3種生態(tài)化改造模擬溝渠系統(tǒng)凈化農(nóng)田退水的試驗研究

苑永魁 蔡飛翔 汪奇

摘 要：通過室內(nèi)模擬試驗，研究了3種生態(tài)化改造模擬溝渠系統(tǒng)對農(nóng)田退水的凈化效果。結(jié)果表明，整個試驗周期內(nèi)，A型（苦草+貝殼粉）、B型（苦草+火山石）和C型（金魚藻+火山石）溝渠系統(tǒng)的TP表面去除負荷分別為25.85、23.49和23.83mg·d-1·m-2，NH3-N去除負荷分別達到114.47、117.63和116.96mg·d-1·m-2，COD去除負荷分別為1.782、1.783和1.785g·d-1·m-2;說明生態(tài)溝渠污染凈化效率受溝渠植物種類和基質(zhì)類型的影響較大。

關鍵詞：硬質(zhì)化溝渠;生態(tài)化改造;農(nóng)田退水;污染去除效率

中圖分類號 S641.1文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2020）04-0065-04

Abstract： Concrete ditch was eco-constructed to study its process performances for purifying farmland drainage. For this purpose， a pilot-scale simulation study on three eco-constructed ditch systems differing in vegetation and substrate， noted as AD（Vallisneria natans+shell powder）， BD （Vallisneria natans+volcanic rock） and CD（Ceratophyllum demersum L. +volcanic rock）， was conducted to look at their pollutant removal performance. The AD， BD and CD were found to have a removal efficience of 25.85， 23.49 and 23.83 mg·d-1·m-2 for TP purification， and 114.47， 117.63 and 116.96 mg·d-1·m-2 for removal of ammonium nitrogen， respectively. The results indicated that the purifying capacities of eco-constructed ditch systems are affected by vegetation and the substrate as well.

Key words： Concrete ditch; Eco-construction; Farmland drainage; Pollutant removal efficency

1 引言

生態(tài)溝渠技術被公認為是農(nóng)業(yè)面源污染過程阻斷技術中的重要代表，但現(xiàn)有技術主要是建立在對自然土質(zhì)溝渠改造基礎上（通常采用空心砌塊或帶孔預制板砌筑溝體，并在孔內(nèi)定植植物）[1-3]，難以推廣應用到我國廣大農(nóng)村地區(qū)普遍存在的硬質(zhì)化溝渠。作為生態(tài)溝渠的重要組成部分，溝渠植物是其生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)控者和初級生產(chǎn)者，對溝渠生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構和環(huán)境功能具有重要影響[4，5]。沉水植物廣泛分布于淡水湖泊、池塘、河流等水域中，在生境良好的農(nóng)田溝渠中也經(jīng)常出現(xiàn)。與挺水植物相比，沉水植物生長于水下，對溝渠輸水能力的影響較小，其根莖葉均能夠為微生物的生長提供附著場所，往往具有更好的水質(zhì)凈化效果，因而在生態(tài)溝渠建設工程中具有更大的應用潛力。

溝渠底泥具有人工濕地基質(zhì)相類似的功能，在溝渠系統(tǒng)中的物質(zhì)交換及其遷移轉(zhuǎn)化過程中具有不可忽視的作用。研究發(fā)現(xiàn)，溝渠系統(tǒng)可通過底泥的吸附和沉淀作用消納水中溶解態(tài)和顆粒態(tài)磷，降低水體中的磷負菏[6];最新研究發(fā)現(xiàn)，在溝渠中人為設置基質(zhì)層，可明顯提高污染物的去除效率和抗負荷沖擊能力[1，7]。綜合已有研究結(jié)果可推測，溝渠底泥或基質(zhì)與溝渠植物之間可能存在一定程度的交互效應，不同基質(zhì)與植物的組配極有可能導致不同的污染去除效率。

本研究以硬質(zhì)化溝渠生態(tài)化改造及其強化凈化農(nóng)田退水為目標，以2種鄉(xiāng)土沉水植物和2種基質(zhì)為供試材料，采用室內(nèi)動態(tài)模擬試驗，研究3種生態(tài)化改造方式下生態(tài)溝渠系統(tǒng)對農(nóng)田退水的凈化效果，以期為硬質(zhì)化溝渠生態(tài)化改造及其設計應用參考。

2 材料與方法

2.1 供試材料

2.1.1 供試植物 選取苦草（Vallisneria natans）和金魚藻（Ceratophyllum demersum L.）為供試植物。2種植物均為長江中下游流域常見的優(yōu)勢沉水植物，分別屬于不同的科、屬，其生長習性不盡相同。

2.1.2 供試基質(zhì) 試驗選取貝殼粉和火山石為供試基質(zhì)，其中貝殼原料購自浙江舟山定海區(qū)某養(yǎng)殖場，火山石購于靈壽縣華碩礦產(chǎn)品加工廠。2種材料用去離子水洗凈后充分干燥，破碎后過10目篩后作為供試基質(zhì)。

2.1.3 試驗用水 本試驗人工配置出氮磷濃度處于較高水平的農(nóng)田退水，同時加入一定量的易降解有機化合物，以創(chuàng)造出有利于自適應微生物快速增殖生長的營養(yǎng)條件。試驗原水取自浙江農(nóng)林大學平山實驗農(nóng)場內(nèi)的池塘，原水中TP含量0.17mg·L-1，NH3-N含量為0.39mg·L-1，COD含量為8.56mg·L-1。在原水中加入硫酸銨、硝酸鈉、磷酸二氫鉀和可溶性淀粉，配置后的試驗用水TP、NH3-N和COD濃度分別為4.17mg·L-1、20.39mg·L-1和272.27mg·L-1。

2.2 試驗方案 試驗采用白色聚乙烯矩形塑料箱（0.6m×0.8m×0.6m）模擬硬質(zhì)化矩形斷面溝渠。塑料箱底部鋪設厚度為10cm的供試基質(zhì)，基質(zhì)層上鋪設1層用于定植植物和防止基質(zhì)流失的滲排水網(wǎng)墊（厚度為5mm，鋪設面積為0.48m2），滲排水網(wǎng)墊上定植植株生長狀態(tài)良好且株高相近的供試植物300g（鮮重），塑料箱內(nèi)注入試驗用水160L。試驗共設置3組，每組為3個重復，并設置無植物和基質(zhì)的空白對照組。

為模擬農(nóng)田退水流態(tài)水動力環(huán)境，試驗配套安裝一套同一規(guī)格的微型循環(huán)水泵（流量為240L/h）。為對比分析沉水植物和基質(zhì)的組配對農(nóng)田退水的凈化效果，試驗設計以下3種硬質(zhì)化溝渠生態(tài)化改造方式：方式1：選用貝殼粉為基質(zhì)，定植植物為苦草（簡稱A型溝渠）;方式2：選用火山石為基質(zhì)，定植植物為苦草（簡稱B型溝渠）;方式3：選用火山石為基質(zhì)，定植植物為金魚藻（簡稱C型溝渠）。

試驗于浙江農(nóng)林大學平山實驗農(nóng)場溫室大棚內(nèi)進行，試驗周期共計49d（2018年7月—2018年8月）。試驗期間每隔7d采樣1次，測定水樣TP、NH3-N和COD濃度。

2.3 水樣分析 TP測定采用過硫酸鉀氧化-鉬銻抗分光光度法，NH3-N測定采用納氏試劑分光光度法，COD測定采用重鉻酸鉀消解法測定。各指標具體分析方法詳見《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版）。

2.4 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)基礎處理采用Excel 2007軟件，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SPSS20.0軟件，圖表制作采用Origin 9.0軟件。各污染物指去除率及其表面去除負荷按下列公式計算：

3 結(jié)果與分析

3.1 TP去除效果 作為一種特殊的人工濕地，生態(tài)溝渠系統(tǒng)中磷的去除機理主要為植物吸收、基質(zhì)/底泥吸附、結(jié)晶沉淀、微生物的同化和聚磷菌的過量攝磷等共同作用，因此其除磷能力不僅受到水質(zhì)本身、水文條件、季節(jié)變化等外部因素的影響，也受到溝渠植物種類及基質(zhì)類型的影響。

由圖1可知，3種構造溝渠系統(tǒng)中TP濃度及去除率的變化趨勢基本一致，均表現(xiàn)為：隨著凈化時間的延長，TP濃度逐漸降低，TP去除率逐漸增加。但各周TP去除量波動較大，其中第21天的TP去除量最高，7天累計去除量分別達到178.48（A型溝渠）、157.70（B型溝渠）和94.56mg（C型溝渠），分別為第7天的2.07、3.41和1.14倍。至試驗結(jié)束時（第49天），A型溝渠（苦草+貝殼粉）、B型溝渠（苦草+火山石）和C型溝渠（金魚藻+火山石）TP去除率分別達到91.13%、82.82%和83.99%。多重比較分析發(fā)現(xiàn)（圖2），B型溝渠和C型溝渠在整個試驗期間的TP表面去除負荷無顯著差異，分別為23.49和23.83mg·d-1·m-2，但均明顯低于A型溝渠25.85mg·d-1·m-2。

3.2 NH3-N去除效果 在生態(tài)溝渠系統(tǒng)中，NH3-N的去除途徑主要包括微生物的降解轉(zhuǎn)化、植物吸收、基質(zhì)/底泥吸附以及物理揮發(fā)等，其中植物吸收、基質(zhì)吸附其及所產(chǎn)生的間接增效作用對除氮效果產(chǎn)生重要影響。試驗發(fā)現(xiàn)（圖3），3種構型溝渠系統(tǒng)中NH3-N濃度均隨著凈化時間的延長而呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，其去除率表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。至試驗結(jié)束時（第49d），3種溝渠系統(tǒng)NH3-N去除率分別達到82.55%（A型溝渠）、84.89%（B型溝渠）和84.34%（C型溝渠）。

此外，盡管3種溝渠系統(tǒng)在較長時間尺度上NH3-N的去除效果差別不大，但期間NH3-N的去除量變化較大，如試驗第14天，3種溝渠系統(tǒng)NH3-N去除量均出現(xiàn)峰值，7d累計去除量分別達到588.24（A型溝渠）、760.08（B型溝渠）和855.84mg（C型溝渠），分別為第7天的2.44、6.86和5.59倍。就整個試驗期間而言（49天），B型和C型溝渠NH3-N表面去除負荷無顯著差異（圖4），分別達到117.63和116.96mg·d-1·m-2，但均顯著高于A型溝渠114.47mg·d-1·m-2。

3.3 COD去除效果 整個試驗期間3種構造溝渠系統(tǒng)COD濃度及其去除率的變化如圖5所示。3種溝渠系統(tǒng)在試驗初期表現(xiàn)出較好的COD去除效果，但在試驗中后期COD去除效率明顯下降。試驗第14天，A、B和C 3種溝渠的COD去除效率最高，7d累計去除量達到了15.07（A型溝渠）、16.85（B型溝渠）和17.60g（C型溝渠），分別為試驗7天的4.21、2.83和3.94倍。至試驗結(jié)束時，3種溝渠系統(tǒng)COD去除率分別達到96.21%（A型溝渠）、96.27%（B型溝渠）和96.37%（C型溝渠），表面去除負荷分別達到1.782（A型溝渠）、（B型溝渠）和1.785g·d-1·m-2（C型溝渠）。

4 小結(jié)

（1）隨著凈化時間的延長，A型（苦草+貝殼粉）、B型（苦草+火山石）和C型（金魚藻+火山石）溝渠TP、NH3-N和COD的去除率均呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。至試驗結(jié)束時（第49天），A型、B型和C型溝渠TP去除率分別為91.13%、82.82%和83.99%，NH3-N去除率分別為82.55%、84.89%和84.34%，COD去除率分別為96.21%、96.27%和96.37%。

（2）3種溝渠系統(tǒng)各周之間污染物去除量存在較大波動，其中TP去除量在第21天出現(xiàn)峰值，7d累計去除量分別達到178.48（A型溝渠）、157.70（B型溝渠）和94.56mg（C型溝渠）;而NH3-N和COD在第14天去除效率最高，NH3-N去除量達到588.5（A型溝渠）、759.9（B型溝渠）和855.5mg（C型溝渠），COD去除量為16.8～18.6g。就整個試驗周期而言，B型和C型溝渠TP、NH3-N和COD的去除效率無顯著差異;但A型溝渠TP去除效率明顯好于B型和C型溝渠，而其NH3-N去除效率又顯著低于B型和C型溝渠。

（3）至試驗結(jié)束時（第49天），A型、B型和C型溝渠的TP表面去除負荷分別為25.85、23.49和23.83mg·d-1·m-2，NH3-N表面去除負荷分別達到114.47、117.63和116.96mg·d-1·m-2，COD表面去除負荷分別為1.782、1.783和1.785g·d-1·m-2。

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（責編：張 麗）