植草溝對(duì)農(nóng)村污水水質(zhì)凈化效果的研究

夏治坤，朱木蘭

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

農(nóng)村污水未經(jīng)處理肆意排放, 嚴(yán)重污染了農(nóng)村的生態(tài)環(huán)境, 直接威脅廣大農(nóng)民群眾的身體健康以及農(nóng)村的經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。根據(jù)2018年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[2]，中國(guó)農(nóng)村常住人口達(dá)5.64 億人，每年產(chǎn)生農(nóng)村污水多達(dá)80 億t。然而，全國(guó)超過(guò)70%的農(nóng)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(xiàn)有的排污溝采用傳統(tǒng)的硬化溝渠，只有對(duì)污水的物理傳輸作用。研究顯示，農(nóng)村污水總氮、總磷、BOD5、COD和SS含量嚴(yán)重超標(biāo)[4,5]，直接排放會(huì)對(duì)周邊水體造成嚴(yán)重污染[6]。因此，將現(xiàn)存的傳統(tǒng)的硬化溝渠上面鋪設(shè)土壤層和種植花草改造成植草溝，對(duì)凈化農(nóng)村污水水質(zhì)和改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

植草溝是基于土壤滲濾原理，通過(guò)土壤-微生物-植物生態(tài)系統(tǒng)的自凈能力對(duì)農(nóng)村污水的有機(jī)物進(jìn)行去除[7]，且工藝簡(jiǎn)單，投資小和美化農(nóng)村環(huán)境[8]等優(yōu)點(diǎn)。目前針對(duì)植草溝已開(kāi)展的研究有植草溝對(duì)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(duì)降雨徑流調(diào)蓄作用[16]和其長(zhǎng)度不同對(duì)各指標(biāo)的去除效果[17]。也有學(xué)者針對(duì)土壤滲滲濾系統(tǒng)對(duì)污染物去除機(jī)理研究表明，土壤含水層處理能力主要發(fā)生在土層表面和近表層50 cm以內(nèi)[18]；但是針對(duì)植草溝不同土壤厚度對(duì)農(nóng)村污水水質(zhì)凈化效果尚顯研究不足，因此，本研究通過(guò)開(kāi)展植草溝對(duì)農(nóng)村污水水質(zhì)凈化效果實(shí)驗(yàn)，定量化評(píng)價(jià)植草溝對(duì)污水的凈化效果，為農(nóng)村污水處理提供技術(shù)支撐。

1 研究對(duì)象與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 研究區(qū)概況及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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

隨機(jī)選取3處污水點(diǎn)(如圖1所示)，每個(gè)采樣點(diǎn)隨機(jī)挖取3個(gè)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(diǎn)的農(nóng)村污水分別倒入PVC管模仿農(nóng)村污水下滲到植草溝的過(guò)程，并收集PVC管底下的水樣進(jìn)行檢測(cè)。

1.2 指標(biāo)測(cè)定方法

本研究主要檢測(cè)的指標(biāo)是BOD5(生物需氧量)、COD(化學(xué)需氧量)、總磷、總氮、氨氮，每項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)儀器如表1所示。

表1 檢測(cè)指標(biāo)及儀器Tab.1 Test indicators and instruments

2 結(jié)果與分析

2.1 植草溝對(duì)農(nóng)村污水水質(zhì)凈化效果

本研究對(duì)經(jīng)過(guò)15和30 cm厚度的土柱模擬植草溝對(duì)農(nóng)村污水的凈化效果，分別進(jìn)行了兩次實(shí)驗(yàn)并檢測(cè)，結(jié)果如表2和表3所示。

經(jīng)過(guò)15 cm土柱厚度時(shí)，對(duì)BOD5和COD的去除率最大為54.1%和61.7%，經(jīng)過(guò)30 cm土柱厚度時(shí)，對(duì)BOD5和COD的去除率最大為63.5%和88.6%，其去除效果均超過(guò)了50%以上，去除效果良好。主要原因?yàn)槲鬯M(jìn)入植草溝后，有機(jī)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(zhǎng)環(huán)境和繁殖環(huán)境良好，導(dǎo)致有機(jī)物被微生物大量降解。經(jīng)過(guò)15和30 cm的土柱厚度模擬植草溝對(duì)氨氮去除率為77.9%和84.9%，其去除效果達(dá)到了70%以上，去除效果顯著。主要原因?yàn)槲⑸锿ㄟ^(guò)硝化過(guò)程產(chǎn)生硝氮被植物同化吸收[19]，再結(jié)合污水經(jīng)過(guò)土壤被其截留攔污，雙重效應(yīng)，導(dǎo)致去除氨氮效果顯著。霍煒潔[20]等研究表明植草溝對(duì)溶解態(tài)氮的去除效果較為理想。經(jīng)過(guò)15和30 cm的土柱厚度模擬植草溝對(duì)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?yàn)榉纸獍钡^(guò)程中，有部分的外來(lái)氮源進(jìn)入植草溝，再者植草溝內(nèi)的氧氣含量和碳源也是限制因素[21]。經(jīng)過(guò)15和30 cm的土柱厚度模擬植草溝對(duì)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(jī)磷被大量Fe3+、Al3+和Ca2+等金屬離子吸附，不可溶性磷通過(guò)植物和土壤截留作用去除[22]。

表2 15 cm試驗(yàn)土柱對(duì)農(nóng)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(yàn)土柱對(duì)農(nóng)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(duì)農(nóng)村污水去除率的影響

針對(duì)不同土壤厚度的土柱模擬植草溝對(duì)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(jié)論符合已有的研究，主要是因?yàn)殡S著土壤厚度的增加，微生物的數(shù)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(xiàn)非線性趨勢(shì)變化，主要是因?yàn)橥寥乐械难鯕夂肯拗屏宋⑸锏姆敝澈徒到饽芰?，已有研究表明。污水在進(jìn)入土壤之后，大部分可降解有機(jī)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(dǎo)致出口水質(zhì)總磷含量增加。有學(xué)者指出，30 m長(zhǎng)度的植草溝對(duì)總磷的去除效果大于60 m長(zhǎng)度的植草溝[17]。

表4 13和15 cm土壤厚度對(duì)污染物質(zhì)的平均去除率 %

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

農(nóng)村污水經(jīng)過(guò)30 cm土壤厚度的植草溝，對(duì)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(jiàn)表5)。在今后對(duì)硬化溝渠進(jìn)行改造或建設(shè)植草溝時(shí)，若硬化溝深度不足或考慮經(jīng)濟(jì)成本，可鋪設(shè)厚度為15 cm的土層，并種植花草，這樣既經(jīng)濟(jì)又可去除大部分污染物。若硬化溝深度和經(jīng)濟(jì)條件允許，可鋪設(shè)厚度為30 cm的土層，使農(nóng)村污水的去除效果更好。

表5 0～15 cm和15～30 cm對(duì)污染物去除 %

3 結(jié) 語(yǔ)

本研究以農(nóng)村植草溝為研究對(duì)象，隨機(jī)選取3處試驗(yàn)草地為采樣點(diǎn)，通過(guò)室內(nèi)外試驗(yàn)與理論分析計(jì)算，明確了植草溝對(duì)農(nóng)村污水污染物質(zhì)的去除效果。結(jié)果顯示，植草溝對(duì)農(nóng)村污水的凈化效果明顯，是改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的一種有效方式。主要研究結(jié)論如下：

(1)植草溝對(duì)BOD5、COD、氨氮、總氮和總磷的去除率在15 cm土柱時(shí)的平均去除率為39.3%、52.0%、53.9%、36.2%、85.1%。30 cm土柱時(shí)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(shí)，植草溝對(duì)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?？赡茉蚴?5～30 cm的土壤里面含有部分磷，導(dǎo)致去除率降低。

(3)農(nóng)村污水經(jīng)過(guò)30 cm土壤厚度的植草溝，對(duì)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(jīng)濟(jì)因素，可鋪設(shè)15 cm厚度的土層來(lái)凈化農(nóng)村污水。

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