生態(tài)溝渠對丘陵地區(qū)農(nóng)村面源污染凈化效果研究

楊尚虎，龔屹鵬，楊 龍，蘭書煥，羅明華

(1.綿陽師范學(xué)院資源環(huán)境工程學(xué)院，四川綿陽 621000；2.中國科學(xué)院成都生物研究所中國科學(xué)院環(huán)境與應(yīng)用微生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610041；3.綿陽師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川綿陽 621000)

0 引言

近年來，隨著環(huán)保意識的增強(qiáng)與技術(shù)研究的不斷發(fā)展，我國點(diǎn)源污染問題得到一定控制.但在農(nóng)村地區(qū)，為提高糧食產(chǎn)量，大量化肥、農(nóng)藥與殺蟲劑等農(nóng)用產(chǎn)品投入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，隨之產(chǎn)生土壤肥力下降、水體富營養(yǎng)化等嚴(yán)重環(huán)境問題.據(jù)全國第一次污染源調(diào)查結(jié)果，農(nóng)業(yè)源排放的總氮、總磷排放分別為270.46萬t和28.47萬t，分別占排放總量的57.2%和67.4%.由于農(nóng)村面源污染具有分散性、隨機(jī)性與突發(fā)性，該類污染問題難以治理.農(nóng)業(yè)面源排放的氮磷嚴(yán)重影響農(nóng)村河道生態(tài)環(huán)境，破壞農(nóng)村人居環(huán)境[1-3].隨著農(nóng)村面源污染問題研究的發(fā)展，人工濕地、前置庫和稻田消納等治理技術(shù)在攔截氮磷污染物中有明顯效果，但人工濕地技術(shù)、前置庫技術(shù)及稻田消納技術(shù)存在占地面積大的問題，也使其在我國某些地區(qū)難以推廣[4-5].研究表明生態(tài)溝渠技術(shù)具有氮磷攔截效果好、易建設(shè)、低成本與少維護(hù)的優(yōu)勢，但其顯著問題在于單位面積攔截效率低[6].因此，強(qiáng)化生態(tài)溝渠對污染物消減性能，成為亟待解決的問題.董怡華[7]等用不同基質(zhì)構(gòu)建植物塘-人工濕地復(fù)合系統(tǒng)，該系統(tǒng)對COD、氨氮和總磷去除率分別為96.05%～98.06%、98.07%～98.88%和95.14%～96.68%，去除效果均良好.李夢華[8]等對陶粒基質(zhì)人工濕地去污性能研究表明，粘土陶粒人工濕地對COD、總氮和總磷的去除效果明顯，去除率分別為72.9%～97.2%、84.0%～96.3%和92.6%～99.6%.上述研究表明基質(zhì)可優(yōu)化污染物消減效率，但僅僅將基質(zhì)應(yīng)用在人工濕地技術(shù)領(lǐng)域，在生態(tài)溝渠中的應(yīng)用鮮見報道.

本文報道了將植物、基質(zhì)與微生物聯(lián)合作用應(yīng)用于生態(tài)溝渠技術(shù)，強(qiáng)化溝渠對污染物的消減性能，綜合利用栽培植物的去污性能、景觀功能，構(gòu)建土壤+基質(zhì)+植物與土壤+植物兩種生態(tài)攔截溝渠，監(jiān)測并分析污染物經(jīng)兩種溝渠處理后，化學(xué)需氧量COD和氮磷的濃度變化，并探討兩種生態(tài)溝渠COD、氨氮、硝氮、總氮和總磷的削減貢獻(xiàn)率及水力停留時間影響，以期為丘陵地區(qū)農(nóng)村面源污染治理工程設(shè)計和應(yīng)用提供參考.

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域概況

成都市某村(東經(jīng)104°27'51.6"，北緯30°24'11.5")位于沱江中游絳溪河支流赤水河旁，地貌以淺丘為主，年平均氣溫17 ℃，年平均降水量874 mm.常住人口1 981人，農(nóng)作物種類多、面積廣，單位面積化學(xué)肥料用量大(氮肥、磷肥、復(fù)合肥施肥量約為各50 kg/畝).豐水期5～9月降雨頻繁、量大，污染物隨降雨徑流沿地勢匯集到兩條貫穿村莊的排污溝流入赤水河內(nèi).

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計

污水經(jīng)閘門、調(diào)節(jié)池進(jìn)入溝渠，兩組溝渠各設(shè)置美人蕉、傘草、澤瀉和狐尾藻四個植物單元.溝渠1基質(zhì)層由火山石、沸石、陶粒三種基質(zhì)組合而成，基質(zhì)的多孔結(jié)構(gòu)有助于微生物掛膜，污水中部分有機(jī)物、氮素、磷素經(jīng)微生物的吸收、降解、反硝化等過程得以去除.且基質(zhì)本身對污水中氮素、磷素有吸附作用，植物根系可吸收固定在基質(zhì)上的氮磷元素作為自身營養(yǎng)物質(zhì)，污水中氮磷濃度經(jīng)基質(zhì)捕捉—植物吸收不斷循環(huán)的過程進(jìn)一步降低.溝渠2在削減污染物的同時與溝渠1形成對照，驗(yàn)證組合基質(zhì)對溝渠凈化污水的強(qiáng)化作用，污水凈化流程見圖1.

圖1 污水凈化流程圖Fig.1 Sewage purification flow chart

美人蕉(CannaindicaL.)：美人蕉科美人蕉屬植物，高可達(dá)1.5 m，全株綠色無毛，具塊狀根莖，地上枝叢生；葉片卵狀長圓形.性喜溫暖和充足的陽光，適應(yīng)于肥沃粘質(zhì)土壤生長，我國南北各地常有栽培，作為觀賞植物.據(jù)文獻(xiàn)報道，美人蕉對硝氮、氨氮有明顯凈化效果[9-10].

傘草(CyperusalternifoliusL.)：又名風(fēng)車草，莎草科莎草屬多年生草本植物，株高60～150 cm，根狀莖短，粗大，須根堅(jiān)硬，莖直立無分枝，葉頂生為傘狀，有多數(shù)輻射枝，中國南北各省均有栽培，作為觀賞植物，傘草對污水中氮磷、COD有良好的凈化效果.

澤瀉(Alismaplantago-aquaticaL.)：多年生水生或沼生草本，塊莖直徑1～3.5 cm，或更大.葉通常多數(shù)；沉水葉條形或披針形；挺水葉寬披針形、橢圓形至卵形.生于湖泊、河灣的淺水帶，沼澤、溝渠及低洼濕地亦有生長.本種花較大，花期較長，用于花卉觀賞.

狐尾藻(MyriophyllumverticillatumL.)：多年生粗壯沉水草本，根狀莖發(fā)達(dá)，節(jié)部生根，莖圓柱形，水上葉披針形，較強(qiáng)壯，鮮綠色，裂片較寬.中國南北各地池塘、河溝和沼澤中常有生長，夏季生長旺盛，冬季生長慢，能耐低溫，可作為冬季溝渠凈化植物.

基質(zhì)選擇火山石(粒徑2～3 cm)、沸石(粒徑2～3 cm)、粉煤灰陶粒(粒徑0.5～0.8 cm)(均購于鞏義市德源物資經(jīng)銷部)；花盆選擇鏤空塑料花盆(下口徑10 cm，上口徑18 cm，高15 cm，購于臺州市黃巖屹森塑料制品廠)，六孔托架(孔徑12 cm、長45 cm、寬35 cm、高8 cm，購于深圳市寶安區(qū)卉豐園藝資材商行)；流量計選擇超聲波明渠流量計-巴氏流量計(購于南京祥瑞德家具專營店).美人蕉、傘草與澤瀉單元均采用盆栽與托架搭配使用的方式，種植密度為12株/m2；狐尾藻直接潑灑，密度約為20株/m2.

兩組生態(tài)溝渠均呈“弓”字型，左右對立分布，具體設(shè)計技術(shù)指標(biāo)如表1所示.

1.3 分析指標(biāo)與方法

溝渠穩(wěn)定運(yùn)行兩個月后，于面源污染高發(fā)期6～9月監(jiān)測溝渠對COD、氨氮、硝氮、總氮與總磷的凈化效率及不同水力停留時間(hydraulic retention time,HRT)各植物單元凈化效率變化，測定方法參考文獻(xiàn)[9]的方法.

2 討論

2.1 生態(tài)溝渠凈化效率

選取溝渠進(jìn)水和溝渠1和溝渠2美人蕉、傘草、澤瀉植物單元出水為測定對象，探究兩組盆栽植物對污染物的去除效率.圖2反映了溝渠對COD凈化效果.由圖2可見，溝渠1對COD去除率在38.38%～59.85%，平均去除率為52.64%；溝渠2對COD去除率在19.19%～49.36%，平均去除率為38.58%.圖3反映了溝渠對水體氮的凈化效果.由圖3可見，溝渠1對氨氮去除率在38.46%～87.91%，平均去除率為60.27%；對硝氮去除率在10.38%～97.70%，平均去除率51.91%；對總氮去除率在14.25%～97.25%，平均去除率為47.94%.由圖4可見，溝渠2對氨氮去除率在19.23%～82.97%，平均去除率為53.44%；對硝氮去除率在6.49%～59.39%，平均去除率為34.13%；對總氮去除率在14.08%～66.27%，平均去除率為32.12%.圖5反映了溝渠對水體磷的去除效率.由圖5可見，溝渠1對總磷的去除率在28.85%～49.36%,平均去除率為40.12%；溝渠2對總磷去除率在7.81%～51.10%，平均去除率為24.81%.

圖2 溝渠COD凈化效果Fig.2 COD purification effect of ditch圖3 溝渠1水體氮凈化效率Fig.3 Nitrogen purification efficiency of ditch 1 water body

圖4 溝渠2水體氮去除效率Fig.4 Nitrogen removal efficiency of ditch 2 water body 圖5 溝渠水體磷去除效率Fig.5 Phosphorus removal efficiency of ditch water body

基質(zhì)利用自身的多孔結(jié)構(gòu)、離子交換等特性攔截污染物.同時，微生物利用基質(zhì)作為生存載體，在其表面掛膜去除水體中有機(jī)物和氮素.有機(jī)物主要通過微生物異化作用進(jìn)行降解，氮素的去除主要以反硝化的方式進(jìn)行[10-12].由圖結(jié)論可見，組合基質(zhì)應(yīng)用于生態(tài)溝渠中提高了溝渠對污染物的去除效率，溝渠1對COD、總氮和總磷的平均去除率比溝渠2分別高出14.06%、15.82%和15.31%.

2.2 HRT對溝渠1凈化效果影響

試驗(yàn)根據(jù)排污溝在枯水期、平水期、豐水期平均流量大小將生態(tài)溝渠進(jìn)水劃分為小中大三個流量等級，對應(yīng)HRT分別為12、5和2 h，探究不同進(jìn)水強(qiáng)度下溝渠1系統(tǒng)對污染物的去除效果.

圖6表示溝渠1在HTR分別為12、5和2 h時運(yùn)行穩(wěn)定后，溝渠系統(tǒng)對各污染物的平均(3次平行)去除率及各植物單元的去污貢獻(xiàn).由圖6可見，當(dāng)HRT從12 h降低至2 h，COD、氨氮、硝氮總氮和總磷的平均去除率分別下降29.95%、15.03%、15.24%、22.25%和29.16%.溝渠依靠基質(zhì)—微生物—聯(lián)合作用攔截有機(jī)物、氮磷元素[13]，隨著HRT降低，進(jìn)水與基質(zhì)、植物根系、微生物的接觸時間縮短，物質(zhì)交換、吸附等過程減少，進(jìn)而影響溝渠系統(tǒng)對污染物的吸收和降解.

圖6 不同HRT下的污染物去除率及四個植物單元的去除貢獻(xiàn)Fig.6 Pollutant removal rate under different HRT and removal contribution of four plant units

由圖6還可見，當(dāng)HRT從12 h降低至5 h，傘草單元作為美人蕉單元的后一處理單元，對COD、氨氮、硝氮、總氮、總磷的平均出去率分別增加4.05%、19.82%、7.64%、6.05%和4.66%.HRT從12 h降低至5 h，受進(jìn)水水力負(fù)荷增加影響，作為第一處理單元的美人蕉對污染物去除效果下降.進(jìn)入到傘草單元的污染負(fù)荷增加，污染物在傘草單元格中的去除量增加，因此污染物在該單元中去除率升高.可見植物單元串聯(lián)的方式可提高溝渠的抗沖擊負(fù)荷能力，提升溝渠去除污染物的穩(wěn)定性.另外，在HRT為12、5 h時，狐尾藻作為末端處理單元對COD和總磷仍具有較好攔截效果.HRT=12 h時，對COD、總磷去除效果為12.83%、15.63%；HRT=5 h時，對COD、總磷去除效果為20.72%、33.68%.降雨徑流COD、總磷的顆粒態(tài)在全形態(tài)中占有一定比例[14]，狐尾藻根部發(fā)達(dá)細(xì)密、縱橫交錯，可形成致密的網(wǎng)狀根系結(jié)構(gòu)，對顆粒態(tài)污染物進(jìn)行有效攔截過濾.當(dāng)HRT降低至5 h時，狐尾藻植株與進(jìn)水接觸面積因溝渠水位升高而增加，顆粒態(tài)COD、總磷攔截量隨之增加，出水濃度降低.但HRT降低至2 h后，水流的沖刷作用遠(yuǎn)超過狐尾對藻顆粒態(tài)COD、總磷的攔截過濾，出水濃度升高.其次，當(dāng)HRT從12 h降低至5 h，溝渠系統(tǒng)對硝氮和總氮平均去除率分別升高34.52%、41.46%.分析認(rèn)為，適當(dāng)提高進(jìn)水負(fù)荷能促進(jìn)微生物與水的物質(zhì)交換、吸收等過程，從而增強(qiáng)微生物的代謝能力，有益于污染物降解[15].本研究結(jié)果與前人[16]等對水力停留時間對生物滯留池總氮去除效果影響研究結(jié)果相近.

3 結(jié)論與建議

(1)溝渠1對COD、氨氮、硝氮、總氮和總磷平均去除率分別為52.64%、60.27%、51.91%、47.94%和40.12%，組合基質(zhì)應(yīng)用于生態(tài)溝渠中提高了溝渠對污染物的去除效率，溝渠1對COD、總氮、總磷的平均去除率比溝渠2分別提高了14.06%、15.82%和15.31%.

(2)HRT對溝渠系統(tǒng)污染物去除效果影響較大.隨著進(jìn)水流量增加、HRT減少，溝渠1對COD、氨氮和總磷的去除效果下降.但在HRT為12、5和2 h中，硝氮去除率在HRT=5 h時達(dá)到最佳.

(3)狐尾藻根系發(fā)達(dá)致密，對顆粒態(tài)污染物有明顯攔截過濾效果.但狐尾藻根莖葉較軟，抗沖擊能力差，可將狐尾藻設(shè)置在生態(tài)溝渠末端，作為去除徑流污染中顆粒態(tài)污染物的有力屏障.

(4)豐水期洪水時段是生態(tài)溝渠運(yùn)行的難點(diǎn).可在溝渠前端增設(shè)導(dǎo)流、緩流設(shè)施，降低降雨洪峰對溝渠系統(tǒng)的破環(huán)，保護(hù)溝渠植物的同時提升豐水期溝渠凈化效果.