植草沟对农村污水水质净化效果的研究

夏治坤，朱木兰

(1.黑龙江大学水利电力学院，哈尔滨 150000;2.厦门理工学院水资源环境研究所，福建 厦门 361000)

农村污水未经处理肆意排放, 严重污染了农村的生态环境, 直接威胁广大农民群众的身体健康以及农村的经济发展[1]。根据2018年统计数据[2]，中国农村常住人口达5.64 亿人，每年产生农村污水多达80 亿t。然而，全国超过70%的农村都缺乏完善的污水处理和回用装置[3]，污水常常直接排放到邻近河流和沟渠。再者，现有的排污沟采用传统的硬化沟渠，只有对污水的物理传输作用。研究显示，农村污水总氮、总磷、BOD5、COD和SS含量严重超标[4,5]，直接排放会对周边水体造成严重污染[6]。因此，将现存的传统的硬化沟渠上面铺设土壤层和种植花草改造成植草沟，对净化农村污水水质和改善农村生态环境具有重要意义。

植草沟是基于土壤渗滤原理，通过土壤-微生物-植物生态系统的自净能力对农村污水的有机物进行去除[7]，且工艺简单，投资小和美化农村环境[8]等优点。目前针对植草沟已开展的研究有植草沟对降雨径流的削减和净化作用[9-12]、城市面源污染的净化[13-15]、草种不同对降雨径流调蓄作用[16]和其长度不同对各指标的去除效果[17]。也有学者针对土壤渗渗滤系统对污染物去除机理研究表明，土壤含水层处理能力主要发生在土层表面和近表层50 cm以内[18]；但是针对植草沟不同土壤厚度对农村污水水质净化效果尚显研究不足，因此，本研究通过开展植草沟对农村污水水质净化效果实验，定量化评价植草沟对污水的净化效果，为农村污水处理提供技术支撑。

1 研究对象与实验方法

1.1 研究区概况及实验设计

研究区位于福建省厦门市集美区后溪镇英村(24.62N, 118.08E)，研究区面积约4.4 km2，农村人口约2 400 人，平均年污水排放量约8.7 万m3。

随机选取3处污水点(如图1所示)，每个采样点随机挖取3个草地不同厚度的土壤，混合均匀，将每块草地的土壤分别装如直径为5 cm，高度分别为15和30 cm的PVC管中，装有土壤的PVC管上部带有草地表层，将英村3处污水点的农村污水分别倒入PVC管模仿农村污水下渗到植草沟的过程，并收集PVC管底下的水样进行检测。

1.2 指标测定方法

本研究主要检测的指标是BOD5(生物需氧量)、COD(化学需氧量)、总磷、总氮、氨氮，每项指标检测仪器如表1所示。

表1 检测指标及仪器Tab.1 Test indicators and instruments

2 结果与分析

2.1 植草沟对农村污水水质净化效果

本研究对经过15和30 cm厚度的土柱模拟植草沟对农村污水的净化效果，分别进行了两次实验并检测，结果如表2和表3所示。

经过15 cm土柱厚度时，对BOD5和COD的去除率最大为54.1%和61.7%，经过30 cm土柱厚度时，对BOD5和COD的去除率最大为63.5%和88.6%，其去除效果均超过了50%以上，去除效果良好。主要原因为污水进入植草沟后，有机物快速被表层土壤所吸附，表层土壤氧气充分，微生物的生长环境和繁殖环境良好，导致有机物被微生物大量降解。经过15和30 cm的土柱厚度模拟植草沟对氨氮去除率为77.9%和84.9%，其去除效果达到了70%以上，去除效果显著。主要原因为微生物通过硝化过程产生硝氮被植物同化吸收[19]，再结合污水经过土壤被其截留拦污，双重效应，导致去除氨氮效果显著。霍炜洁[20]等研究表明植草沟对溶解态氮的去除效果较为理想。经过15和30 cm的土柱厚度模拟植草沟对总氮的去除率最大为49.4%和50.4%，虽去除效果为50%左右。但较氨氮而言，去除效果一般。主要是因为分解氨氮过程中，有部分的外来氮源进入植草沟，再者植草沟内的氧气含量和碳源也是限制因素[21]。经过15和30 cm的土柱厚度模拟植草沟对总磷的去除率最大为91.8%和89.0%，其去除效果约为90%，去除效果显著。主要原因是土壤中的可溶性有机磷被大量Fe3+、Al3+和Ca2+等金属离子吸附，不可溶性磷通过植物和土壤截留作用去除[22]。

表2 15 cm试验土柱对农村污水去除效果Tab.2 Effect of 15 cm soil column on rural sewage removal

表3 30 cm试验土柱对农村污水去除效果Tab.3 Effect of 30 cm soil column on rural sewage removal

2.2 植草沟的厚度对农村污水去除率的影响

针对不同土壤厚度的土柱模拟植草沟对各污染物的平均去除率如表4和图2所示，BOD5、COD、氨氮、总氮的平均去除率随着土壤厚度的增加而增加。此结论符合已有的研究，主要是因为随着土壤厚度的增加，微生物的数量和土壤的吸附面积增加，有更多的污染物被微生物降解和土壤吸收。但随着土壤厚度的增加，去除率呈现非线性趋势变化，主要是因为土壤中的氧气含量限制了微生物的繁殖和降解能力，已有研究表明。污水在进入土壤之后，大部分可降解有机物在30 cm得到降解[23,24]。但总磷随着土壤厚度的增加，去除率降低，可能是在土层15～30 cm处土壤里面含有磷，导致出口水质总磷含量增加。有学者指出，30 m长度的植草沟对总磷的去除效果大于60 m长度的植草沟[17]。

表4 13和15 cm土壤厚度对污染物质的平均去除率 %

图2 15和30 cm土壤厚度对污染物质的平均去除率Fig.2 Average removal rate of pollutants by 15 and 30 cm soil thickness

农村污水经过30 cm土壤厚度的植草沟，对BOD5、COD、氨氮、总氮和总磷的去除有70%以上是在0～15 cm之间完成，有低于30%的是在15～30 cm之间完成的(见表5)。在今后对硬化沟渠进行改造或建设植草沟时，若硬化沟深度不足或考虑经济成本，可铺设厚度为15 cm的土层，并种植花草，这样既经济又可去除大部分污染物。若硬化沟深度和经济条件允许，可铺设厚度为30 cm的土层，使农村污水的去除效果更好。

表5 0～15 cm和15～30 cm对污染物去除 %

3 结 语

本研究以农村植草沟为研究对象，随机选取3处试验草地为采样点，通过室内外试验与理论分析计算，明确了植草沟对农村污水污染物质的去除效果。结果显示，植草沟对农村污水的净化效果明显，是改善农村生态环境的一种有效方式。主要研究结论如下：

(1)植草沟对BOD5、COD、氨氮、总氮和总磷的去除率在15 cm土柱时的平均去除率为39.3%、52.0%、53.9%、36.2%、85.1%。30 cm土柱时的平均去除率为56.0%、67.5%、64.8%、43.7%、64.6%。

(2)在植草沟土壤厚度为15～30 cm时，植草沟对BOD5、COD、氨氮、总氮的去除率随着土壤厚度的增加而增加，总磷的去除率随着土壤厚度的增加而降低。可能原因是15～30 cm的土壤里面含有部分磷，导致去除率降低。

(3)农村污水经过30 cm土壤厚度的植草沟，对污染物的去除有70%以上是在0～15 cm之间完成，有低于30%的是在15～30 cm之间完成的。若考虑硬化沟深度和经济因素，可铺设15 cm厚度的土层来净化农村污水。

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