不同規格生態溝渠對排水污染物處理能力的研究*

劉福興 王俊力 付子軾?

（1 上海市農業科學院，上海 201403）

（2 上海低碳農業工程技術研究中心，上海 201415）

隨著我國農業的快速發展，以及工業廢水和城市生活污水等點源污染得到有效控制，農業面源污染的重要性越來越突出。據生態環境部2010年發布的《全國第一次污染源普查公報》，我國農業面源污染物總氮和總磷的排放量占總排放量的57.2%和67.4%，已成為水體污染的主要來源。如何有效控制農業面源污染物向水體的排放，是當前學者關注和研究的熱點和難點問題。

在多年研究的基礎上，楊林章等[1］系統總結提出了農業面源污染防控的4R技術體系“源頭減量（Reduce）-過程阻斷（Retain）-養分再利用（Reuse）-水體修復（Restore）”，并在全國范圍內得到了推廣應用。其中過程阻斷是指在污染物向水體遷移過程中，通過一些物理的、生物的以及工程的方法等對污染物進行攔截阻斷和強化凈化，延長其在陸域的停留時間，最大化減少其進入水體的污染物量。目前應用比較普遍的有生態攔截溝渠技術[2］、生物籬技術[3］、生態攔截緩沖帶技術[4］等。其中，由傳統農田排水溝渠發展而成的生態溝渠應用最為廣泛，其由溝渠、基質和植物組成，具有生態性和生物性的特殊優點，并可根據地形特征來構建[5］。生態溝渠不僅可以用來凈化農田徑流排水，還具有濕地生態系統的功能，在維持生態系統物種多樣性、促進生態系統生產力和養分循環、凈化水質等方面起著重要作用[6-7］。其對徑流污染物的去除凈化主要通過減緩流速、植物吸收、基質吸附、泥沙沉降、微生物硝化反硝化等發揮作用[8］。生態溝渠的規格以及內部構造組合等均會影響生態溝渠對污染物的削減效果，加上農業面源污染物濃度具有極大的時空變異性，因此亟需系統考察生態溝渠的規格及其構造組成對污染物削減效果及其穩定性、耐沖擊負荷能力等的影響，尋求污染物去除效率高且穩的最佳生態溝渠。

為此，本研究利用太湖流域平原河網區常用的三種不同深度規格的生態溝渠，通過模擬農業面源污水，比較研究了相同表面水力負荷下三種溝渠對動態連續進水條件下銨態氮（NH4+-N）、總氮（TN）、總磷（TP）和懸浮物（SS）的去除效果以及耐沖擊負荷能力，并分析了進水濃度較高情況下，生態溝渠出水達到地表水環境質量V類標準（GB3838-2002）所需長度，以期為生態攔截溝渠的應用設計（規格以及長度等）提供科學參考，從而提高對農業面源（尤其是種植業面源）污染物的攔截凈化效果。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗在上海市農業科學院莊行綜合試驗基地（30°53′N，121°23′E）進行。研究區為亞熱帶季風氣候，多年平均降水量、蒸發量、氣溫分別為1 192 mm、1 237 mm、16.1℃。全年日照時數1 900 h，無霜期224 d。

1.2 試驗設計

設計目前生產上較常見的三種規格的生態溝渠，渠深0.80 m（E0.80）、1.05 m（E1.05）、1.30 m（E1.30），長度各90 m，溝渠內均種植相同密度植被，溝壁為帶孔預制板，孔內為狗牙根（Cynodon dactylon），溝底為常綠苦草（Vallisneria natans，購自上海海洋大學）（圖1）。試驗開始前，生態溝渠穩定一段時間并對水量進行調試。

于2013年7月23日開始動態進水試驗，試驗持續20 d，期間的氣溫和降雨情況見圖2。試驗進水根據當地農田尾水中的氮磷濃度[9］，用附近河道水加尿素和KH2PO4配置，進水TN 0.86～6.13 mg?L-1、TP 0.11～0.28 mg?L-1。溝渠斷面規格及采樣點斷面設置見圖3，分別在進水處（1#）、22.5 m處（2#）、45 m處（3#）、67.5 m處（4#）及出水（5#）設置采樣點。試驗最初2 d每1 d采集水樣一次，之后間隔1 d采樣一次直至試驗結束。

水樣銨態氮（NH4+-N）采用納式試劑分光光度法測定，總氮采用過硫酸鉀氧化法測定，總磷采用鉬銻抗分光光度法測定，懸浮物經過濾后，105℃烘干至恒質量后測定[10］。

圖1 生態溝渠試驗區Fig. 1 Ecological ditch experimental site

1.3 試驗參數設計

試驗過程中，維持三種生態溝渠水位處于同一水平，通過控制不同規格溝渠的進水流量，控制三種規格生態溝渠的表面水力負荷保持一致。綜合考慮進水水質分布特征、處理效率及經濟性，借鑒表流濕地水力負荷后，確定溝渠表面水力負荷（N）為0.60 m3·m-2·d-1，在保證溝渠水位及相同的表面水力負荷下，計算三種規格溝渠的進水流量（Q）。計算方法如下：

式中，S為有效斷面面積，L為溝渠長度，N為溝渠表面水力負荷。具體試驗參數如表1所示。

圖3 生態溝渠斷面規格圖與取樣斷面設置Fig. 3 Sectional of the ecological ditch relative to specification and set-up of sampling section

表1 不同規格生態溝渠實驗基本設計參數表Table 1 Parameters of basic design of the ditch relative to specifications

1.4 數據統計與分析

采用污染物去除率的變異系數來表征污染物去除效果的穩定性：

采用污染物表面負荷與污染物面積去除量相關系數來表征耐沖擊負荷能力，其中污染物表面負荷表示溝渠單位面積每天接受的進水中污染物的量：

式中，Cin為進水濃度，N為溝渠表面水力負荷。

式中，Cin為進水濃度，Cout為出水濃度，Q為進水流量，SA為溝渠水表面積。

采用SPSS 13.0軟件進行統計分析，采用Sigmaplot 12.0軟件進行制圖。

2 結 果

2.1 生態溝渠對主要污染物的去除效果

表2 不同規格生態溝渠對面源污水中污染物的去除效率和變異系數Table 2 Removal ef fi ciency of pollutants form non-point source pollution and coef fi cient variation relative to speci fi cation of the ditch

2.2 主要污染物沿生態溝渠長度的濃度變化

生態溝渠主要攔截農田尾水中的氮、磷，因此，本研究僅對進水濃度較高情況下（TN≥2 mg?L-1，TP≥0.2 mg?L-1），TN、TP沿生態溝渠長度的濃度變化情況進行分析，以期探索適宜建設長度。對不同規格生態溝渠長度與TN、TP濃度的變化進行擬合可以看出，隨著長度的增加，三種規格溝渠中TN、TP濃度均逐漸降低（圖5）。E0.80和E1.05的TN濃度與溝渠長度之間的遞減規律較好，擬合方程相關系數分別為0.981 1和0.991 6。三種規格溝渠的TP濃度與長度之間的遞減規律均較好，E0.80、E1.05和E1.30的相關系數分別到達1、0.983 8和0.967 8。雖然E1.30沿程上的TN、TP濃度波動相對較大，但是在進水濃度一致的情況下，該溝渠在22.5 m和45 m時的出水TN、TP平均濃度最低，說明短距離的E1.30生態溝渠對N、P就有較好的處理效果。

將TN、TP出水濃度統一設置為地表水環境質量V類標準（GB3838-2002），即：TN為2 mg?L-1，TP為0.2 mg?L-1，根據擬合方程可以計算出達標所需溝渠的適宜長度（表3），綜合而言，在進水濃度統一的情況下，E1.30處理TN、TP所需長度與E0.80和E1.05相比較短，分別為27.4 m和4.9 m；其次為E0.80，處理TN、TP所需長度分別為54.5 m和9.8 m。

圖4 銨態氮（NH4+-N）、總氮（TN）、總磷（TP）和懸浮物（SS）濃度變化情況Fig. 4 Dynamic change in concentration of NH4+-N, TN, TP and SS in ecological ditch relative to specification

2.3 單位面積去除量與耐沖擊負荷能力

由于表面水力負荷相同，因此在同一進水濃度的情況下，三種規格生態溝渠污染物表面負荷也相同。試驗期間，N-N進水表面負荷為0.10～0.71 g·m-2·d-1；TN為0.52～3.68 g·m-2·d-1；TP為0.07～0.17 g·m-2·d-1；SS為9.60～42.00g·m-2·d-1。

從各污染物表面負荷與三種規格生態溝渠的污染物面積去除量關系來看（圖6），二者均顯著相關（P＜0.05），三種規格生態溝渠對N-N和TN的處理能力均較好，E1.30的耐沖擊負荷能力相對較強，N-N和TN的相關系數分別為0.973和0.997，E1.05的N-N和TN相關系數最小，耐沖擊負荷能力相對較弱。而三種規格生態溝渠對TP的處理能力也均較好，E1.05對TP的耐沖擊負荷能力最強（r=0.960），E1.30其次（r=0.876）。相比較而言，E1.30對SS的處理能力較好，耐沖擊負荷能力也最強（r=0.740）。

圖5 不同規格生態溝渠中總氮（TN）和總磷（TP）沿程濃度變化Fig. 5 Dynamic change in concentration of TN and TP along the ditch relative to specifications

表3 不同規格生態溝渠TN、TP達到地表水V類標準的適宜長度Table 3 Optimal length of the ditch to reduce TN and TP to Class V standard for surface water

圖6 不同規格生態溝渠中銨態氮（a）、總氮（b）、總磷（c）和懸浮物（d）表面負荷與面積去除量的關系Fig. 6 Relationships between surface loading and per unit area removalrate of N-N (a), TN (b), TP (c) and SS (d) in the ditch relative to specification

3 討 論

由于氮、磷等營養物質的輸入，農業面源污染已成為水體富營養化的主要污染源，生態溝渠技術是當前研究的控制技術之一[11］。研究表明，生態溝渠對農田排水中氮磷攔截效果明顯優于傳統的混凝土溝渠和土質溝渠[12］。但是生態溝渠對氮磷的去除效果具有較大的時空變異性，有學者利用生態溝渠對稻田徑流水中污染物進行攔截，研究表明其對N-N、TN和TP的凈化效率為31.81%、54.18%和58.21%[13］；還有學者在灌溉和降雨條件下對生態溝渠的氮磷輸出特征進行了研究，其對TN、TP去除率達64%和70%[14］，造成氮磷去除效果不同的原因可能是由于生態溝渠規格不同引起的，溝渠的大小、邊坡形式、斷面尺寸、水力半徑、縱坡等幾何尺度均影響著水體中氮磷的轉化和去除[15］，如上述研究中的生態溝渠前者深為1.20 m，上下寬度分別為1.5 m和0.5 m，后者深為1.00 m，上下部寬為4 m和2.8 m。此外，研究表明，進水濃度對溝渠氮磷去除率也有不同程度的影響[12］。因此，加強對同一條件下、不同規格生態溝渠處理效率的研究和評價，能為生態溝渠在農業面源污染控制上的應用提供技術支持。本研究在進水濃度一致、表面水力負荷相同條件下，比較研究了三種不同規格生態溝渠對農業面源中主要污染物的去除效果，研究結果表明，在動態條件下，三種規格生態溝渠對污染物的去除效果均較好，E0.80對N-N、TN、TP和SS的平均去除率分別為61.4%、58.7%、64.0%和58.5%；E1.05分別為54.7%、62.5%、70.2%和51.1%；E1.30的平均去除效率與前兩種規格相比較高，分別達到64.8%、63.1%、71.8%和60.8%。

生態溝渠作為一種特殊的濕地系統，對氮的去除主要是通過微生物的氨化、硝化與反硝化途徑[16］；此外，污染負荷、水力負荷和水力停留時間等也會影響生態溝渠的出水水質，污染負荷和水力負荷越小，水力停留時間越長，則出水水質越好[17］。在本研究中，E1.30對N-N和TN的去除效率均相對較高，其出水濃度也較為穩定，與其他兩種規格生態溝渠相比，在相同表面水力負荷下，E1.30的水力停留時間較長（26.5 h，表1），這可能是其氮素去除率較高的原因之一[18］。而雖然水力停留時間較短，E0.80的N-N去除效率較E1.05高，可能是由于植物等其他原因的影響，由于本文結果沒有涉及植物的作用，故在此不做討論。基質和底泥的吸附是生態溝渠中除磷的主要途徑[19］。在本研究中，E1.30和E1.05對TP的去除效率均相對較高，可能是相對于窄淺型生態溝渠，寬深型溝渠內的基質和底泥與水體接觸面積更大，有利于其對磷的吸收。泥沙的截控固持能有效降低農田排水中的顆粒物濃度，也是控制農業面源污染的關鍵之一。在動態試驗中，水力停留時間作為最直觀的因素，揭示了生態溝渠對農田排水中顆粒物高效沉降的原因，它既是顆粒物的沉降時間，又是水體中污染物與植物、基質、底泥的接觸時間[8］。在本研究中，E1.30對水體SS的去除效率相對較高，可能是較長的水力停留時間降低了SS輸出能力，促進了SS沉淀。而E0.80的SS去除效率較E1.05高，可能是該類型溝渠中植物的作用超過了停留時間的影響。總體而言，與其他兩種規格生態溝渠相比，E1.30較長的水力停留時間、與基質和底泥較大的接觸面積和較強的耐沖擊負荷能力，促進了污染物的去除，使得該規格生態溝渠對農田排水中污染物的處理能力較好。

從主要污染物沿生態溝渠長度的濃度變化可以看出，隨著溝渠長度增加，污染物濃度逐漸降低，說明污染物在生態溝渠中的遷移具有規律性，這與余紅兵等[14］的研究結果相似。也有學者對長溝渠的研究結果表明，在鋪設盤培牧草的600 m溝渠中，各種污染物指標在靠近進水口處的300 m溝渠內降解速度較快，而在遠離進水口處的后300 m溝渠內變化污染物變化幅度相對比較平緩[20］，說明溝渠前段對污染物的處理效果較好，后段由于污染物濃度已經較低，處理效果并不明顯。本研究通過2階多項式方程計算出在進水濃度較高情況下，出水TN、TP濃度達到地表水Ⅴ類標準時，不同規格生態溝渠處理污染物的適宜長度，綜合TN、TP的處理效果來看，處理TN所需溝渠長度與TP相比較長，但E1.30所需長度與E0.80和E1.05相比較短，為27.4 m，而E0.80和E1.05分別為54.5 m和60.8 m；E1.30處理TP所需溝渠長度也最短（4.9 m）。在長江中下游地區（如太湖流域）水網密布，農村經濟發達，化肥施用量高，因此，在這一地區適宜利用生態溝渠來強化凈化農業面源污染物，減輕水體污染負荷。本文研究的三種規格生態溝渠中，雖然E1.30邊坡建設所需材料較多，但處理污染物所需長度最短，若按27.4 m進行建造，占地面積為28.8 m2；而E0.80雖然本身占地面積小，但處理污染物所需長度較長，若按54.5 m進行建造，則占地面積為43.6 m2。因此E1.30總占地面積少，可以在一定程度上節約土地資源。從環境效益上看，按照水稻每667 m2耗水1500 m3計算[21］，建設E1.30生態溝渠工程從農田徑流中減少污染物排放氮2.12 kg、磷0.20 kg（TN平均進水濃度2.24 mg·L-1，去除率63.1%；TP平均進水濃度0.19 mg·L-1，去除率71.8%），可有效減少對周邊水體環境的危害。本研究主要關注的是相同表面水力負荷下不同規格生態溝渠對排水中污染物的去除效果，對于其脫氮除磷的內在機理及各去除途徑的研究涉及較少，且在1.30 m深的生態溝渠中，如何在不增加規模的情況下，通過改變溝渠線型空間結構（間隔設置小型跌水堰等）、間隔設置基質（沸石基質等）、優化植物配置（溝壁和溝底植物群落）等方式，進一步提高生態溝渠處理效率、節約占地等，還有待于進一步研究。

4 結 論

在相同表面水力負荷下，三種深度規格生態溝渠對農業面源污染物均有較好的去除效果。與E0.80和E1.05相比，E1.30對農業面源污染物N-N、TN、TP和SS的去除效率均相對較高，其出水濃度也較為穩定，且耐沖擊負荷能力相對較強。在進水濃度較高條件下，出水TN、TP濃度達到地表水V類標準時，E1.30所需長度最短。綜合而言來看，E1.30對農田排水中主要污染物的去除效率、耐沖擊負荷能力最好，在實踐應用中應因地制宜根據需要應用或進一步提升該規格生態溝渠的設計，以達到對農業面源污染控制的最大化。