人工生態(tài)池對稻田排水的減污效應(yīng)分析

許 怡，曾艷麗，劉敏芝，劉 天，張 軒，吳 巍，周星池

（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029； 2.上海市青浦區(qū)水文勘測隊(duì)，上海 201700；3.寧波市鄞州區(qū)農(nóng)村水利管理中心，浙江 寧波 3151003； 4.寧波市水務(wù)設(shè)施運(yùn)行管理中心，浙江 寧波 315043）

0 引 言

水稻是太湖流域種植面積最廣的糧食作物，由于稻田排水含有大量的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，如果直接排入河湖會(huì)對水體造成污染，稻田排水面源污染已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源［1］。通過生態(tài)溝渠、人工濕地以及人工生態(tài)池等方法將稻田排水進(jìn)行攔截和過濾，再排入河湖中，可以有效地減少污染物進(jìn)入河道，減少農(nóng)業(yè)面源污染［2-4］。潘樂等［5］在湖北漳河灌區(qū)采用塘堰濕地對稻田的氮磷污染去除效應(yīng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，塘堰濕地對于TN、TP的整體去除率分別為45.88%和44.20%；劉馨井雨等［6］通過試驗(yàn)得出生態(tài)溝、現(xiàn)有濕地及人工濕地對水質(zhì)凈化的貢獻(xiàn)率分別為2.9%、30.3%和66.8%；孫寧寧等［7］運(yùn)用了稻田節(jié)水灌溉-田間排水草溝-塘堰濕地-生態(tài)骨干排水溝“四道防線”系統(tǒng)對稻田排水中的氮、磷等元素進(jìn)行凈化作用，結(jié)果表明灌區(qū)水環(huán)境改善效果明顯。除了溝渠、塘堰、濕地等自然凈化系統(tǒng)，人工生態(tài)池也具有良好的水質(zhì)凈化作用，它是人為建造并加入原生態(tài)系統(tǒng)中的小型人工濕地，可以選取指定位置，通常以水泥砂漿磚砌與四周土壤隔絕開來，但是由于造價(jià)較高，在稻田排水的凈化中的研究和應(yīng)用較少。由于生態(tài)池的形狀較為規(guī)則，進(jìn)水排水易于控制，因此非常適合按預(yù)期的排水效果進(jìn)行設(shè)計(jì)，但不同水生植物對于稻田排污的凈化效果尚缺乏定量研究。目前，對于不同水生植物的凈化能力有許多研究［8-10］，不同水生植物對于不同污染物的凈化效果也有所區(qū)別［11，12］。為了探明不同水生植物及人工生態(tài)池對于稻田排水的凈化作用，選取了浮水植物（菱角）、挺水植物（荷藕、菖蒲）、沉水植物（黑藻）進(jìn)行了試驗(yàn)，以期為太湖流域稻田排水的污染物凈化處理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在上海市青浦區(qū)水利技術(shù)推廣站內(nèi)開展，試驗(yàn)站地理坐標(biāo)為121°7'N，31°12'E，海拔2.6 m。試驗(yàn)區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫16.1 ℃，最熱月均氣溫27.8 ℃。多年平均降雨量1 104 mm。年均日照1 929 h，年均無霜期234 d，年均降雨日為134 d，汛期主要集中在6-9月。土壤質(zhì)地為重壤土。試驗(yàn)站配有小型氣象站，可以記錄每天的降雨、風(fēng)速、相對濕度、氣溫、日照時(shí)數(shù)、水面蒸發(fā)等數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)站內(nèi)人工生態(tài)池建于2009年，經(jīng)過十多年的運(yùn)行及自適應(yīng)，生態(tài)池已經(jīng)和周邊的生態(tài)環(huán)境很好地融合。生態(tài)池占地總平面尺寸：25.0 m（長）×6.0 m（寬）×0.85 m（高），包括1個(gè)集水池、1個(gè)排水池以及4塊可獨(dú)立串聯(lián)的人工生態(tài)池。每塊區(qū)域長5 m，寬6 m，深0.85 m。生態(tài)池底部由防滲材料構(gòu)成不透水層，不透水層上方為砂礫層（基質(zhì)2），厚度20 cm，粒徑5～8 mm；砂礫層上方為土壤層（基質(zhì)1），厚度20 cm，粒徑2～6 mm。各進(jìn)水口和出水口均可獨(dú)立控制。人工生態(tài)池的平面布置與剖面如圖1所示。

圖1 人工生態(tài)池平面布置與剖面圖（單位：m）Fig.1 Layout plan and cutaway view of the artificial ecological pool

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)選取不同的水生植物測定人工生態(tài)池的減污效果，每個(gè)生態(tài)池之間相互獨(dú)立。由于生態(tài)池的規(guī)模有限，因此選取4種當(dāng)?shù)爻Ｒ姷那覂粑坌Ч^好的水生植物進(jìn)行對比。池1～池4依次種植菖蒲、菱角、荷藕和黑藻。人工生態(tài)池附近含有農(nóng)業(yè)化學(xué)物質(zhì)的稻田排水首先進(jìn)入集水池，稍沉淀后進(jìn)入進(jìn)水渠，通過進(jìn)水口獨(dú)立進(jìn)入每一個(gè)生態(tài)池中。場地內(nèi)設(shè)有透明擋雨棚，可避免降雨干擾。

本次試驗(yàn)主要模擬水稻追肥后排水進(jìn)入生態(tài)池的凈化效果，肥料為尿素，排水時(shí)間為施肥后24 h。在接收稻田排水之前，生態(tài)池內(nèi)水層候度控制在15 cm（水面距池底55 cm），水層高度達(dá)到25 cm（水面距池底65 cm）時(shí)停止排水。在生態(tài)池出水口處取水樣測定排水前生態(tài)池內(nèi)的污染物濃度，排水后每天下午16∶00取一次水樣，觀察污染物濃度的變化情況，連續(xù)取10 d。水樣主要檢測TN、NH4+-N兩個(gè)指標(biāo)。TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法進(jìn)行測定，NH4+-N采用納氏試劑分光比色法測定。

1.3 數(shù)據(jù)計(jì)算

各生態(tài)池氣象條件相同，試驗(yàn)期間無降雨，日均氣溫24.6～28.5 ℃之間，日平均蒸發(fā)量約2.0 mm/d。TN、NH4+-N的去除率計(jì)算公式如下［13-15］：

式中：R為污染物的去除率；IC為進(jìn)水時(shí)的污染物濃度，mg/L；OCi為第i天凈化后生態(tài)池出水的污染物濃度，mg/L；Q為稻田排水進(jìn)入各生態(tài)池中的水量，L。

2 結(jié)果與分析

2.1 TN凈化過程分析

稻田污水排放后，不同水生植物所在生態(tài)池的TN濃度變化過程如圖2所示，對于TN的去除率隨凈化天數(shù)的變化情況如表1所示。

表1 不同水生植物生態(tài)池TN的去除效果Tab.1 Removal effect of TN in different aquatic plant ecological pools

圖2 不同水生植物生態(tài)池TN濃度變化Fig.2 Changes of TN concentration in different aquatic plant ecological pools

可以看出，所有生態(tài)池的TN濃度均在排水后第1 d達(dá)到了峰值，隨后TN濃度呈逐漸下降趨勢，最終逐漸接近排水前的濃度水平。但是不同水生植物的TN去除效率存在一定的差異，黑藻池和菱角池在凈化第2 d TN濃度就有非常明顯的下降，TN去除率約80%，隨后黑藻池TN濃度呈逐漸緩慢下降趨勢，到第10 d的TN去除率可以達(dá)到95.1%；菱角的TN濃度在第5～7 d有一些反復(fù)，隨后逐漸降低，最終第10 d去除率達(dá)到90.3%。菖蒲池和荷藕池的TN濃度下降速度較為均勻，呈現(xiàn)逐漸下降趨勢，菖蒲池的下降幅度略大一些，第10 d的去除效果也可以達(dá)到87.7%；荷藕池的凈化效果略差，第10 d的去除效果為76.7%。

總體來說，不同水生植物對于TN的去除效果都較好，除了荷藕池外，其余生態(tài)池均能在凈化后6 d左右達(dá)到85%以上的TN去除率，其中黑藻池的去除效果最快最好，凈化4 d后即可達(dá)到90%以上的去除率。

2.2 NH4+-N凈化過程分析

稻田污水排放后，不同水生植物所在生態(tài)池的NH4+-N濃度變化過程如圖3所示，對于NH4+-N的去除率隨凈化天數(shù)的變化情況如表2所示。

表2 NH4+-N的去除效果Tab.2 Removal effect of TN in different aquatic plant ecological pools

圖3 不同水生植物生態(tài)池排NH4+-N濃度變化Fig.2 Changes of TN concentration in different aquatic plant ecological pools

可以看出，和TN類似，所有生態(tài)池的NH4+-N濃度均在排水后第1天達(dá)到了峰值，隨后NH4+-N濃度呈逐漸下降趨勢，最終逐漸接近排水前的濃度水平。不同水生植物的NH4+-N去除效率存在一定的差異，菱角池在凈化第2 d NH4+-N濃度就有非常明顯的下降，去除率達(dá)到81.8%，在凈化第4天達(dá)到90%以上的去除率，但是菱角池在凈化后期出現(xiàn)了反復(fù)，最終第10 d去除率為88.4%。黑藻池的NH4+-N濃度下降也較快，同樣在第4 d達(dá)到90%以上的去除率，隨后呈緩慢下降趨勢，最終第10 d去除率達(dá)到95.6%。菖蒲池的NH4+-N去除效果與黑藻類似，但在第7 d也出現(xiàn)了反復(fù)，最終第10 d的去除率達(dá)到92.7%。荷藕NH4+-N的去除效果與TN類似，呈勻速下降，但最終的第10 d的去除效果要好于TN，去除率達(dá)到93.3%。

總體來說，不同水生植物對于NH4+-N的去除效果都較好，除了菱角池外，其余生態(tài)池的第10 d NH4+-N去除率均優(yōu)于TN。其中黑藻池的去除效果最好，凈化4 d后即可達(dá)到90%以上的去除率，凈化10 d達(dá)到95.6%的去除率。

3 結(jié) 論

通過人工生態(tài)池減污試驗(yàn)，選取不同的水生植物對稻田排水的凈化作用進(jìn)行研究。結(jié)果表明，人工生態(tài)池對于稻田排水有較好的凈化效果。菖蒲、菱角、荷藕、黑藻對于污染物的去除效果都比較好，河藕、菖蒲等挺水植物對于TN和NH4+-N的凈化速度穩(wěn)定，但是短期（4 d內(nèi)）凈化效果不如黑藻和菱角。由于河藕生長旺盛，基本可以遮蓋生態(tài)池，使得河藕池的溫度一直處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，要略低于氣溫，因此凈化的速率較慢，但較為穩(wěn)定，由于生物量大，最終的吸收量也較大，如果凈化時(shí)間允許，也是很好的生態(tài)池備選植物，這與吳軍等［11］的研究結(jié)果相似。黑藻、菱角等對于TN和NH4+-N的凈化速度比較快，去除率高，是較好的凈化植物，但由于植物本身的生物體量較小，因此當(dāng)灌區(qū)較大，排水量較多時(shí)的吸收凈化能力還需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。

綜上所述，對于短期的低濃度稻田排水，采用黑藻、菱角等沉水或浮水植物的凈化效果最好，推薦在人工生態(tài)池中種植；但如果是能夠保證較長的凈化時(shí)間，河藕、菖蒲等生長茂盛的挺水植物的凈化速度較為穩(wěn)定，凈化效果也能夠滿足要求。