生態(tài)溝渠對農(nóng)田徑流污染物的去除效果*

王華棟 唐 浩 張 衛(wèi)

(1.華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，上海 200237；2.上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200233)

降雨會導(dǎo)致大量農(nóng)田徑流污染物隨地表徑流匯入河流，使得河流中懸浮物(SS)、氮、磷和有機(jī)物等污染物負(fù)荷急劇增加，進(jìn)而造成水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題[1]。溝渠是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染物的首要匯合點(diǎn)，是河流、湖泊等收納水體的輸入源[2]。與傳統(tǒng)溝渠相比，生態(tài)溝渠除滿足農(nóng)田排澇防滯要求外，還可通過截留泥沙、植物吸收、填料吸附、微生物降解等作用對徑流污染物進(jìn)行攔截去除[3-5]。而且，由于生態(tài)溝渠占地面積小、運(yùn)行費(fèi)用低[6]，有學(xué)者認(rèn)為這是一種新的攔截農(nóng)田徑流污染物的最佳管理實(shí)踐[7-9]。目前，國內(nèi)外學(xué)者多以直線型生態(tài)溝渠為研究對象，主要研究溝渠內(nèi)不同植物配置或填料組合對農(nóng)田徑流污染物的攔截凈化能力[10]，而因地制宜構(gòu)建彎曲型生態(tài)溝渠的研究以及應(yīng)用較少。此外，前人的研究多只考慮了單次降雨的效果[11]，而事實(shí)上生態(tài)溝渠作為一個復(fù)雜的系統(tǒng)在每一場降雨后的攔截凈化能力都會受到此前降雨的影響[12]。

上海是平原地區(qū)，河網(wǎng)密布，田間缺乏有效的生態(tài)攔截設(shè)施。因此，本研究在上海青浦區(qū)設(shè)計(jì)了“一”字型和“弓”字型生態(tài)溝渠，探索兩次模擬降雨徑流過程中對農(nóng)田徑流污染物的去除效果。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)生態(tài)溝渠位于上海青浦區(qū)華新鎮(zhèn)東風(fēng)港試驗(yàn)基地。該基地建成于2005年，占地約8 000 m2，南北長約100 m，東西寬約80 m，2012年建成了“一”字型和“弓”字型兩種生態(tài)溝渠各一條，沿程總長均為100 m，兩種生態(tài)溝渠的平面布置圖見圖1，斷面示意圖見圖2。為了種植植物及邊坡穩(wěn)定，生態(tài)溝渠邊坡采用“8”字形帶孔磚鋪設(shè)，溝渠底部鋪設(shè)防滑磚，渠底種植菖蒲(AcoruscalamusL.)，邊坡種植麥冬(Ophiopogonjaponicus)和黑麥草(LoliumperenneL.)。

注：圖中尺寸單位為mm，圖2同；Y1～Y8和G1～G8分別為“一”字型和“弓”字型生態(tài)溝渠的取樣點(diǎn)。圖1 兩種生態(tài)溝渠平面布置圖Fig.1 Two ecological ditches layout plans

圖2 生態(tài)溝渠斷面示意圖Fig.2 Schematic diagram of ecological ditch section

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)生態(tài)溝渠進(jìn)水端附近構(gòu)建的10 m3蓄水池中通過河水添加碳酸氫銨、過磷酸鈣和泥土顆粒等配制農(nóng)田徑流水，然后將農(nóng)田徑流水用抽水機(jī)抽入生態(tài)溝渠進(jìn)水端。本研究模擬了兩次間隔30 min的降雨徑流過程，單次降雨歷時為90 min，排水產(chǎn)流過程約45 min，以90 min內(nèi)30 mm的降雨量控制徑流量。根據(jù)對上海青浦區(qū)農(nóng)田溝渠水質(zhì)的調(diào)研，主要是氮、磷受到此前降雨的影響比較明顯，因此設(shè)定如表1所示的兩次農(nóng)田徑流水污染物質(zhì)量濃度，并在每次模擬前對各項(xiàng)分析指標(biāo)進(jìn)行實(shí)測。

表1 農(nóng)田徑流水污染物質(zhì)量濃度

1.3 樣品采集與分析

當(dāng)生態(tài)溝渠穩(wěn)定排水產(chǎn)流后，同時在各取樣點(diǎn)采集500 mL水樣，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，分析前在4 ℃條件下保存。

分析指標(biāo)包括SS、TN、氨氮、TP、COD和高錳酸鹽指數(shù)。SS用重量法測定，TN用過硫酸鉀消解/紫外分光光度法測定，氨氮用納氏試劑分光光度法測定，TP用過硫酸鉀消解/鉬銻抗分光光度法測定，COD用重鉻酸鉀法測定，高錳酸鹽指數(shù)用酸性高錳酸鉀法測定[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 “一”字型生態(tài)溝渠沿程污染物去除效果

“一”字型生態(tài)溝渠沿程的污染物去除效果見圖3。兩次降雨徑流過程中SS總體變化不大，沿程呈小幅波動下降趨勢。TN和氨氮的變化趨勢非常一致，第1次降雨徑流過程中，TN和氨氮總?cè)コ史謩e為13.0%、13.6%，第2次降雨徑流過程中，TN和氨氮總?cè)コ史謩e為17.2%、18.4%，兩次降雨徑流過程中由于農(nóng)田徑流水中TN濃度的差異，第1次降雨徑流過程中TN和氨氮始終保持相對高于第2次的規(guī)律，TN和氨氮在Y7出現(xiàn)明顯升高的原因是該段植物存活量較少且存在腐爛植物。第1次降雨徑流過程中，TP總?cè)コ蕿?3.1%，主要在前半段Y1～Y3去除，第2次降雨徑流過程中，TP去除效果總體不如第1次，總?cè)コ蕛H為1.0%。兩次降雨徑流過程中，COD和高錳酸鹽指數(shù)的去除效果都不是很理想，總?cè)コ示陀?%。

圖3 “一”字型生態(tài)溝渠中污染物沿程變化Fig.3 Dynamic changes of pollutants along the straight ecological ditch

2.2 “弓”字型生態(tài)溝渠沿程污染物去除效果

“弓”字型生態(tài)溝渠沿程的污染物去除效果見圖4。第1次降雨徑流過程中，SS具有明顯的下降趨勢，去除效果較好，總?cè)コ蔬_(dá)到35.3%，但第2次降雨徑流過程中，SS去除效果明顯變差，總?cè)コ蕛H為4.0%。與“一”字型生態(tài)溝渠相似，TN和氨氮的變化趨勢也基本一致，且第1次降雨徑流過程中TN和氨氮始終高于第2次，第1次降雨徑流過程中，TN和氨氮總?cè)コ史謩e為35.2%、19.8%，第2次降雨徑流過程中，TN和氨氮總?cè)コ史謩e為33.8%、16.0%，主要在后半段G5～G8去除。TP主要在前半段G1～G4去除，兩次降雨徑流過程的總?cè)コ室来螢?0.2%、31.5%，第2次還高于第1次。COD、高錳酸鹽指數(shù)的去除效果較好，第1次降雨徑流過程中總?cè)コ史謩e為27.3%、31.7%，第2次分別為19.4%、31.6%，但是COD和高錳酸鹽指數(shù)的沿程變化呈現(xiàn)出不穩(wěn)定性。

圖4 “弓”字型生態(tài)溝渠中污染物沿程變化Fig.4 Dynamic changes of pollutants along the bent ecological ditch

2.3 兩種生態(tài)溝渠對農(nóng)田徑流污染物的去除效果比較

生態(tài)溝渠兼具溪流和濕地的特征[14]，可以作為農(nóng)田徑流污染物的匯、源調(diào)節(jié)器[15-16]。在本研究中，渠底種植菖蒲，邊坡種植麥冬和黑麥草，與溝渠底部的底泥共同形成了底泥、水生植物、微生物系統(tǒng)。在溝渠中，密集生長的植物對徑流產(chǎn)生摩擦，會減慢水流速度，起到過濾的作用，從而使SS沉降[17]。生態(tài)溝渠對氮的去除是植物吸收和微生物降解的結(jié)果[18]。磷通常會以顆粒態(tài)的形式存在于農(nóng)田降雨徑流中，特別是在以黏土或淤泥為主的農(nóng)田區(qū)域[19]，其去除過程除溶解態(tài)磷的吸附或吸收[20]外，顆粒態(tài)磷的沉積和植物吸收[21]至關(guān)重要。另有研究表明，植物根系共生的微藻和附生藻類也被證明可以協(xié)同去除營養(yǎng)鹽[22]。有機(jī)物主要通過水中微生物的降解作用去除[23]，水生植物光合作用產(chǎn)生的氧氣可以促進(jìn)好氧微生物活動，從而分解有機(jī)物。

從圖5可以看出，兩次降雨徑流過程中，“弓”字型生態(tài)溝渠對SS、TN、氨氮、TP、COD、高錳酸鹽指數(shù)的平均去除率分別為19.6%、34.5%、17.9%、25.8%、23.4%、31.6%，“一”字型生態(tài)溝渠的平均去除率分別為9.6%、15.1%、16.0%、17.0%、5.6%、3.8%?？梢?，“弓”字型生態(tài)溝渠對各農(nóng)田徑流污染物的去除效果均優(yōu)于“一”字型生態(tài)溝渠，這是因?yàn)椤肮弊中蜕鷳B(tài)溝渠存在轉(zhuǎn)折，能減慢溝渠中的水流速度，延長徑流在溝渠中的停留時間，有利于污染物的去除，從而提高了對農(nóng)田徑流污染物的截留能力。兩種生態(tài)溝渠對氨氮的去除率(13.6%～19.8%)總體不高，這可能是因?yàn)榘钡娜コ栌上趸饔弥鲗?dǎo)[24]，而本研究中的氧含量不足以供給硝化細(xì)菌對氨氮的氧化?？傮w上，生態(tài)溝渠對TP的去除效果尚可，最高去除率可達(dá)33.1%，這是因?yàn)楸狙芯颗渲玫霓r(nóng)田徑流水中以溶解態(tài)磷為主，比較容易去除。

圖5 兩種生態(tài)溝渠對農(nóng)田徑流污染物的平均去除率Fig.5 The average removal rates of farmland runoff pollutants in two types of ecological ditches

2.4 降雨徑流事件對生態(tài)溝渠處理效果的影響探討

降雨徑流是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染物負(fù)荷產(chǎn)生的動力，是污染物運(yùn)輸?shù)妮d體[25]。若施肥初期發(fā)生降雨徑流事件，農(nóng)田土壤和作物表面的大部分氮、磷營養(yǎng)鹽就會隨徑流進(jìn)入生態(tài)溝渠，溝渠內(nèi)的農(nóng)田徑流污染物濃度就會迅速升高，之后發(fā)生降雨徑流事件農(nóng)田徑流污染物會逐漸降低。本研究采用兩種濃度的氮、磷模擬兩次降雨徑流過程就是模擬了降雨事件與施肥時間的關(guān)系。有研究表明，生態(tài)溝渠對水中TN、TP的去除率都高達(dá)60%[26-27]，而本研究模擬的降雨徑流過程中生態(tài)溝渠對TN、TP的去除率均不到36%，這可能與溝渠長度、降雨強(qiáng)度等有關(guān)。本研究的生態(tài)溝渠處于運(yùn)行初期，植物種植時間較短，各渠段植物生長情況還不穩(wěn)定，進(jìn)而影響各渠段對農(nóng)田徑流污染物的植物吸收、底泥吸附和微生物降解等作用。在保證生態(tài)溝渠能正常運(yùn)行的情況下，應(yīng)選擇性地增加水生、陸生植物的種類，以期提高生態(tài)溝渠對污染物的截留能力，而且生態(tài)溝渠運(yùn)行期間應(yīng)定期對植物進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和清理，以免影響去除效果。此外，模擬降雨徑流過程不同于自然降雨徑流過程，人工配制的農(nóng)田徑流水污染物成分、濃度、形態(tài)等也與實(shí)際的農(nóng)田徑流水存在一定的差別，都可能會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。因此，后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步研究生態(tài)溝渠在自然降雨過程中對農(nóng)田徑流污染物的沿程去除效果，不過本研究對于“一”字型和“弓”字型生態(tài)溝渠的比較是有效的。

3 結(jié) 論

兩次降雨徑流過程中，第1次降雨徑流過程的氮、磷始終高于第2次?！肮弊中蜕鷳B(tài)溝渠對SS、TN、氨氮、TP、COD、高錳酸鹽指數(shù)的平均去除率分別為19.6%、34.5%、17.9%、25.8%、23.4%、31.6%，而“一”字型生態(tài)溝渠的平均去除率分別為9.6%、15.1%、16.0%、17.0%、5.6%、3.8%。顯然，“弓”字型生態(tài)溝渠對農(nóng)田徑流污染物的去除效果優(yōu)于“一”字型生態(tài)溝渠。