水田聯(lián)動控制在面源污染防治工程中的研究

許高鵬，唐 浩

（1.中國電建集團裝備研究院有限公司，上海 200010；2.上海市環(huán)境科學研究院，上海 200010）

崇明區(qū)作為上海市主要的蔬菜糧食生產(chǎn)基地，隨著崇明區(qū)水污染防治工作的開展，其點源污染問題得到了基本控制，但因化肥農(nóng)藥的使用以及雨天徑流沖刷等影響，農(nóng)業(yè)面源的問題逐漸凸顯。本文以解決崇明區(qū)米新村農(nóng)業(yè)面源污染等問題為主要目標，通過建設多級生態(tài)攔截水田聯(lián)動的示范項目，研究示范工程對農(nóng)田退水中氮磷的去除效果。

1 項目概況

示范工程位于上海市崇明區(qū)向化鎮(zhèn)米新村某果蔬專業(yè)合作社內，該試點主要的污染物為面源污染，大量污染物進入周邊的泯溝內造成營養(yǎng)化程度較高，形成水質較差的突出問題。

示范工程主要治理措施流程如下：雨天攜帶泥沙的氮磷經(jīng)過農(nóng)田內最前端的沉砂池，截留大量的泥沙后，進入生態(tài)排水溝渠。隨后出水進入河道緩沖帶的植被（蘆葦、香蒲、茭白）。河道內主要采用沉水植物、挺水植物以及水生生物構建食物鏈的生物操縱技術對尾水進一步凈化。

2 水田聯(lián)動面源污染防治工藝流程說明

水田聯(lián)動面源污染控制系統(tǒng)工藝流程如圖1所示.

圖1 水田聯(lián)動面源控制工藝流程圖

（1）集水口：示范項目所處區(qū)塊主要以旱地作物種植為主，用于收集雨天徑流后的農(nóng)田尾水，防止其無序匯入周邊水體內。

（2）沉砂池：初期雨水經(jīng)過農(nóng)田地表沖刷后攜帶大量泥沙匯入水體，在集水口后側設置沉砂池，能夠起到滯留、沉淀大量泥沙等作用，同時池體出水側密布種植美人蕉等水生植物，進一步起到澄清過濾的作用。

（3）生態(tài)排水溝：生態(tài)排水溝采用“百葉窗”樣式的預制式混凝土砌塊結構，具有孔隙率高、透水性好、生態(tài)環(huán)保等優(yōu)點，每片預制式混凝土砌塊結構厚度為15 cm，長度為15 cm，寬度為80 cm。板內種植黑麥草等耐受性較強的多年生禾本植物。同時其底部采用兩層濾料，常水位以上采用碎石填料15 cm，碎石粒徑0.5～2.5 cm，起到支撐植物生長等作用。常水位以下采用25 cm的沸石和火山巖混合濾料，混合比為4:6，粒徑2～8 cm。通過渠壁和渠底的耦合作用[1]，各種填料的強吸附作用快速降低氮磷的濃度，同時渠內種植的各種植物生長又能夠在吸收氮磷的同時與微生物等形成穩(wěn)態(tài)的生境，共同作用降解污染物。

（4）植被緩沖帶：植被緩沖帶主要分布于農(nóng)田周邊泯溝兩側，為陸域與水體的交匯區(qū)域，具有極強的水質凈化效果。設計時，以河道周邊1.5 m范圍內區(qū)域為實施對象，在進水前段區(qū)域設置格柵，中段種植挺水植物，以美人蕉和鳶尾為主，用于進一步過濾、攔截生態(tài)排水溝凈化后的農(nóng)田排水。吳詩杰等研究表明[2]，美人蕉和鳶尾等水生植物根系發(fā)達，對于吸收、利用水體中的無機磷等具有高效的作用。

（5）河道水生態(tài)構建：河道水生態(tài)構建主要采用沉水性植物與水生生物構建生境的方式凈化水質。崇明農(nóng)田泯溝的河道常水位常年較低，在1.5 m以下，因此選用的沉水性植物主要采用矮化苦草、黑藻、金魚藻，種植比例占河道面積的45%，三種沉水植物的種植比例為7:1.5:1.5，種植密度為15～25 單株/ m2，3～5 株/叢，種植采用扦插的方式，基質采用當?shù)氐哪嗤痢?/p>

3 工程運行效果

向化鎮(zhèn)米新村的田聯(lián)動面源污染控制示范項目投入運行后，于2019年1～12月分別對各單元進出口處的水質進行定期檢測，每月監(jiān)測1次，經(jīng)過持續(xù)跟蹤后的水質監(jiān)測結果如表1。

由表1可知，農(nóng)田尾水中總氮濃度較高，氨氮濃度相對較低，這主要是與種植區(qū)域施肥類型和種植方式有關，這與張燕[3]在研究中具有類似的結果，農(nóng)田尾水中TP的水平變化呈現(xiàn)先逐漸上升后下降的趨勢，與當?shù)厥┓省⒋蛩幊尸F(xiàn)正相關性。

同時與示范項目中農(nóng)田尾水處理的總體效果進行對比，夏季水田聯(lián)動組合工藝對總氮、總磷和氨氮的去除率分別為65.47%、75.23%和93.98%，冬季水田聯(lián)動組合工藝對總氮、總磷和氨氮的去除率分別為35.73%、55.53%和65.56%。即夏季系統(tǒng)的處理效果總體優(yōu)于冬季，這主要是因為夏季各種生物生長代謝能力較強，需要大量的營養(yǎng)物質維持其代謝水平的原因。經(jīng)過分析對比可知各單元去除氮磷的能力大小為：河道水生態(tài)構建＞生態(tài)排水溝＞植被緩沖帶＞沉淀池，這可能是因為對于水田聯(lián)動組合工藝中，河道水生態(tài)構建的區(qū)域及水體停留時間最長，生態(tài)排水溝和植被緩沖帶在基質填料等方面的選用類似，但停留時間不同也導致各自的去除效果有顯著差異。

此外總氮的去除在時間和空間上變化有顯著差異，主要表現(xiàn)為在11月～次年3月份之間總氮去除效率急劇下降，5月份后又逐漸恢復，這可能是因為總氮的去除與溫度具有極大的相關性。李先會[4]等在耐寒植物根際土壤的氮轉化強度進行研究時具有類似的結果。

綜上所述，水田聯(lián)動方式處理農(nóng)田生態(tài)尾水的方式，對污染物的去除率滿足要求，且夏季農(nóng)田尾水中污染物濃度的去除效果優(yōu)于冬季，整體上達到《地表水環(huán)境質量標準》（GB 3838—2002）的III類水質標準要求，對崇明地區(qū)的農(nóng)業(yè)面源污染控制具有較好的效果。

4 結論

（1）水田聯(lián)動方式處理農(nóng)田生態(tài)尾水的技術措施，對氮、磷的去除主要以排水溝渠和填料之間的吸附沉積作用以及各處理單元形成植物-微生物系統(tǒng)為主，當水力停留時間越長，水體污染物與各單元系統(tǒng)接觸越充分，則去除效果就越好。

表1 示范項目各單元進出水水質分析表

（2）河道水生態(tài)構建系統(tǒng)對于尾水中污染物去除貢獻率最大，但當進水工況不能滿足要求時，如透明度不高，氨氮濃度過高時，去除率反而下降。植被緩沖帶和生態(tài)排水溝處理單元對于污染物的去除主要取決于停留時間長短。

（3）水田聯(lián)動方式處理對農(nóng)業(yè)面源污染具有良好的處理效果，針對農(nóng)田尾水為劣Ⅴ類的工況，經(jīng)過多種技術措施組合，植物-微生物之間形成生境，同時在填料之間的物理吸附等多重作用方式下，可使出水水質穩(wěn)定達到《地表水環(huán)境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅲ類水的指標要求。同時該工藝具有占地小、投入少、效率高等特點，適用于我國長三角地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染治理，具有一定的推廣價值。