高婷 張震邦 吳啟堂

摘要：針對(duì)農(nóng)村生活污水處理難、基建投資成本高、技術(shù)復(fù)雜等問(wèn)題，以廣州市岑村河污水為例，開展了農(nóng)村生活污水排放期間種植皇竹草（Pennisetum sinese Roxb）和美人蕉（Canna indica L.）處理污水的靜態(tài)試驗(yàn)。結(jié)果表明，與不種植植物的對(duì)照相比，種植皇竹草和美人蕉處理的總氮（TN）、總磷（TP）的去除率分別提高了43.01、41.70和61.62、60.44個(gè)百分點(diǎn)，且種植皇竹草對(duì)污水的凈化效果優(yōu)于種植美人蕉，皇竹草對(duì)污水中化學(xué)需氧量（COD）、總磷、氨氮、總氮的去除率分別為79.86%、99.83%、98.86%、98.14%，而美人蕉則分別為57.51%、98.65%、98.18%、96.83%。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村生活污水;凈化;皇竹草（Pennisetum sinese Roxb）;美人蕉（Canna indica L.）;靜態(tài)試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：X703 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2020）01-0039-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.01.008 ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract： In response to the difficulties in rural sewage treatment， high investment costs in infrastructure， and complex technology， the static test of wastewater from sewage treatment in the Cencun river， Guangzhou city， was carried out to simulate the discharge time of rural household sewage， and the treatment of sewage with the planting of Pennisetum sinese Roxb and Canna generalis L. was conducted. The results showed that compared with the control treatment， the removal rates of ammonia nitrogen， total nitrogen （TN） and total phosphorus （TP） of planting Pennisetum sinese Roxb and Canna generalis L. increased by 43.01，41.70 and 61.62， 60.44 percent， respectively， and the treatment of Pennisetum sinese Roxb was better than the treatment of planting Canna generalis L.. The removal rates of COD， TP， ammonia nitrogen， and TN in wastewater of Pennisetum sinese Roxb were 79.86%， 99.83%， 98.86% and 98.14%， respectively， while the Canna generalis L. was 57.51%， 98.65%， 98.18% and 96.83%， respectively.

Key words： rural domestic sewage; purification; Pennisetum sinese Roxb; Canna generalis L.; static test

中國(guó)農(nóng)村人口眾多，生活污水排量不斷增大[1]。同時(shí)，生活污水未經(jīng)任何處理被肆意排放，農(nóng)村生態(tài)環(huán)境遭受極大破壞[2]，人們身體健康和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展受到嚴(yán)重影響[3]。未經(jīng)過(guò)處理的生活污水自流到地勢(shì)低洼的河流、湖泊和池塘等地表水體中，嚴(yán)重污染各類水源;另外，肆意排放的生活污水容易引發(fā)疾病傳染，導(dǎo)致患病地區(qū)傳染病以及人畜共患疾病的暴發(fā)與傳播。為了解決目前生活污水的處理難題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究[4-8]。本試驗(yàn)比較了皇竹草（Pennisetum sinese Roxb）和美人蕉（Canna indica L.）對(duì)岑村河污水的pH、溶解氧（DO）、化學(xué)需氧量（COD）、總氮、硝態(tài)氮、氨氮、總磷的變化情況，以及研究植物在脫氮除磷中的作用大小和機(jī)理探討，以期為生活污水處理提供參考。

1 ?材料與方法

1.1 ? 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在通風(fēng)有光照的室外進(jìn)行，頂部有遮雨。試驗(yàn)采用藍(lán)色塑料筐（長(zhǎng)、寬、高分別為43.5、32.5、16.5 cm），上面均用泡沫板覆蓋，每塊泡沫板上分別開7個(gè)孔，其中6個(gè)孔用于定植植物（縫隙用小泡沫填塞密封），1個(gè)孔用于取水樣監(jiān)測(cè)。對(duì)照處理只開1個(gè)取樣孔。取樣孔在不取樣時(shí)均遮蓋，如圖1所示。試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理，處理1和處理2分別種植皇竹草和美人蕉，而處理3不種植植物（即對(duì)照處理）。

試驗(yàn)開始（進(jìn)水為第1天）后，分別在第1、3、5、7、9、11天取樣測(cè)定污水的溶解氧（DO）、pH、化學(xué)需氧量（COD）、總磷（TP）、總氮（TN）、氨氮、硝態(tài)氮。試驗(yàn)結(jié)束后，稱量植物增重量，洗凈烘干后測(cè)植物含水率及其氮、磷含量[9]。試驗(yàn)過(guò)程中不外加水，所以種植植物的處理由于植物的生長(zhǎng)會(huì)消耗一部分水分，使水量減少，所以每次取樣測(cè)定時(shí)，同時(shí)也測(cè)量水深。

1.2 ?試驗(yàn)污水

岑村河起于華南植物園，注入珠江，經(jīng)華南農(nóng)業(yè)大學(xué)第五教學(xué)區(qū)、荷園飯?zhí)?、躍進(jìn)南和躍進(jìn)北學(xué)生公寓，是一條橫貫躍進(jìn)區(qū)學(xué)生學(xué)習(xí)、生活區(qū)域的河流。車陂涌是廣州市六大重點(diǎn)河涌治理之一，全長(zhǎng)25.4 km，是天河區(qū)流域面積最大的河涌，流經(jīng)天河區(qū)6條街道，影響人口多達(dá)20余萬(wàn)人。岑村河是車陂涌在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的一段，其污染主要來(lái)自河邊的生活垃圾和生活污水，也有部分來(lái)自舊磚廠、紙廠、家具廠的工廠廢液;流經(jīng)華南農(nóng)業(yè)大學(xué)一段也受到了學(xué)校食堂的污水影響[10]。岑村河常年發(fā)臭，河道沙化，水質(zhì)渾濁，不僅影響到城市美觀和附近的空氣質(zhì)量，也影響到附近居民的健康。在2012年5月至2013年3月水質(zhì)監(jiān)測(cè)期間，污水水質(zhì)DO為0～0.68 mg/L，pH為7.23～7.82，COD為32.00～107.70 mg/L，氨氮為10.45～51.64 mg/L，硝態(tài)氮為0.08～1.24 mg/L，總氮為11.76～100.50 mg/L，總磷為1.01～3.67 mg/L。

1.3 ?試驗(yàn)用水

試驗(yàn)用水是取自岑村河靜置0.5 h取上清液的污水。原污水DO為0.24 mg/L，pH為7.53±0.09，COD為（58.22±6.18） mg/L，氨氮為（33.24±0.99） mg/L，硝態(tài)氮為（0.42±0.01） mg/L，總氮為（35.37±0.69） mg/L，總磷為（1.75±0.01） mg/L。

1.4 ?試驗(yàn)用植物

植物的選取方法：①美人蕉挑選植株（具根）高度為15～20 cm的幼苗[11]。②皇竹草挑選較成熟的植株，選取健康、無(wú)病蟲害的莖稈為種節(jié)，先撕去包裹腋芽的葉片，用刀切成小段，每段保留兩個(gè)節(jié)[12]。③將美人蕉幼苗和皇竹草帶節(jié)段用稀釋1倍的岑村河水育苗7 d左右，皇竹草帶節(jié)段已發(fā)芽長(zhǎng)葉，兩種植物已適應(yīng)水中環(huán)境，再換成不稀釋的岑村河水繼續(xù)育苗，使植物更好地適應(yīng)污水環(huán)境，然后挑選長(zhǎng)勢(shì)健康的美人蕉和皇竹草進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)開始時(shí)定植的皇竹草和美人蕉的鮮重分別為（1.53±0.13） kg和（1.53±0.03） kg。

1.5 ?水樣分析方法

1.5.1 ?水質(zhì)分析方法 取回的水樣在4 ℃以下進(jìn)行冷藏，并且在24 h內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)《水質(zhì)分析方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)匯編》（1996年）測(cè)定水質(zhì)，其中，COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定;DO采用溶解氧便攜儀測(cè)定;TN采用過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測(cè)定;TP采用鉬銻抗分光光度法測(cè)定;NH4+-N采用納式試劑比色法測(cè)定;NO3--N采用酚二磺酸分光光度法測(cè)定;pH采用電極法測(cè)定。各指標(biāo)去除率計(jì)算公式：去除率=（原污水污染物濃度×原污水體積-第n天污水污染物濃度×第n天污水體積）/原污水污染物濃度×原污水體積。

植物樣品按照文獻(xiàn)[13]的方法把收獲部分的植株洗凈、烘干、粉碎，備測(cè)。植物TN采用H2SO4-H2O2消化-蒸餾法測(cè)定;TP采用H2SO4-H2O2消化-鉬銻抗比色法測(cè)定。

1.5.2 ?統(tǒng)計(jì)分析方法 ?用Excel 2003對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和作圖，采用SAS 9.1軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、多重比較（Duncan法）和t檢驗(yàn)，并采用P<0.05的顯著水平。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?皇竹草和美人蕉對(duì)污水處理的效果

2.1.1 ?DO的變化情況 ?水中溶解氧的高低是衡量水體自凈能力的一個(gè)指標(biāo)[14]。本試驗(yàn)DO在8：00取樣時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，使用的原污水處于缺氧狀態(tài)，溶解氧為0.24 mg/L。

從圖2可以看出，3個(gè)處理的污水中DO均是先降后升。這主要是因?yàn)榻?jīng)過(guò)遮光和密封，大大減少了空氣中氧氣在水中的溶解，同時(shí)，由于污水中污染物的自然降解和生物（包括微生物或植物）的生命活動(dòng)消耗了水中的溶解氧[15]。隨著污染物的減少，污水中的DO普遍有所上升。對(duì)照處理DO總是高于植物處理。種植有皇竹草處理的污水DO總是高于種植美人蕉處理的，可能是由于皇竹草屬于禾本科植物，其根部泌氧作用強(qiáng)于屬于草本植物的美人蕉。

2.1.2 ?硝態(tài)氮的變化情況 ?從圖3可以看出，對(duì)照的硝態(tài)氮含量隨時(shí)間延長(zhǎng)大幅度增加，第11天硝態(tài)氮的總量比原污水增加了31.63倍。植物處理硝態(tài)氮總量變化的原因主要有植物的吸收，使硝態(tài)氮減少;硝化反應(yīng)使硝態(tài)氮增加;反硝化反應(yīng)使硝態(tài)氮減少。美人蕉處理硝態(tài)氮的累積量大于皇竹草處理。植物處理水質(zhì)均保持在厭氧缺氧狀態(tài)，有助于厭氧反硝化的進(jìn)行。

2.1.3 ?氨氮的凈化效果 ?試驗(yàn)中氨氮的去除主要靠氨氮硝化和植物吸收。從圖4可以看出，第11天對(duì)照、皇竹草、美人蕉3個(gè)處理氨氮的累積去除率分別為97.42%、98.86%、98.18%。

2.1.4 ?pH的變化情況 ?從圖5可以看出，由于水中存在氨氮和其他弱堿性物質(zhì)，污水初始pH達(dá)到7.53左右。從硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)的機(jī)理可以看出，硝化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生酸，反硝化反應(yīng)產(chǎn)生堿[16]。對(duì)照處理的污水pH隨著時(shí)間逐漸降低，從硝態(tài)氮總量的變化（圖3）也可以看出，對(duì)照處理的硝化反應(yīng)強(qiáng)于反硝化反應(yīng)，水中酸增加。種植有植物的處理，由于硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)交替進(jìn)行，pH有所波動(dòng)。同時(shí)，植物的生長(zhǎng)過(guò)程中根系分泌有機(jī)酸也會(huì)影響pH的變化。在監(jiān)測(cè)期間，植物處理pH維持在6.64～7.29。

2.1.5 ?COD的凈化效果 ?從圖6可以看出，3個(gè)處理的COD的累積去除率均隨時(shí)間延長(zhǎng)不斷升高，種植皇竹草和對(duì)照的COD的累積去除率相近，且均高于種植美人蕉處理，第11天3個(gè)處理的COD累積去除率對(duì)照、種植皇竹草處理、種植美人蕉處理分別為89.07%、79.86%、57.51%。

在植物生長(zhǎng)過(guò)程中，根系會(huì)向生長(zhǎng)介質(zhì)中分泌大量的有機(jī)物，如有機(jī)酸和氨基酸等。同時(shí)，根系表皮細(xì)胞在新陳代謝的作用下被微生物分解為腐殖質(zhì)，這些腐殖質(zhì)包含胡敏酸、富里酸和胡敏素等。這些分泌物和腐殖質(zhì)中有一系列功能團(tuán)，對(duì)水中污染物起到一個(gè)吸附、過(guò)濾和沉淀的作用，同時(shí)也可以為污水中的微生物提供碳源，促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)，但這些有機(jī)碳也可能會(huì)導(dǎo)致出水COD濃度上升[17]。所以，植物處理對(duì)COD去除效果低于對(duì)照處理，而美人蕉處理對(duì)污水COD的去除效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于皇竹草處理。

2.1.6 ?TN的凈化效果 ?從圖7可以看出，植物有利于污水總氮的降解。第11天皇竹草處理和美人蕉處理對(duì)TN的累積去除率分別達(dá)到98.13%和96.82%，而對(duì)照僅為55.13%。這說(shuō)明植物有利于污水總氮的降解，一方面是因?yàn)橹参锷L(zhǎng)需要吸收氮，另一方面也是因?yàn)橹参镉欣谖⑸锏纳L(zhǎng)，根際泌氧作用所形成的微環(huán)境有利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行，而污水一直處于厭氧缺氧狀態(tài)又有利于反硝化反應(yīng)的進(jìn)行。

2.1.7 ?TP的凈化效果 ?從圖8可以看出，第11天TP的去除效果從大到小依次為種植皇竹草處理、種植美人蕉處理、對(duì)照，且去除率分別為99.83%、98.65%、38.21%。由于植物的生長(zhǎng)需要吸收磷，而且植物根部由于有泌氧作用和分泌有機(jī)酸等有利于微生物的生長(zhǎng)[18]，所以相較于對(duì)照，植物處理對(duì)總磷的去除效果更好。

2.2 ?植物對(duì)N、P的攝取作用

2.2.1 ?對(duì)N的攝取作用 ?試驗(yàn)污水中氮的去除主要依靠植物的吸收和微生物的硝化-反硝化作用[19]。植物生長(zhǎng)所吸收的氮量與植物的生物量和植物的種類密切相關(guān)。從表1可以看出，11 d內(nèi)，皇竹草從污水中吸收的氮量比美人蕉的要少，只占了污水總氮去除量的26.23%，而美人蕉吸收的氮量達(dá)到267.80 mg，占污水總氮去除量的38.68%。美人蕉從污水中直接吸收的氮量大于皇竹草的，其原因是美人蕉的生物量11 d的增量雖比皇竹草多，但就植物本身的含氮量皇竹草是美人蕉的1倍多。11 d內(nèi)，種植有皇竹草的處理污水中硝化-反硝化去除的氮量為528.50 mg，比美人蕉多了104.00 mg。

2.2.2 ?對(duì)P的攝取作用 ?由于試驗(yàn)過(guò)程中，種植有植物處理的污水DO均是處于厭氧或缺氧狀態(tài)，不利于聚磷菌對(duì)磷的吸收降解[20]，試驗(yàn)過(guò)程磷的降解主要依靠植物的吸收去除。從表2可以看出，11 d內(nèi)，皇竹草吸收的磷達(dá)到36.10 mg，占磷總?cè)コ康?9.83%;而美人蕉吸收的磷為34.69 mg，占磷總?cè)コ康?9.11%。

3 ?結(jié)論

挺水植物與水中的藻類都能吸收水生環(huán)境中的氮和磷等營(yíng)養(yǎng)元素，兩者存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，種植挺水植物能抑制藻類生長(zhǎng)。本試驗(yàn)所用的植物皇竹草和美人蕉均屬挺水植物，具有較強(qiáng)的抗逆性和水環(huán)境適應(yīng)能力。由于挺水植物生物量較大，且凈化效率高，適合用作污染水體凈化。兩種植物在水中都能長(zhǎng)出茂密的根系，不僅有利于吸收污水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)用于生長(zhǎng)，同時(shí)，發(fā)達(dá)的植物根部通過(guò)泌氧能力，將氧氣輸送到植物根際，有利于各種微生物附著繁殖，促進(jìn)污染物的降解。

通過(guò)靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果分析，美人蕉和皇竹草都有助于提高污水的凈化效果，能大大提高污水中氮、磷的去除效果，而且隨時(shí)間延長(zhǎng)，效果越明顯。通過(guò)11 d水力停留時(shí)間，皇竹草和美人蕉對(duì)總氮、總磷的去除率比不種植植物的對(duì)照分別提高了43.01、41.70和61.62、60.44個(gè)百分點(diǎn);且皇竹草對(duì)污水中COD、TP、氨氮、TN的去除效果均優(yōu)于美人蕉處理，凈化效果較優(yōu)。隨污水停留時(shí)間的延長(zhǎng)，污染物去除的效果越明顯?；手癫莞欣谙趸?反硝化脫氮的進(jìn)行。

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