美人蕉、水芹處理農(nóng)村生活污水應(yīng)用研究

楊秀平, 鄒海明

(安徽科技學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 鳳陽 233100)

目前,在環(huán)境污染中,農(nóng)業(yè)污染所占比重逐漸上升[1]?！?018中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》中農(nóng)業(yè)面源污染部分指出,全社會用水總量中,農(nóng)業(yè)用水量所占比重為62.4%。解決農(nóng)業(yè)面源污水問題,成為解決全社會范圍水污染問題的重點(diǎn)。農(nóng)村生活污水是農(nóng)業(yè)面源污染的重要組成部分,具有成分復(fù)雜、氮磷含量高、集中處理難度大等特點(diǎn),而將其資源化利用是較好的處理方式[2-4]?？紤]到農(nóng)村污染源分散資金有限、技術(shù)水平較低、管理人員不足等客觀因素,并不適用以城市污水處理技術(shù)(如活性污泥技術(shù)、曝氣生物濾池技術(shù)、膜生物反應(yīng)器技術(shù)等)[5-7]。利用水生植物凈化農(nóng)村生活污水,既能改善農(nóng)村生活環(huán)境,又能修復(fù)農(nóng)村生態(tài),符合鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略中“生態(tài)宜居”要求。減輕農(nóng)村環(huán)境保護(hù)的壓力,具有十分廣闊的研究前景[8-9]。

國內(nèi)外對處理農(nóng)村污水的水生植物的研究中,觀賞型水生植物美人蕉和經(jīng)濟(jì)型水生植物水芹皆被證明凈化農(nóng)村生活污水的能力出眾。殷志平等[10]、Calheiros等[11]和Yadav等[12]通過研究得出作為人工濕地植物的美人蕉,對污水中磷、氨氮、COD等各種污染物的凈化效果良好。孫鵬等[13]通過將美人蕉作為浮床植物的凈化污水的試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)夏季美人蕉凈化能力強(qiáng),適合冬季植物混種搭配。韓璐瑤[14]、呂錫武等[15]經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在冬春季節(jié)條件下,水芹濾床對農(nóng)村生活污水凈化效果較好,且具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

目前，對于美人蕉、水芹兩種植物處理農(nóng)村生活污水的研究,集中于在作為人工濕地內(nèi)部做成部分參與污水凈化,但在人工浮島模式下,探索不同水力條件對兩種植物處理農(nóng)村生活污水的研究少見報道。本文擬研究不同污水濃度和水力停留時間因素,對人工浮島模式培養(yǎng)的兩種典型水生植物美人蕉、水芹處理農(nóng)村生活污水效果的影響。為處理農(nóng)村污水、改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的水生植物的選擇,以及人工浮島、人工濕地技術(shù)的推廣和發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試水生植物為美人蕉幼苗(平均高度30 cm,購于江蘇宿遷盛悅花卉苗木園藝場),和水芹幼苗(平均高度17 cm,購于安徽蕪湖愛家種植苗圃)。供試儀器為可見分光光度計(上海精密儀器儀表有限公司)和總有機(jī)碳分析儀(島津TOC-L系統(tǒng))供試農(nóng)村生活污水由試驗(yàn)室模擬配制,其主要成分見表1。

表1 農(nóng)村生活污水成分

注：表中所示污水濃度為氨氮濃度20 mg/L、磷濃度2 mg/L、總有機(jī)碳濃度10 mg/L條件下的污水組成。試驗(yàn)設(shè)計中NH4Cl濃度梯度為38.16 mg/L、95.4 mg/L、152.64 mg/L;KH2PO4濃度梯度為4.49 mg/L、8,98 mg/L、13.47 mg/L;K2HPO4·3H2O濃度梯度為7.35 mg/L、14,7 mg/L、22.05 mg/L;CH3COONa·3H2O濃度梯度為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 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)始于2019年3月,歷時2個月。在室內(nèi)避雨、光照較充足條件下,按照人工浮島模式處理農(nóng)村生活污水。將美人蕉、水芹按相近生長情況分別均分為3組,每組內(nèi)美人蕉3株、水芹5株。按試驗(yàn)設(shè)計濃度,配制1 L的污水(含營養(yǎng)液)置于容積為2 L的桶中,將植物定植于其中水培,置于試驗(yàn)室避雨的窗臺上自然生長。

為探索污水濃度(氨氮、磷、總有機(jī)碳)和水力停留時間因素對美人蕉、水芹兩種植物凈化模擬農(nóng)村生活污水的效果,試驗(yàn)設(shè)計如表2～4。

表2 氨氮、磷因素試驗(yàn)設(shè)計

表3 總有機(jī)碳因素試驗(yàn)設(shè)計

表4 水力停留時間因素試驗(yàn)設(shè)計

1.3 分析測定

每輪試驗(yàn)固定時間取樣,經(jīng)攪拌后在污水中層取樣50 mL,檢測水樣中氨氮(NH3-N)、磷(P)、總有機(jī)碳(TOC)項(xiàng)目指標(biāo)的含量,保存?zhèn)溆谩H3-N的測定方法為水楊酸鹽分光光度法(HJ536-2009);P的測定方法為鉬銻抗分光光度法(GB11893-89);TOC用總有機(jī)碳分析儀測定[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 氨氮濃度對美人蕉、水芹處理農(nóng)村生活污水效果的影響

圖1 兩種植物處理不同氨氮濃度農(nóng)村生活污水的(a)氨氮濃度變化和(b)磷去除率變化(HRT=3 d)

圖1顯示美人蕉和水芹處理農(nóng)村生活污水氨氮污染物的效果與污水中初始氨氮濃度呈現(xiàn)一定的相關(guān)性。由圖1(a)氨氮濃度變化圖可知,美人蕉和水芹處理初始氨氮濃度水平為10、25 mg/L的污水,隨水力停留時間增長其濃度不斷下降;當(dāng)污水中的初始氨氮濃度水平增至40 mg/L時,污水中的氨氮濃度則隨著水力停留時間的增長而上升。兩種植物處理氨氮濃度為10 mg/L的污水,在HRT為1、3 d時,水芹的氨氮濃度和美人蕉顯著不同。

由圖1(b)氨氮去除率變化圖可知,在HRT為3 d,氨氮進(jìn)水濃度梯度為10、25、40 mg/L的情況下,美人蕉的去除率分別為21.50%、9.35%、-2.79%(去除率為負(fù)值可能是美人蕉根部殘余土壤中所含的氨氮，進(jìn)入污水中所致);水芹的去除率分別為91.57%、12.40%、0.48%,污水初始濃度與兩種植物對氨氮的去除效果呈線性關(guān)系,去除率隨氨氮濃度升高而下降。

2.2 磷濃度對美人蕉、水芹處理農(nóng)村生活污水效果的影響

圖2 兩種植物處理不同磷濃度農(nóng)村生活污水的(a)磷濃度變化和(b)磷去除率變化(HRT=3 d)

圖2顯示美人蕉和水芹處理農(nóng)村生活污水中磷污染物的效果受污水中初始磷濃度的影響。由圖2(a)磷濃度變化可知,隨水力停留時間(HRT)的增長,美人蕉和水芹處理的污水中,磷濃度大部分情況下均穩(wěn)定下降。水芹處理初始磷濃度為4 mg/L和6 mg/L的污水時,污水中磷濃度隨HRT先上升后下降。兩種植物處理磷濃度為6 mg/L的污水,在HRT為1、3 d時,水芹的磷濃度和美人蕉顯著不同。

由圖2(b)磷去除率變化可知,在HRT為3 d,在磷進(jìn)水濃度梯度為2、4、6 mg/L的情況下,美人蕉的去除率分別為33.47%、21.75%、38.28%;美人蕉的去除效果隨初始磷濃度增長先下降后上升。水芹的去除率分別為34.36%、32.58%、20.47%。對磷的去除效果隨初始磷濃度上升而逐漸下降。

2.3 總有機(jī)碳濃度對美人蕉、水芹處理農(nóng)村生活污水效果的影響

圖3 兩種植物處理不同總有機(jī)碳濃度的農(nóng)村生活污水的(a)總有機(jī)碳濃度變化和(b)總有機(jī)碳去除率變化(HRT=3 d)

圖3顯示美人蕉和水芹處理農(nóng)村生活污水中有機(jī)污染物的效果受污水中初始總有機(jī)碳濃度的影響。由圖3(a)總有機(jī)碳濃度變化可知,隨水力停留時間(HRT)的增長,美人蕉處理初始總有機(jī)碳濃度為10 mg/L和20 mg/L的污水時,污水中總有機(jī)碳濃度隨HRT的增長而上升,處理初始總有機(jī)碳濃度為40、60和80 mg/L的污水時,污水中總有機(jī)碳濃度隨HRT的增長先上升后下降,處理初始總有機(jī)碳濃度為100 mg/L的污水時,污水中總有機(jī)碳濃度隨HRT的增長而下降;水芹處理初始總有機(jī)碳濃度為10 mg/L和20 mg/L的污水時,污水中總有機(jī)碳濃度隨HRT的增長而上升,處理初始總有機(jī)碳濃度為40、60、80和100 mg/L的污水時,污水中總有機(jī)碳濃度隨HRT的增長而下降。

由圖3(b)總有機(jī)碳去除率變化可知HRT為3 d時,處理不同總有機(jī)碳(TOC)濃度的污水,美人蕉對TOC的去除率隨TOC濃度增大而上升;水芹對TOC的去除率隨TOC濃度增大先上升后有所下降。在總有機(jī)碳進(jìn)水濃度梯度為10、20、40、60、80、100 mg/L的情況下,美人蕉的去除率分別為-141.20%、-34.88%、41.24%%、87.21%、87.77%、90.62%,平均去除率為21.79%;水芹的去除率分別為-103.40%、-70.18%、46.10%、84.59%、87.40%、84.15%,平均去除率為21.44%。(美人蕉、水芹對前期10 mg/L、20 mg/L總有機(jī)碳濃度污水的去除率為負(fù)值，可能是前期植物根部殘余土壤中所有機(jī)碳的物質(zhì)，進(jìn)入污水中所致)。

2.4 水力停留時間對美人蕉、水芹處理農(nóng)村生活污水效果的影響

圖4 兩種植物處理不同水力停留時間條件下的農(nóng)村生活污水的去除率變化(C(NH3-N)=25 mg/L、C(P)=6 mg/L)

由圖4可知,美人蕉和水芹處理農(nóng)村生活污水中氨氮、磷污染物的效果受水力停留時間(HRT)的影響。在處理初始氨氮濃度為25 mg/L、初始磷濃度為6 mg/L的污水時,隨著HRT隨3、4、5 d梯度的增長,在氨氮去除效果方面,美人蕉去除率為8.38%、8.68%、52.24%,隨HRT的增長而上升,水芹的去除率為23.64%、56.42%、42.46%,隨HRT的增長先上升后下降;在磷的去除效果方面,美人蕉去除率為15.08%、42.50%、65.33%,隨HRT的增長而不斷上升,水芹的去除率為33.25%、29.42%、44.92%,隨HRT的增長先下降后上升。

3 結(jié)論與討論

美人蕉、水芹對農(nóng)村生活污水中各污染物的去除效果易受污水濃度因素的影響。美人蕉和水芹對氨氮的去除率均隨氨氮濃度的增大而下降。當(dāng)污水初始氨氮濃度增至40 mg/L時,兩種植物的凈化效果較差。在其它較高氨氮濃度條件下,水生植物的處理效果也被證明存在脅迫現(xiàn)象[16-17]。美人蕉的對磷的去除率,則隨磷濃度的增大則先下降后上升,水芹對磷的去除效果與磷濃度呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系,隨著磷濃度增大,水芹的去除率不斷下降。美人蕉和水芹對總有機(jī)碳的去除率與總有機(jī)碳濃度呈現(xiàn)一定的相關(guān)性。兩種植物處理較高總有機(jī)碳濃度(40、60、80、100 mg/L)污水的效果要好于較低總有機(jī)碳濃度(10、20 mg/L)的污水。美人蕉的去除率隨總有機(jī)碳濃度的增大一直持續(xù)上升,水芹的去除率在總有機(jī)碳濃度增至80 mg/L時升至最大,之后開始下降。此外,試驗(yàn)前期美人蕉、水芹的葉片保持發(fā)黃的狀態(tài),尚未適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境,對處理污水的效果也有一定影響[18]。

美人蕉、水芹對農(nóng)村生活污水的處理效果也明顯受水力停留時間因素的影響,張燕等[19]和范遠(yuǎn)紅等[20]也有相似的結(jié)論。對于初始氨氮濃度為25 mg/L的污水的處理情況,美人蕉的去除率隨HRT的增長不斷升高,水芹的去除率在HRT為4 d時增至最大,隨后下降。對于初始磷濃度為6 mg/L的污水的去除情況,美人蕉對磷去除率隨HRT的增長而不斷上升,水芹對磷去除率隨HRT的增長先下降后上升。

美人蕉、水芹對農(nóng)村生活污水中同種污染物的處理能力具有差異。比較所得對試驗(yàn)中各污染物的去除率數(shù)據(jù)可知,當(dāng)污水中氨氮濃度在10～40 mg/L之間時,水芹的凈化效果要好于美人蕉;當(dāng)污水中初始磷濃度在2～6 mg/L之間時,美人蕉的凈化效果要好于水芹,在較低氨氮、磷濃度的鄉(xiāng)村河道污水中,亦有此現(xiàn)象存在[21];當(dāng)總有機(jī)碳濃度在10～100 mg/L之間時,美人蕉和水芹的去除效果均較好且相近。

觀賞類水生植物美人蕉和蔬菜類水生植物水芹,對農(nóng)村生活污水的處理效果較好,廣泛應(yīng)用于農(nóng)村水環(huán)境修復(fù)的各項(xiàng)技術(shù)中。污水濃度、HRT對這兩種植物處理污水的效果具有一定的影響,且不同植物對同種污染物的處理能力也具有差異性。因此,選用美人蕉、水芹處理農(nóng)村生活污水時,要根據(jù)當(dāng)?shù)匚鬯臐舛取⒅饕廴疚锓N類和所選技術(shù)處理時間等特點(diǎn),謹(jǐn)慎選擇適宜的植物種類,以求得到最佳處理效果。