沉水植物在農村分散生活污水處理方面的研究進展與工程案例

蘇蕾　喬毅　林濤

摘 要：沉水植物塘作為生態處理工藝，對推進農村分散生活污水處理有重要意義。現階段，沉水植物系統在污水處理上的研究取得了一定進展，特別是污染物去除機理研究，同時也篩選了一批能用作污水處理的沉水植物種類。在實際運用中，以沉水植物穩定塘為主體工藝的農村分散生活污水處理項目能有效的處理受納的污水，處理后水質指標達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準。

關鍵詞：沉水植物；穩定塘；農村分散生活污水；污水處理；生態處理

引言

隨著社會發展和環保意識的提升，對農村水環境污染問題的關注日益提高，治理農村污水的需求也越來越迫切。當前，中國大部分農村地區污水收集系統不完善，廢水處理設施缺乏，污水任意排放，導致農村周邊水環境污染嚴重，水體氮、磷超標出現富營養化的問題[1]。有研究表明生活污水和農田的氮、磷流失是造成水體富營養化的主因，而工業廢水對總氮（TN）、總磷（TP）的貢獻率僅占10%-16%[2]。針對農村污水排放量小、波動大、可生化性好等特點，借鑒國外經驗，我國采用了農村分散生活污水處理方式，推進農村污水治理[3]。

穩定塘作為一種常用的生態處理工藝，在農村分散生活污水處理中具有建設費用低、出水水質較穩定、運行費用低廉和維護管理較常規處理容易的優點，同時，在許多村落中普遍存在一些接納污水的魚塘，污水通過原有的溝渠排放到魚塘，因此可以利用、改造這些魚塘而不需要額外的用地和管網建設。

然而，采用穩定塘作為主體技術在農村分散生活污水處理應用方面有其不足之處，主要是穩定塘的污染負荷低。這導致穩定塘需要占用較多的面積，同時，也導致了污染物的去除能力也較低，所以實際處理效率較常規處理技術要低[3]。因此，如何提高穩定塘的處理效率是當前研究的重要課題之一，也對推進農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域應用廣泛，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，對透明度的維持、水質的穩定有重要作用。因此，以沉水植物為主導的沉水植物系統較多的應用在受污染水體的富營養化的修復，并且取得了不錯的效果[8-11]。

因此，不少研究[1，5，12-14]嘗試將沉水植物引入到穩定塘中，構建沉水植物穩定塘來處理農村污水，取得了一定的進展。

1 沉水植物系統污染物去除機理

農村生活污水主要特點是COD含量低而氮、磷等營養物質含量相對較高。沉水植物主要通過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，促進好氧微生物降解水體中的氮、磷和有機營養物。除此之外，沉水植物還能直接吸收水體中的營養物質，有效降低污水中的氮、磷等營養物質含量水平[15]。

1.1 氮去除機理

研究表明，沉水植物系統的氮去除過程與自然界氮循環中氮從水體中輸出過程類似[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、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僅占試驗氧化塘總氮量的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發現，沉水植物塘去除率與對照塘接近，但對照塘實際為一個藻糖，故其認為沉水植物塘與藻糖的氮去除機制相近[14]。一般認為，沉水植物提供的大量氧氣、棲息場所以及一些促進微生物活動的分泌物，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]，但也有試驗研究認為沉水植物對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 磷去除機理

與氮去除過程類似，磷的去除與自然過程類似，主要是依靠化學的沉淀作用，而植物吸收的作用不明顯，趙安娜等對沉水植物氧化塘處理污水廠尾水的機制小試研究[13]發現，沉水植物對磷的直接吸收量只占到氧化塘總磷量的1.77%，而通過化學沉淀和基質吸附進入基質而去除的總磷量達到氧化塘總磷量的70%以上。朱平等[14]研究發現，對照藻塘磷去除率與沉水植物塘去除率接近。Gao等對東湖的沉水植物系統的磷去除過程研究也發現了類似的結果，有沉水植物組磷去除率介于70%到90%，但是對照組也有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程，同時Gao等也推測，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這一過程的作用[17]。但是，任文君等試驗發現，沉水植物系統磷去除機制與植物種類有關，一類植物以植物吸收為主要去除途徑（金魚藻和黑藻），一類植物以沉淀吸附為主要去除方式（馬來眼子菜和篦齒眼子菜）[16]。

1.3 對DO的影響機理

現有研究均顯示沉水植物對水體的DO提高有顯著作用，主要是因為沉水植物能夠進行光合作用，產生氧氣釋放到水中，使得水體的溶解氧得到提高[12-14，16，18]。

1.4 對COD的去除機理

研究認為，COD的去除主要是依靠沉水植物提高水體中的溶解氧，促進水體中的好氧微生物氧化分解有機物，沉水植物再將產生的二氧化碳吸收用作光合作用，合成為自身的物質，使水體中的有機物發生轉移[12-14，16，18]。因此，實際上，水體中的COD并沒有完全去除，而是轉移到植物體內。

1.5 對SS的去除機理

研究證實，沉水植物能夠分泌助凝物質，促進水體中懸浮藻類和顆粒的沉降，這種現象主要是沉水植物為了提高透明度，增加光照強度的與藻類競爭的手段，但是間接促進了SS的去除[13，16，18，19]。

2 運用于污水處理的沉水植物種類

經過大量研究和實際案例運用篩選，能用于污水處理的沉水植物主要有黑藻、金魚藻、苦草、伊樂藻、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。一些實驗室研究表明，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，而對底泥影響小，同時，輪葉黑藻生長至水面上時會形成遮蔽帶，對其他沉水植物形成遮蔽，搶奪光照[20]。任文君等研究表明，黑藻對氮的去除方式主要是依靠植物吸收[16]，對磷的去除方式主要是依靠沉降吸附。但趙安娜等試驗結果顯示，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 金魚藻

金魚藻分類上屬于金魚藻科金魚藻屬。試驗研究表明，相對于對照無植被水體，金魚藻水體的氮、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，金魚藻沒有真正意義上的根，因此對水體的作用大于對底泥的作用。金魚藻對氮、磷的去除方式均以吸收為主，但不同實驗結果顯示出來的去除方式有差異[13，16，18]。

2.3 苦草

分類學上，苦草系水鱉科苦草屬一種。使用苦草進行的水質凈化實驗顯示，苦草的存在能使水體的氮磷去除率比對照組分別提高1.74%-52.39%和13.01%-29.29%[13，14，18]；苦草與金魚藻和黑藻相反，苦草根系和地下莖發達，對底泥和水質都有直接作用；研究顯示苦草對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。凈化實驗證明，篦齒眼子菜能夠將水體氮、磷去除率提高21.2%-32.06%和1.67%-33.12%[13，16]，植物根莖發達，對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（馬來眼子菜）

竹葉眼子菜在分類學上屬于眼子菜科眼子菜屬眼子菜亞屬。植物根莖發達，對底泥和水體均能其作用，實驗證明竹葉眼子菜能有效提高水體的氮、磷去除能力，達到30%-90%左右[13，16]。其去除機制與篦齒眼子菜類似[13，16]。

3 在污水處理領域的實際運用（以佛山市南莊鎮鄧崗村農村生活污水處理項目為案例）

沉水植物系統在實際運用中主要用作水體的生態修復，用作污水處理的沉水植物系統還處于實驗室研究階段，尤其是農村生活污水處理上，試驗研究主要是用作后續的深度處理（沉水植物塘），并沒有作為主體工藝使用。

最近，佛山市南莊鎮鄧崗村農村生活污水處理項目，主體工藝采用沉水植物穩定塘工藝，穩定塘原是村里納污魚塘，面積3200平方米，水深1.2-1.5米。村內人口接近2000人，魚塘每天受納生活污水約120噸，污水水質波動較大，但總體符合《廣東省農村生活污水處理技術指引》中農村污水水質指標（見表1）。

項目于2013年12月開始實施，2014年1月底完工，在魚塘內種植了黑藻、苦草、金魚藻、篦齒眼子菜等形成了一個沉水植物塘，塘前增加簡單的預處理設施（格柵），污水經過穩定塘處理后排入河涌，要求水質達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準，而經過處理后，水質基本控制指標達到要求（見表2）。并且水體透明度達到1.5米。

工程案例表明，沉水植物穩定塘確實能夠有效處理中、低濃度農村分散生活污水，并且水質能夠達到污水排放標準。

4 結束語

將沉水植物應用到污水處理領域，有一定的實驗研究基礎，具有一定的可行性。現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村生活污水，結合穩定塘在農村分散生活污水處理上的優勢，沉水植物塘對現有農村分散生活污水生態處理技術是一種很好的補充和發展，能夠有效推進農村污水治理，改善農村水環境。

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