阳宗海流域冬季典型农村污水污染特征及水质评价

梅涵一,刘云根,2,梁启斌,2,王 妍,2,侯 磊,2,郑 寒

(1.西南林业大学环境科学与工程学院,云南 昆明 650224; 2.西南林业大学农村污水处理研究所,云南 昆明 650224)

阳宗海流域冬季典型农村污水污染特征及水质评价

梅涵一1,刘云根1,2,梁启斌1,2,王 妍1,2,侯 磊1,2,郑 寒1

(1.西南林业大学环境科学与工程学院,云南 昆明 650224; 2.西南林业大学农村污水处理研究所,云南 昆明 650224)

为揭示阳宗海流域不同类型农村污水各污染指标的影响因素和分布特征,选取云南省的海晏村(传统型)和大营村(集镇型)的污水进行水样采集,通过方差分析研究其不同污染指标的浓度变化以及不同类型农村污水水质的差异性,并运用主成分分析法对污水进行水质评价。结果表明:阳宗海流域海晏村污水中的TN、COD均明显超过了城镇污水处理厂污染物排放二级标准,大营村的TP、TN、COD均明显超过了二级标准;pH值与氧化还原电位都是农村污水中污染物浓度的重要影响因子;两村的水质具有显著的差异性;传统型农村的水质比集镇型农村的要好,说明对阳宗海流域造成污染风险更大的是集镇型农村污水。

农村污水;污染特征;水质评价;阳宗海流域

农村水环境污染是导致下游湖泊水体富营养化污染的原因之一[1-3]。由于长期受到生活污水、厨余垃圾及畜禽粪便等的影响,农村水环境中氮、磷等营养元素含量过高,农村生态环境存在较大潜在污染风险。为此,对农村污水的排放控制和污染治理成为当前农村建设的首要任务[4]。阳宗海是云南省的九大高原湖泊之一,被誉为滇中高原的一颗璀璨明珠,兼具供水、灌溉及旅游等功能,是昆明市未来的重要风景旅游区[5]。近年来,随着上游农村污水、工厂废水的大量排入,旅游活动的增加以及网箱养鱼等的影响,阳宗海水质不断恶化,至今已多次出现大面积水华现象[6]。

图1 采样布点示意图

毕建培等[7]对阳宗海水质砷污染开展了研究,指出湖水中贝类等水生生物对As的富集能力较强,为阳宗海流域水污染的研究提供了类比和借鉴;苏嫚丽等[8]对太湖流域农村污水污染特征研究表明，农村生活污水中氮、磷和COD含量超标严重,为农村污水污染特征的研究提供了典型案例。当前,虽已有不少学者[5-7,9-11]对阳宗海流域水质污染问题开展了研究,但对其污染的源头——上游农村污水的研究还较少。对上游农村污水进行污水特征分析和水质评价有利于阳宗海水污染的预防与控制。本文以云南省阳宗海上游的海晏村和大营村为研究对象,分析不同类型农村污水排放的氮、磷和COD等污染物浓度的分布特征及差异性,并运用主成分分析法对水质进行评价,以期为阳宗海流域的水质污染预防及控制提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

云南省澄江县的海晏村(102°59′E, 24°51′N)和大营村(102°59′E, 24°50′N),两村均为阳宗海流域上游农村。研究区概况见表1。

1.2 样点布设与水样采集

在两村主要沟渠内沿水流方向各设置了5个点,共10个采样点(图1)。每个采样点分上、下午各采集一次。为方便分析水样在进入农村和流出农村时的分布特征,在农村入水口和出水口各设置了一个采样点。2016年1月在海晏村和大营村进行了一次采样,在每个采样点水面采集的水样装于聚乙烯瓶中并带回实验室,在48 h内做分析。

表1 研究区概况

1.3 样品分析与数据处理

水样测定。TP采用钼锑抗分光光度法,SRP(活性磷)采用钼锑抗分光光度法,TN采用紫外分光光度法,NH3-N采用纳氏试剂分光光度法,COD采用重铬酸钾微波消解法,pH值采用直接玻璃电极法。

利用Excel 2007对数据进行初步处理,并采用统计软件SPSS 17.0进行单因素方差分析和独立样本t检验。

2 结果与讨论

2.1 不同类型农村污水各污染物浓度分布特征

农村污水包括居民生活污水和畜禽养殖污水两大类。生活污水来源于厨房污水、生活洗涤污水、厕所污水等[8]。不同类型生活污水的成分特征和污水水量存在较大差异[3]。地形条件、生活习惯和家庭收入水平等可能是影响农村生活污染物产生及排放的主要因素[12]。畜禽养殖污水主要由动物粪便排泄、饲料残留物、圈舍冲洗废水等组成[13]。

本文将通过对传统型和集镇型农村排放污水的实验结果进行数据对比和分析来揭示阳宗海流域不同类型农村的污水特征和水质状况。为方便研究,在海晏村和大营村的主要流通沟渠内自上游农村入水口到下游出水口分别各取了5个采样点,分析各污染物浓度的空间分布特征。

图2 海晏村监测期内各污染指标值

2.1.1 海晏村

海晏村氮、磷、COD质量浓度以及pH值分布特征如图2所示。海晏村沟渠中水的TP和SRP的质量浓度分别为0.04～0.62 mg/L和0.01～0.52 mg/L,平均值分别为0.30 mg/L和0.17 mg/L;TN和NH3-N的质量浓度分别为31.32～88.44 mg/L和3.32～28.72 mg/L,平均值分别为53.01 mg/L和13.27 mg/L;COD的质量浓度为33.00～194.00 mg/L,平均值为102.20 mg/L;pH值为7.45～8.09。采用城镇污水处理厂污染物排放二级标准[14](ρ(COD)=100 mg/L,ρ(TP)=3 mg/L,ρ(TN)=20 mg/L(一级B标),ρ(NH3-N)=30 mg/L,pH=6～9,以下简称国家标准)对水质单一指标进行评价,结果表明:TP、NH3-N和pH均符合国家标准,而TN、COD无论是各采样点含量还是平均值均明显超过了国家标准。

各指标含量主要受村民生活习惯的影响,如洗衣做饭、畜禽养殖等。有研究[15-16]表明,对排放污水中磷含量影响最大的是洗衣废水和厨房洗涤废水;对氮含量影响最大的是圈舍冲洗废水及畜禽粪便排泄;而对COD贡献最大的是携带人类粪便的冲厕废水。由图2可知,氮、磷以及COD排放的时间规律均表现为上午质量浓度低于下午。村民每天的日常生活都要产生大量的洗衣废水、厨房洗涤废水以及冲厕废水,并且在沟渠中沉降后引起污染物的沉积,造成下午质量浓度高于上午。H5点由于上午采样时正好有村民在洗衣服,造成该点的TP含量高于下午。此外,采样点各污染物的浓度规律表现为沿着水流方向趋于递增,在入水口附近的H1点各指标均为最小值,直到出水口H5点达到最大值。

2.1.2 大营村

大营村监测期内各污染指标值如图3所示。大营村沟渠中水的TP和SRP的质量浓度分别为1.09～3.45 mg/L和0.78～2.82 mg/L,平均值分别为2.14 mg/L和1.39 mg/L;TN和NH3-N的质量浓度分别为42.12～188.74 mg/L和14.92～34.92 mg/L,平均值分别为116.75 mg/L和23.91 mg/L;COD的质量浓度为329～656 mg/L,平均值为461.40 mg/L;pH值为6.53～7.83。结合表2可知,除pH符合国家标准外,NH3-N有个别采样点高于国家标准,而TP、TN、COD无论是各采样点质量浓度还是其平均值均明显超过了国家标准。

图3 大营村监测期内各污染指标值

由图3可知,与海晏村相比,大营村的各污染物质量浓度并没有表现出很强的规律性,但大部分指标还是呈现出下午质量浓度高于上午的趋势。实地采样时发现,上午8时左右在D4点附近有一小型养殖场正在排放畜禽养殖污水,这是造成在养殖场下游的D4和D5两点下午氮含量高于上午的主要原因。另外,由于大营村属于集镇型农村,上午是集市最热闹繁华的时间段,这或许也是导致某些采样点污染物质量浓度表现出上午高于下午的一个因素。此外,与海晏村类似,大营村采样点各指标的浓度规律也表现为沿着水流方向趋于递增,最小值位于上游,最大值出现在下游农村出水口。

2.2 理化指标与各污染指标的相关性分析

水体的理化指标如pH、氧化还原电位(Eh)、电导率(σ)等因素都会影响各污染指标的含量和分布[17]。为进一步分析阳宗海流域农村污水污染特征的影响因素,将各指标的浓度与水体部分理化指标作相关性分析,结果见表3。

表3 理化指标与各污染物浓度的相关性

注：*表示在0.05水平(双侧)上显著相关;**表示在0.01水平(双侧)上显著相关。

由表3可知,海晏村和大营村的各污染物浓度与σ均没有相关性,说明σ高低并不是影响农村污水中各污染物浓度大小的因素;除了海晏村的TP和大营村的COD,其余指标均与pH呈显著正相关(n=5,P<0.05),且水体越呈碱性,浓度越高;此外,不论是海晏村还是大营村,所有指标均与Eh呈显著负相关(n=5,P<0.05),即水体越呈还原状态,污染物浓度越高。

以上相关性分析表明,在阳宗海流域不论是集镇型还是传统型农村,pH与Eh都是农村污水中污染物浓度的重要影响因子。

2.3 不同类型农村各污染物浓度差异性分析

2.3.1 分析方法

独立样本t检验通过比较两个不同样本在某个变量上的差异,看它们之间的差异是随机差异还是本质上的差异。本文使用SPSS17.0对海晏村和大营村各指标浓度等变量进行检验,比较分析阳宗海不同类型农村之间各指标浓度的差异性。

2.3.2 分析结果

由表4可见,大营村所有指标的平均值均明显高于海晏村,其中TP、SRP、COD 3个指标的均值差距极大,分别达到了海晏村的7.13倍、8.18倍和4.51倍。说明大营村与海晏村的各指标浓度具有较强的差异性,但为了检验这些差异是随机样点间的差异还是整体水平上的差异,需要通过进行独立样本的t检验来验证。

表4 海晏村和大营村统计量对比

通过检验可知(表5),不论方差是否相等,TP、SRP、TN、COD的Sig. 值(双侧)都小于0.05,而NH3-N的Sig.值(双侧)都大于0.05,所以可以验证：除了NH3-N没有显著差异性外,其余指标的浓度在海晏村和大营村均表现出显著的差异性。由以上独立样本t检验的分析结果可知,阳宗海流域两个不同类型农村的水质具有显著的差异性,并且水质污染情况集镇型农村要比传统型农村更为严重。

近些年,农村污水的污染问题一直得不到重视,导致农村面源污染、湖泊富营养化等环境问题越来越突出。由于经济发展较快,集镇型农村的各方面条件都优于传统型农村,但由此带来的生活污水污染问题更为突出,应当引起环保部门的高度重视;传统型农村虽然污染情况乐观,但村民也应摒弃生活污水排放习惯,改变先污染后治理的观念。

表5 海晏村和大营村各指标间的独立样本t检验

2.4 水质评价

2.4.1 评价方法

采用主成分分析法进行水质评价。主成分分析法是多元分析方法的一种,是通过恰当的数学变换,使新变量主成分成为原变量的线性组合,并选取少数几个在变差总信息量中比例较大的主成分来分析事物的一种方法[18]。该方法的优势是能够根据一系列的运算步骤得出最终的综合评价得分,得分越高则说明污染越严重,这能进一步验证前文的分析结果。其主要应用步骤如下:

步骤1：建立由m个样本的n个因子构成的原始变量矩阵X[19]。

(1)

步骤2：数据标准化[20]。对X进行标准化处理,以消除量纲影响,其标准化公式为

(2)

步骤3：计算相关系数矩阵。在标准化数据矩阵的基础上计算原始指标的相关系数矩阵R。

步骤4：计算特征根[21]。求相关系数矩阵R的特征根λ1≥λ2≥…≥λn,其中λi(i=1,2,…,n)是主成分的方差,表示各个主成分在描述被评价对象上所起作用的大小。

步骤5：确定主成分个数[22]。根据累计方差贡献率确定主成分个数,通常取贡献率大于85%来确定主成分个数。

步骤6：确定主成分表达式[23]。将初始因子载荷矩阵的数据分别除以其对应特征根的平方根便可得到特征向量,将其与标准化后的数据Zij相乘,便得主成分的表达式Fj(j=1,2,…,p),即

(3)

式中：向量(a1j,a2j, …,anj)是特征根λj对应的特征向量；p为主成分个数。

步骤7：确定综合评定函数[20]。根据主成分对应特征根的贡献率,得到综合评价函数F：

(4)

2.4.2 评价结果

根据具体步骤方法并结合SPSS 17.0,可实现对海晏村和大营村总共10个采样点的水质评价。

a. 原始数据标准化。标准化处理结果如表6所示。

表6 标准化矩阵

b. 主成分分析。将标准化矩阵经SPSS 17.0软件“降维”处理后,特征值及主成分贡献率结果见表7,初始荷载矩阵列于表8。

表7 特征值和主成分贡献率及累积贡献率

表8 初始因子荷载矩阵

由表7可知,当主成分个数为1个时,其累积方差贡献率均超过了规定的85%,所以本研究确定主成分个数为1。由初始因子荷载矩阵(表8)可知,所有指标均在第一成分F1中有较高载荷,说明该成分能反映这些因子的所有信息(包含TP、SRP、TN、NH3-N和COD)。

c. 综合评价。 在本研究中,由于只得到一个主成分F1,因此可得综合评价函数F=F1,并以此计算各采样点的主成分得分,结果列于表9。

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

0.415Zp4+0.449Zp5

(5)

表9 各采样点水质评价结果

根据综合评价函数得分可知,在总共10个采样点中,大营村的下游出水口D5污染最严重,而海晏村上游入水口H1污染最轻,并且其上游入水口D1得分比海晏村下游出水口H5还高。海晏村和大营村的综合评价得分均表现为沿着水流方向趋于递增,即污染程度加重,这与前文的分析结果相同。

3 结 论

a. 阳宗海流域传统型农村排放的污水中TN、COD浓度明显超过了国家标准,集镇型农村除NH3-N外,其余指标均明显超过了国家标准,说明阳宗海流域的农村水污染问题较为严重。环境因子与各指标浓度的相关性分析表明,pH与Eh是农村污水中污染物浓度的重要影响因子。不同类型农村各污染物浓度差异性分析结果表明,传统型和集镇型农村的水质具有显著的差异性。

b. 通过主成分分析法对传统型和集镇型农村进行水质评价,结果表现为:村内沿水流方向,水质综合评价得分越来越高,即H1(-2.59)

c. 造成阳宗海流域农村污水排放的现状问题与村民的生活习惯以及当地环保部门的监督密切相关。集镇型农村污染情况较为严重,环保部门应高度重视水污染的控制;传统型农村的水污染情况虽比前者较好,但村民也应当摒弃原有生活污水及畜禽养殖废水的排放习惯,改变先污染后治理的观念。

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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

国家自然科学基金(51469030，31560237，31560147)

梅涵一(1992—),男,硕士研究生,研究方向为湿地生态修复。E-mail: mhyaqq@163.com

刘云根,副教授。E-mail: henryliu1008@163.com

X522

A

1004-6933(2017)02-0067-07

2016-05-23 编辑：徐 娟)