植物塘對農田退水中主要污染物降解效果淺析

倪涌

（鎮江市生態環境局 江蘇鎮江 212001）

0 引言

農田退水一直是水環境治理的一個難題。農田退水是農業面源污染的主要污染途徑之一。在美國，農田退水造成了2/3 河流和湖泊的水體受到污染［1］。根據歐洲河流的有關調查結果顯示，僅挪威一國的農業退水中有將近30%的TP 和50%的TN，其污染程度可見一斑。農田退水屬于間歇性突發排放且來源復雜，其排放時間、水量、污染物濃度等要素很難在源頭上進行控制。目前，治理農田退水的思路：①減少耕地肥料的用量，從源頭上減少污染來源；②建立生態攔截系統，包括生態渠、植物塘等，對其進行末端治理。然而控制肥料用量會影響農業生產，而生態渠技術需要較大的占地面積，且需要一定的時間長度進行生物降解，并不適合所有的農村地區；而植物塘可以用廢棄的魚塘進行改造或者直接在預留空地上挖建，形式多樣，以便于統一管理，適合各類農村地區使用。

1 植物塘降解技術的優點和去污機理

就目前農田退水治理技術來看，植物塘屬于比較新型且有效的生態治理方式之一。它是通過構建生物群落的方式，將水生生物、浮游生物、微生物形成一個共生系統，利用生物的自凈功能來處理污水，相對于“引言”中介紹的農田退水處理方式，具有以下優點：

（1）相對于生態渠，植物塘可以擁有更大的容積和收水面，能夠對大量高濃度農田退水進行緩沖，有效杜絕渠道滿溢后，農田退水直接排入附近河道。

（2）擁有更深的水深，方便各種降解植物的栽種，特別是一些沉水植物的栽種，能夠根據各地水污染特點，栽種具有針對性污染因子降解植物，同時在構建水生態環境方面具有更多的選擇性。

（3）占地面積較小，同時能保證污水具有足夠的停留時間，降解作用相對于生態渠更為顯著。

植物塘目前主要是對農田退水中的有機物、氮、磷進行降解。針對有機物，先是通過絮凝、稀釋、沉淀3 種物理性作用，而后在水中微生物降解和水生植物吸收2 種化學作用下最終得以去除和降解［2］。植物塘中的植物不僅能夠提供載體來促進微生物的生長，而且在其進行光合作用的過程中所產生的氧氣還能夠幫助依賴氧氣維持生命的微生物進行生理活動，而微生物的代謝產物能夠為水生植物提供碳源和營養物質，微生物-植物共生系統有助于去除污水中的有機物［3］。

農田退水中磷的形態主要為有機磷、正磷酸鹽和聚磷酸鹽。在植物塘中，磷從水中被降解的機理一般有2 種：①通過水中植物的吸收作用，將磷變為自身生命活動中必需的營養來源；②PO43-經過化學作用后可以同水體中的Ca2+、Mg2+和Fe3+等陽離子結合，從而發生化學沉淀而被降解。

在植物塘中，一般是通過植物吸收和氨揮發2 種方式降解水體中的氨氮。植物塘內氨氮主要以2 種形態存在，這2 種形態間的平衡方程式見式（1）。

式（1）中平衡過程受溫度和pH 的影響。當pH 在7.0 左右時，水體中氮的存在形式主要以NH4+為主；當pH＞9.0 時，植物塘中氮的主要降解途徑為氨揮發［4］。

2 影響植物塘降解效果的主要因素

2.1 實驗方法

為考察植物塘對農田退水降解的主要因素，通過模擬實驗，將同質的水樣充入到模擬的塘體中。塘體基質采用現有塘體中的淤泥并混入細沙、鵝卵石等（圖1）。淤泥作為底層鋪墊層，主要用于植物根系的延伸和營養物質的保存和固定，而泥沙和鵝卵石除了模擬自然塘底的環境，還對水中懸浮物進行吸附，一定程度上保持水體的清澈，使植物得到充足的光照。

圖1 模擬植物塘設定圖

根據本地主要植物塘的平均深度，整個模擬塘體水體深度為1.5 m，底部栽種本地較為常見的挺水或沉水植物（植株均選擇發育成熟的植株）。根據相關研究資料采用合適的種植密度以保證最大的處理效果［5］，同時設置不同的水力停留時間、塘體溫度等條件進行分類實驗［6］來判斷不同條件下植物塘的降解效果，詳細情況見表1。

表1 各組樣品的實驗條件

根據本地農田退水長期實際的監測數據，本實驗設置3 種濃度的水流來模擬日常農田退水常見水質狀況，設置情況見表2。分別通入10 組試樣中來測定降解效果。

表2 進水水質設定 單位：mg／L

2.2 實驗結果

根據實驗發現，對于高濃度廢水，一般停留時間需要9 d 才能使降解水質趨于平穩，而中濃度需要6 d，低濃度只需要5 d，濃度越高，需要降解的時間越長。

（1）在COD 降解率方面，30 ℃水溫下，香蒲對COD的降解率最高，接近80%，而澤瀉與菖蒲的降解率分別為78%和77%，狐尾藻的COD 降解率為75%，金魚藻為62%。在20 ℃時，香蒲、澤瀉的降解率有所下降，而金魚藻和菖蒲的降解率卻有所提高。在10 ℃時除金魚藻外，其他4 種植物的降解率都出現大幅度下降（圖2）。從上述實驗數據來看，COD 的降解效果與所在的環境溫度有著一定的關聯，同時跟水生植物生長狀態也有著密切的關系。比如金魚藻在20 ℃時的凈化效果相比30 ℃時竟出現少量的提升，據有關資料顯示，金魚藻最佳生長溫度為15～25 ℃，在這個溫度范圍內，金魚藻的生物活性最強。同時在這個研究中發現，濁度對金魚藻的凈化效果也有干擾，例如在20 ℃、200 NTU 的渾水中，金魚藻的降解效率在5 d 內會出現逐漸降低的現象，一旦濁度恢復到50 NTU 以下，金魚藻的降解效率便會在最高值穩定下來，這與金魚藻受到的光照減少、植物生長情況不佳有著密切的關系。

圖2 不同溫度下各水生植物COD 降解率

（2）在氨氮降解方面，30 ℃水溫下，菖蒲的降解率最優，達到了84%，澤瀉為66%，香蒲為60%，狐尾藻為64%，金魚藻僅為35%；而在20 ℃時，所有植物的降解率都產生了一定的下降，但幅度較??；在10 ℃時，所有植物的降解率都在持續下降，但幅度變化極其微?。▓D3）。從氨氮實驗中，我們發現水溫對氨氮降解的影響不如COD 降解那么明顯，這也驗證氨氮的去污過程與水溫關聯較小，同時水生生物的長勢對氨氮降解效果影響也較小，只和植物品種有關。值得注意的是，氮元素也是植物生長所需的重要營養之一，相對于COD 的降解率，氨氮在同等溫度下的降解率是高于COD 的。所以在氨氮的降解方面，要針對不同地區農田退水的水質，進行合適的水生植物栽種搭配，以取得更好的效果。

圖3 不同溫度下各水生植物氨氮降解率

（3）在總磷降解方面，30 ℃水溫下，澤瀉的降解率最優，達到了70%，菖蒲為65%，香蒲為62%，狐尾藻為61%，金魚藻為47%；而在20 ℃時，除菖蒲、狐尾藻外，所有植物的降解率都在持續下降，菖蒲和狐尾藻的處理效率達到了66%和62%；在10 ℃時，除金魚藻略微下降外，所有植物的降解率出現大幅度下降（圖4）。從總磷的測試數據來看，其降解效率和溫度的關聯性較COD和氨氮來看是最大的，也就是說，總磷的降解和水生植物的生長情況關聯最大。因為磷作為植物生長所需的營養物質之一，一旦環境溫度不在水生植物最佳生長的范圍內，植物對其的代謝作用便會直線下降，對營養物質的消耗也會大大減少，這也一定程度上說明，PO43-經過化學作用后可以同水體中的Ca2+、Mg2+和Fe3+等陽離子結合，從而發生化學沉淀而被降解。這種作用相對于植物的吸收消耗作用來說，在總磷降解過程中不是主要作用，這也在一定程度上說明，為什么很多魚塘湖泊一旦沉水植物出現大面積死亡，就會爆發水華等。原因是營養物質原有的消耗平衡被打破，消費者由水生植物變為藻類，藻類的生長速度大幅增加。

圖4 不同溫度下各水生植物總磷降解率

綜上所述，溫度是影響水生植物的生長的重要因素，同時也是影響植物塘降解效果的重要因素，尤其是COD 和總磷的降解與水生植物適宜生長的溫度有很大的關聯，而氨氮的降解和水溫關聯性較小。同時我們發現金魚藻的溫度適應性較強，降解效率也相對于其他植物來說十分穩定，在不同的區域均可以作為水生植物搭配的必選物種。

3 結論

（1）水溫影響植物塘降解效果的一個重要因素。水溫由于影響水生植物的長勢，會進一步影響植物的生物活性，從而影響水生植物對污染物的代謝效率，進而影響整個植物塘對污染物的代謝效率。對于不同的因子，水溫對總磷的降解影響最大，COD 次之，最后是氨氮。

（2）停留時間是影響污染物凈化量的一個重要指標。在實際運用中，植物塘的降解作用是生態法的典型，雖然不如一些加藥沉淀、曝氣絮凝等方法來的快速，但副作用幾乎不存在，也不會對水質造成二次污染。所以要保證植物塘出水水質達標，必須要有較長的水力停留時間。

（3）植物物種選擇，對氨氮降解影響較大。所以不同地區要根據當地的農田退水的水質特點，合理栽種不同類型的水生植物，保證其降解效果的穩定和優化。