梯級(jí)溝渠對(duì)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源氮磷的去除效率及影響因素

＊張振 高良敏 葛娟 趙興蘭 張海強(qiáng) 慕明

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院 安徽 232001）

在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，農(nóng)業(yè)精細(xì)化水平低及不計(jì)環(huán)境后果的過度使用化肥提高作物產(chǎn)量，導(dǎo)致氮、磷肥的利用率低下和在土壤中的大量積累，由此我國農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染日益嚴(yán)重[1]。農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染中的氮、磷在雨水沖刷或灌溉徑流作用下，進(jìn)入周圍水體，從而造成的水體污染。大量氮、磷植物性營養(yǎng)元素進(jìn)入水體后，營養(yǎng)物質(zhì)過剩，藻類大量繁殖，水質(zhì)惡化，嚴(yán)重導(dǎo)致水生生物死亡[2,3]。

農(nóng)田排水溝渠既能對(duì)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染起匯集作用又下接河流、湖泊，起著蓄水、排水、凈化水質(zhì)等作用[4]。生態(tài)溝渠中的植物通過物理、生物及化學(xué)作用結(jié)合可吸收水體中8%～16%的氮[5]。溝渠內(nèi)植物及土壤的共同作用，能夠有效的對(duì)水質(zhì)中污染物進(jìn)行截流吸附[6]；微生物厭氧環(huán)境下進(jìn)行反硝化作用，兩種作用的存在促進(jìn)微生物吸收轉(zhuǎn)化氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)，大大降低環(huán)境中氮磷污染水平。同樣對(duì)磷產(chǎn)生作用，有氧條件下，好氧微生物將有機(jī)磷和難溶的無機(jī)磷吸附轉(zhuǎn)化為可溶的無機(jī)磷，進(jìn)而通過植物吸收、吸附沉降等作用降低水體中磷濃度[7]；溝渠研究表明農(nóng)田排水溝渠是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染氮磷重要轉(zhuǎn)換場所，是去除農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源中污染物的有效措施之一。本文對(duì)常見的農(nóng)田溝渠結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，使其具有缺氧—好氧梯級(jí)的形態(tài)，研究梯級(jí)溝渠對(duì)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的處理效果。

1.研究區(qū)概況

試驗(yàn)場地選擇在淮河流域內(nèi)合肥市肥東縣農(nóng)業(yè)密集的區(qū)域，肥東縣屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬季131天左右，冬季東東北風(fēng)最多，氣溫低，氣壓高，冬季平均降雨為100mm左右。本實(shí)驗(yàn)選用溝渠上游為典型農(nóng)村生活區(qū)，附近為居民的生活垃圾與家禽的排泄物通過降雨地表徑流等作用進(jìn)入溝渠，采樣時(shí)間為冬末春初溝渠水位較低時(shí)期。

2.試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究溝渠長30m，寬0.8m。溝渠通過擋板依次劃分為初沉區(qū)、缺氧區(qū)、兼性區(qū)及好氧區(qū)，在缺氧區(qū)和兼性區(qū)加挖0.5m，形成缺氧—好氧的梯級(jí)改造溝渠。由于研究區(qū)冬末春初降雨雨量不大，采用抽水泵從上游引入水源進(jìn)入溝渠。

在溝渠改造前，在原始溝渠的上、中、下游采取水樣各1000ml，分別標(biāo)記為GQ1、GQ2、GQ3，保存實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測定指標(biāo)。梯級(jí)采樣點(diǎn)位根據(jù)斷面設(shè)計(jì)個(gè)數(shù)取樣，詳細(xì)見圖1。不同斷面下取表層水樣各1000ml，共取4個(gè)點(diǎn)位，底泥在斷面中間分層取樣共取泥樣10份。

圖1 梯級(jí)溝渠剖面圖

3.試驗(yàn)結(jié)果

(1)梯級(jí)溝渠和原始溝渠主要樣品理化性質(zhì)

表1為梯級(jí)溝渠與原始溝渠水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)對(duì)比，分別選取梯級(jí)溝渠進(jìn)水口TJ1，缺氧區(qū)深部TJ2-2、出水口好氧區(qū)TJ4-2與原始溝渠的進(jìn)水口GQ1、中部GQ2、出水口GQ3作比較。從上表可以看出梯級(jí)溝渠在水流動(dòng)的全過程中，濁度和懸浮物濃度大于原始溝渠的濁度和懸浮物質(zhì)量濃度，且在梯級(jí)溝渠的缺氧區(qū)濁度激增由48.71NTU到199NTU，然后在TJ4-2點(diǎn)位下降到10.88NTU，梯級(jí)溝渠懸浮物質(zhì)量濃度在缺氧區(qū)達(dá)到446.60mg·L-1快速下降到14.00mg?L-1，截留率達(dá)到91.30%，處理效果明顯。原始溝渠的濁度和懸浮物質(zhì)量濃度雖然全程出現(xiàn)較低水平，濁度數(shù)值平均維持在在3.86NTU左右，懸浮物質(zhì)量濃度平均在12.54mg·L-1。濁度和懸浮物質(zhì)量濃度總體變化不大，且有升高的趨勢，對(duì)濁度、懸浮物去除效果較差。懸浮物濃度和濁度不僅是水中有機(jī)污染物的載體也直接影響著光在水中的傳播，導(dǎo)致水質(zhì)惡化[8]。

表1 梯級(jí)溝渠水體主要理化性質(zhì)

(2)梯級(jí)溝渠水中污染物的影響

①野外梯級(jí)溝渠污染物含量沿程變化

在實(shí)驗(yàn)中，梯級(jí)溝渠好氧段、缺氧段對(duì)水中污染物TN、NH4+-N、TP、COD的影響如圖2所示，從圖2(a)可以看出，梯級(jí)溝渠各個(gè)點(diǎn)位對(duì)不同的污染物有不同程度的影響。如圖所示TN在各個(gè)點(diǎn)位的濃度變化顯著，呈現(xiàn)“U”波動(dòng)趨勢。在HD到TJ2期間TN質(zhì)量濃度從3.19mg·L-1急速下降到1.87mg·L-1，此階段為梯級(jí)溝渠的缺氧段，在缺氧段內(nèi)污水脫氮主要進(jìn)行反硝化作用，反硝化作用脫氮效果明顯。TJ3到TJ4為梯級(jí)溝渠的兼性段及好氧段，進(jìn)行硝化反應(yīng)水中硝態(tài)氮含量增多，加之硝化段的時(shí)間較短及抽水泵不定期抽動(dòng)水流的擾動(dòng)，有研究表明在在堿性條件下土壤中微生物會(huì)促進(jìn)底泥中的氮素被釋放，總氮含量增加[9]。由上圖2(a)可知氨氮含量總體緩慢下降，在TJ3到TJ4段，由于水淺流速緩慢，水中溶解氧增多，氨氮轉(zhuǎn)為硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮速率增加，同時(shí)溝渠兩旁植物根系對(duì)水中氨氮有攔截和吸收的作用，表現(xiàn)為圖形上此階段下降速率最快。

圖2 野外梯級(jí)溝渠污染物含量沿程變化

由圖2(a)可知，水中TP濃度變化呈“n”形，梯級(jí)溝渠中磷的去除機(jī)理主要為植物吸收、底泥吸附、結(jié)晶沉淀、微生物的同化和聚磷菌的過量攝磷等共同作用[7]。在抽泵機(jī)的沖擊力下，TJ1處的底泥被攪動(dòng)，底泥中吸附和沉淀的溶解態(tài)和顆粒態(tài)磷被帶入水中，并進(jìn)入溝渠流動(dòng)，所以表現(xiàn)為HD到TJ2期間水中磷的濃度不降反升，TJ2為處較深的水深使水中懸浮物沉降，梯級(jí)溝渠后半段的低速水流和溝渠植物兩旁根系在水中對(duì)磷的攔截和吸收，使磷的含量由在TJ2的最高質(zhì)量濃度0.88mg·L-1降到TJ4處的0.04mg·L-1，說明梯級(jí)溝渠對(duì)總磷的去除效果明顯。

從圖2(b)可以看出，梯級(jí)溝渠各個(gè)點(diǎn)位的COD濃度變化趨勢呈“M”形，溝渠進(jìn)水口HD處的COD的質(zhì)量濃度為284.96mg·L-1，出水口TJ4-2的COD質(zhì)量濃度為199.68mg·L-1，總體去除效果明顯。在梯級(jí)溝渠缺氧區(qū)由上覆水TJ2到缺氧區(qū)深部TJ2-2，COD濃度增大并恢復(fù)到溝渠最高質(zhì)量濃度430.56mg·L-1，在缺氧區(qū)內(nèi)隨著水深的加深，水中溶解氧的含量逐漸減少，微生物代謝降低，活性減弱，對(duì)COD分解速率降低[10]。

圖3(a)表示梯級(jí)溝渠的污染物截留率，圖3(b)表示原始溝渠的污染物截留率。在梯級(jí)溝渠中，總氮的去除率為5.16%，主要是反硝化反應(yīng)對(duì)氮素的去除效果明顯，但后續(xù)較長時(shí)間的硝化反應(yīng)時(shí)間增多使得硝態(tài)氮含量增多。磷的截留整體效果好，截留率為87.78%，由于上游水體含有大量沖擊下來的泥沙，通過梯級(jí)擋板，橫向流速被減緩，泥沙在每一段都得到充分沉降，又因?yàn)槟嗌硵y帶了大量的顆粒態(tài)磷，大部分泥沙的截留就使得磷的輸出量大大減小。

圖3 野外梯級(jí)溝渠和原始溝渠污染物截留率對(duì)比

如圖3(b)所示，原始溝渠內(nèi)總氮截留率為-6.8%，COD截留效率僅為2.74%，總磷截留率為57.36%，TDP截留率為16.67%。主要原因是，采樣期間降水少，原始溝渠內(nèi)水體環(huán)境封閉，農(nóng)田作業(yè)施肥產(chǎn)生的氮類進(jìn)入溝渠，無法及時(shí)排出，同時(shí)水體內(nèi)植物凋落物的分解造成總氮在出水口增加，COD截留率低。

②相關(guān)性分析

如上表2斯皮爾曼相關(guān)性分析所示，總氮和總磷顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），說明在梯級(jí)溝渠中，總氮對(duì)總磷的含量關(guān)系密切；總氮和濁度及懸浮物呈極顯著負(fù)不相關(guān)（P＜0.01），說明總氮對(duì)懸浮物和濁度有較大影響，水中懸浮顆粒附著溶解氧，不利于反硝化反應(yīng)；總磷和濁度及懸浮物呈極顯著相關(guān)（P＜0.05），說明梯級(jí)溝渠中顆粒磷的吸附對(duì)總磷的去除有較大影響；總磷和TDS顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），說明梯級(jí)溝渠中TDS對(duì)總磷的去除有影響；氨氮和pH極顯著相關(guān)（P＜0.01）說明pH對(duì)氨氮的去除有較大的影響。

表2 梯級(jí)溝渠水體主要理化性質(zhì)相關(guān)性分析

4.結(jié)論

（1）梯級(jí)溝渠中對(duì)水質(zhì)的濁度截留率為77.67%，在缺氧區(qū)到好氧區(qū)最高截留率達(dá)到91.30%；水中懸浮物截留率是87.78%，在缺氧區(qū)到好氧區(qū)截留率最高為96.87%；對(duì)原始溝渠來說，整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)濁度和懸浮物去除無明顯差異。

（2）在梯級(jí)溝渠內(nèi)總氮含量先是快速下降，在缺氧階段內(nèi)進(jìn)行反硝化反應(yīng)，總氮質(zhì)量濃度處于整個(gè)周期最低點(diǎn)1.66mg·L-1，后上升到3.02mg·L-1；氨氮含量在整個(gè)周期內(nèi)逐漸減少，梯級(jí)溝渠出水口質(zhì)量濃度為0.6715mg·L-1；總磷含量與總氮表現(xiàn)相反，整個(gè)趨勢呈“n”形走向，在缺氧段處于最高點(diǎn)，最高點(diǎn)質(zhì)量濃度為0.88mg·L-1，好氧段迅速回落為0.04mg·L-1；COD質(zhì)量濃度變化趨勢呈“M”形梯級(jí)溝渠進(jìn)水口到缺氧區(qū)下降為314.08mg·L-1，在極短過程中恢復(fù)到原有水平，在兼性區(qū)及好氧區(qū)迅速降低到172.64mg·L-1。

（3）梯級(jí)溝渠總氮、總磷、氨氮、COD截留率分別為5.16%、87.78%、38.03%和51.76%，原始溝渠總氮、總磷、TDP、COD截留率分別為-6.80%、57.63%、16.67%、2.74%，改造后梯級(jí)溝渠對(duì)污染物的截留率明顯優(yōu)于原始溝渠。