沉水植物在農(nóng)村分散生活污水處理方面的研究進(jìn)展與工程案例

蘇蕾　喬毅　林濤

摘 要：沉水植物塘作為生態(tài)處理工藝，對(duì)推進(jìn)農(nóng)村分散生活污水處理有重要意義。現(xiàn)階段，沉水植物系統(tǒng)在污水處理上的研究取得了一定進(jìn)展，特別是污染物去除機(jī)理研究，同時(shí)也篩選了一批能用作污水處理的沉水植物種類。在實(shí)際運(yùn)用中，以沉水植物穩(wěn)定塘為主體工藝的農(nóng)村分散生活污水處理項(xiàng)目能有效的處理受納的污水，處理后水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：沉水植物；穩(wěn)定塘；農(nóng)村分散生活污水；污水處理；生態(tài)處理

引言

隨著社會(huì)發(fā)展和環(huán)保意識(shí)的提升，對(duì)農(nóng)村水環(huán)境污染問(wèn)題的關(guān)注日益提高，治理農(nóng)村污水的需求也越來(lái)越迫切。當(dāng)前，中國(guó)大部分農(nóng)村地區(qū)污水收集系統(tǒng)不完善，廢水處理設(shè)施缺乏，污水任意排放，導(dǎo)致農(nóng)村周邊水環(huán)境污染嚴(yán)重，水體氮、磷超標(biāo)出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化的問(wèn)題[1]。有研究表明生活污水和農(nóng)田的氮、磷流失是造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的主因，而工業(yè)廢水對(duì)總氮（TN）、總磷（TP）的貢獻(xiàn)率僅占10%-16%[2]。針對(duì)農(nóng)村污水排放量小、波動(dòng)大、可生化性好等特點(diǎn)，借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)采用了農(nóng)村分散生活污水處理方式，推進(jìn)農(nóng)村污水治理[3]。

穩(wěn)定塘作為一種常用的生態(tài)處理工藝，在農(nóng)村分散生活污水處理中具有建設(shè)費(fèi)用低、出水水質(zhì)較穩(wěn)定、運(yùn)行費(fèi)用低廉和維護(hù)管理較常規(guī)處理容易的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，在許多村落中普遍存在一些接納污水的魚(yú)塘，污水通過(guò)原有的溝渠排放到魚(yú)塘，因此可以利用、改造這些魚(yú)塘而不需要額外的用地和管網(wǎng)建設(shè)。

然而，采用穩(wěn)定塘作為主體技術(shù)在農(nóng)村分散生活污水處理應(yīng)用方面有其不足之處，主要是穩(wěn)定塘的污染負(fù)荷低。這導(dǎo)致穩(wěn)定塘需要占用較多的面積，同時(shí)，也導(dǎo)致了污染物的去除能力也較低，所以實(shí)際處理效率較常規(guī)處理技術(shù)要低[3]。因此，如何提高穩(wěn)定塘的處理效率是當(dāng)前研究的重要課題之一，也對(duì)推進(jìn)農(nóng)村生活污水的分散處理有重要意義[4]。

沉水植物在水體凈化領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，研究也較多，許多研究[5-7]表明沉水植物在水體凈化中起到了重要的作用，對(duì)透明度的維持、水質(zhì)的穩(wěn)定有重要作用。因此，以沉水植物為主導(dǎo)的沉水植物系統(tǒng)較多的應(yīng)用在受污染水體的富營(yíng)養(yǎng)化的修復(fù)，并且取得了不錯(cuò)的效果[8-11]。

因此，不少研究[1，5，12-14]嘗試將沉水植物引入到穩(wěn)定塘中，構(gòu)建沉水植物穩(wěn)定塘來(lái)處理農(nóng)村污水，取得了一定的進(jìn)展。

1 沉水植物系統(tǒng)污染物去除機(jī)理

農(nóng)村生活污水主要特點(diǎn)是COD含量低而氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量相對(duì)較高。沉水植物主要通過(guò)光合作用增加水體的溶氧量，為水體中好氧微生物提供呼吸作用所需要的氧氣，促進(jìn)好氧微生物降解水體中的氮、磷和有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物。除此之外，沉水植物還能直接吸收水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，有效降低污水中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量水平[15]。

1.1 氮去除機(jī)理

研究表明，沉水植物系統(tǒng)的氮去除過(guò)程與自然界氮循環(huán)中氮從水體中輸出過(guò)程類似[1]，主要是靠微生物的硝化作用和反硝化作用，其他途徑還包括氨氮揮發(fā)、沉積和植物吸收。趙安娜等人研究顯示，雖然種植了沉水植物的氧化塘處理能力較好，但是沉水植物植物吸收的總氮量?jī)H占試驗(yàn)氧化塘總氮量的1.54%，表明沉水植物吸收并不是沉水植物在氮去除過(guò)程中起到的最重要的作用[13]。朱平等用沉水植物塘處理生活污水的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，沉水植物塘去除率與對(duì)照塘接近，但對(duì)照塘實(shí)際為一個(gè)藻糖，故其認(rèn)為沉水植物塘與藻糖的氮去除機(jī)制相近[14]。一般認(rèn)為，沉水植物提供的大量氧氣、棲息場(chǎng)所以及一些促進(jìn)微生物活動(dòng)的分泌物，有助于間接提高微生物的硝化與反硝化能力，提高氮的去除效率[1，15]，但也有試驗(yàn)研究認(rèn)為沉水植物對(duì)氮去除的方式因種類不同而分為直接吸收為主和沉降吸附為主兩種類型[16]。

1.2 磷去除機(jī)理

與氮去除過(guò)程類似，磷的去除與自然過(guò)程類似，主要是依靠化學(xué)的沉淀作用，而植物吸收的作用不明顯，趙安娜等對(duì)沉水植物氧化塘處理污水廠尾水的機(jī)制小試研究[13]發(fā)現(xiàn)，沉水植物對(duì)磷的直接吸收量只占到氧化塘總磷量的1.77%，而通過(guò)化學(xué)沉淀和基質(zhì)吸附進(jìn)入基質(zhì)而去除的總磷量達(dá)到氧化塘總磷量的70%以上。朱平等[14]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)照藻塘磷去除率與沉水植物塘去除率接近。Gao等對(duì)東湖的沉水植物系統(tǒng)的磷去除過(guò)程研究也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果，有沉水植物組磷去除率介于70%到90%，但是對(duì)照組也有50%左右的去除率，表明磷的去除更多的依賴于非植物參與的過(guò)程，同時(shí)Gao等也推測(cè)，即使有植物參與，磷得去除也是依賴于共沉淀，植物主要起到間接加強(qiáng)這一過(guò)程的作用[17]。但是，任文君等試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，沉水植物系統(tǒng)磷去除機(jī)制與植物種類有關(guān)，一類植物以植物吸收為主要去除途徑（金魚(yú)藻和黑藻），一類植物以沉淀吸附為主要去除方式（馬來(lái)眼子菜和篦齒眼子菜）[16]。

1.3 對(duì)DO的影響機(jī)理

現(xiàn)有研究均顯示沉水植物對(duì)水體的DO提高有顯著作用，主要是因?yàn)槌了参锬軌蜻M(jìn)行光合作用，產(chǎn)生氧氣釋放到水中，使得水體的溶解氧得到提高[12-14，16，18]。

1.4 對(duì)COD的去除機(jī)理

研究認(rèn)為，COD的去除主要是依靠沉水植物提高水體中的溶解氧，促進(jìn)水體中的好氧微生物氧化分解有機(jī)物，沉水植物再將產(chǎn)生的二氧化碳吸收用作光合作用，合成為自身的物質(zhì)，使水體中的有機(jī)物發(fā)生轉(zhuǎn)移[12-14，16，18]。因此，實(shí)際上，水體中的COD并沒(méi)有完全去除，而是轉(zhuǎn)移到植物體內(nèi)。

1.5 對(duì)SS的去除機(jī)理

研究證實(shí)，沉水植物能夠分泌助凝物質(zhì)，促進(jìn)水體中懸浮藻類和顆粒的沉降，這種現(xiàn)象主要是沉水植物為了提高透明度，增加光照強(qiáng)度的與藻類競(jìng)爭(zhēng)的手段，但是間接促進(jìn)了SS的去除[13，16，18，19]。

2 運(yùn)用于污水處理的沉水植物種類

經(jīng)過(guò)大量研究和實(shí)際案例運(yùn)用篩選，能用于污水處理的沉水植物主要有黑藻、金魚(yú)藻、苦草、伊樂(lè)藻、菹草及其他一些眼子菜屬的植物。

2.1 輪葉黑藻

輪葉黑藻分類上屬于水鱉科黑藻屬黑藻的變種。一些實(shí)驗(yàn)室研究表明，種植了輪葉黑藻的水體比不種植沉水植物的水體氮、磷的去除率分別提高了11.98%-84.15%和15%-39.41%[13，14，16，18]；但是輪葉黑藻根部為假根，所以其主要作用在水體，而對(duì)底泥影響小，同時(shí)，輪葉黑藻生長(zhǎng)至水面上時(shí)會(huì)形成遮蔽帶，對(duì)其他沉水植物形成遮蔽，搶奪光照[20]。任文君等研究表明，黑藻對(duì)氮的去除方式主要是依靠植物吸收[16]，對(duì)磷的去除方式主要是依靠沉降吸附。但趙安娜等試驗(yàn)結(jié)果顯示，黑藻直接吸收的氮、磷量只占氮、磷去除總量的一小部分[13]。

2.2 金魚(yú)藻

金魚(yú)藻分類上屬于金魚(yú)藻科金魚(yú)藻屬。試驗(yàn)研究表明，相對(duì)于對(duì)照無(wú)植被水體，金魚(yú)藻水體的氮、磷去除率提高了4.98%-93.75%和2.98%-37.37%[13，14，16，18]；與黑藻類似，金魚(yú)藻沒(méi)有真正意義上的根，因此對(duì)水體的作用大于對(duì)底泥的作用。金魚(yú)藻對(duì)氮、磷的去除方式均以吸收為主，但不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示出來(lái)的去除方式有差異[13，16，18]。

2.3 苦草

分類學(xué)上，苦草系水鱉科苦草屬一種。使用苦草進(jìn)行的水質(zhì)凈化實(shí)驗(yàn)顯示，苦草的存在能使水體的氮磷去除率比對(duì)照組分別提高1.74%-52.39%和13.01%-29.29%[13，14，18]；苦草與金魚(yú)藻和黑藻相反，苦草根系和地下莖發(fā)達(dá)，對(duì)底泥和水質(zhì)都有直接作用；研究顯示苦草對(duì)氮的去除方式是以植物吸收為主，而磷則是依靠吸附沉降，但也有研究顯示，苦草對(duì)氮、磷均是以吸附沉降為主[13，14，18]。

2.4 篦齒眼子菜

篦齒眼子菜系眼子菜科眼子菜屬鞘葉亞屬植物。凈化實(shí)驗(yàn)證明，篦齒眼子菜能夠?qū)⑺w氮、磷去除率提高21.2%-32.06%和1.67%-33.12%[13，16]，植物根莖發(fā)達(dá)，對(duì)水體和底泥都有效果，去除方式主要依靠沉降吸附。

2.5 竹葉眼子菜（馬來(lái)眼子菜）

竹葉眼子菜在分類學(xué)上屬于眼子菜科眼子菜屬眼子菜亞屬。植物根莖發(fā)達(dá)，對(duì)底泥和水體均能其作用，實(shí)驗(yàn)證明竹葉眼子菜能有效提高水體的氮、磷去除能力，達(dá)到30%-90%左右[13，16]。其去除機(jī)制與篦齒眼子菜類似[13，16]。

3 在污水處理領(lǐng)域的實(shí)際運(yùn)用（以佛山市南莊鎮(zhèn)鄧崗村農(nóng)村生活污水處理項(xiàng)目為案例）

沉水植物系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用中主要用作水體的生態(tài)修復(fù)，用作污水處理的沉水植物系統(tǒng)還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，尤其是農(nóng)村生活污水處理上，試驗(yàn)研究主要是用作后續(xù)的深度處理（沉水植物塘），并沒(méi)有作為主體工藝使用。

最近，佛山市南莊鎮(zhèn)鄧崗村農(nóng)村生活污水處理項(xiàng)目，主體工藝采用沉水植物穩(wěn)定塘工藝，穩(wěn)定塘原是村里納污魚(yú)塘，面積3200平方米，水深1.2-1.5米。村內(nèi)人口接近2000人，魚(yú)塘每天受納生活污水約120噸，污水水質(zhì)波動(dòng)較大，但總體符合《廣東省農(nóng)村生活污水處理技術(shù)指引》中農(nóng)村污水水質(zhì)指標(biāo)（見(jiàn)表1）。

項(xiàng)目于2013年12月開(kāi)始實(shí)施，2014年1月底完工，在魚(yú)塘內(nèi)種植了黑藻、苦草、金魚(yú)藻、篦齒眼子菜等形成了一個(gè)沉水植物塘，塘前增加簡(jiǎn)單的預(yù)處理設(shè)施（格柵），污水經(jīng)過(guò)穩(wěn)定塘處理后排入河涌，要求水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，而經(jīng)過(guò)處理后，水質(zhì)基本控制指標(biāo)達(dá)到要求（見(jiàn)表2）。并且水體透明度達(dá)到1.5米。

工程案例表明，沉水植物穩(wěn)定塘確實(shí)能夠有效處理中、低濃度農(nóng)村分散生活污水，并且水質(zhì)能夠達(dá)到污水排放標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

將沉水植物應(yīng)用到污水處理領(lǐng)域，有一定的實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)，具有一定的可行性。現(xiàn)有的工程案例也表明，沉水植物塘能夠有效的處理中低濃度的農(nóng)村生活污水，結(jié)合穩(wěn)定塘在農(nóng)村分散生活污水處理上的優(yōu)勢(shì)，沉水植物塘對(duì)現(xiàn)有農(nóng)村分散生活污水生態(tài)處理技術(shù)是一種很好的補(bǔ)充和發(fā)展，能夠有效推進(jìn)農(nóng)村污水治理，改善農(nóng)村水環(huán)境。

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