人工水草技術(shù)在波羅江農(nóng)田排水硬化溝渠中的應(yīng)用

滕慶曉，龐燕，胡小貞，王涌濤，黃天寅

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院湖泊生態(tài)環(huán)境創(chuàng)新基地，北京 100012

2.蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009

人工水草技術(shù)在波羅江農(nóng)田排水硬化溝渠中的應(yīng)用

滕慶曉1,2，龐燕1*，胡小貞1，王涌濤2，黃天寅2

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院湖泊生態(tài)環(huán)境創(chuàng)新基地，北京 100012

2.蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009

針對農(nóng)田排水溝渠硬化，缺乏天然凈化能力的問題，根據(jù)生態(tài)截污溝渠原理，采用人工水草技術(shù)進行大理市波羅江農(nóng)田排水水質(zhì)的原位凈化研究。結(jié)果表明：人工水草對農(nóng)田排水具有良好和穩(wěn)定的凈化效果，當(dāng)溝渠進水CODMn為3.8～7.3 mgL，TN、TP和NH3-N濃度分別為1.18～2.65、0.05～0.19和0.45～0.83 mgL，水力停留時間(HRT)為2.1～2.5 h時，經(jīng)人工水草處理后，農(nóng)田排水CODMn、TN、TP和NH3-N的去除率分別達到10.86%～40.35%、13.04%～60.52%、15.65%～48.68%和13.59%～55.13%。

農(nóng)田排水溝渠；人工水草；原位凈化；波羅江

隨著人口的增長，糧食危機日趨嚴峻，加大農(nóng)田內(nèi)化肥、農(nóng)藥使用量成為提高糧食產(chǎn)量的主要手段。然而，由此引起農(nóng)田中氮磷負荷不斷累積，加之農(nóng)灌排水管理不恰當(dāng)，導(dǎo)致農(nóng)田灌溉排水中的氮磷濃度不斷提高[1-2]。農(nóng)田排水溝渠作為農(nóng)田排水污染物進入受納水體前的重要運輸通道，通過土壤吸附、植物吸收、生物降解等綜合作用降低進入地表水體的氮磷濃度，對農(nóng)業(yè)非點源污染的控制和農(nóng)作物生態(tài)系統(tǒng)平衡的維持有重要作用[3-5]。

應(yīng)用農(nóng)田排水溝渠凈化農(nóng)田排水最初由人工濕地凈化技術(shù)發(fā)展而來[6-7]，研究重點主要集中在農(nóng)田排水溝渠對氮磷的凈化機理、去除效應(yīng)及影響因素等方面[8-11]，國內(nèi)的研究起步較晚，胡亞偉[12]、張燕[13]、徐紅燈[14]分別選取寧夏青銅峽灌區(qū)、東北三江平原、浙江嘉興小流域作為研究對象，對研究區(qū)農(nóng)田排水溝渠截留凈化氮磷的效應(yīng)及氮磷的遷移轉(zhuǎn)化特征進行了分析。席北斗等[15-18]開展了pH、降雨、人工基質(zhì)及水生植物對溝渠截留農(nóng)灌排水氮磷的影響研究。結(jié)果表明，該技術(shù)凈化效果較好，且不占用其他土地，符合平原地區(qū)農(nóng)田排水治理的實際需求，有很好的應(yīng)用潛力，但其應(yīng)用受地域、氣候、進水條件、人工管理等因素影響嚴重。

作為西南地區(qū)典型的高產(chǎn)農(nóng)業(yè)區(qū)，大理市波羅江流域農(nóng)田溝渠密布，為提高溝渠過水能力、防止溝渠堵塞，農(nóng)灌溝渠多經(jīng)人工硬化、取直處理，其與周圍土壤、水體的交換被阻隔，水質(zhì)凈化功能喪失。目前多通過對農(nóng)田排水溝渠中挖孔種植水生植物，建成生態(tài)截污溝渠的方式改善其水質(zhì)凈化能力。筆者根據(jù)生態(tài)截污溝渠原理[9,19]，通過在波羅江農(nóng)田排水硬化溝渠中鋪設(shè)人工水草[20-21]，利用新型組合式人工水草技術(shù)對農(nóng)田排水進行原位凈化，探討了其對CODMn、TN、TP、NH3-N的去除效果及對水質(zhì)的凈化能力，以期為人工水草技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)田排水硬化溝渠的水質(zhì)凈化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗區(qū)位于大理市波羅江流域小江西村，研究對象為該村農(nóng)田排水溝渠，其為三面水泥硬化溝渠，渠寬1 m。進入溝渠的污水主要為小江西村沿河居民的生活污水、農(nóng)田灌溉排水的混合污水，主要以農(nóng)業(yè)面源污染為主，渠內(nèi)水量相對較小，河渠水CODMn為3.8～7.3 mgL，TN、TP和NH3-N濃度分別為1.18～2.65、0.05～0.19和0.45～0.83 mgL，水深一般為6～10 cm。

1.2 試驗設(shè)置

試驗設(shè)置如圖1所示。先將縫制好的地毯式人工水草(長×寬為40 m×1 m)鋪設(shè)在試驗溝渠內(nèi)，地毯式人工水草的核心材料為碳素纖維生態(tài)草，碳素纖維生態(tài)草由長20 cm的纖維束組成，生態(tài)草經(jīng)連接線縫制于無紡布上，相鄰連接線間距為0.7 m，無紡布可完全覆蓋渠底。待無紡布在渠底展開鋪平后，在其上每隔5 m放置一根條形大理石(0.8 m×0.2 m×0.15 m)將其壓住，每隔1 m通過膨脹螺絲將其固定。最后在無紡布上無生態(tài)草的部分均勻鋪設(shè)一層粒徑為10～15 mm的礫石〔圖1(b)〕。

圖1 組合式人工水草構(gòu)造示意Fig.1 Schematic diagram of the composite artificial plants

1.3 試驗設(shè)計及運行條件

試驗時間為2014年9月16日—11月28日，共計72 d；試驗分為啟動階段和穩(wěn)定運行階段，穩(wěn)定運行階段以人工水草掛膜成功，氨氮去除率基本穩(wěn)定在30%為標志[22]。試驗階段溝渠內(nèi)的溶解氧(DO)濃度、水溫和水力停留時間(HRT)等參數(shù)如表1所示。試驗主要考察啟動階段和穩(wěn)定運行階段人工水草對溝渠內(nèi)水體中CODMn、TP、TN和NH3-N的去除效果。

1.4 主要儀器與分析方法

表1 水力參數(shù)

表2 分析方法與主要儀器

于11月19日進行微生物采樣和顯微鏡(奧林巴斯BX53型)觀察，方法參考《水和廢水監(jiān)測分析方法》著生動物測定(B)。

2 結(jié)果與討論

2.1 CODMn的去除

CODMn的去除效果如圖2所示。在試驗的啟動階段前期，CODMn的去除主要通過人工水草的物理吸附及有機物的自然沉降作用，在運行第2天(9月17日)CODMn去除率最高，達到37%，隨后去除率穩(wěn)定在10%～30%；啟動階段后期，人工水草物理吸附達到飽和，CODMn主要靠人工水草上逐漸形成的生物膜去除。從9月22日開始，CODMn的去除率降至12%，隨后基本保持在10%左右(9月23—26日)。9月26日后CODMn的去除率又逐漸增加，人工水草上的生物膜逐漸生長并成熟。

圖2 試驗中CODMn的去除效果Fig.2 Removal of CODMn in the experiment

試驗的穩(wěn)定運行階段，CODMn主要依靠人工水草上微生物自身的生長繁殖而被去除，10月CODMn的去除率為18%左右，11月CODMn的去除率上升至30%～40%。期間CODMn去除率的波動與微生物“發(fā)生—生長—衰老—死亡—發(fā)生”自然生長周期有關(guān)。楊紅艷[20]在流速為1.25～3.11 cms，DO濃度為1.58～4.34 mgL，pH為6.87～7.89，溫度為8～25 ℃的條件下，利用人工水草技術(shù)進行城鎮(zhèn)河道水體凈化，發(fā)現(xiàn)受試驗溫度和河道自然特征影響，COD的去除率為3.70%～19.63%?？梢?，人工水草技術(shù)可應(yīng)用于河道水體凈化，但試驗設(shè)計時要充分考慮溫度、pH、水流速度、DO濃度和微生物源等影響因素。

2.2 TP的去除

TP去除效果如圖3所示。由圖3可見，溝渠水體中TP濃度較低，基本都小于0.2 mgL。TP的變化趨勢與CODMn類似，在啟動階段，以物理吸附和沉降為主，前期TP去除率為10%～30%。當(dāng)進水TP濃度為0.09、0.075和0.057 mgL時，去除率分別為18%、21%和28%。

10—11月進入穩(wěn)定階段后，人工水草對TP的去除率保持在40%左右，表明人工水草對TP的去除主要依靠人工水草上附著的微生物完成。此時水體中的DO濃度大于3 mgL，屬于好氧條件，有利于聚磷菌主動大量吸收磷酸鹽[24-26]。在試驗過程中，水體中TP的去除率出現(xiàn)波動，這主要是因為微生物世代生長會出現(xiàn)“生長—死亡”的交替循環(huán)，也與部分聚磷菌在不利環(huán)境條件下分解體內(nèi)的多聚磷酸鹽有關(guān)[27]。吳永紅等[28]利用多環(huán)串聯(lián)人工水草處理武漢市漢陽區(qū)月湖湖水時，TP的凈化也同樣呈現(xiàn)上述“生長—死亡—生長”的連續(xù)波動現(xiàn)象。

圖3 試驗中TP的去除效果Fig.3 Removal of TP in the experiment

2.3 TN的去除

由圖4可見，試驗啟動階段，TN的去除率較高，9月19日達到該階段的最高值(48%)。這主要與人工水草初期具有很強的吸附能力有關(guān)。9月20日TN去除率降到最低值(14%)，說明此時吸附已經(jīng)開始飽和。隨后TN去除率又慢慢升高，啟動階段后期，去除率基本保持在20%左右，說明附著在人工水草上的微生物開始生長，并對水體產(chǎn)生凈化作用。

圖4 試驗中TN的去除效果Fig.4 Removal of TN in the experiment

2.4 NH3-N的去除

由圖5可知，試驗啟動階段，人工水草主要靠物理吸附作用吸收水體中的NH3-N，9月17日NH3-N去除率達到最高值(58%)。之后去除率慢慢降低，9月19日下降為16%，吸附基本飽和。隨后NH3-N去除率又慢慢升高，啟動階段后期，去除率穩(wěn)定在20%～30%。

圖5 試驗中NH3-N的去除效果Fig.5 Removal of NH3-N in the experiment

試驗進入穩(wěn)定階段后，人工水草對NH3-N的去除率保持在30%左右，處理效果穩(wěn)定，此時人工水草對NH3-N的去除主要依靠生物膜外層的硝化細菌和亞硝化細菌將NH3-N轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮，同時芽孢桿菌和假單胞菌的氨化作用又會把含氮有機物轉(zhuǎn)化為氨[32]。試驗中，水體pH為7.0～7.8，完全符合硝化細菌最適pH要求，故NH3-N去除效果較好。童敏等[33]在pH為7.1～7.8，進水DO濃度為0.2～0.7 mgL，NH3-N濃度為5.1～12.7 mgL時，利用多功能人工水草技術(shù)處理上海市中心城區(qū)黑臭河水，主要借助以銨鹽為氮源的氧化硫桿菌和枯草桿菌二者共同作用對NH3-N的降解，該技術(shù)對黑臭河水NH3-N的平均去除率最高達96.0%。

2.5 水質(zhì)綜合分析

由上述分析可知，在HRT為2.1～2.5 h，DO濃度為3.38～4.37 mgL，溫度為16.1～22.1 ℃，水深為0.07～0.13 m的條件下，組合式人工水草對各污染物均有較好的去除效果。當(dāng)進水CODMn為3.8～7.3 mgL，TN、TP和NH3-N濃度分別為1.18～2.65、0.05～0.19和0.45～0.83 mgL時，CODMn、TN、TP和NH3-N的去除率分別為10.86%～40.35%、13.04%～60.52%、15.65%～48.68%和13.59%～55.13%，處理效果穩(wěn)定。表明人工水草上生物膜長到一定厚度后，外部的氧氣被好氧微生物利用，內(nèi)部DO濃度逐漸降低，成為缺氧環(huán)境，適于厭氧微生物生長，從而形成微AO結(jié)構(gòu)。表面的好氧微生物可以很好地去除有機物、NH3-N和磷，而內(nèi)部的厭氧微生物可以實現(xiàn)脫氮作用，從而達到凈化污水的效果。底部的無紡布具有結(jié)構(gòu)疏松、比表面積大等優(yōu)勢，無紡布也能吸附微生物，增強組合式人工水草對溝渠水質(zhì)的凈化效果。

2.6 微生態(tài)系統(tǒng)顯微鏡觀察

人工水草上的生物相在顯微鏡下的觀察結(jié)果見圖6。由圖6可見，人工水草本身為微生物附著生長提供了較為固定的基質(zhì)，其上附著較多的細菌、藻類等微生物。在顯微鏡下，可以觀察到芽孢桿菌、假單胞菌和硝化細菌等形態(tài)的脫氮微生物。這些脫氮微生物在好氧環(huán)境中進行氨化反應(yīng)，使含氮有機物降解，釋放出氨，進而被硝化細菌和反硝化細菌利用，最后還原成氮氣排出。故人工水草對TN和NH3-N的去除效果較好，去除率最高可達60%和55%。此外人工水草上還存在一些低等的原生動物和后生動物，這些原生動物和后生動物可加快生物膜的代謝速度。綜上可知，波羅江良好的光照自然條件和污染水體為人工水草的表面微生物生長提供了良好的生存環(huán)境，促成了一個較為完善的微生態(tài)系統(tǒng)形成，也有利于生物多樣性的形成。

圖6 400倍顯微鏡下微生物照片F(xiàn)ig.6 The photos under the 400 times microscope

3 結(jié)論

(1)采用碳素纖維生態(tài)草和無紡布結(jié)合的組合式人工水草對三面硬化的農(nóng)田排水溝渠水質(zhì)進行凈化是技術(shù)上完全可行的凈化手段。

(2)在HRT為2.1～2.5 h，DO濃度為3.38～4.37 mgL，溫度為16.1～22.1 ℃，水深為0.07～0.13 m條件下，當(dāng)進水中CODMn為3.8～7.3 mgL，TN、TP和NH3-N濃度分別為1.18～2.65、0.05～0.19和0.45～0.83 mgL時，CODMn、TN、TP和NH3-N的去除率分別為10.86%～40.35%、13.04%～60.52%、15.65%～48.68%和13.59%～55.13%，處理效果較為穩(wěn)定。

(3)微生態(tài)系統(tǒng)顯微鏡觀察表明，微生態(tài)系統(tǒng)主要包括多種細菌、藻類、原生動物和后生動物，生物多樣性較豐富，形成了較完善的微生態(tài)系統(tǒng)，有利于水體的凈化。

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Application of Artificial Plants in Farmland Drainage Ditches of Boluo River

TENG Qingxiao1,2, PANG Yan1， HU Xiaozhen1， WANG Yongtao2， HUANG Tianyin2

1.Research Center of Lake Eco-environment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2.School of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China

Aiming at the problem of the drainage ditches hardening and lacking natural purification ability, the technique of artificial plants was put forward as a solution based on the ecological sewage ditch principles. In-situ artificial plant experiment was carried out to purify the agriculture drainage in drainage ditches of the Boluo River of Dali. The results showed that the artificial aquatic plants have feasible and stable purification ability for agriculture drainage. When the CODMn, TN, TP and NH3-N of the agriculture drainage were 3.8-7.3 mgL, 1.18-2.65 mgL, 0.05-0.19 mgL, 0.45-0.83 mgL, respectively, with hydraulic retention time of 2.1-2.5 h, and after the treatment of artificial grass carpet, the removal rates of CODMn, TN, TP and NH3-N in farmland drainage ditches were 10.86%-40.35%, 13.04%-60.52%, 15.65%-48.68% and 13.59%-55.13%, respectively.

farmland drainage ditch; artificial plants; in-situ purification; Boluo River

滕慶曉，龐燕，胡小貞，等.人工水草技術(shù)在波羅江農(nóng)田排水硬化溝渠中的應(yīng)用[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報,2016,6(1):65-71.

TENG Q X, PANG Y，HU X Z, et al.Application of artificial plants in farmland drainage ditches of Boluo River[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2016,6(1):65-71.

2015-05-19

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07105-003-03)

滕慶曉(1989—)，男，碩士，主要研究方向為水污染控制與治理，774320360@qq.com

*責(zé)任作者:龐燕(1970—)，女，副研究員，主要研究方向為湖泊水污染控制及生態(tài)恢復(fù)，190068749@qq.com

X522

1674-991X(2016)01-0065-07

10.3969j.issn.1674-991X.2016.01.010