美人蕉、水芹处理农村生活污水应用研究

杨秀平, 邹海明

(安徽科技学院 资源与环境学院，安徽 凤阳 233100)

目前,在环境污染中,农业污染所占比重逐渐上升[1]。《2018中国生态环境状况公报》中农业面源污染部分指出,全社会用水总量中,农业用水量所占比重为62.4%。解决农业面源污水问题,成为解决全社会范围水污染问题的重点。农村生活污水是农业面源污染的重要组成部分,具有成分复杂、氮磷含量高、集中处理难度大等特点,而将其资源化利用是较好的处理方式[2-4]。考虑到农村污染源分散资金有限、技术水平较低、管理人员不足等客观因素,并不适用以城市污水处理技术(如活性污泥技术、曝气生物滤池技术、膜生物反应器技术等)[5-7]。利用水生植物净化农村生活污水,既能改善农村生活环境,又能修复农村生态,符合乡村振兴战略中“生态宜居”要求。减轻农村环境保护的压力,具有十分广阔的研究前景[8-9]。

国内外对处理农村污水的水生植物的研究中,观赏型水生植物美人蕉和经济型水生植物水芹皆被证明净化农村生活污水的能力出众。殷志平等[10]、Calheiros等[11]和Yadav等[12]通过研究得出作为人工湿地植物的美人蕉,对污水中磷、氨氮、COD等各种污染物的净化效果良好。孙鹏等[13]通过将美人蕉作为浮床植物的净化污水的试验,发现夏季美人蕉净化能力强,适合冬季植物混种搭配。韩璐瑶[14]、吕锡武等[15]经试验发现,在冬春季节条件下,水芹滤床对农村生活污水净化效果较好,且具有一定的经济效益。

目前，对于美人蕉、水芹两种植物处理农村生活污水的研究,集中于在作为人工湿地内部做成部分参与污水净化,但在人工浮岛模式下,探索不同水力条件对两种植物处理农村生活污水的研究少见报道。本文拟研究不同污水浓度和水力停留时间因素,对人工浮岛模式培养的两种典型水生植物美人蕉、水芹处理农村生活污水效果的影响。为处理农村污水、改善农村生态环境的水生植物的选择,以及人工浮岛、人工湿地技术的推广和发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试水生植物为美人蕉幼苗(平均高度30 cm,购于江苏宿迁盛悦花卉苗木园艺场),和水芹幼苗(平均高度17 cm,购于安徽芜湖爱家种植苗圃)。供试仪器为可见分光光度计(上海精密仪器仪表有限公司)和总有机碳分析仪(岛津TOC-L系统)供试农村生活污水由试验室模拟配制,其主要成分见表1。

表1 农村生活污水成分

注：表中所示污水浓度为氨氮浓度20 mg/L、磷浓度2 mg/L、总有机碳浓度10 mg/L条件下的污水组成。试验设计中NH4Cl浓度梯度为38.16 mg/L、95.4 mg/L、152.64 mg/L;KH2PO4浓度梯度为4.49 mg/L、8,98 mg/L、13.47 mg/L;K2HPO4·3H2O浓度梯度为7.35 mg/L、14,7 mg/L、22.05 mg/L;CH3COONa·3H2O浓度梯度为56.67 mg/L、113.34 mg/L、226.68 mg/L、340.02 mg/L、453.36 mg/L、566.67 mg/L。

1.2 试验设计

试验始于2019年3月,历时2个月。在室内避雨、光照较充足条件下,按照人工浮岛模式处理农村生活污水。将美人蕉、水芹按相近生长情况分别均分为3组,每组内美人蕉3株、水芹5株。按试验设计浓度,配制1 L的污水(含营养液)置于容积为2 L的桶中,将植物定植于其中水培,置于试验室避雨的窗台上自然生长。

为探索污水浓度(氨氮、磷、总有机碳)和水力停留时间因素对美人蕉、水芹两种植物净化模拟农村生活污水的效果,试验设计如表2～4。

表2 氨氮、磷因素试验设计

表3 总有机碳因素试验设计

表4 水力停留时间因素试验设计

1.3 分析测定

每轮试验固定时间取样,经搅拌后在污水中层取样50 mL,检测水样中氨氮(NH3-N)、磷(P)、总有机碳(TOC)项目指标的含量,保存备用。NH3-N的测定方法为水杨酸盐分光光度法(HJ536-2009);P的测定方法为钼锑抗分光光度法(GB11893-89);TOC用总有机碳分析仪测定[15]。

2 结果与分析

2.1 氨氮浓度对美人蕉、水芹处理农村生活污水效果的影响

图1 两种植物处理不同氨氮浓度农村生活污水的(a)氨氮浓度变化和(b)磷去除率变化(HRT=3 d)

图1显示美人蕉和水芹处理农村生活污水氨氮污染物的效果与污水中初始氨氮浓度呈现一定的相关性。由图1(a)氨氮浓度变化图可知,美人蕉和水芹处理初始氨氮浓度水平为10、25 mg/L的污水,随水力停留时间增长其浓度不断下降;当污水中的初始氨氮浓度水平增至40 mg/L时,污水中的氨氮浓度则随着水力停留时间的增长而上升。两种植物处理氨氮浓度为10 mg/L的污水,在HRT为1、3 d时,水芹的氨氮浓度和美人蕉显著不同。

由图1(b)氨氮去除率变化图可知,在HRT为3 d,氨氮进水浓度梯度为10、25、40 mg/L的情况下,美人蕉的去除率分别为21.50%、9.35%、-2.79%(去除率为负值可能是美人蕉根部残余土壤中所含的氨氮，进入污水中所致);水芹的去除率分别为91.57%、12.40%、0.48%,污水初始浓度与两种植物对氨氮的去除效果呈线性关系,去除率随氨氮浓度升高而下降。

2.2 磷浓度对美人蕉、水芹处理农村生活污水效果的影响

图2 两种植物处理不同磷浓度农村生活污水的(a)磷浓度变化和(b)磷去除率变化(HRT=3 d)

图2显示美人蕉和水芹处理农村生活污水中磷污染物的效果受污水中初始磷浓度的影响。由图2(a)磷浓度变化可知,随水力停留时间(HRT)的增长,美人蕉和水芹处理的污水中,磷浓度大部分情况下均稳定下降。水芹处理初始磷浓度为4 mg/L和6 mg/L的污水时,污水中磷浓度随HRT先上升后下降。两种植物处理磷浓度为6 mg/L的污水,在HRT为1、3 d时,水芹的磷浓度和美人蕉显著不同。

由图2(b)磷去除率变化可知,在HRT为3 d,在磷进水浓度梯度为2、4、6 mg/L的情况下,美人蕉的去除率分别为33.47%、21.75%、38.28%;美人蕉的去除效果随初始磷浓度增长先下降后上升。水芹的去除率分别为34.36%、32.58%、20.47%。对磷的去除效果随初始磷浓度上升而逐渐下降。

2.3 总有机碳浓度对美人蕉、水芹处理农村生活污水效果的影响

图3 两种植物处理不同总有机碳浓度的农村生活污水的(a)总有机碳浓度变化和(b)总有机碳去除率变化(HRT=3 d)

图3显示美人蕉和水芹处理农村生活污水中有机污染物的效果受污水中初始总有机碳浓度的影响。由图3(a)总有机碳浓度变化可知,随水力停留时间(HRT)的增长,美人蕉处理初始总有机碳浓度为10 mg/L和20 mg/L的污水时,污水中总有机碳浓度随HRT的增长而上升,处理初始总有机碳浓度为40、60和80 mg/L的污水时,污水中总有机碳浓度随HRT的增长先上升后下降,处理初始总有机碳浓度为100 mg/L的污水时,污水中总有机碳浓度随HRT的增长而下降;水芹处理初始总有机碳浓度为10 mg/L和20 mg/L的污水时,污水中总有机碳浓度随HRT的增长而上升,处理初始总有机碳浓度为40、60、80和100 mg/L的污水时,污水中总有机碳浓度随HRT的增长而下降。

由图3(b)总有机碳去除率变化可知HRT为3 d时,处理不同总有机碳(TOC)浓度的污水,美人蕉对TOC的去除率随TOC浓度增大而上升;水芹对TOC的去除率随TOC浓度增大先上升后有所下降。在总有机碳进水浓度梯度为10、20、40、60、80、100 mg/L的情况下,美人蕉的去除率分别为-141.20%、-34.88%、41.24%%、87.21%、87.77%、90.62%,平均去除率为21.79%;水芹的去除率分别为-103.40%、-70.18%、46.10%、84.59%、87.40%、84.15%,平均去除率为21.44%。(美人蕉、水芹对前期10 mg/L、20 mg/L总有机碳浓度污水的去除率为负值，可能是前期植物根部残余土壤中所有机碳的物质，进入污水中所致)。

2.4 水力停留时间对美人蕉、水芹处理农村生活污水效果的影响

图4 两种植物处理不同水力停留时间条件下的农村生活污水的去除率变化(C(NH3-N)=25 mg/L、C(P)=6 mg/L)

由图4可知,美人蕉和水芹处理农村生活污水中氨氮、磷污染物的效果受水力停留时间(HRT)的影响。在处理初始氨氮浓度为25 mg/L、初始磷浓度为6 mg/L的污水时,随着HRT随3、4、5 d梯度的增长,在氨氮去除效果方面,美人蕉去除率为8.38%、8.68%、52.24%,随HRT的增长而上升,水芹的去除率为23.64%、56.42%、42.46%,随HRT的增长先上升后下降;在磷的去除效果方面,美人蕉去除率为15.08%、42.50%、65.33%,随HRT的增长而不断上升,水芹的去除率为33.25%、29.42%、44.92%,随HRT的增长先下降后上升。

3 结论与讨论

美人蕉、水芹对农村生活污水中各污染物的去除效果易受污水浓度因素的影响。美人蕉和水芹对氨氮的去除率均随氨氮浓度的增大而下降。当污水初始氨氮浓度增至40 mg/L时,两种植物的净化效果较差。在其它较高氨氮浓度条件下,水生植物的处理效果也被证明存在胁迫现象[16-17]。美人蕉的对磷的去除率,则随磷浓度的增大则先下降后上升,水芹对磷的去除效果与磷浓度呈现出明显的线性关系,随着磷浓度增大,水芹的去除率不断下降。美人蕉和水芹对总有机碳的去除率与总有机碳浓度呈现一定的相关性。两种植物处理较高总有机碳浓度(40、60、80、100 mg/L)污水的效果要好于较低总有机碳浓度(10、20 mg/L)的污水。美人蕉的去除率随总有机碳浓度的增大一直持续上升,水芹的去除率在总有机碳浓度增至80 mg/L时升至最大,之后开始下降。此外,试验前期美人蕉、水芹的叶片保持发黄的状态,尚未适应当地气候环境,对处理污水的效果也有一定影响[18]。

美人蕉、水芹对农村生活污水的处理效果也明显受水力停留时间因素的影响,张燕等[19]和范远红等[20]也有相似的结论。对于初始氨氮浓度为25 mg/L的污水的处理情况,美人蕉的去除率随HRT的增长不断升高,水芹的去除率在HRT为4 d时增至最大,随后下降。对于初始磷浓度为6 mg/L的污水的去除情况,美人蕉对磷去除率随HRT的增长而不断上升,水芹对磷去除率随HRT的增长先下降后上升。

美人蕉、水芹对农村生活污水中同种污染物的处理能力具有差异。比较所得对试验中各污染物的去除率数据可知,当污水中氨氮浓度在10～40 mg/L之间时,水芹的净化效果要好于美人蕉;当污水中初始磷浓度在2～6 mg/L之间时,美人蕉的净化效果要好于水芹,在较低氨氮、磷浓度的乡村河道污水中,亦有此现象存在[21];当总有机碳浓度在10～100 mg/L之间时,美人蕉和水芹的去除效果均较好且相近。

观赏类水生植物美人蕉和蔬菜类水生植物水芹,对农村生活污水的处理效果较好,广泛应用于农村水环境修复的各项技术中。污水浓度、HRT对这两种植物处理污水的效果具有一定的影响,且不同植物对同种污染物的处理能力也具有差异性。因此,选用美人蕉、水芹处理农村生活污水时,要根据当地污水的浓度、主要污染物种类和所选技术处理时间等特点,谨慎选择适宜的植物种类,以求得到最佳处理效果。