陽宗海流域冬季典型農(nóng)村污水污染特征及水質(zhì)評價

梅涵一,劉云根,2,梁啟斌,2,王 妍,2,侯 磊,2,鄭 寒

(1.西南林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,云南 昆明 650224; 2.西南林業(yè)大學(xué)農(nóng)村污水處理研究所,云南 昆明 650224)

陽宗海流域冬季典型農(nóng)村污水污染特征及水質(zhì)評價

梅涵一1,劉云根1,2,梁啟斌1,2,王 妍1,2,侯 磊1,2,鄭 寒1

(1.西南林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,云南 昆明 650224; 2.西南林業(yè)大學(xué)農(nóng)村污水處理研究所,云南 昆明 650224)

為揭示陽宗海流域不同類型農(nóng)村污水各污染指標(biāo)的影響因素和分布特征,選取云南省的海晏村(傳統(tǒng)型)和大營村(集鎮(zhèn)型)的污水進(jìn)行水樣采集,通過方差分析研究其不同污染指標(biāo)的濃度變化以及不同類型農(nóng)村污水水質(zhì)的差異性,并運(yùn)用主成分分析法對污水進(jìn)行水質(zhì)評價。結(jié)果表明:陽宗海流域海晏村污水中的TN、COD均明顯超過了城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放二級標(biāo)準(zhǔn),大營村的TP、TN、COD均明顯超過了二級標(biāo)準(zhǔn);pH值與氧化還原電位都是農(nóng)村污水中污染物濃度的重要影響因子;兩村的水質(zhì)具有顯著的差異性;傳統(tǒng)型農(nóng)村的水質(zhì)比集鎮(zhèn)型農(nóng)村的要好,說明對陽宗海流域造成污染風(fēng)險更大的是集鎮(zhèn)型農(nóng)村污水。

農(nóng)村污水;污染特征;水質(zhì)評價;陽宗海流域

農(nóng)村水環(huán)境污染是導(dǎo)致下游湖泊水體富營養(yǎng)化污染的原因之一[1-3]。由于長期受到生活污水、廚余垃圾及畜禽糞便等的影響,農(nóng)村水環(huán)境中氮、磷等營養(yǎng)元素含量過高,農(nóng)村生態(tài)環(huán)境存在較大潛在污染風(fēng)險。為此,對農(nóng)村污水的排放控制和污染治理成為當(dāng)前農(nóng)村建設(shè)的首要任務(wù)[4]。陽宗海是云南省的九大高原湖泊之一,被譽(yù)為滇中高原的一顆璀璨明珠,兼具供水、灌溉及旅游等功能,是昆明市未來的重要風(fēng)景旅游區(qū)[5]。近年來,隨著上游農(nóng)村污水、工廠廢水的大量排入,旅游活動的增加以及網(wǎng)箱養(yǎng)魚等的影響,陽宗海水質(zhì)不斷惡化,至今已多次出現(xiàn)大面積水華現(xiàn)象[6]。

圖1 采樣布點(diǎn)示意圖

畢建培等[7]對陽宗海水質(zhì)砷污染開展了研究,指出湖水中貝類等水生生物對As的富集能力較強(qiáng),為陽宗海流域水污染的研究提供了類比和借鑒;蘇嫚麗等[8]對太湖流域農(nóng)村污水污染特征研究表明，農(nóng)村生活污水中氮、磷和COD含量超標(biāo)嚴(yán)重,為農(nóng)村污水污染特征的研究提供了典型案例。當(dāng)前,雖已有不少學(xué)者[5-7,9-11]對陽宗海流域水質(zhì)污染問題開展了研究,但對其污染的源頭——上游農(nóng)村污水的研究還較少。對上游農(nóng)村污水進(jìn)行污水特征分析和水質(zhì)評價有利于陽宗海水污染的預(yù)防與控制。本文以云南省陽宗海上游的海晏村和大營村為研究對象,分析不同類型農(nóng)村污水排放的氮、磷和COD等污染物濃度的分布特征及差異性,并運(yùn)用主成分分析法對水質(zhì)進(jìn)行評價,以期為陽宗海流域的水質(zhì)污染預(yù)防及控制提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

云南省澄江縣的海晏村(102°59′E, 24°51′N)和大營村(102°59′E, 24°50′N),兩村均為陽宗海流域上游農(nóng)村。研究區(qū)概況見表1。

1.2 樣點(diǎn)布設(shè)與水樣采集

在兩村主要溝渠內(nèi)沿水流方向各設(shè)置了5個點(diǎn),共10個采樣點(diǎn)(圖1)。每個采樣點(diǎn)分上、下午各采集一次。為方便分析水樣在進(jìn)入農(nóng)村和流出農(nóng)村時的分布特征,在農(nóng)村入水口和出水口各設(shè)置了一個采樣點(diǎn)。2016年1月在海晏村和大營村進(jìn)行了一次采樣,在每個采樣點(diǎn)水面采集的水樣裝于聚乙烯瓶中并帶回實(shí)驗(yàn)室,在48 h內(nèi)做分析。

表1 研究區(qū)概況

1.3 樣品分析與數(shù)據(jù)處理

水樣測定。TP采用鉬銻抗分光光度法,SRP(活性磷)采用鉬銻抗分光光度法,TN采用紫外分光光度法,NH3-N采用納氏試劑分光光度法,COD采用重鉻酸鉀微波消解法,pH值采用直接玻璃電極法。

利用Excel 2007對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理,并采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 17.0進(jìn)行單因素方差分析和獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同類型農(nóng)村污水各污染物濃度分布特征

農(nóng)村污水包括居民生活污水和畜禽養(yǎng)殖污水兩大類。生活污水來源于廚房污水、生活洗滌污水、廁所污水等[8]。不同類型生活污水的成分特征和污水水量存在較大差異[3]。地形條件、生活習(xí)慣和家庭收入水平等可能是影響農(nóng)村生活污染物產(chǎn)生及排放的主要因素[12]。畜禽養(yǎng)殖污水主要由動物糞便排泄、飼料殘留物、圈舍沖洗廢水等組成[13]。

本文將通過對傳統(tǒng)型和集鎮(zhèn)型農(nóng)村排放污水的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)對比和分析來揭示陽宗海流域不同類型農(nóng)村的污水特征和水質(zhì)狀況。為方便研究,在海晏村和大營村的主要流通溝渠內(nèi)自上游農(nóng)村入水口到下游出水口分別各取了5個采樣點(diǎn),分析各污染物濃度的空間分布特征。

圖2 海晏村監(jiān)測期內(nèi)各污染指標(biāo)值

2.1.1 海晏村

海晏村氮、磷、COD質(zhì)量濃度以及pH值分布特征如圖2所示。海晏村溝渠中水的TP和SRP的質(zhì)量濃度分別為0.04～0.62 mg/L和0.01～0.52 mg/L,平均值分別為0.30 mg/L和0.17 mg/L;TN和NH3-N的質(zhì)量濃度分別為31.32～88.44 mg/L和3.32～28.72 mg/L,平均值分別為53.01 mg/L和13.27 mg/L;COD的質(zhì)量濃度為33.00～194.00 mg/L,平均值為102.20 mg/L;pH值為7.45～8.09。采用城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放二級標(biāo)準(zhǔn)[14](ρ(COD)=100 mg/L,ρ(TP)=3 mg/L,ρ(TN)=20 mg/L(一級B標(biāo)),ρ(NH3-N)=30 mg/L,pH=6～9,以下簡稱國家標(biāo)準(zhǔn))對水質(zhì)單一指標(biāo)進(jìn)行評價,結(jié)果表明:TP、NH3-N和pH均符合國家標(biāo)準(zhǔn),而TN、COD無論是各采樣點(diǎn)含量還是平均值均明顯超過了國家標(biāo)準(zhǔn)。

各指標(biāo)含量主要受村民生活習(xí)慣的影響,如洗衣做飯、畜禽養(yǎng)殖等。有研究[15-16]表明,對排放污水中磷含量影響最大的是洗衣廢水和廚房洗滌廢水;對氮含量影響最大的是圈舍沖洗廢水及畜禽糞便排泄;而對COD貢獻(xiàn)最大的是攜帶人類糞便的沖廁廢水。由圖2可知,氮、磷以及COD排放的時間規(guī)律均表現(xiàn)為上午質(zhì)量濃度低于下午。村民每天的日常生活都要產(chǎn)生大量的洗衣廢水、廚房洗滌廢水以及沖廁廢水,并且在溝渠中沉降后引起污染物的沉積,造成下午質(zhì)量濃度高于上午。H5點(diǎn)由于上午采樣時正好有村民在洗衣服,造成該點(diǎn)的TP含量高于下午。此外,采樣點(diǎn)各污染物的濃度規(guī)律表現(xiàn)為沿著水流方向趨于遞增,在入水口附近的H1點(diǎn)各指標(biāo)均為最小值,直到出水口H5點(diǎn)達(dá)到最大值。

2.1.2 大營村

大營村監(jiān)測期內(nèi)各污染指標(biāo)值如圖3所示。大營村溝渠中水的TP和SRP的質(zhì)量濃度分別為1.09～3.45 mg/L和0.78～2.82 mg/L,平均值分別為2.14 mg/L和1.39 mg/L;TN和NH3-N的質(zhì)量濃度分別為42.12～188.74 mg/L和14.92～34.92 mg/L,平均值分別為116.75 mg/L和23.91 mg/L;COD的質(zhì)量濃度為329～656 mg/L,平均值為461.40 mg/L;pH值為6.53～7.83。結(jié)合表2可知,除pH符合國家標(biāo)準(zhǔn)外,NH3-N有個別采樣點(diǎn)高于國家標(biāo)準(zhǔn),而TP、TN、COD無論是各采樣點(diǎn)質(zhì)量濃度還是其平均值均明顯超過了國家標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 大營村監(jiān)測期內(nèi)各污染指標(biāo)值

由圖3可知,與海晏村相比,大營村的各污染物質(zhì)量濃度并沒有表現(xiàn)出很強(qiáng)的規(guī)律性,但大部分指標(biāo)還是呈現(xiàn)出下午質(zhì)量濃度高于上午的趨勢。實(shí)地采樣時發(fā)現(xiàn),上午8時左右在D4點(diǎn)附近有一小型養(yǎng)殖場正在排放畜禽養(yǎng)殖污水,這是造成在養(yǎng)殖場下游的D4和D5兩點(diǎn)下午氮含量高于上午的主要原因。另外,由于大營村屬于集鎮(zhèn)型農(nóng)村,上午是集市最熱鬧繁華的時間段,這或許也是導(dǎo)致某些采樣點(diǎn)污染物質(zhì)量濃度表現(xiàn)出上午高于下午的一個因素。此外,與海晏村類似,大營村采樣點(diǎn)各指標(biāo)的濃度規(guī)律也表現(xiàn)為沿著水流方向趨于遞增,最小值位于上游,最大值出現(xiàn)在下游農(nóng)村出水口。

2.2 理化指標(biāo)與各污染指標(biāo)的相關(guān)性分析

水體的理化指標(biāo)如pH、氧化還原電位(Eh)、電導(dǎo)率(σ)等因素都會影響各污染指標(biāo)的含量和分布[17]。為進(jìn)一步分析陽宗海流域農(nóng)村污水污染特征的影響因素,將各指標(biāo)的濃度與水體部分理化指標(biāo)作相關(guān)性分析,結(jié)果見表3。

表3 理化指標(biāo)與各污染物濃度的相關(guān)性

注：*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān);**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

由表3可知,海晏村和大營村的各污染物濃度與σ均沒有相關(guān)性,說明σ高低并不是影響農(nóng)村污水中各污染物濃度大小的因素;除了海晏村的TP和大營村的COD,其余指標(biāo)均與pH呈顯著正相關(guān)(n=5,P<0.05),且水體越呈堿性,濃度越高;此外,不論是海晏村還是大營村,所有指標(biāo)均與Eh呈顯著負(fù)相關(guān)(n=5,P<0.05),即水體越呈還原狀態(tài),污染物濃度越高。

以上相關(guān)性分析表明,在陽宗海流域不論是集鎮(zhèn)型還是傳統(tǒng)型農(nóng)村,pH與Eh都是農(nóng)村污水中污染物濃度的重要影響因子。

2.3 不同類型農(nóng)村各污染物濃度差異性分析

2.3.1 分析方法

獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)通過比較兩個不同樣本在某個變量上的差異,看它們之間的差異是隨機(jī)差異還是本質(zhì)上的差異。本文使用SPSS17.0對海晏村和大營村各指標(biāo)濃度等變量進(jìn)行檢驗(yàn),比較分析陽宗海不同類型農(nóng)村之間各指標(biāo)濃度的差異性。

2.3.2 分析結(jié)果

由表4可見,大營村所有指標(biāo)的平均值均明顯高于海晏村,其中TP、SRP、COD 3個指標(biāo)的均值差距極大,分別達(dá)到了海晏村的7.13倍、8.18倍和4.51倍。說明大營村與海晏村的各指標(biāo)濃度具有較強(qiáng)的差異性,但為了檢驗(yàn)這些差異是隨機(jī)樣點(diǎn)間的差異還是整體水平上的差異,需要通過進(jìn)行獨(dú)立樣本的t檢驗(yàn)來驗(yàn)證。

表4 海晏村和大營村統(tǒng)計(jì)量對比

通過檢驗(yàn)可知(表5),不論方差是否相等,TP、SRP、TN、COD的Sig. 值(雙側(cè))都小于0.05,而NH3-N的Sig.值(雙側(cè))都大于0.05,所以可以驗(yàn)證：除了NH3-N沒有顯著差異性外,其余指標(biāo)的濃度在海晏村和大營村均表現(xiàn)出顯著的差異性。由以上獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)的分析結(jié)果可知,陽宗海流域兩個不同類型農(nóng)村的水質(zhì)具有顯著的差異性,并且水質(zhì)污染情況集鎮(zhèn)型農(nóng)村要比傳統(tǒng)型農(nóng)村更為嚴(yán)重。

近些年,農(nóng)村污水的污染問題一直得不到重視,導(dǎo)致農(nóng)村面源污染、湖泊富營養(yǎng)化等環(huán)境問題越來越突出。由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快,集鎮(zhèn)型農(nóng)村的各方面條件都優(yōu)于傳統(tǒng)型農(nóng)村,但由此帶來的生活污水污染問題更為突出,應(yīng)當(dāng)引起環(huán)保部門的高度重視;傳統(tǒng)型農(nóng)村雖然污染情況樂觀,但村民也應(yīng)摒棄生活污水排放習(xí)慣,改變先污染后治理的觀念。

表5 海晏村和大營村各指標(biāo)間的獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)

2.4 水質(zhì)評價

2.4.1 評價方法

采用主成分分析法進(jìn)行水質(zhì)評價。主成分分析法是多元分析方法的一種,是通過恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)變換,使新變量主成分成為原變量的線性組合,并選取少數(shù)幾個在變差總信息量中比例較大的主成分來分析事物的一種方法[18]。該方法的優(yōu)勢是能夠根據(jù)一系列的運(yùn)算步驟得出最終的綜合評價得分,得分越高則說明污染越嚴(yán)重,這能進(jìn)一步驗(yàn)證前文的分析結(jié)果。其主要應(yīng)用步驟如下:

步驟1：建立由m個樣本的n個因子構(gòu)成的原始變量矩陣X[19]。

(1)

步驟2：數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化[20]。對X進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,以消除量綱影響,其標(biāo)準(zhǔn)化公式為

(2)

步驟3：計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣。在標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)矩陣的基礎(chǔ)上計(jì)算原始指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣R。

步驟4：計(jì)算特征根[21]。求相關(guān)系數(shù)矩陣R的特征根λ1≥λ2≥…≥λn,其中λi(i=1,2,…,n)是主成分的方差,表示各個主成分在描述被評價對象上所起作用的大小。

步驟5：確定主成分個數(shù)[22]。根據(jù)累計(jì)方差貢獻(xiàn)率確定主成分個數(shù),通常取貢獻(xiàn)率大于85%來確定主成分個數(shù)。

步驟6：確定主成分表達(dá)式[23]。將初始因子載荷矩陣的數(shù)據(jù)分別除以其對應(yīng)特征根的平方根便可得到特征向量,將其與標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)Zij相乘,便得主成分的表達(dá)式Fj(j=1,2,…,p),即

(3)

式中：向量(a1j,a2j, …,anj)是特征根λj對應(yīng)的特征向量；p為主成分個數(shù)。

步驟7：確定綜合評定函數(shù)[20]。根據(jù)主成分對應(yīng)特征根的貢獻(xiàn)率,得到綜合評價函數(shù)F：

(4)

2.4.2 評價結(jié)果

根據(jù)具體步驟方法并結(jié)合SPSS 17.0,可實(shí)現(xiàn)對海晏村和大營村總共10個采樣點(diǎn)的水質(zhì)評價。

a. 原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果如表6所示。

表6 標(biāo)準(zhǔn)化矩陣

b. 主成分分析。將標(biāo)準(zhǔn)化矩陣經(jīng)SPSS 17.0軟件“降維”處理后,特征值及主成分貢獻(xiàn)率結(jié)果見表7,初始荷載矩陣列于表8。

表7 特征值和主成分貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率

表8 初始因子荷載矩陣

由表7可知,當(dāng)主成分個數(shù)為1個時,其累積方差貢獻(xiàn)率均超過了規(guī)定的85%,所以本研究確定主成分個數(shù)為1。由初始因子荷載矩陣(表8)可知,所有指標(biāo)均在第一成分F1中有較高載荷,說明該成分能反映這些因子的所有信息(包含TP、SRP、TN、NH3-N和COD)。

c. 綜合評價。 在本研究中,由于只得到一個主成分F1,因此可得綜合評價函數(shù)F=F1,并以此計(jì)算各采樣點(diǎn)的主成分得分,結(jié)果列于表9。

F=F1=0.456Zp1+0.462Zp2+0.452Zp3+

0.415Zp4+0.449Zp5

(5)

表9 各采樣點(diǎn)水質(zhì)評價結(jié)果

根據(jù)綜合評價函數(shù)得分可知,在總共10個采樣點(diǎn)中,大營村的下游出水口D5污染最嚴(yán)重,而海晏村上游入水口H1污染最輕,并且其上游入水口D1得分比海晏村下游出水口H5還高。海晏村和大營村的綜合評價得分均表現(xiàn)為沿著水流方向趨于遞增,即污染程度加重,這與前文的分析結(jié)果相同。

3 結(jié) 論

a. 陽宗海流域傳統(tǒng)型農(nóng)村排放的污水中TN、COD濃度明顯超過了國家標(biāo)準(zhǔn),集鎮(zhèn)型農(nóng)村除NH3-N外,其余指標(biāo)均明顯超過了國家標(biāo)準(zhǔn),說明陽宗海流域的農(nóng)村水污染問題較為嚴(yán)重。環(huán)境因子與各指標(biāo)濃度的相關(guān)性分析表明,pH與Eh是農(nóng)村污水中污染物濃度的重要影響因子。不同類型農(nóng)村各污染物濃度差異性分析結(jié)果表明,傳統(tǒng)型和集鎮(zhèn)型農(nóng)村的水質(zhì)具有顯著的差異性。

b. 通過主成分分析法對傳統(tǒng)型和集鎮(zhèn)型農(nóng)村進(jìn)行水質(zhì)評價,結(jié)果表現(xiàn)為:村內(nèi)沿水流方向,水質(zhì)綜合評價得分越來越高,即H1(-2.59)

c. 造成陽宗海流域農(nóng)村污水排放的現(xiàn)狀問題與村民的生活習(xí)慣以及當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門的監(jiān)督密切相關(guān)。集鎮(zhèn)型農(nóng)村污染情況較為嚴(yán)重,環(huán)保部門應(yīng)高度重視水污染的控制;傳統(tǒng)型農(nóng)村的水污染情況雖比前者較好,但村民也應(yīng)當(dāng)摒棄原有生活污水及畜禽養(yǎng)殖廢水的排放習(xí)慣,改變先污染后治理的觀念。

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Pollution characteristics and water quality evaluation of typical rural sewage in winter in Yangzonghai Lake Basin

MEI Hanyi1, LIU Yungen1, 2, LIANG Qibin1, 2, WANG Yan1, 2, HOU Lei1, 2, ZHENG Han1

(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,SouthwestForestryUniversity,Kunming650224,China; 2.ResearchInstituteofRuralSewageTreatment,SouthwestForestryUniversity,Kunming650224,China)

In order to investigate the factors and distribution characteristics of pollution indicators of different types of rural sewage in the Yangzonghai Lake Basin, sewage water was collected from Haiyan (traditional type) and Daying (town type) villages in Yunnan Province, the concentration changes of different pollution indicators and the differences in sewage water quality were studied through analysis of variance, and the water quality was evaluated through principal component analysis. The results show that the concentrations of TN and COD in sewage from Haiyan Village and the concentrations of TP, TN, and COD in sewage from Daying Village significantly exceeded the grade II standard of the Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant (GB18918-2002). The pH value and oxidation-reduction potential were important factors that affect the pollutant concentration in rural sewage. The water quality of the two villages exhibited significant differences. The traditional-type rural water quality was better than the town-type, indicating that the town-type rural sewage will cause a higher risk of pollution in the Yangzonghai Lake Basin.

rural sewage; pollution characteristics; water quality evaluation; Yangzonghai Lake Basin

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.02.013

國家自然科學(xué)基金(51469030，31560237，31560147)

梅涵一(1992—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)闈竦厣鷳B(tài)修復(fù)。E-mail: mhyaqq@163.com

劉云根,副教授。E-mail: henryliu1008@163.com

X522

A

1004-6933(2017)02-0067-07

2016-05-23 編輯：徐 娟)