基于周叢生物的“生態(tài)溝渠-人工濕地”處理高負(fù)荷農(nóng)業(yè)面源污水影響研究

郭軍權(quán)，吳永紅

(1.延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 延安 716001;2.中國科學(xué)院 南京土壤研究所，土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，江蘇 南京 210008)

面源污染已成為世界各國地表水污染的一種主要污染源之一，在美國60%的水環(huán)境污染是由面源污染造成，其中農(nóng)業(yè)面源污染占了75%左右(EPA，2007)［1］。在我國滇池入湖污染負(fù)荷中，農(nóng)業(yè)面源污染的N、P 貢獻(xiàn)率已超過50%(段永蕙，2003)［2］。面源污染的治理研究受到越來越多學(xué)者的重視。生態(tài)溝渠技術(shù)由于其具有排水和濕地生態(tài)系統(tǒng)的雙重功效，在農(nóng)業(yè)面源污染治理上被廣泛應(yīng)用(Liu et al.，2000［3］;姜 翠 玲，2004［4］;楊林章等2005［5］)。人工濕地是一種高生產(chǎn)力的生態(tài)系統(tǒng)，具有污水凈化功能，工藝設(shè)備簡單、運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)管理方便、能耗低、可實現(xiàn)污水資源化等特點，正越來越受到人們的關(guān)注(吳振斌，2002［6］;謝圣，2005［7］)。李本行等［8］將“生態(tài)溝渠+水平流人工濕地”工藝結(jié)合研究其對低負(fù)荷農(nóng)田退水中常規(guī)污染物和噻蟲嗪的去除效果。結(jié)果表明"生態(tài)溝渠+垂直流人工濕地" 系統(tǒng)對COD、NH4+-N、NO3--N、TN、TP 及噻蟲嗪的去除率均優(yōu)于"生態(tài)溝渠+水平流人工濕地"系統(tǒng)。當(dāng)前對高負(fù)荷面源污水強(qiáng)化技術(shù)研究較少，因此，開發(fā)農(nóng)業(yè)面源污水強(qiáng)化凈化的技術(shù)迫在眉睫，筆者將周叢生物引入到“生態(tài)溝渠-垂直人工濕地”工藝組合中，用于凈化高負(fù)荷的面源污水，研究周叢生物對生態(tài)溝渠-垂直人工濕地”工藝組合凈水效果的影響，以探索一種適合處理高負(fù)荷面源污水、成本低廉、易于推廣的新技術(shù)工藝技術(shù)。為解決農(nóng)業(yè)面源污水治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 “生態(tài)溝渠-人工濕地”組合工藝

圖1 生態(tài)溝渠(a)和垂直人工濕地(b)剖面示意

“生態(tài)溝渠—人工濕地”組合工藝，由生態(tài)溝渠和復(fù)合垂直流人工濕地串聯(lián)而成。生態(tài)溝渠長100 m，溝底均寬1.0 m。溝底均寬2.0 m。后一段生態(tài)溝渠的排水直接由泵提升至人工濕地進(jìn)一步凈化。

生態(tài)溝渠設(shè)計了4 座總?cè)莘e為30 m3的地埋式初沉池，以盡可能去除糞水中的固體物。生態(tài)溝渠溝壁兩邊交替種植不同水生植物，其中茭白和菖蒲占80%左右。溝底間隔每10 m 放置一座填充陶粒等填料的生物接觸氧化壩(圖1)。

人工濕地由下行流池和上行流池串聯(lián)而成，中間有隔墻，底部連通(圖2)。填料:底部為公分石作為排水層，公分石表層安裝了反沖洗管道，上部為陶粒、瓜子石和細(xì)砂的混合物。水生植物:按照均等的比例，分別種植旱傘草、梭魚草、燈心草、水蔥、美人蕉、馬蹄蓮。復(fù)合垂直流人工濕地面積160 m2，均深1.0 m，坡度0.3%。

1.2 周叢生物鋪裝和培養(yǎng)

周叢生物(又名自然周叢生物、著生生物、附著生物)是一個半穩(wěn)定的、開放的動力學(xué)系統(tǒng)，是在一定的環(huán)境條件下產(chǎn)生的微生物聚集體。從環(huán)境化學(xué)的角度看，周叢生物的定義普遍的理解為由金屬氧化物(鐵、錳和鋁氧化物)、有機(jī)質(zhì)和少量礦物質(zhì)組成。側(cè)重于礦物質(zhì)組成的觀點認(rèn)為:鐵錳的水合氧化物及其絮凝顆粒所包含的其它無機(jī)礦物質(zhì)(如磷、鈣、硅等)雖然在整個周叢生物基質(zhì)中所占質(zhì)量很小，但決定著整個周叢生物的地球化學(xué)反應(yīng)活性。

周叢生物采用實驗室富集培養(yǎng)［9］，將培養(yǎng)好的周叢生物鋪裝于彈性材料之上，為了增加生態(tài)溝渠和人工濕地表層的微生物量，將立體彈性填料(PP 材質(zhì);長120 cm，直徑120 mm，比重0.95，比表面積300～500 m2·m-3，孔隙率98%)鋪設(shè)在生態(tài)溝渠和人工濕地表層淺水區(qū)，鋪設(shè)密度水體體積的五分之一。通過將立體彈性填料鋪設(shè)在生態(tài)溝渠溝底和人工濕地淺水層，使溝渠和濕地在不同部位具有不同的水深，使水流動過程增加紊動性，增加復(fù)氧機(jī)會，營造好氧、兼氧和厭氧的不同區(qū)域，以便于不同微生物實現(xiàn)降解有機(jī)污染物和脫氮除磷的功能。另外建立未鋪裝聚集周叢生物材料空白對照。

1.3 系統(tǒng)運(yùn)行方式

養(yǎng)殖廢水經(jīng)過地埋式初沉池后，與農(nóng)田排水匯集進(jìn)入生態(tài)溝渠，達(dá)到稀釋的目的，混合污水水質(zhì)主要指標(biāo)見表1。混合污水的污染復(fù)合比一般農(nóng)田面源污水高5～15 倍，因此定義為高負(fù)荷面源污水。水力流速約50～100 m3·d-1，采用水泵將生態(tài)溝渠末端的出水提升至復(fù)合垂直流人工濕地的蓄水池。在水壓的作用下，下行流池布水管水體濺起后跌落至填料層，下行后再匯入上行流池表面收集管出水。為防治填料出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象，每月進(jìn)行一次反沖洗。人工濕地進(jìn)水方式為間隙式，白天進(jìn)水12 h，晚間關(guān)停12 h，人工濕地處理負(fù)荷為150 m3·d-1。

表1 試驗區(qū)高負(fù)荷面源污水水質(zhì)指標(biāo)(n=21，均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差)(mg·L -1)

1.4 樣品采集與分析方法

將實驗室富集周叢生物鋪裝到生態(tài)溝渠和人工濕地繼續(xù)培養(yǎng)運(yùn)行穩(wěn)定上一個月后，開始定期從生態(tài)溝渠入口、出口(即人工濕地入口)、人工濕地出口采集表層水樣。植物刈割后，風(fēng)干，稱重，并測試相關(guān)指標(biāo)。NO3--N、NH4+-N、TN、TDP、T P 采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》第四版方法測定［10］。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋪裝周叢生物“生態(tài)溝渠+垂直人工濕地”組合工藝對污水中P 的去除效果

針對農(nóng)業(yè)面源污染氮磷負(fù)荷高的特點，重點對氮磷的去除效果進(jìn)行了研究。將鋪裝有周叢生物“生態(tài)溝渠+垂直人工濕地”和空白組合工藝對污水中磷的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果如圖2(a)，(b)所示.從圖2(a)可知，從2017 年的4 月到2018 年的3 月，雖然進(jìn)水中TP 的濃度變化很大，從5.5 mg·L-1到94.5 mg·L-1，有周從生物的鋪裝“生態(tài)溝渠+垂直人工濕地”組合工藝對TP的去除率維持在很高的水平，去除率為80%～99%，平均去除率為94.7%，無周叢生物的空白對照組合工藝對TP 的去除率相對較低，去除率為50%～79%，平均去除率64.7%，有周從生物比無周從生物組合平均去除率高30.0%。從圖2(b)可知，進(jìn)水中的TDP 濃度變化也很大，從0.05 mg·L-1到76.9 mg·L-1，但是TDP 的去除效率基本維持在85%～99% 的范圍內(nèi)，平均去除率94.2%。無周叢生物對TDP 的去除率為46%～76%，平均去除率61.0%，比有周從生物工藝平均低33.2%。以上分析說明有周叢生物“生態(tài)溝渠+人工濕地”組合工藝大大提高了對高負(fù)荷污水中磷的凈化效果，并且具有很好的穩(wěn)定性，周叢生物在整個組合工藝中對磷的去除率有較大貢獻(xiàn)。不論是從TP，還是TDP，鋪裝周叢生物的“生態(tài)溝渠+垂直人工濕地”組合工藝對高濃度農(nóng)業(yè)污水的中P 去除效果均強(qiáng)于未鋪裝周叢生物組合工藝。從圖2 還可以看出，在溫度較低的月份，處理率相對都較低，主要是因為周叢生物受溫度的影響，溫度較低時，周叢生物中的微生物種類減少，活性降低，對磷的吸收和處理能力降低，導(dǎo)致整體的處理率降低。隨著溫度回升，微生物種類增多，活性增大，處理率不斷升高，最終穩(wěn)定。

圖2 鋪裝周叢生物“生態(tài)溝渠+人工濕地”組合工藝對磷的去除效果

2.2 鋪裝周叢生物“生態(tài)溝渠+垂直人工濕地”組合工藝對污水中N 的去除效果

鋪裝周叢生物的“生態(tài)溝渠+垂直人工濕地”和無周叢生物的空白試驗組合工藝對氮(TN、NH4+-N、NO3--N)的去除效果進(jìn)行比較，如圖3 所示。圖3(a)顯示，鋪裝周叢生物的組合工藝和空白組合工藝進(jìn)水中TN 濃度的變化幅度在37.6 mg·L-1與653.3 mg·L-1之間，有周叢生物的處理率為72.3%～98.9%，平均去除率為93.3 %，空白處理率58.3%～80.2%，平均去除率71.3%，有周叢生物較空白平均去除率增加22.0%。圖3(b)，進(jìn)水中NH4+-N 濃度變化為29.8mg·L-1到498.2mg·L-1，鋪裝周叢生物組合工藝NH4+-N 的去除效率穩(wěn)定在74.3%到99.1%，空白組合NH4+-N 去除率在52.1%～76.6%，周叢生物的存在使組合工藝對NH4 +-N 的處理率提高了10.2%～46.7%。有周叢生物NH4+-N 平均去除率為91.8%，無周叢生物平均去除率63.8%，兩者之間相差28%。圖3(c)，進(jìn)水中NO3--N 濃度從1.7 mg·L-1到23.0 mg·L-1，經(jīng)過鋪裝周叢生物的“生態(tài)溝渠+人工濕地”和空白組合工藝處理后，兩個組合工藝NO3--N 的處理效率均表現(xiàn)很穩(wěn)定，但處理率相差較大，有周叢生物的處理率從56.0%～95.6%，平均處理率為80.4%，空白的處理率為40.3%～62.7%，平均處理率為53.2%。NO3--N 有周叢生物比空白處理處理率高17.3%～40.1%，平均去除率高27.2%。從氮(包括TN、NH4+-N、NO3--N)的處理效果而言，周叢生物的存在極大的增強(qiáng)了“生態(tài)溝渠+人工濕地”組合工藝對氮的去除效果。周叢生物對水體中氮的去除途徑主要是依靠胞外聚合物的吸附，再通過微生物的降解。從圖3 還可以看出，氮處理率冬季的月份中值較小，隨著溫度的升高，處理率逐漸增大，最后穩(wěn)定。說明溫度對周叢生物影響較大。

圖3 “生態(tài)溝渠+人工濕地”組合工藝對水體中氮(包括總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)的去除效果

2.3 周叢生物對植物刈割攜帶的氮磷影響

試驗期間，為了從系統(tǒng)中去除更多的氮磷，對生態(tài)溝渠和人工濕地中的水生植物進(jìn)行2 次刈割，并測定它們的氮磷含量。研究有無周叢生物對水生植物對氮磷吸收效果，如表3 所示，從表3 可以看出，不同水生植物莖葉單位面積內(nèi)的生物量含量變化很大，從燈芯草的1.92 kg·m-2(干重)到美人蕉的4.68 kg·m-2(干重)。根據(jù)水生植物種植面積，估算刈割兩次累計從系統(tǒng)中攜帶氮磷負(fù)荷，空白處理為43.6 kg 和6.7 kg，有周叢生物為63.3 kg 和9.3 kg，有周叢生物的比空白處理攜帶的氮磷負(fù)荷分別增加1.45 倍和1.38 倍。說明周從生物的存在有利于，水生植物對氮磷的吸收。從表3 還可以看出，茭白、旱傘草、燈芯草和美人蕉攜帶氮磷的效果明顯，它們莖葉中氮磷的含量是其它水生植物的1 倍多，并且在實際工程建設(shè)和運(yùn)行期發(fā)現(xiàn)，這4 種水生植物容易成活，且生長速率較快。因此，建議今后在開展生態(tài)工程處理氮磷等污染物質(zhì)研究中，應(yīng)盡可能選用茭白、旱傘草、燈芯草和美人蕉這四種水生植物。

表3 不同植物的收割部分的生物量、含水率和氮/磷含量

3 結(jié)論

基于周叢生物構(gòu)建的“生態(tài)溝渠+人工濕地”組合工藝對高負(fù)荷的面源污水具有很好的處理效果，并且處理效能很穩(wěn)定。有周叢生物組合工藝對TP，TDP，TN，NO3--N 和NH4+-N 的平均去除效率分別為94.7%，94.2%，93.3%，80.4%和91.8%，無周叢生物組合工藝對TP，TDP，TN，NO3--N 和NH4+-N 平均去除率分別為67.7%，61.0%，71.3%，53.2%和63.8%，有周叢生物比無周叢生物組合工藝平均去除率分別高30.0%，33.2%，22.0%，27.2%和28.0%。通過刈割，可以從系統(tǒng)中帶走相當(dāng)一部分氮磷，兩次刈割結(jié)果顯示，有周從生物從系統(tǒng)中帶走氮磷負(fù)荷分別為63.3 kg 和9.3 kg，無周叢生物從系統(tǒng)中帶走氮磷負(fù)荷分別43.6 kg 和6.7 kg 有周叢生物是無周叢生物攜帶的氮磷1.45 倍和1.38 倍。周叢生物的鋪裝提高了“生態(tài)溝渠+人工濕地”組合工藝處理高負(fù)荷農(nóng)業(yè)面源污水的能力。