生態(tài)溝渠對水中氮磷去除效果的模擬研究

梁 善，郭秋萍，杜建軍，劉 雯，雷澤湘

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院/廣東省產(chǎn)地環(huán)境污染防控工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510225）

【研究意義】近年來，農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重威脅著水環(huán)境的質(zhì)量與安全［1-3］。調(diào)查表明，目前我國農(nóng)業(yè)面源污染總氮、總磷排放量分別占全國總氮、總磷排放總量的57.2%和67.3%，農(nóng)業(yè)面源污染是國內(nèi)主要河流、湖泊等氮磷主要輸入源，氮磷流失的營養(yǎng)物質(zhì)占其輸入總量的50%以上［4］。即使在挪威、瑞典、荷蘭和芬蘭等歐洲國家，農(nóng)業(yè)面源污染總氮、總磷排放量也均占排放總量的50%和40%以上，部分地區(qū)甚至更高［5］。因此，綜合施策，實(shí)施“源頭減量-過程阻控-末端治理”的農(nóng)田氮磷污染防控模式已成為農(nóng)田氮磷污染防控重要措施［6］。

【前人研究進(jìn)展】水泥硬化的溝渠，使溝渠失去吸收農(nóng)田退水中氮磷物質(zhì)的能力［7-9］。生態(tài)溝渠主要是通過溝渠內(nèi)部的動植物、土壤、微生物之間的吸收轉(zhuǎn)化作用，來降低水體中的氮磷污染物質(zhì)質(zhì)量濃度，從而達(dá)到水體凈化的效果［10～11］。因此，若以生態(tài)溝渠代替水泥硬化的溝渠，種植不同生態(tài)型水生植物，不僅可以改善農(nóng)田景觀、美化環(huán)境，同時可以吸收農(nóng)田退水中的氮磷物質(zhì)，對于氮磷物質(zhì)起到吸收和攔截作用（過程阻控），為人工濕地或生態(tài)塘進(jìn)一步的末端治理減輕負(fù)荷［12-14］。在正常農(nóng)田種植狀態(tài)下，溝渠中的水體一般呈現(xiàn)流動變化狀態(tài)，這對研究生態(tài)溝渠對于氮磷吸收和攔截作用及其機(jī)理帶來極大的影響與不便［13,15］?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前，許多研究者為分析溝渠的凈化效果和機(jī)理，在室內(nèi)搭建模擬生態(tài)溝渠（生態(tài)水槽），在水體流動狀態(tài)下，對水槽植物種植種類、槽內(nèi)水力停留時間、槽內(nèi)底部填料種類和水槽構(gòu)造等方面進(jìn)行了研究，但在模擬生態(tài)溝渠內(nèi)對于不同生態(tài)型植物搭配種植對水體凈化效果的研究較少［16-19］。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究以珠三角地區(qū)常見水生植物為試材，搭建具有水體循環(huán)系統(tǒng)的生態(tài)溝渠模擬裝置，通過改變生態(tài)溝渠模擬裝置的水力停留時間等關(guān)鍵因素，分析不同進(jìn)水流量及不同植物組合生態(tài)溝渠裝置的氮磷去除能力，旨在為珠三角地區(qū)農(nóng)田生態(tài)溝渠工程設(shè)計與建造提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2018年8—12月在仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院海珠校區(qū)溫室大棚內(nèi)進(jìn)行，溫室大棚面積約50 m2。供試植物：針對珠三角地區(qū)氣候及生態(tài)環(huán)境條件，在前期研究的基礎(chǔ)上，模擬生態(tài)溝渠確定采用氮磷去除效果較好的2種不同生態(tài)型植物組合C1（再力花Thalia dealbata-大薸Pistia stratiotes-九冠草Echinodorus major）與C2（再力花Thalia dealbata-鳳眼蓮Eichhorniacrassipes-黑藻Hydrilla verticillata）。其中，再力花是挺水植物，九冠草和黑藻是沉水植物，大薸和鳳眼蓮是浮水植物。每個處理2次重復(fù)。

試驗污水：采用模擬農(nóng)田退水，氮磷質(zhì)量濃度組成為 TN 15～17 mg/L、TP 0.9～1.1 mg/L、NO3--N 7.5～8.5 mg/L、NH4+-N 7.5～8.5 mg/L，微量元素鐵、硼、錳、鋅、銅、鉬離子質(zhì)量濃度分別為1.4、0.5、0.5、0.05、0.02、0.01 mg/L。

1.2 模擬生態(tài)溝渠的構(gòu)建與運(yùn)行

模擬生態(tài)溝渠裝置的渠體以廣東省廣州市南沙區(qū)廣州市福安農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園有限公司農(nóng)田實(shí)地溝渠為模板，通過田間現(xiàn)場實(shí)際農(nóng)田排水溝渠的測繪，運(yùn)用CAD2017軟件進(jìn)行裝置初步制圖，并在溫室內(nèi)搭建完成。該裝置由前置水箱、生態(tài)水槽和后置水箱3個部分構(gòu)成（圖1、圖2），通過PVC管、循環(huán)水泵和控制電路連接成為一個整體，為了貼近實(shí)際農(nóng)田溝渠運(yùn)作情況，采用水位控制器自動控制前端水箱水位高度，進(jìn)而控制生態(tài)水槽進(jìn)水流量和生態(tài)水槽槽內(nèi)水體循環(huán)速度。后置水箱是試驗水體的加藥箱，同時也是生態(tài)水槽溢流的臨時儲水箱，通過控制電路控制水泵將后置水箱水體抽至前置水箱，再從前置水箱低端閥門控制進(jìn)入生態(tài)水槽的水體流量，形成完整的水體處理循環(huán)系統(tǒng)。

生態(tài)溝渠模擬裝置采用不銹鋼材質(zhì)，共4條，每條長6 m×寬（下0.3 m，上0.5 m）×高0.45 m，槽內(nèi)每1.5 m設(shè)置攔截網(wǎng)，以防生態(tài)溝渠內(nèi)不同區(qū)域植物漂移；生態(tài)水槽進(jìn)水端裝有流量計，實(shí)時監(jiān)測水體流量變化，溢流口設(shè)置停留水箱，各水槽均安裝有單獨(dú)的循環(huán)水泵，并設(shè)置有手自動控制電箱，渠內(nèi)不同植物立體布置。

圖1 生態(tài)溝渠模擬裝置結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure diagram of the ecological ditch simulation device

圖2 模擬生態(tài)溝渠植物布置Fig. 2 Plant layout in the simulated ecological ditch

參考當(dāng)?shù)販锨?shí)際情況與裝置的設(shè)計參數(shù)確定具體的試驗水體流速，試驗流量設(shè)定為60、180、300 L/h 3個水平（水力停留時間分別為0.54、0.18、0.108 d），水槽有效容量0.78 m3，水槽橫截面積0.13 m2。

植物移植前，在水箱內(nèi)先預(yù)培育3～5 d，再移植到生態(tài)水槽中進(jìn)行動態(tài)試驗，選擇適當(dāng)?shù)闹参飻?shù)量（按生物量分配），各溝渠內(nèi)等量放置挺水植物60株，總植物量為0.8～1.2 kg/m2；浮水植物100株，水面覆蓋率在25%～30%之間，總植物量為0.8～1.0 kg/m2；沉水植物45株，總植物量為0.8～1.0 kg/m2。相同植物各重復(fù)處理間試驗前重量誤差不超過±10%，每批試驗前后稱量試驗植物鮮重。槽邊的魔術(shù)貼固定挺水植物，槽底定植環(huán)與定植棉固定沉水植物，設(shè)置攔截網(wǎng)來限制浮水植物的流動，控制水面覆蓋率，避免影響沉水植物生長的光合作用，從而形成立體空間植物布置。

提前配制好人工模擬農(nóng)田退水，并先將自來水添加到指定水位（前置水箱與中段生態(tài)水槽），開始放置植物并往水中添加濃縮人工模擬農(nóng)田退水，手動攪拌；結(jié)合田間現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，使生態(tài)水槽試驗水體達(dá)到試驗質(zhì)量濃度要求。水樣現(xiàn)場采集，放置于100 mL聚乙烯瓶中存放，帶回實(shí)驗室，以便測定各項指標(biāo)。

1.3 化學(xué)分析方法

水質(zhì)pH、DO測定：多參數(shù)分析儀（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司，型號DZS-706）現(xiàn)場采樣測定；水質(zhì)總氮測定采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法（HJ636-2012）；總磷測定采用鉬酸銨分光光度法（GB11893-89）；硝態(tài)氮測定采用紫外分光光度法；銨態(tài)氮測定采用納氏試劑分光光度法（HJ535-2009）；參照地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002）。

植株重量測定采用分析天平（梅特勒-托利多國際貿(mào)易上海有限公司，型號TLE104/02）；植株消解采用濃H2SO4-H2O2消煮，全氮測定采用堿解擴(kuò)散法、全磷測定采用釩鉬黃比色法。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計采用Microsoft Office Excel 2019軟件，數(shù)據(jù)分析采用IBM SPSS statistics 20軟件，繪圖采用Origin 2017軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 低進(jìn)水流量模擬生態(tài)溝渠的氮磷去除效果

圖3 低進(jìn)水流量模擬生態(tài)溝渠中氮素質(zhì)量濃度（A）與磷素質(zhì)量濃度（B）動態(tài)變化Fig. 3 Dynamic changes of nitrogen (A) and phosphorus(B) mass concentrations in the water of simulated ecological ditch with low influent flow rate

由圖3A可知，在低進(jìn)水流量（60 L/h）條件下，隨著裝置運(yùn)行時間延長，總氮質(zhì)量濃度在逐漸下降，至運(yùn)行22 d時趨于平穩(wěn)，運(yùn)行26 d時，2種植物組合C1與C2總氮去除率分別達(dá)到36.74%和34.91%；硝態(tài)氮質(zhì)量濃度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，約在運(yùn)行10 d時出現(xiàn)拐點(diǎn)，由于植物吸收和硝化作用，銨態(tài)氮質(zhì)量濃度從裝置運(yùn)行開始就一直快速下降，至運(yùn)行8 d時出現(xiàn)拐點(diǎn)，之后趨于平穩(wěn)，此時C1與C2銨態(tài)氮質(zhì)量濃度分別僅為0.23、0.24 mg/L，相較于銨態(tài)氮去除率達(dá)到90%以上，達(dá)到國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)I類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002）；對比質(zhì)量濃度變化曲線可知，從裝置運(yùn)行開始，硝態(tài)氮相較于銨態(tài)氮在水中的氮素占比呈現(xiàn)上升態(tài)勢，裝置運(yùn)行至12 d以后，生態(tài)溝渠內(nèi)氮素以硝態(tài)氮為主，硝態(tài)氮的質(zhì)量濃度變化趨勢與總氮接近一致。C1與C2在低流量下總氮、硝態(tài)氮與銨態(tài)氮的去除率沒有明顯差異，但模擬生態(tài)溝渠裝置對氮素呈現(xiàn)出較好的去除效果。

由圖3B可知，在裝置運(yùn)行前期總磷質(zhì)量濃度下降速率較快，在運(yùn)行18 d后速率放緩，質(zhì)量濃度變化趨于穩(wěn)定，C1與C2總磷質(zhì)量濃度均為0.07 mg/L，總磷去除率最高為96.01%，處理后總磷質(zhì)量濃度能夠達(dá)到國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002）；前期C2植物組合去除速率略高于C1，最終總磷去除率都能達(dá)到95.00%以上。

不同植物由于生長習(xí)性不同，生物量與氮磷吸收量存在差異［20］。由表1可知，低進(jìn)水流量下，試驗結(jié)束時C1植物總鮮重小于C2，而C2生物量增量高于C1，差異顯著。但植物體內(nèi)氮、磷吸收量，C1都要略高于C2。

表1 低進(jìn)水流量模擬生態(tài)溝渠中不同植物組合的生物量與氮磷吸收量Table 1 Biomass, nitrogen and phosphorus absorption amounts of two plant combinations in simulated ecological ditch with low influent flow rate

2.2 中進(jìn)水流量生態(tài)溝渠的氮磷去除效果

由圖4A可知，中進(jìn)水流量（180 L/h）下，總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮質(zhì)量濃度變化趨勢與低進(jìn)水流量時相似，總氮在第18 d時質(zhì)量濃度變化趨于穩(wěn)定，C1與C2總氮去除率分別達(dá)到18.23%和17.65%，去除率僅約為低進(jìn)水流量的50%；硝態(tài)氮質(zhì)量濃度變化在運(yùn)行10 d時出現(xiàn)拐點(diǎn)，C1與C2比較，C1對硝態(tài)氮的去除率略高于C2。裝置運(yùn)行14 d后，硝態(tài)氮與銨態(tài)氮質(zhì)量濃度變化不大，C1與C2銨態(tài)氮質(zhì)量濃度維持在0.14、0.15 mg/L，其去除率均達(dá)到98%以上，均達(dá)到國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)I類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002）。

由圖4B可知，C1與C2總磷質(zhì)量濃度下降趨勢相同，與低進(jìn)水流量時相似，前期質(zhì)量濃度下降速率快，在運(yùn)行14 d時質(zhì)量濃度下降速率趨于平緩，C1與C2質(zhì)量濃度曲線重疊，至運(yùn)行18 d時，C1與C2總磷質(zhì)量濃度均降低到0.20 mg/L以下，去除率分別為79.39%與80.67%，處理后總磷質(zhì)量濃度能夠達(dá)到國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 中進(jìn)水流量模擬生態(tài)溝渠中氮素質(zhì)量濃度（A）與磷素質(zhì)量濃度（B）的動態(tài)變化Fig. 4 Dynamic changes of nitrogen (A) and phosphorus(B) concentrations in the water of simulated ecological ditch with medium influent flow rate

由表2可知，相較于低進(jìn)水流量，中進(jìn)水流量C1和C2植物生物量增重、氮吸收量、磷吸收量顯著降低，分別只有低進(jìn)水流量的56.1%、47.1%，56.8%、37.7%，77.1%、67.9%。低進(jìn)水流量下，試驗結(jié)束時，C1的總鮮重大于C2，而C2的生物量增量高于C1，但植物體內(nèi)的氮吸收量與磷吸收量C1都要高于C2，C1分別比C2高55.7%與18.4%，差異顯著。

表2 中進(jìn)水流量模擬生態(tài)溝渠中不同植物組合的生物量與氮磷吸收量Table 2 Biomass, nitrogen and phosphorus absorption in simulated amounts of two plant combinations ecological ditch with medium influent flow rate

2.3 高進(jìn)水流量下生態(tài)溝渠的氮磷去除效果

由圖5A可知，高進(jìn)水流量（300 L/h）下，總氮去除率變化波動較大，相較于前2種流量情況，運(yùn)行12 d時，總氮去除率最高僅為9.2%，C1與C2在高流量下總氮去除率相差不大。觀察發(fā)現(xiàn)，高流量運(yùn)行14 d時，浮水植物開始出現(xiàn)整體葉子腐爛情況，導(dǎo)致總氮去除率降低；由于硝化作用的影響，銨態(tài)氮大量轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，水中硝態(tài)氮大量累積；至運(yùn)行10 d時，C1與C2銨態(tài)氮質(zhì)量濃度分別僅為0.06、0.05 mg/L，去除率均達(dá)到99%以上，達(dá)到國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)I類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。C1與C2比較，總氮變化趨勢相同，運(yùn)行4～10 d時，C1比C2的硝態(tài)氮質(zhì)量濃度略高，而C2比C1的銨態(tài)氮質(zhì)量濃度略高。

由圖5B可知，C1與C2總磷下降趨勢相同，前期質(zhì)量濃度下降速率快，在運(yùn)行14 d時質(zhì)量濃度下降至0.35 mg/L左右，C1與C2間質(zhì)量濃度下降曲線重疊，去除率最高為66.13%，處理后總磷質(zhì)量濃度能夠達(dá)到國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002）。

圖5 高進(jìn)水流量模擬生態(tài)溝渠中氮素質(zhì)量濃度（A）與磷素質(zhì)量濃度（B）的動態(tài)變化Fig. 5 Dynamic changes of nitrogen (A) and phosphorus (B)concentrations in the water of simulated ecological ditch with high influent flow rate

表3 高進(jìn)水流量模擬生態(tài)溝渠中不同植物組合的生物量與氮磷吸收量Table 3 Biomass, nitrogen and phosphorus absorption amounts of two plant combinations in simulated ecological ditch with high influent flow rate

由表3可知，相較于低、中進(jìn)水流量，高進(jìn)水流量時，C1和C2植物生物量增重、氮吸收量、磷吸收量進(jìn)一步顯著降低，分別只有低進(jìn)水流量的 27.2%、28.57%，37.51%、35.40%，51.5%、44.0%。高進(jìn)水流量下，試驗結(jié)束時，C1的總鮮重大于C2，而C2的生物量增量高于C1，但植物體內(nèi)的氮吸收量與磷吸收量C1均高于C2，C1比C2分別高9.4%與22.2%，其中磷吸收量差異顯著。

3 討論

在農(nóng)田普通溝渠承擔(dān)著農(nóng)田灌溉與退水功能的基礎(chǔ)上，將其改造成生態(tài)溝渠，強(qiáng)化溝渠對污染物和營養(yǎng)污染物質(zhì)的吸收與轉(zhuǎn)化的功能［21］。由于野外實(shí)地生態(tài)溝渠試驗，環(huán)境影響因素眾多，因此在室內(nèi)搭建模擬生態(tài)溝渠裝置。本研究重點(diǎn)在于探討溝渠內(nèi)種植植物的搭配、溝渠水力停留時間兩種關(guān)鍵性因素，研究結(jié)果表明，模擬生態(tài)溝渠在3種流速下對模擬農(nóng)田退水氮磷均具有凈化效果，但不同流速對水中氮磷去除效果存在差異。

模擬生態(tài)溝渠裝置主要利用植物吸收和微生物轉(zhuǎn)化的方式去除模擬農(nóng)田退水的氮磷。生態(tài)溝渠中，降低水體流速，延長水力停留時間，同時種植根系發(fā)達(dá)的水生植物，增大植物根部與水體的接觸面積，能夠提高其對水中氮磷的去除效果［22-24］。本研究結(jié)果表明，中低流速時，模擬生態(tài)溝渠凈化效果最優(yōu)，這與水體在生態(tài)溝渠內(nèi)水力停留時間的長短有關(guān)［25］。模擬生態(tài)溝渠總氮去除率為9.20%～36.74%、銨態(tài)氮去除率為97.26%～99.31%，低流速時高于張春旸等［26］研究的生態(tài)溝渠總氮去除率31.4%，且銨態(tài)氮去除率遠(yuǎn)高于部分實(shí)際農(nóng)田生態(tài)溝渠系統(tǒng)凈化效果，水中銨態(tài)氮質(zhì)量濃度下降較快，而在銨態(tài)氮質(zhì)量濃度極低的情況下，總氮與硝態(tài)氮質(zhì)量濃度還具有差異，說明水體中存在部分其他形態(tài)的氮素［27］。由于水體處于流動狀態(tài)，模擬生態(tài)溝渠裝置的前端進(jìn)水口、末端溢流孔都處于跌水狀態(tài)，運(yùn)行時水體DO值在3.60～4.65 mg/L范圍內(nèi)，有利于為生態(tài)水槽水體表面創(chuàng)造好氧環(huán)境。由于模擬生態(tài)溝渠良好的好氧環(huán)境條件，使水體中硝化作用明顯，而挺水植物和浮水植物根部、沉水植物表面、水槽底部和槽邊利于微生物的生長與繁殖，產(chǎn)生好氧與厭氧環(huán)境，從而達(dá)到去除氮素的效果［15,28］。

相較于氮素，模擬生態(tài)溝渠對總磷去除效果更好，去除率為63.38%～96.10%，出水總磷質(zhì)量濃度能夠達(dá)到國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ～Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其去除率高于部分實(shí)際農(nóng)田生態(tài)溝渠系統(tǒng)凈化效果［11,29］。生態(tài)溝渠農(nóng)田退水中磷素的去除，主要是通過污泥沉淀與植物吸收等方式來實(shí)現(xiàn)，植物根部產(chǎn)生的微生物絮團(tuán)，試驗后期溝渠底部因微生物殘體而產(chǎn)生活性污泥成分，污泥中含有鐵鋁氧化物，對磷素具有吸附能力，同時溝渠內(nèi)植物生長發(fā)育也是促進(jìn)溝渠內(nèi)水體磷素吸收的主要貢獻(xiàn)者［29-30］，而在本試驗?zāi)M狀態(tài)下，植物生長發(fā)育對磷的吸收是去除磷的主要形式。

生態(tài)溝渠植物不同的種植搭配，影響著水體氮磷的去除效果。本研究植物有兩種搭配組合，適應(yīng)于珠三角地區(qū)氣候及生態(tài)環(huán)境條件，既美觀又有實(shí)用效應(yīng)。隨著溝渠植物的生長，生物量隨之增加，對水中氮磷的吸收也隨之增加［31-33］。但隨著植物的生長發(fā)育，浮水植物的數(shù)量增長，占據(jù)更大的水域面積，影響著沉水植物的光合作用，植物易出現(xiàn)腐爛分解的情況，使水質(zhì)變差，所以需要制定合理有效的管理模式，避免因植物腐爛釋放的氮磷等物質(zhì)產(chǎn)生二次污染［19,34］。

4 結(jié)論

（1）生態(tài)溝渠進(jìn)水流量設(shè)置為低進(jìn)水流量（60 L/h）時，模擬生態(tài)溝渠運(yùn)行26 d時，兩種植物組合C1與C2的總氮去除率分別達(dá)到36.74%和34.91%，氨氮去除率均達(dá)97%以上，總磷去除率均達(dá)95%以上，總磷質(zhì)量濃度達(dá)到國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，銨態(tài)氮質(zhì)量濃度達(dá)到國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，該條件下模擬生態(tài)溝渠對水中氮磷去除效果較好。

（2）植物對水體氮磷物質(zhì)的去除效果受到進(jìn)水流量大小的影響，低進(jìn)水流量（60 L/h）時有利于植物生長和植物對水體氮磷的阻控。不同進(jìn)水流量下，C2生物量增重均高于C1，但C1對氮、磷的吸收量要高于C2，因此，C1植物組合搭配對水中氮磷去除效果影響較好。