不同規(guī)格生態(tài)溝渠對排水污染物處理能力的研究*

劉福興 王俊力 付子軾?

（1 上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，上海 201403）

（2 上海低碳農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201415）

隨著我國農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，以及工業(yè)廢水和城市生活污水等點(diǎn)源污染得到有效控制，農(nóng)業(yè)面源污染的重要性越來越突出。據(jù)生態(tài)環(huán)境部2010年發(fā)布的《全國第一次污染源普查公報(bào)》，我國農(nóng)業(yè)面源污染物總氮和總磷的排放量占總排放量的57.2%和67.4%，已成為水體污染的主要來源。如何有效控制農(nóng)業(yè)面源污染物向水體的排放，是當(dāng)前學(xué)者關(guān)注和研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。

在多年研究的基礎(chǔ)上，楊林章等[1］系統(tǒng)總結(jié)提出了農(nóng)業(yè)面源污染防控的4R技術(shù)體系“源頭減量（Reduce）-過程阻斷（Retain）-養(yǎng)分再利用（Reuse）-水體修復(fù)（Restore）”，并在全國范圍內(nèi)得到了推廣應(yīng)用。其中過程阻斷是指在污染物向水體遷移過程中，通過一些物理的、生物的以及工程的方法等對污染物進(jìn)行攔截阻斷和強(qiáng)化凈化，延長其在陸域的停留時(shí)間，最大化減少其進(jìn)入水體的污染物量。目前應(yīng)用比較普遍的有生態(tài)攔截溝渠技術(shù)[2］、生物籬技術(shù)[3］、生態(tài)攔截緩沖帶技術(shù)[4］等。其中，由傳統(tǒng)農(nóng)田排水溝渠發(fā)展而成的生態(tài)溝渠應(yīng)用最為廣泛，其由溝渠、基質(zhì)和植物組成，具有生態(tài)性和生物性的特殊優(yōu)點(diǎn)，并可根據(jù)地形特征來構(gòu)建[5］。生態(tài)溝渠不僅可以用來凈化農(nóng)田徑流排水，還具有濕地生態(tài)系統(tǒng)的功能，在維持生態(tài)系統(tǒng)物種多樣性、促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和養(yǎng)分循環(huán)、凈化水質(zhì)等方面起著重要作用[6-7］。其對徑流污染物的去除凈化主要通過減緩流速、植物吸收、基質(zhì)吸附、泥沙沉降、微生物硝化反硝化等發(fā)揮作用[8］。生態(tài)溝渠的規(guī)格以及內(nèi)部構(gòu)造組合等均會影響生態(tài)溝渠對污染物的削減效果，加上農(nóng)業(yè)面源污染物濃度具有極大的時(shí)空變異性，因此亟需系統(tǒng)考察生態(tài)溝渠的規(guī)格及其構(gòu)造組成對污染物削減效果及其穩(wěn)定性、耐沖擊負(fù)荷能力等的影響，尋求污染物去除效率高且穩(wěn)的最佳生態(tài)溝渠。

為此，本研究利用太湖流域平原河網(wǎng)區(qū)常用的三種不同深度規(guī)格的生態(tài)溝渠，通過模擬農(nóng)業(yè)面源污水，比較研究了相同表面水力負(fù)荷下三種溝渠對動態(tài)連續(xù)進(jìn)水條件下銨態(tài)氮（NH4+-N）、總氮（TN）、總磷（TP）和懸浮物（SS）的去除效果以及耐沖擊負(fù)荷能力，并分析了進(jìn)水濃度較高情況下，生態(tài)溝渠出水達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量V類標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002）所需長度，以期為生態(tài)攔截溝渠的應(yīng)用設(shè)計(jì)（規(guī)格以及長度等）提供科學(xué)參考，從而提高對農(nóng)業(yè)面源（尤其是種植業(yè)面源）污染物的攔截凈化效果。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行綜合試驗(yàn)基地（30°53′N，121°23′E）進(jìn)行。研究區(qū)為亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均降水量、蒸發(fā)量、氣溫分別為1 192 mm、1 237 mm、16.1℃。全年日照時(shí)數(shù)1 900 h，無霜期224 d。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)目前生產(chǎn)上較常見的三種規(guī)格的生態(tài)溝渠，渠深0.80 m（E0.80）、1.05 m（E1.05）、1.30 m（E1.30），長度各90 m，溝渠內(nèi)均種植相同密度植被，溝壁為帶孔預(yù)制板，孔內(nèi)為狗牙根（Cynodon dactylon），溝底為常綠苦草（Vallisneria natans，購自上海海洋大學(xué)）（圖1）。試驗(yàn)開始前，生態(tài)溝渠穩(wěn)定一段時(shí)間并對水量進(jìn)行調(diào)試。

于2013年7月23日開始動態(tài)進(jìn)水試驗(yàn)，試驗(yàn)持續(xù)20 d，期間的氣溫和降雨情況見圖2。試驗(yàn)進(jìn)水根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)田尾水中的氮磷濃度[9］，用附近河道水加尿素和KH2PO4配置，進(jìn)水TN 0.86～6.13 mg?L-1、TP 0.11～0.28 mg?L-1。溝渠斷面規(guī)格及采樣點(diǎn)斷面設(shè)置見圖3，分別在進(jìn)水處（1#）、22.5 m處（2#）、45 m處（3#）、67.5 m處（4#）及出水（5#）設(shè)置采樣點(diǎn)。試驗(yàn)最初2 d每1 d采集水樣一次，之后間隔1 d采樣一次直至試驗(yàn)結(jié)束。

水樣銨態(tài)氮（NH4+-N）采用納式試劑分光光度法測定，總氮采用過硫酸鉀氧化法測定，總磷采用鉬銻抗分光光度法測定，懸浮物經(jīng)過濾后，105℃烘干至恒質(zhì)量后測定[10］。

圖1 生態(tài)溝渠試驗(yàn)區(qū)Fig. 1 Ecological ditch experimental site

1.3 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)過程中，維持三種生態(tài)溝渠水位處于同一水平，通過控制不同規(guī)格溝渠的進(jìn)水流量，控制三種規(guī)格生態(tài)溝渠的表面水力負(fù)荷保持一致。綜合考慮進(jìn)水水質(zhì)分布特征、處理效率及經(jīng)濟(jì)性，借鑒表流濕地水力負(fù)荷后，確定溝渠表面水力負(fù)荷（N）為0.60 m3·m-2·d-1，在保證溝渠水位及相同的表面水力負(fù)荷下，計(jì)算三種規(guī)格溝渠的進(jìn)水流量（Q）。計(jì)算方法如下：

式中，S為有效斷面面積，L為溝渠長度，N為溝渠表面水力負(fù)荷。具體試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

圖3 生態(tài)溝渠斷面規(guī)格圖與取樣斷面設(shè)置Fig. 3 Sectional of the ecological ditch relative to specification and set-up of sampling section

表1 不同規(guī)格生態(tài)溝渠實(shí)驗(yàn)基本設(shè)計(jì)參數(shù)表Table 1 Parameters of basic design of the ditch relative to specifications

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用污染物去除率的變異系數(shù)來表征污染物去除效果的穩(wěn)定性：

采用污染物表面負(fù)荷與污染物面積去除量相關(guān)系數(shù)來表征耐沖擊負(fù)荷能力，其中污染物表面負(fù)荷表示溝渠單位面積每天接受的進(jìn)水中污染物的量：

式中，Cin為進(jìn)水濃度，N為溝渠表面水力負(fù)荷。

式中，Cin為進(jìn)水濃度，Cout為出水濃度，Q為進(jìn)水流量，SA為溝渠水表面積。

采用SPSS 13.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Sigmaplot 12.0軟件進(jìn)行制圖。

2 結(jié) 果

2.1 生態(tài)溝渠對主要污染物的去除效果

表2 不同規(guī)格生態(tài)溝渠對面源污水中污染物的去除效率和變異系數(shù)Table 2 Removal ef fi ciency of pollutants form non-point source pollution and coef fi cient variation relative to speci fi cation of the ditch

2.2 主要污染物沿生態(tài)溝渠長度的濃度變化

生態(tài)溝渠主要攔截農(nóng)田尾水中的氮、磷，因此，本研究僅對進(jìn)水濃度較高情況下（TN≥2 mg?L-1，TP≥0.2 mg?L-1），TN、TP沿生態(tài)溝渠長度的濃度變化情況進(jìn)行分析，以期探索適宜建設(shè)長度。對不同規(guī)格生態(tài)溝渠長度與TN、TP濃度的變化進(jìn)行擬合可以看出，隨著長度的增加，三種規(guī)格溝渠中TN、TP濃度均逐漸降低（圖5）。E0.80和E1.05的TN濃度與溝渠長度之間的遞減規(guī)律較好，擬合方程相關(guān)系數(shù)分別為0.981 1和0.991 6。三種規(guī)格溝渠的TP濃度與長度之間的遞減規(guī)律均較好，E0.80、E1.05和E1.30的相關(guān)系數(shù)分別到達(dá)1、0.983 8和0.967 8。雖然E1.30沿程上的TN、TP濃度波動相對較大，但是在進(jìn)水濃度一致的情況下，該溝渠在22.5 m和45 m時(shí)的出水TN、TP平均濃度最低，說明短距離的E1.30生態(tài)溝渠對N、P就有較好的處理效果。

將TN、TP出水濃度統(tǒng)一設(shè)置為地表水環(huán)境質(zhì)量V類標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002），即：TN為2 mg?L-1，TP為0.2 mg?L-1，根據(jù)擬合方程可以計(jì)算出達(dá)標(biāo)所需溝渠的適宜長度（表3），綜合而言，在進(jìn)水濃度統(tǒng)一的情況下，E1.30處理TN、TP所需長度與E0.80和E1.05相比較短，分別為27.4 m和4.9 m；其次為E0.80，處理TN、TP所需長度分別為54.5 m和9.8 m。

圖4 銨態(tài)氮（NH4+-N）、總氮（TN）、總磷（TP）和懸浮物（SS）濃度變化情況Fig. 4 Dynamic change in concentration of NH4+-N, TN, TP and SS in ecological ditch relative to specification

2.3 單位面積去除量與耐沖擊負(fù)荷能力

由于表面水力負(fù)荷相同，因此在同一進(jìn)水濃度的情況下，三種規(guī)格生態(tài)溝渠污染物表面負(fù)荷也相同。試驗(yàn)期間，N-N進(jìn)水表面負(fù)荷為0.10～0.71 g·m-2·d-1；TN為0.52～3.68 g·m-2·d-1；TP為0.07～0.17 g·m-2·d-1；SS為9.60～42.00g·m-2·d-1。

從各污染物表面負(fù)荷與三種規(guī)格生態(tài)溝渠的污染物面積去除量關(guān)系來看（圖6），二者均顯著相關(guān)（P＜0.05），三種規(guī)格生態(tài)溝渠對N-N和TN的處理能力均較好，E1.30的耐沖擊負(fù)荷能力相對較強(qiáng)，N-N和TN的相關(guān)系數(shù)分別為0.973和0.997，E1.05的N-N和TN相關(guān)系數(shù)最小，耐沖擊負(fù)荷能力相對較弱。而三種規(guī)格生態(tài)溝渠對TP的處理能力也均較好，E1.05對TP的耐沖擊負(fù)荷能力最強(qiáng)（r=0.960），E1.30其次（r=0.876）。相比較而言，E1.30對SS的處理能力較好，耐沖擊負(fù)荷能力也最強(qiáng)（r=0.740）。

圖5 不同規(guī)格生態(tài)溝渠中總氮（TN）和總磷（TP）沿程濃度變化Fig. 5 Dynamic change in concentration of TN and TP along the ditch relative to specifications

表3 不同規(guī)格生態(tài)溝渠TN、TP達(dá)到地表水V類標(biāo)準(zhǔn)的適宜長度Table 3 Optimal length of the ditch to reduce TN and TP to Class V standard for surface water

圖6 不同規(guī)格生態(tài)溝渠中銨態(tài)氮（a）、總氮（b）、總磷（c）和懸浮物（d）表面負(fù)荷與面積去除量的關(guān)系Fig. 6 Relationships between surface loading and per unit area removalrate of N-N (a), TN (b), TP (c) and SS (d) in the ditch relative to specification

3 討 論

由于氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的輸入，農(nóng)業(yè)面源污染已成為水體富營養(yǎng)化的主要污染源，生態(tài)溝渠技術(shù)是當(dāng)前研究的控制技術(shù)之一[11］。研究表明，生態(tài)溝渠對農(nóng)田排水中氮磷攔截效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的混凝土溝渠和土質(zhì)溝渠[12］。但是生態(tài)溝渠對氮磷的去除效果具有較大的時(shí)空變異性，有學(xué)者利用生態(tài)溝渠對稻田徑流水中污染物進(jìn)行攔截，研究表明其對N-N、TN和TP的凈化效率為31.81%、54.18%和58.21%[13］；還有學(xué)者在灌溉和降雨條件下對生態(tài)溝渠的氮磷輸出特征進(jìn)行了研究，其對TN、TP去除率達(dá)64%和70%[14］，造成氮磷去除效果不同的原因可能是由于生態(tài)溝渠規(guī)格不同引起的，溝渠的大小、邊坡形式、斷面尺寸、水力半徑、縱坡等幾何尺度均影響著水體中氮磷的轉(zhuǎn)化和去除[15］，如上述研究中的生態(tài)溝渠前者深為1.20 m，上下寬度分別為1.5 m和0.5 m，后者深為1.00 m，上下部寬為4 m和2.8 m。此外，研究表明，進(jìn)水濃度對溝渠氮磷去除率也有不同程度的影響[12］。因此，加強(qiáng)對同一條件下、不同規(guī)格生態(tài)溝渠處理效率的研究和評價(jià)，能為生態(tài)溝渠在農(nóng)業(yè)面源污染控制上的應(yīng)用提供技術(shù)支持。本研究在進(jìn)水濃度一致、表面水力負(fù)荷相同條件下，比較研究了三種不同規(guī)格生態(tài)溝渠對農(nóng)業(yè)面源中主要污染物的去除效果，研究結(jié)果表明，在動態(tài)條件下，三種規(guī)格生態(tài)溝渠對污染物的去除效果均較好，E0.80對N-N、TN、TP和SS的平均去除率分別為61.4%、58.7%、64.0%和58.5%；E1.05分別為54.7%、62.5%、70.2%和51.1%；E1.30的平均去除效率與前兩種規(guī)格相比較高，分別達(dá)到64.8%、63.1%、71.8%和60.8%。

生態(tài)溝渠作為一種特殊的濕地系統(tǒng)，對氮的去除主要是通過微生物的氨化、硝化與反硝化途徑[16］；此外，污染負(fù)荷、水力負(fù)荷和水力停留時(shí)間等也會影響生態(tài)溝渠的出水水質(zhì)，污染負(fù)荷和水力負(fù)荷越小，水力停留時(shí)間越長，則出水水質(zhì)越好[17］。在本研究中，E1.30對N-N和TN的去除效率均相對較高，其出水濃度也較為穩(wěn)定，與其他兩種規(guī)格生態(tài)溝渠相比，在相同表面水力負(fù)荷下，E1.30的水力停留時(shí)間較長（26.5 h，表1），這可能是其氮素去除率較高的原因之一[18］。而雖然水力停留時(shí)間較短，E0.80的N-N去除效率較E1.05高，可能是由于植物等其他原因的影響，由于本文結(jié)果沒有涉及植物的作用，故在此不做討論。基質(zhì)和底泥的吸附是生態(tài)溝渠中除磷的主要途徑[19］。在本研究中，E1.30和E1.05對TP的去除效率均相對較高，可能是相對于窄淺型生態(tài)溝渠，寬深型溝渠內(nèi)的基質(zhì)和底泥與水體接觸面積更大，有利于其對磷的吸收。泥沙的截控固持能有效降低農(nóng)田排水中的顆粒物濃度，也是控制農(nóng)業(yè)面源污染的關(guān)鍵之一。在動態(tài)試驗(yàn)中，水力停留時(shí)間作為最直觀的因素，揭示了生態(tài)溝渠對農(nóng)田排水中顆粒物高效沉降的原因，它既是顆粒物的沉降時(shí)間，又是水體中污染物與植物、基質(zhì)、底泥的接觸時(shí)間[8］。在本研究中，E1.30對水體SS的去除效率相對較高，可能是較長的水力停留時(shí)間降低了SS輸出能力，促進(jìn)了SS沉淀。而E0.80的SS去除效率較E1.05高，可能是該類型溝渠中植物的作用超過了停留時(shí)間的影響?？傮w而言，與其他兩種規(guī)格生態(tài)溝渠相比，E1.30較長的水力停留時(shí)間、與基質(zhì)和底泥較大的接觸面積和較強(qiáng)的耐沖擊負(fù)荷能力，促進(jìn)了污染物的去除，使得該規(guī)格生態(tài)溝渠對農(nóng)田排水中污染物的處理能力較好。

從主要污染物沿生態(tài)溝渠長度的濃度變化可以看出，隨著溝渠長度增加，污染物濃度逐漸降低，說明污染物在生態(tài)溝渠中的遷移具有規(guī)律性，這與余紅兵等[14］的研究結(jié)果相似。也有學(xué)者對長溝渠的研究結(jié)果表明，在鋪設(shè)盤培牧草的600 m溝渠中，各種污染物指標(biāo)在靠近進(jìn)水口處的300 m溝渠內(nèi)降解速度較快，而在遠(yuǎn)離進(jìn)水口處的后300 m溝渠內(nèi)變化污染物變化幅度相對比較平緩[20］，說明溝渠前段對污染物的處理效果較好，后段由于污染物濃度已經(jīng)較低，處理效果并不明顯。本研究通過2階多項(xiàng)式方程計(jì)算出在進(jìn)水濃度較高情況下，出水TN、TP濃度達(dá)到地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，不同規(guī)格生態(tài)溝渠處理污染物的適宜長度，綜合TN、TP的處理效果來看，處理TN所需溝渠長度與TP相比較長，但E1.30所需長度與E0.80和E1.05相比較短，為27.4 m，而E0.80和E1.05分別為54.5 m和60.8 m；E1.30處理TP所需溝渠長度也最短（4.9 m）。在長江中下游地區(qū)（如太湖流域）水網(wǎng)密布，農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，化肥施用量高，因此，在這一地區(qū)適宜利用生態(tài)溝渠來強(qiáng)化凈化農(nóng)業(yè)面源污染物，減輕水體污染負(fù)荷。本文研究的三種規(guī)格生態(tài)溝渠中，雖然E1.30邊坡建設(shè)所需材料較多，但處理污染物所需長度最短，若按27.4 m進(jìn)行建造，占地面積為28.8 m2；而E0.80雖然本身占地面積小，但處理污染物所需長度較長，若按54.5 m進(jìn)行建造，則占地面積為43.6 m2。因此E1.30總占地面積少，可以在一定程度上節(jié)約土地資源。從環(huán)境效益上看，按照水稻每667 m2耗水1500 m3計(jì)算[21］，建設(shè)E1.30生態(tài)溝渠工程從農(nóng)田徑流中減少污染物排放氮2.12 kg、磷0.20 kg（TN平均進(jìn)水濃度2.24 mg·L-1，去除率63.1%；TP平均進(jìn)水濃度0.19 mg·L-1，去除率71.8%），可有效減少對周邊水體環(huán)境的危害。本研究主要關(guān)注的是相同表面水力負(fù)荷下不同規(guī)格生態(tài)溝渠對排水中污染物的去除效果，對于其脫氮除磷的內(nèi)在機(jī)理及各去除途徑的研究涉及較少，且在1.30 m深的生態(tài)溝渠中，如何在不增加規(guī)模的情況下，通過改變溝渠線型空間結(jié)構(gòu)（間隔設(shè)置小型跌水堰等）、間隔設(shè)置基質(zhì)（沸石基質(zhì)等）、優(yōu)化植物配置（溝壁和溝底植物群落）等方式，進(jìn)一步提高生態(tài)溝渠處理效率、節(jié)約占地等，還有待于進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

在相同表面水力負(fù)荷下，三種深度規(guī)格生態(tài)溝渠對農(nóng)業(yè)面源污染物均有較好的去除效果。與E0.80和E1.05相比，E1.30對農(nóng)業(yè)面源污染物N-N、TN、TP和SS的去除效率均相對較高，其出水濃度也較為穩(wěn)定，且耐沖擊負(fù)荷能力相對較強(qiáng)。在進(jìn)水濃度較高條件下，出水TN、TP濃度達(dá)到地表水V類標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，E1.30所需長度最短。綜合而言來看，E1.30對農(nóng)田排水中主要污染物的去除效率、耐沖擊負(fù)荷能力最好，在實(shí)踐應(yīng)用中應(yīng)因地制宜根據(jù)需要應(yīng)用或進(jìn)一步提升該規(guī)格生態(tài)溝渠的設(shè)計(jì)，以達(dá)到對農(nóng)業(yè)面源污染控制的最大化。