植物塘對(duì)農(nóng)田退水中主要污染物降解效果淺析

倪涌

（鎮(zhèn)江市生態(tài)環(huán)境局 江蘇鎮(zhèn)江 212001）

0 引言

農(nóng)田退水一直是水環(huán)境治理的一個(gè)難題。農(nóng)田退水是農(nóng)業(yè)面源污染的主要污染途徑之一。在美國(guó)，農(nóng)田退水造成了2/3 河流和湖泊的水體受到污染［1］。根據(jù)歐洲河流的有關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示，僅挪威一國(guó)的農(nóng)業(yè)退水中有將近30%的TP 和50%的TN，其污染程度可見(jiàn)一斑。農(nóng)田退水屬于間歇性突發(fā)排放且來(lái)源復(fù)雜，其排放時(shí)間、水量、污染物濃度等要素很難在源頭上進(jìn)行控制。目前，治理農(nóng)田退水的思路：①減少耕地肥料的用量，從源頭上減少污染來(lái)源；②建立生態(tài)攔截系統(tǒng)，包括生態(tài)渠、植物塘等，對(duì)其進(jìn)行末端治理。然而控制肥料用量會(huì)影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而生態(tài)渠技術(shù)需要較大的占地面積，且需要一定的時(shí)間長(zhǎng)度進(jìn)行生物降解，并不適合所有的農(nóng)村地區(qū)；而植物塘可以用廢棄的魚(yú)塘進(jìn)行改造或者直接在預(yù)留空地上挖建，形式多樣，以便于統(tǒng)一管理，適合各類(lèi)農(nóng)村地區(qū)使用。

1 植物塘降解技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和去污機(jī)理

就目前農(nóng)田退水治理技術(shù)來(lái)看，植物塘屬于比較新型且有效的生態(tài)治理方式之一。它是通過(guò)構(gòu)建生物群落的方式，將水生生物、浮游生物、微生物形成一個(gè)共生系統(tǒng)，利用生物的自凈功能來(lái)處理污水，相對(duì)于“引言”中介紹的農(nóng)田退水處理方式，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）相對(duì)于生態(tài)渠，植物塘可以擁有更大的容積和收水面，能夠?qū)Υ罅扛邼舛绒r(nóng)田退水進(jìn)行緩沖，有效杜絕渠道滿溢后，農(nóng)田退水直接排入附近河道。

（2）擁有更深的水深，方便各種降解植物的栽種，特別是一些沉水植物的栽種，能夠根據(jù)各地水污染特點(diǎn)，栽種具有針對(duì)性污染因子降解植物，同時(shí)在構(gòu)建水生態(tài)環(huán)境方面具有更多的選擇性。

（3）占地面積較小，同時(shí)能保證污水具有足夠的停留時(shí)間，降解作用相對(duì)于生態(tài)渠更為顯著。

植物塘目前主要是對(duì)農(nóng)田退水中的有機(jī)物、氮、磷進(jìn)行降解。針對(duì)有機(jī)物，先是通過(guò)絮凝、稀釋、沉淀3 種物理性作用，而后在水中微生物降解和水生植物吸收2 種化學(xué)作用下最終得以去除和降解［2］。植物塘中的植物不僅能夠提供載體來(lái)促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)，而且在其進(jìn)行光合作用的過(guò)程中所產(chǎn)生的氧氣還能夠幫助依賴氧氣維持生命的微生物進(jìn)行生理活動(dòng)，而微生物的代謝產(chǎn)物能夠?yàn)樗参锾峁┨荚春蜖I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，微生物-植物共生系統(tǒng)有助于去除污水中的有機(jī)物［3］。

農(nóng)田退水中磷的形態(tài)主要為有機(jī)磷、正磷酸鹽和聚磷酸鹽。在植物塘中，磷從水中被降解的機(jī)理一般有2 種：①通過(guò)水中植物的吸收作用，將磷變?yōu)樽陨砩顒?dòng)中必需的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源；②PO43-經(jīng)過(guò)化學(xué)作用后可以同水體中的Ca2+、Mg2+和Fe3+等陽(yáng)離子結(jié)合，從而發(fā)生化學(xué)沉淀而被降解。

在植物塘中，一般是通過(guò)植物吸收和氨揮發(fā)2 種方式降解水體中的氨氮。植物塘內(nèi)氨氮主要以2 種形態(tài)存在，這2 種形態(tài)間的平衡方程式見(jiàn)式（1）。

式（1）中平衡過(guò)程受溫度和pH 的影響。當(dāng)pH 在7.0 左右時(shí)，水體中氮的存在形式主要以NH4+為主；當(dāng)pH＞9.0 時(shí)，植物塘中氮的主要降解途徑為氨揮發(fā)［4］。

2 影響植物塘降解效果的主要因素

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

為考察植物塘對(duì)農(nóng)田退水降解的主要因素，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，將同質(zhì)的水樣充入到模擬的塘體中。塘體基質(zhì)采用現(xiàn)有塘體中的淤泥并混入細(xì)沙、鵝卵石等（圖1）。淤泥作為底層鋪墊層，主要用于植物根系的延伸和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的保存和固定，而泥沙和鵝卵石除了模擬自然塘底的環(huán)境，還對(duì)水中懸浮物進(jìn)行吸附，一定程度上保持水體的清澈，使植物得到充足的光照。

圖1 模擬植物塘設(shè)定圖

根據(jù)本地主要植物塘的平均深度，整個(gè)模擬塘體水體深度為1.5 m，底部栽種本地較為常見(jiàn)的挺水或沉水植物（植株均選擇發(fā)育成熟的植株）。根據(jù)相關(guān)研究資料采用合適的種植密度以保證最大的處理效果［5］，同時(shí)設(shè)置不同的水力停留時(shí)間、塘體溫度等條件進(jìn)行分類(lèi)實(shí)驗(yàn)［6］來(lái)判斷不同條件下植物塘的降解效果，詳細(xì)情況見(jiàn)表1。

表1 各組樣品的實(shí)驗(yàn)條件

根據(jù)本地農(nóng)田退水長(zhǎng)期實(shí)際的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置3 種濃度的水流來(lái)模擬日常農(nóng)田退水常見(jiàn)水質(zhì)狀況，設(shè)置情況見(jiàn)表2。分別通入10 組試樣中來(lái)測(cè)定降解效果。

表2 進(jìn)水水質(zhì)設(shè)定 單位：mg／L

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于高濃度廢水，一般停留時(shí)間需要9 d 才能使降解水質(zhì)趨于平穩(wěn)，而中濃度需要6 d，低濃度只需要5 d，濃度越高，需要降解的時(shí)間越長(zhǎng)。

（1）在COD 降解率方面，30 ℃水溫下，香蒲對(duì)COD的降解率最高，接近80%，而澤瀉與菖蒲的降解率分別為78%和77%，狐尾藻的COD 降解率為75%，金魚(yú)藻為62%。在20 ℃時(shí)，香蒲、澤瀉的降解率有所下降，而金魚(yú)藻和菖蒲的降解率卻有所提高。在10 ℃時(shí)除金魚(yú)藻外，其他4 種植物的降解率都出現(xiàn)大幅度下降（圖2）。從上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，COD 的降解效果與所在的環(huán)境溫度有著一定的關(guān)聯(lián)，同時(shí)跟水生植物生長(zhǎng)狀態(tài)也有著密切的關(guān)系。比如金魚(yú)藻在20 ℃時(shí)的凈化效果相比30 ℃時(shí)竟出現(xiàn)少量的提升，據(jù)有關(guān)資料顯示，金魚(yú)藻最佳生長(zhǎng)溫度為15～25 ℃，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，金魚(yú)藻的生物活性最強(qiáng)。同時(shí)在這個(gè)研究中發(fā)現(xiàn)，濁度對(duì)金魚(yú)藻的凈化效果也有干擾，例如在20 ℃、200 NTU 的渾水中，金魚(yú)藻的降解效率在5 d 內(nèi)會(huì)出現(xiàn)逐漸降低的現(xiàn)象，一旦濁度恢復(fù)到50 NTU 以下，金魚(yú)藻的降解效率便會(huì)在最高值穩(wěn)定下來(lái)，這與金魚(yú)藻受到的光照減少、植物生長(zhǎng)情況不佳有著密切的關(guān)系。

圖2 不同溫度下各水生植物COD 降解率

（2）在氨氮降解方面，30 ℃水溫下，菖蒲的降解率最優(yōu)，達(dá)到了84%，澤瀉為66%，香蒲為60%，狐尾藻為64%，金魚(yú)藻僅為35%；而在20 ℃時(shí)，所有植物的降解率都產(chǎn)生了一定的下降，但幅度較小；在10 ℃時(shí)，所有植物的降解率都在持續(xù)下降，但幅度變化極其微小（圖3）。從氨氮實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)水溫對(duì)氨氮降解的影響不如COD 降解那么明顯，這也驗(yàn)證氨氮的去污過(guò)程與水溫關(guān)聯(lián)較小，同時(shí)水生生物的長(zhǎng)勢(shì)對(duì)氨氮降解效果影響也較小，只和植物品種有關(guān)。值得注意的是，氮元素也是植物生長(zhǎng)所需的重要營(yíng)養(yǎng)之一，相對(duì)于COD 的降解率，氨氮在同等溫度下的降解率是高于COD 的。所以在氨氮的降解方面，要針對(duì)不同地區(qū)農(nóng)田退水的水質(zhì)，進(jìn)行合適的水生植物栽種搭配，以取得更好的效果。

圖3 不同溫度下各水生植物氨氮降解率

（3）在總磷降解方面，30 ℃水溫下，澤瀉的降解率最優(yōu)，達(dá)到了70%，菖蒲為65%，香蒲為62%，狐尾藻為61%，金魚(yú)藻為47%；而在20 ℃時(shí)，除菖蒲、狐尾藻外，所有植物的降解率都在持續(xù)下降，菖蒲和狐尾藻的處理效率達(dá)到了66%和62%；在10 ℃時(shí)，除金魚(yú)藻略微下降外，所有植物的降解率出現(xiàn)大幅度下降（圖4）。從總磷的測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，其降解效率和溫度的關(guān)聯(lián)性較COD和氨氮來(lái)看是最大的，也就是說(shuō)，總磷的降解和水生植物的生長(zhǎng)情況關(guān)聯(lián)最大。因?yàn)榱鬃鳛橹参锷L(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之一，一旦環(huán)境溫度不在水生植物最佳生長(zhǎng)的范圍內(nèi)，植物對(duì)其的代謝作用便會(huì)直線下降，對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗也會(huì)大大減少，這也一定程度上說(shuō)明，PO43-經(jīng)過(guò)化學(xué)作用后可以同水體中的Ca2+、Mg2+和Fe3+等陽(yáng)離子結(jié)合，從而發(fā)生化學(xué)沉淀而被降解。這種作用相對(duì)于植物的吸收消耗作用來(lái)說(shuō)，在總磷降解過(guò)程中不是主要作用，這也在一定程度上說(shuō)明，為什么很多魚(yú)塘湖泊一旦沉水植物出現(xiàn)大面積死亡，就會(huì)爆發(fā)水華等。原因是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)原有的消耗平衡被打破，消費(fèi)者由水生植物變?yōu)樵孱?lèi)，藻類(lèi)的生長(zhǎng)速度大幅增加。

圖4 不同溫度下各水生植物總磷降解率

綜上所述，溫度是影響水生植物的生長(zhǎng)的重要因素，同時(shí)也是影響植物塘降解效果的重要因素，尤其是COD 和總磷的降解與水生植物適宜生長(zhǎng)的溫度有很大的關(guān)聯(lián)，而氨氮的降解和水溫關(guān)聯(lián)性較小。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)金魚(yú)藻的溫度適應(yīng)性較強(qiáng)，降解效率也相對(duì)于其他植物來(lái)說(shuō)十分穩(wěn)定，在不同的區(qū)域均可以作為水生植物搭配的必選物種。

3 結(jié)論

（1）水溫影響植物塘降解效果的一個(gè)重要因素。水溫由于影響水生植物的長(zhǎng)勢(shì)，會(huì)進(jìn)一步影響植物的生物活性，從而影響水生植物對(duì)污染物的代謝效率，進(jìn)而影響整個(gè)植物塘對(duì)污染物的代謝效率。對(duì)于不同的因子，水溫對(duì)總磷的降解影響最大，COD 次之，最后是氨氮。

（2）停留時(shí)間是影響污染物凈化量的一個(gè)重要指標(biāo)。在實(shí)際運(yùn)用中，植物塘的降解作用是生態(tài)法的典型，雖然不如一些加藥沉淀、曝氣絮凝等方法來(lái)的快速，但副作用幾乎不存在，也不會(huì)對(duì)水質(zhì)造成二次污染。所以要保證植物塘出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，必須要有較長(zhǎng)的水力停留時(shí)間。

（3）植物物種選擇，對(duì)氨氮降解影響較大。所以不同地區(qū)要根據(jù)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)田退水的水質(zhì)特點(diǎn)，合理栽種不同類(lèi)型的水生植物，保證其降解效果的穩(wěn)定和優(yōu)化。