.53±0.09，COD為（58.22±6.18） mg/L，氨氮為（33.24±0.99） mg/L，硝態氮為（0.42±0.01） mg/L，總氮為（35.37±0.69） mg/L，總磷為（1.75±0.01） mg/L。

1.4 ?試驗用植物

植物的選取方法：①美人蕉挑選植株（具根）高度為15～20 cm的幼苗[11]。②皇竹草挑選較成熟的植株，選取健康、無病蟲害的莖稈為種節，先撕去包裹腋芽的葉片，用刀切成小段，每段保留兩個節[12]。③將美人蕉幼苗和皇竹草帶節段用稀釋1倍的岑村河水育苗7 d左右，皇竹草帶節段已發芽長葉，兩種植物已適應水中環境，再換成不稀釋的岑村河水繼續育苗，使植物更好地適應污水環境，然后挑選長勢健康的美人蕉和皇竹草進行試驗。

試驗開始時定植的皇竹草和美人蕉的鮮重分別為（1.53±0.13） kg和（1.53±0.03） kg。

1.5 ?水樣分析方法

1.5.1 ?水質分析方法 取回的水樣在4 ℃以下進行冷藏，并且在24 h內進行監測。根據《水質分析方法國家標準匯編》（1996年）測定水質，其中，COD采用重鉻酸鉀法測定;DO采用溶解氧便攜儀測定;TN采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定;TP采用鉬銻抗分光光度法測定;NH4+-N采用納式試劑比色法測定;NO3--N采用酚二磺酸分光光度法測定;pH采用電極法測定。各指標去除率計算公式：去除率=（原污水污染物濃度×原污水體積-第n天污水污染物濃度×第n天污水體積）/原污水污染物濃度×原污水體積。

植物樣品按照文獻[13]的方法把收獲部分的植株洗凈、烘干、粉碎，備測。植物TN采用H2SO4-H2O2消化-蒸餾法測定;TP采用H2SO4-H2O2消化-鉬銻抗比色法測定。

1.5.2 ?統計分析方法 ?用Excel 2003對數據進行整理和作圖，采用SAS 9.1軟件對數據進行方差分析、多重比較（Duncan法）和t檢驗，并采用P<0.05的顯著水平。

2 ?結果與分析

2.1 ?皇竹草和美人蕉對污水處理的效果

2.1.1 ?DO的變化情況 ?水中溶解氧的高低是衡量水體自凈能力的一個指標[14]。本試驗DO在8：00取樣時現場測定，使用的原污水處于缺氧狀態，溶解氧為0.24 mg/L。

從圖2可以看出，3個處理的污水中DO均是先降后升。這主要是因為經過遮光和密封，大大減少了空氣中氧氣在水中的溶解，同時，由于污水中污染物的自然降解和生物（包括微生物或植物）的生命活動消耗了水中的溶解氧[15]。隨著污染物的減少，污水中的DO普遍有所上升。對照處理DO總是高于植物處理。種植有皇竹草處理的污水DO總是高于種植美人蕉處理的，可能是由于皇竹草屬于禾本科植物，其根部泌氧作用強于屬于草本植物的美人蕉。

2.1.2 ?硝態氮的變化情況 ?從圖3可以看出，對照的硝態氮含量隨時間延長大幅度增加，第11天硝態氮的總量比原污水增加了31.63倍。植物處理硝態氮總量變化的原因主要有植物的吸收，使硝態氮減少;硝化反應使硝態氮增加;反硝化反應使硝態氮減少。美人蕉處理硝態氮的累積量大于皇竹草處理。植物處理水質均保持在厭氧缺氧狀態，有助于厭氧反硝化的進行。

2.1.3 ?氨氮的凈化效果 ?試驗中氨氮的去除主要靠氨氮硝化和植物吸收。從圖4可以看出，第11天對照、皇竹草、美人蕉3個處理氨氮的累積去除率分別為97.42%、98.86%、98.18%。

2.1.4 ?pH的變化情況 ?從圖5可以看出，由于水中存在氨氮和其他弱堿性物質，污水初始pH達到7.53左右。從硝化反應和反硝化反應的機理可以看出，硝化反應會產生酸，反硝化反應產生堿[16]。對照處理的污水pH隨著時間逐漸降低，從硝態氮總量的變化（圖3）也可以看出，對照處理的硝化反應強于反硝化反應，水中酸增加。種植有植物的處理，由于硝化反應和反硝化反應交替進行，pH有所波動。同時，植物的生長過程中根系分泌有機酸也會影響pH的變化。在監測期間，植物處理pH維持在6.64～7.29。

2.1.5 ?COD的凈化效果 ?從圖6可以看出，3個處理的COD的累積去除率均隨時間延長不斷升高，種植皇竹草和對照的COD的累積去除率相近，且均高于種植美人蕉處理，第11天3個處理的COD累積去除率對照、種植皇竹草處理、種植美人蕉處理分別為89.07%、79.86%、57.51%。

在植物生長過程中，根系會向生長介質中分泌大量的有機物，如有機酸和氨基酸等。同時，根系表皮細胞在新陳代謝的作用下被微生物分解為腐殖質，這些腐殖質包含胡敏酸、富里酸和胡敏素等。這些分泌物和腐殖質中有一系列功能團，對水中污染物起到一個吸附、過濾和沉淀的作用，同時也可以為污水中的微生物提供碳源，促進微生物的生長，但這些有機碳也可能會導致出水COD濃度上升[17]。所以，植物處理對COD去除效果低于對照處理，而美人蕉處理對污水COD的去除效果遠遠低于皇竹草處理。

2.1.6 ?TN的凈化效果 ?從圖7可以看出，植物有利于污水總氮的降解。第11天皇竹草處理和美人蕉處理對TN的累積去除率分別達到98.13%和96.82%，而對照僅為55.13%。這說明植物有利于污水總氮的降解，一方面是因為植物生長需要吸收氮，另一方面也是因為植物有利于微生物的生長，根際泌氧作用所形成的微環境有利于硝化反應的進行，而污水一直處于厭氧缺氧狀態又有利于反硝化反應的進行。

2.1.7 ?TP的凈化效果 ?從圖8可以看出，第11天TP的去除效果從大到小依次為種植皇竹草處理、種植美人蕉處理、對照，且去除率分別為99.83%、98.65%、38.21%。由于植物的生長需要吸收磷，而且植物根部由于有泌氧作用和分泌有機酸等有利于微生物的生長[18]，所以相較于對照，植物處理對總磷的去除效果更好。

2.2 ?植物對N、P的攝取作用

2.2.1 ?對N的攝取作用 ?試驗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]。植物生長所吸收的氮量與植物的生物量和植物的種類密切相關。從表1可以看出，11 d內，皇竹草從污水中吸收的氮量比美人蕉的要少，只占了污水總氮去除量的26.23%，而美人蕉吸收的氮量達到267.80 mg，占污水總氮去除量的38.68%。美人蕉從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的增量雖比皇竹草多，但就植物本身的含氮量皇竹草是美人蕉的1倍多。11 d內，種植有皇竹草的處理污水中硝化-反硝化去除的氮量為528.50 mg，比美人蕉多了104.00 mg。

2.2.2 ?對P的攝取作用 ?由于試驗過程中，種植有植物處理的污水DO均是處于厭氧或缺氧狀態，不利于聚磷菌對磷的吸收降解[20]，試驗過程磷的降解主要依靠植物的吸收去除。從表2可以看出，11 d內，皇竹草吸收的磷達到36.10 mg，占磷總去除量的99.83%;而美人蕉吸收的磷為34.69 mg，占磷總去除量的99.11%。

3 ?結論

挺水植物與水中的藻類都能吸收水生環境中的氮和磷等營養元素，兩者存在競爭關系，種植挺水植物能抑制藻類生長。本試驗所用的植物皇竹草和美人蕉均屬挺水植物，具有較強的抗逆性和水環境適應能力。由于挺水植物生物量較大，且凈化效率高，適合用作污染水體凈化。兩種植物在水中都能長出茂密的根系，不僅有利于吸收污水中的營養物質用于生長，同時，發達的植物根部通過泌氧能力，將氧氣輸送到植物根際，有利于各種微生物附著繁殖，促進污染物的降解。

通過靜態試驗結果分析，美人蕉和皇竹草都有助于提高污水的凈化效果，能大大提高污水中氮、磷的去除效果，而且隨時間延長，效果越明顯。通過11 d水力停留時間，皇竹草和美人蕉對總氮、總磷的去除率比不種植植物的對照分別提高了43.01、41.70和61.62、60.44個百分點;且皇竹草對污水中COD、TP、氨氮、TN的去除效果均優于美人蕉處理，凈化效果較優。隨污水停留時間的延長，污染物去除的效果越明顯。皇竹草更有利于硝化-反硝化脫氮的進行。

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