渠—塘導(dǎo)流截污系統(tǒng)控制農(nóng)村面源污染研究進(jìn)展

周曉林， 周馳譽(yù)， 劉 偉， 孫炳香， 臧吳琪， 楊林軍

(1.江蘇省水利科教中心， 江蘇 南京 210029；2.東南大學(xué) 能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210096)

農(nóng)村面源污染成為湖泊、河道等地表水的主要污染源之一。農(nóng)村面源污染來源主要有農(nóng)田流失的氮磷、降雨徑流、河道底泥釋放的氮磷、生活污水的直排等[1]。20世紀(jì)80年代，我國將控制面源污染提上議事日程[2]，而相對于傳統(tǒng)的底泥疏浚、投放化學(xué)物質(zhì)等物理、化學(xué)方法[3]，生態(tài)治理技術(shù)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益更好[4]。

生態(tài)治理技術(shù)可分為“過程攔截”和“原位修復(fù)”[5]，生態(tài)塘和生態(tài)溝渠技術(shù)是過程攔截階段可利用的技術(shù)之一[6]。自然塘堰和排水溝渠存在植被覆蓋度低、土壤老化等問題，并不能發(fā)揮出較好地去除污染物能力[7]，所以有研究者在其基礎(chǔ)上加以改造建成生態(tài)塘和生態(tài)溝渠，提高了其處理農(nóng)田地表徑流的能力[8]。其次隨著農(nóng)村河道水體污染成分愈加復(fù)雜、排放標(biāo)準(zhǔn)愈加嚴(yán)格，且單一的治理技術(shù)往往具有凈化針對性[5]，故可以結(jié)合分散式的處理技術(shù)以改善水質(zhì)凈化效果[9]。在過程攔截階段可將多個生態(tài)塘和生態(tài)溝渠連接起來組成渠-塘導(dǎo)流截污系統(tǒng)(渠塘系統(tǒng))，在農(nóng)田中分布的渠塘系統(tǒng)成為攔截農(nóng)田污染物的主流工藝[10]。因此，本文綜述了渠塘系統(tǒng)凈化水體的機(jī)理和影響因素并展望未來研究方向，以期為利用渠塘系統(tǒng)處理農(nóng)村面源污染提供思路。

1 渠塘系統(tǒng)概述

1.1 生態(tài)溝渠

生態(tài)溝渠是在排水溝的基礎(chǔ)上通過種植植物、優(yōu)化護(hù)坡形式、增添基質(zhì)等方式建立起來的[11]。生態(tài)溝渠能夠一定程度上減緩水流流速，延長污水與水生植物、基質(zhì)、微生物等介質(zhì)的接觸時間，通過增強(qiáng)植物的攔截、吸收、基質(zhì)和底泥的吸附、微生物的分解等作用[12]凈化來水，減輕了下游污水負(fù)荷[13]。種植的植物及生態(tài)護(hù)坡的材料的使用也解決了自然溝渠邊坡水土流失的問題[14]。涂佳敏[15]設(shè)計(jì)的潛流透水壩生態(tài)溝渠通過植物、填料、階梯形式透水壩的組合既延長了來水停留時間、增加了生物膜生長固著點(diǎn)，又以跌水方式增加溶解氧(DO)濃度，明顯提高了溝渠對水體的凈化效果。

1.2 生態(tài)塘

生態(tài)塘一般由自然塘堰改造或人為開挖形成。較自然塘堰來說，生態(tài)塘在減緩地表徑流流速、增加水力停留時間等方面效果顯著。在生態(tài)溝渠系統(tǒng)中加入生態(tài)塘加快了水流降速過程，污水中雜質(zhì)或懸浮顆粒物更易沉降到底部，有利于去除顆粒性污染物。鄭志偉等[16]設(shè)置串聯(lián)“集水池-生態(tài)溝渠-生態(tài)塘”工藝處理山區(qū)農(nóng)村生活污水，氮磷、有機(jī)物去除率在50%以上，處理后的水濁度下降、DO濃度顯著上升。綜合來看采用渠塘組合生態(tài)工藝提高了攔截農(nóng)田流失污染物的效果，減少了下游水的污染負(fù)荷。

2 氮磷的去除機(jī)理

水體中磷元素主要以磷酸鹽形式存在，氮主要有無機(jī)氮和有機(jī)氮之分。磷主要通過沉淀、微生物代謝、水生植物的吸收和轉(zhuǎn)化作用去除[17-18]。氮元素主要通過揮發(fā)、硝化/反硝化、植物吸收、轉(zhuǎn)化等作用去除[19-20]。

對于磷來說，植物的吸收和微生物的降解作用去除的是磷酸鹽，而底泥、填料的吸附和沉淀作用是各種形式磷元素去除的主要機(jī)理。Kr?ger等[21]研究認(rèn)為植物對磷的吸附量只占總?cè)コ康?%左右；Vymazal等[22]的實(shí)地試驗(yàn)中14%左右的磷通過植物吸收去除。有機(jī)氮是植物最先吸收的氮元素，主要通過氨化作用去除；氨氮主要是通過植物吸收、底泥吸附、微生物的硝化和反硝化作用、揮發(fā)去除。細(xì)菌的硝化和反硝化作用被認(rèn)為是去除氮元素的主要途徑[23]，氨氮通過硝化反應(yīng)氧化成硝態(tài)氮，再經(jīng)反硝化生成N2釋放到大氣中。

3 污染物去除影響因素

3.1 渠塘分布特性

農(nóng)田區(qū)域中的渠塘系統(tǒng)需具備灌溉排水的功能，在保證和農(nóng)田匹配的基礎(chǔ)上容易發(fā)生系統(tǒng)內(nèi)水量過多或過少、污染負(fù)荷變化大的情況，處理效果不理想[24]，故在對原有渠塘進(jìn)行改造修繕外，添加前置工藝、增減渠塘的數(shù)量，完善系統(tǒng)水力條件。崔霞[25]在生態(tài)溝渠系統(tǒng)的最前端添加前置工藝—前置塘對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，減少進(jìn)入生態(tài)溝渠系統(tǒng)污染物負(fù)荷，調(diào)節(jié)了進(jìn)水量，使得進(jìn)水均勻，提高生態(tài)溝渠系統(tǒng)的運(yùn)行效果。姚劍亭等[26]根據(jù)實(shí)地情況另開挖了生態(tài)主溝渠和生態(tài)塘，溝渠內(nèi)設(shè)計(jì)攔截壩和透水壩，既提高了系統(tǒng)的處理效果，也擴(kuò)大可控農(nóng)田面積、增加污水回用率。

處于不同路徑的排水溝渠和生態(tài)塘在空間分布上不均勻，不同污染物、不同位置的同一污染物去除的主要限制因素會有所不同[27]，如渠塘系統(tǒng)與農(nóng)田面積比、污染物濃度等。相比較而言，面積大、水深較深的塘與溝渠在污染物去除中占主導(dǎo)地位；但其水流流速相對會降低，DO濃度得不到提升。為了平衡渠塘系統(tǒng)沉降作用及DO濃度，在渠塘系統(tǒng)截面上研究者多設(shè)計(jì)成跌水式[28]，利用高程差提高DO濃度。

圖1 水中氮磷元素脫除過程

3.2 植物種類

植物的吸收、轉(zhuǎn)化、攔截等作用均能起到去除污染物、改善水質(zhì)的效果[29]。選擇的植物不宜是外來入侵物種，防止其在河面上大肆繁衍從而抑制河水的流動性、降低DO濃度。其次腐爛的植物會在水中分解，向水體中釋放氮磷、有機(jī)物等污染物質(zhì)[17]，為了預(yù)防二次污染，水生植物枯萎前應(yīng)進(jìn)行收割。

一般多種植物組合處理農(nóng)村污水的效果要優(yōu)于單一植物的處理效果，如浮水植物凈化水體的效果容易受水流波動和水文沖刷的影響，則可采用浮水植物和挺水植物組合，挺水植物種植在浮水植物后，以此利用挺水植物構(gòu)建一個相對穩(wěn)定的以浮水植物為主的濕地植物群落，同時提高系統(tǒng)對農(nóng)村污水的凈化效率[30]。但要考慮不同植物的根系分泌物是否存在抑制作用，而使組合的植物之間有競爭關(guān)系致使組合的處理效果低于單種植物的凈化效果。曾愛平等[31]在對茭白與水生美人蕉進(jìn)行組合處理生活污水時發(fā)現(xiàn)其凈化效果比兩者單獨(dú)種植時的效果要差。

3.3 溫度

渠塘系統(tǒng)對水體的處理效果受溫度變化的影響較大，原因在于系統(tǒng)內(nèi)種植的水生植物的生長及微生物的活性受溫度影響[32]。不同季節(jié)水生植物對氮磷等營養(yǎng)物的吸收能力不同，一般植物在夏季生長更旺盛，對水中氮磷及有機(jī)物的去除率高于冬季。趙旭光[33]對種植挺水植物的富營養(yǎng)化湖泊四季采樣檢測發(fā)現(xiàn)，由春季到夏季4個采樣點(diǎn)的總氮含量均下降；而夏季過后，溫度降低，水中總氮含量又回升。適宜溫度下生物同化的效率較高，溫度升高能加強(qiáng)生物硝化、反硝化作用，提高氨氮揮發(fā)水平。研究發(fā)現(xiàn)溫度高于15℃時微生物活性明顯比5℃下的活性要高[34]；硝化細(xì)菌在20～30℃時活性較強(qiáng)，5℃下即停止生長；反硝化的速率在15℃以下也迅速降低[35]。針對溫度對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響較大的問題，黃治平等[36]通過對原址廢棄的多塘進(jìn)行改造，構(gòu)造三級生態(tài)塘，分別安裝填料及復(fù)氧系統(tǒng)，種植水生植物和養(yǎng)殖水生動物等，形成了穩(wěn)定的處理系統(tǒng)，使其受溫度的影響變小。未來對渠塘系統(tǒng)等生態(tài)治理手段的研究重點(diǎn)也應(yīng)該放在解決低溫的不利影響上。

3.4 溶解氧含量

3.5 降雨徑流

降雨徑流會導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)水質(zhì)、水量及流速的變化。楊凱等[38]對降雨前后河道各污染物含量測定發(fā)現(xiàn)，隨著流量的增多，COD、氨氮的含量明顯下降。段圣輝等[39]在農(nóng)村暴雨徑流后的水樣檢測發(fā)現(xiàn)河道水體pH值下降、各下墊面氮磷含量超標(biāo)，農(nóng)田COD污染負(fù)荷最高。胡將軍[28]在模擬降雨沖擊對設(shè)計(jì)的渠塘組合工藝的影響實(shí)驗(yàn)看出，雨量越大，工藝的各監(jiān)測斷面對各營養(yǎng)物的去除率均越低。流速是影響系統(tǒng)處理效果的核心因素之一，排水量越低、水力停留時間長的情況下對營養(yǎng)物質(zhì)的去除率更高。Castaldelli等[40]研究表明硝態(tài)氮的反硝化去除過程受流速影響極大，原因在于在水力停留時間較長時各組分相互作用加深，提高了系列的化學(xué)循環(huán)反應(yīng)，從而促進(jìn)氮的降解。

由不同研究的結(jié)果得出，降雨徑流對渠塘系統(tǒng)水質(zhì)的具體影響也因具體情況而不同。目前對降雨徑流污染的評價主要以徑流污染物平均濃度[41]為標(biāo)準(zhǔn)。評價降雨徑流對水質(zhì)的影響要考慮降水量和降雨強(qiáng)度，強(qiáng)降雨對水體有較大稀釋作用，出現(xiàn)強(qiáng)降雨前期徑流中污染物濃度變低情況?？梢灶A(yù)見降雨條件下渠塘系統(tǒng)的處理效果會相應(yīng)變差，各污染物濃度的變化有所不同，降雨后系統(tǒng)的處理能力會漸漸恢復(fù)。

4 總結(jié)與展望

4.1 總 結(jié)

渠塘系統(tǒng)是梯級生態(tài)治理技術(shù)中過程攔截階段的有效處理技術(shù)。生態(tài)溝渠和生態(tài)塘用于處理農(nóng)村面源污染不占用額外田地，兩者的構(gòu)造均有利于調(diào)節(jié)水文、減輕污染、節(jié)約水源、保護(hù)生物多樣性。除自身分布特征、水生植物種類、降雨徑流、DO濃度、溫度之外，渠塘系統(tǒng)的凈化效果還受系統(tǒng)的水力負(fù)荷、碳氮比等影響，需要考慮多方因素來建立處理能力更好的渠塘系統(tǒng)。

4.2 展 望

目前對于渠塘系統(tǒng)等組合生態(tài)處理技術(shù)的長遠(yuǎn)運(yùn)行效果的研究較少，實(shí)驗(yàn)一般短則幾個月長則一兩年。未來應(yīng)著重研究保證渠塘系統(tǒng)的多年穩(wěn)定、高效處理效果。此外由于渠塘系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，其處理效果受溫度影響較大，未來應(yīng)著重對穩(wěn)定并提升低溫下渠塘系統(tǒng)凈化效果開展研究。

另一方面，渠塘系統(tǒng)在空間布置上因地制宜、靈活多變，不同部分的凈化效果也可能有較大不同，采用相同的評估手段來評價其對污染物的去除能力或許并不可取。目前對生態(tài)治理技術(shù)在農(nóng)村富營養(yǎng)化水體作用效果的評價缺乏定量評價，針對不同生態(tài)治理技術(shù)應(yīng)提出各自完善的評價體系，將定性評價更多地轉(zhuǎn)化為定量評價。此外為了提高農(nóng)村污水凈化效果，發(fā)揮各技術(shù)的最佳優(yōu)勢，還需要注重過程攔截、原位生態(tài)修復(fù)等各階段技術(shù)的連接方式，構(gòu)建三者的最優(yōu)連通技術(shù)。