植草溝對農村污水水質凈化效果的研究

夏治坤，朱木蘭

(1.黑龍江大學水利電力學院，哈爾濱 150000;2.廈門理工學院水資源環境研究所，福建 廈門 361000)

農村污水未經處理肆意排放, 嚴重污染了農村的生態環境, 直接威脅廣大農民群眾的身體健康以及農村的經濟發展[1]。根據2018年統計數據[2]，中國農村常住人口達5.64 億人，每年產生農村污水多達80 億t。然而，全國超過70%的農村都缺乏完善的污水處理和回用裝置[3]，污水常常直接排放到鄰近河流和溝渠。再者，現有的排污溝采用傳統的硬化溝渠，只有對污水的物理傳輸作用。研究顯示，農村污水總氮、總磷、BOD5、COD和SS含量嚴重超標[4,5]，直接排放會對周邊水體造成嚴重污染[6]。因此，將現存的傳統的硬化溝渠上面鋪設土壤層和種植花草改造成植草溝，對凈化農村污水水質和改善農村生態環境具有重要意義。

植草溝是基于土壤滲濾原理，通過土壤-微生物-植物生態系統的自凈能力對農村污水的有機物進行去除[7]，且工藝簡單，投資小和美化農村環境[8]等優點。目前針對植草溝已開展的研究有植草溝對降雨徑流的削減和凈化作用[9-12]、城市面源污染的凈化[13-15]、草種不同對降雨徑流調蓄作用[16]和其長度不同對各指標的去除效果[17]。也有學者針對土壤滲滲濾系統對污染物去除機理研究表明，土壤含水層處理能力主要發生在土層表面和近表層50 cm以內[18]；但是針對植草溝不同土壤厚度對農村污水水質凈化效果尚顯研究不足，因此，本研究通過開展植草溝對農村污水水質凈化效果實驗，定量化評價植草溝對污水的凈化效果，為農村污水處理提供技術支撐。

1 研究對象與實驗方法

1.1 研究區概況及實驗設計

研究區位于福建省廈門市集美區后溪鎮英村(24.62N, 118.08E)，研究區面積約4.4 km2，農村人口約2 400 人，平均年污水排放量約8.7 萬m3。

隨機選取3處污水點(如圖1所示)，每個采樣點隨機挖取3個草地不同厚度的土壤，混合均勻，將每塊草地的土壤分別裝如直徑為5 cm，高度分別為15和30 cm的PVC管中，裝有土壤的PVC管上部帶有草地表層，將英村3處污水點的農村污水分別倒入PVC管模仿農村污水下滲到植草溝的過程，并收集PVC管底下的水樣進行檢測。

1.2 指標測定方法

本研究主要檢測的指標是BOD5(生物需氧量)、COD(化學需氧量)、總磷、總氮、氨氮，每項指標檢測儀器如表1所示。

表1 檢測指標及儀器Tab.1 Test indicators and instruments

2 結果與分析

2.1 植草溝對農村污水水質凈化效果

本研究對經過15和30 cm厚度的土柱模擬植草溝對農村污水的凈化效果，分別進行了兩次實驗并檢測，結果如表2和表3所示。

經過15 cm土柱厚度時，對BOD5和COD的去除率最大為54.1%和61.7%，經過30 cm土柱厚度時，對BOD5和COD的去除率最大為63.5%和88.6%，其去除效果均超過了50%以上，去除效果良好。主要原因為污水進入植草溝后，有機物快速被表層土壤所吸附，表層土壤氧氣充分，微生物的生長環境和繁殖環境良好，導致有機物被微生物大量降解。經過15和30 cm的土柱厚度模擬植草溝對氨氮去除率為77.9%和84.9%，其去除效果達到了70%以上，去除效果顯著。主要原因為微生物通過硝化過程產生硝氮被植物同化吸收[19]，再結合污水經過土壤被其截留攔污，雙重效應，導致去除氨氮效果顯著。霍煒潔[20]等研究表明植草溝對溶解態氮的去除效果較為理想。經過15和30 cm的土柱厚度模擬植草溝對總氮的去除率最大為49.4%和50.4%，雖去除效果為50%左右。但較氨氮而言，去除效果一般。主要是因為分解氨氮過程中，有部分的外來氮源進入植草溝，再者植草溝內的氧氣含量和碳源也是限制因素[21]。經過15和30 cm的土柱厚度模擬植草溝對總磷的去除率最大為91.8%和89.0%，其去除效果約為90%，去除效果顯著。主要原因是土壤中的可溶性有機磷被大量Fe3+、Al3+和Ca2+等金屬離子吸附，不可溶性磷通過植物和土壤截留作用去除[22]。

表2 15 cm試驗土柱對農村污水去除效果Tab.2 Effect of 15 cm soil column on rural sewage removal

表3 30 cm試驗土柱對農村污水去除效果Tab.3 Effect of 30 cm soil column on rural sewage removal

2.2 植草溝的厚度對農村污水去除率的影響

針對不同土壤厚度的土柱模擬植草溝對各污染物的平均去除率如表4和圖2所示，BOD5、COD、氨氮、總氮的平均去除率隨著土壤厚度的增加而增加。此結論符合已有的研究，主要是因為隨著土壤厚度的增加，微生物的數量和土壤的吸附面積增加，有更多的污染物被微生物降解和土壤吸收。但隨著土壤厚度的增加，去除率呈現非線性趨勢變化，主要是因為土壤中的氧氣含量限制了微生物的繁殖和降解能力，已有研究表明。污水在進入土壤之后，大部分可降解有機物在30 cm得到降解[23,24]。但總磷隨著土壤厚度的增加，去除率降低，可能是在土層15～30 cm處土壤里面含有磷，導致出口水質總磷含量增加。有學者指出，30 m長度的植草溝對總磷的去除效果大于60 m長度的植草溝[17]。

表4 13和15 cm土壤厚度對污染物質的平均去除率 %

圖2 15和30 cm土壤厚度對污染物質的平均去除率Fig.2 Average removal rate of pollutants by 15 and 30 cm soil thickness

農村污水經過30 cm土壤厚度的植草溝，對BOD5、COD、氨氮、總氮和總磷的去除有70%以上是在0～15 cm之間完成，有低于30%的是在15～30 cm之間完成的(見表5)。在今后對硬化溝渠進行改造或建設植草溝時，若硬化溝深度不足或考慮經濟成本，可鋪設厚度為15 cm的土層，并種植花草，這樣既經濟又可去除大部分污染物。若硬化溝深度和經濟條件允許，可鋪設厚度為30 cm的土層，使農村污水的去除效果更好。

表5 0～15 cm和15～30 cm對污染物去除 %

3 結 語

本研究以農村植草溝為研究對象，隨機選取3處試驗草地為采樣點，通過室內外試驗與理論分析計算，明確了植草溝對農村污水污染物質的去除效果。結果顯示，植草溝對農村污水的凈化效果明顯，是改善農村生態環境的一種有效方式。主要研究結論如下：

(1)植草溝對BOD5、COD、氨氮、總氮和總磷的去除率在15 cm土柱時的平均去除率為39.3%、52.0%、53.9%、36.2%、85.1%。30 cm土柱時的平均去除率為56.0%、67.5%、64.8%、43.7%、64.6%。

(2)在植草溝土壤厚度為15～30 cm時，植草溝對BOD5、COD、氨氮、總氮的去除率隨著土壤厚度的增加而增加，總磷的去除率隨著土壤厚度的增加而降低。可能原因是15～30 cm的土壤里面含有部分磷，導致去除率降低。

(3)農村污水經過30 cm土壤厚度的植草溝，對污染物的去除有70%以上是在0～15 cm之間完成，有低于30%的是在15～30 cm之間完成的。若考慮硬化溝深度和經濟因素，可鋪設15 cm厚度的土層來凈化農村污水。

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