人工水草技术在波罗江农田排水硬化沟渠中的应用

滕庆晓，庞燕，胡小贞，王涌涛，黄天寅

1.中国环境科学研究院湖泊生态环境创新基地，北京 100012

2.苏州科技学院环境科学与工程学院，江苏 苏州 215009

人工水草技术在波罗江农田排水硬化沟渠中的应用

滕庆晓1,2，庞燕1*，胡小贞1，王涌涛2，黄天寅2

1.中国环境科学研究院湖泊生态环境创新基地，北京 100012

2.苏州科技学院环境科学与工程学院，江苏 苏州 215009

针对农田排水沟渠硬化，缺乏天然净化能力的问题，根据生态截污沟渠原理，采用人工水草技术进行大理市波罗江农田排水水质的原位净化研究。结果表明：人工水草对农田排水具有良好和稳定的净化效果，当沟渠进水CODMn为3.8～7.3 mgL，TN、TP和NH3-N浓度分别为1.18～2.65、0.05～0.19和0.45～0.83 mgL，水力停留时间(HRT)为2.1～2.5 h时，经人工水草处理后，农田排水CODMn、TN、TP和NH3-N的去除率分别达到10.86%～40.35%、13.04%～60.52%、15.65%～48.68%和13.59%～55.13%。

农田排水沟渠；人工水草；原位净化；波罗江

随着人口的增长，粮食危机日趋严峻，加大农田内化肥、农药使用量成为提高粮食产量的主要手段。然而，由此引起农田中氮磷负荷不断累积，加之农灌排水管理不恰当，导致农田灌溉排水中的氮磷浓度不断提高[1-2]。农田排水沟渠作为农田排水污染物进入受纳水体前的重要运输通道，通过土壤吸附、植物吸收、生物降解等综合作用降低进入地表水体的氮磷浓度，对农业非点源污染的控制和农作物生态系统平衡的维持有重要作用[3-5]。

应用农田排水沟渠净化农田排水最初由人工湿地净化技术发展而来[6-7]，研究重点主要集中在农田排水沟渠对氮磷的净化机理、去除效应及影响因素等方面[8-11]，国内的研究起步较晚，胡亚伟[12]、张燕[13]、徐红灯[14]分别选取宁夏青铜峡灌区、东北三江平原、浙江嘉兴小流域作为研究对象，对研究区农田排水沟渠截留净化氮磷的效应及氮磷的迁移转化特征进行了分析。席北斗等[15-18]开展了pH、降雨、人工基质及水生植物对沟渠截留农灌排水氮磷的影响研究。结果表明，该技术净化效果较好，且不占用其他土地，符合平原地区农田排水治理的实际需求，有很好的应用潜力，但其应用受地域、气候、进水条件、人工管理等因素影响严重。

作为西南地区典型的高产农业区，大理市波罗江流域农田沟渠密布，为提高沟渠过水能力、防止沟渠堵塞，农灌沟渠多经人工硬化、取直处理，其与周围土壤、水体的交换被阻隔，水质净化功能丧失。目前多通过对农田排水沟渠中挖孔种植水生植物，建成生态截污沟渠的方式改善其水质净化能力。笔者根据生态截污沟渠原理[9,19]，通过在波罗江农田排水硬化沟渠中铺设人工水草[20-21]，利用新型组合式人工水草技术对农田排水进行原位净化，探讨了其对CODMn、TN、TP、NH3-N的去除效果及对水质的净化能力，以期为人工水草技术应用于农田排水硬化沟渠的水质净化提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验区位于大理市波罗江流域小江西村，研究对象为该村农田排水沟渠，其为三面水泥硬化沟渠，渠宽1 m。进入沟渠的污水主要为小江西村沿河居民的生活污水、农田灌溉排水的混合污水，主要以农业面源污染为主，渠内水量相对较小，河渠水CODMn为3.8～7.3 mgL，TN、TP和NH3-N浓度分别为1.18～2.65、0.05～0.19和0.45～0.83 mgL，水深一般为6～10 cm。

1.2 试验设置

试验设置如图1所示。先将缝制好的地毯式人工水草(长×宽为40 m×1 m)铺设在试验沟渠内，地毯式人工水草的核心材料为碳素纤维生态草，碳素纤维生态草由长20 cm的纤维束组成，生态草经连接线缝制于无纺布上，相邻连接线间距为0.7 m，无纺布可完全覆盖渠底。待无纺布在渠底展开铺平后，在其上每隔5 m放置一根条形大理石(0.8 m×0.2 m×0.15 m)将其压住，每隔1 m通过膨胀螺丝将其固定。最后在无纺布上无生态草的部分均匀铺设一层粒径为10～15 mm的砾石〔图1(b)〕。

图1 组合式人工水草构造示意Fig.1 Schematic diagram of the composite artificial plants

1.3 试验设计及运行条件

试验时间为2014年9月16日—11月28日，共计72 d；试验分为启动阶段和稳定运行阶段，稳定运行阶段以人工水草挂膜成功，氨氮去除率基本稳定在30%为标志[22]。试验阶段沟渠内的溶解氧(DO)浓度、水温和水力停留时间(HRT)等参数如表1所示。试验主要考察启动阶段和稳定运行阶段人工水草对沟渠内水体中CODMn、TP、TN和NH3-N的去除效果。

1.4 主要仪器与分析方法

表1 水力参数

表2 分析方法与主要仪器

于11月19日进行微生物采样和显微镜(奥林巴斯BX53型)观察，方法参考《水和废水监测分析方法》着生动物测定(B)。

2 结果与讨论

2.1 CODMn的去除

CODMn的去除效果如图2所示。在试验的启动阶段前期，CODMn的去除主要通过人工水草的物理吸附及有机物的自然沉降作用，在运行第2天(9月17日)CODMn去除率最高，达到37%，随后去除率稳定在10%～30%；启动阶段后期，人工水草物理吸附达到饱和，CODMn主要靠人工水草上逐渐形成的生物膜去除。从9月22日开始，CODMn的去除率降至12%，随后基本保持在10%左右(9月23—26日)。9月26日后CODMn的去除率又逐渐增加，人工水草上的生物膜逐渐生长并成熟。

图2 试验中CODMn的去除效果Fig.2 Removal of CODMn in the experiment

试验的稳定运行阶段，CODMn主要依靠人工水草上微生物自身的生长繁殖而被去除，10月CODMn的去除率为18%左右，11月CODMn的去除率上升至30%～40%。期间CODMn去除率的波动与微生物“发生—生长—衰老—死亡—发生”自然生长周期有关。杨红艳[20]在流速为1.25～3.11 cms，DO浓度为1.58～4.34 mgL，pH为6.87～7.89，温度为8～25 ℃的条件下，利用人工水草技术进行城镇河道水体净化，发现受试验温度和河道自然特征影响，COD的去除率为3.70%～19.63%。可见，人工水草技术可应用于河道水体净化，但试验设计时要充分考虑温度、pH、水流速度、DO浓度和微生物源等影响因素。

2.2 TP的去除

TP去除效果如图3所示。由图3可见，沟渠水体中TP浓度较低，基本都小于0.2 mgL。TP的变化趋势与CODMn类似，在启动阶段，以物理吸附和沉降为主，前期TP去除率为10%～30%。当进水TP浓度为0.09、0.075和0.057 mgL时，去除率分别为18%、21%和28%。

10—11月进入稳定阶段后，人工水草对TP的去除率保持在40%左右，表明人工水草对TP的去除主要依靠人工水草上附着的微生物完成。此时水体中的DO浓度大于3 mgL，属于好氧条件，有利于聚磷菌主动大量吸收磷酸盐[24-26]。在试验过程中，水体中TP的去除率出现波动，这主要是因为微生物世代生长会出现“生长—死亡”的交替循环，也与部分聚磷菌在不利环境条件下分解体内的多聚磷酸盐有关[27]。吴永红等[28]利用多环串联人工水草处理武汉市汉阳区月湖湖水时，TP的净化也同样呈现上述“生长—死亡—生长”的连续波动现象。

图3 试验中TP的去除效果Fig.3 Removal of TP in the experiment

2.3 TN的去除

由图4可见，试验启动阶段，TN的去除率较高，9月19日达到该阶段的最高值(48%)。这主要与人工水草初期具有很强的吸附能力有关。9月20日TN去除率降到最低值(14%)，说明此时吸附已经开始饱和。随后TN去除率又慢慢升高，启动阶段后期，去除率基本保持在20%左右，说明附着在人工水草上的微生物开始生长，并对水体产生净化作用。

图4 试验中TN的去除效果Fig.4 Removal of TN in the experiment

2.4 NH3-N的去除

由图5可知，试验启动阶段，人工水草主要靠物理吸附作用吸收水体中的NH3-N，9月17日NH3-N去除率达到最高值(58%)。之后去除率慢慢降低，9月19日下降为16%，吸附基本饱和。随后NH3-N去除率又慢慢升高，启动阶段后期，去除率稳定在20%～30%。

图5 试验中NH3-N的去除效果Fig.5 Removal of NH3-N in the experiment

试验进入稳定阶段后，人工水草对NH3-N的去除率保持在30%左右，处理效果稳定，此时人工水草对NH3-N的去除主要依靠生物膜外层的硝化细菌和亚硝化细菌将NH3-N转化为硝态氮和亚硝态氮，同时芽孢杆菌和假单胞菌的氨化作用又会把含氮有机物转化为氨[32]。试验中，水体pH为7.0～7.8，完全符合硝化细菌最适pH要求，故NH3-N去除效果较好。童敏等[33]在pH为7.1～7.8，进水DO浓度为0.2～0.7 mgL，NH3-N浓度为5.1～12.7 mgL时，利用多功能人工水草技术处理上海市中心城区黑臭河水，主要借助以铵盐为氮源的氧化硫杆菌和枯草杆菌二者共同作用对NH3-N的降解，该技术对黑臭河水NH3-N的平均去除率最高达96.0%。

2.5 水质综合分析

由上述分析可知，在HRT为2.1～2.5 h，DO浓度为3.38～4.37 mgL，温度为16.1～22.1 ℃，水深为0.07～0.13 m的条件下，组合式人工水草对各污染物均有较好的去除效果。当进水CODMn为3.8～7.3 mgL，TN、TP和NH3-N浓度分别为1.18～2.65、0.05～0.19和0.45～0.83 mgL时，CODMn、TN、TP和NH3-N的去除率分别为10.86%～40.35%、13.04%～60.52%、15.65%～48.68%和13.59%～55.13%，处理效果稳定。表明人工水草上生物膜长到一定厚度后，外部的氧气被好氧微生物利用，内部DO浓度逐渐降低，成为缺氧环境，适于厌氧微生物生长，从而形成微AO结构。表面的好氧微生物可以很好地去除有机物、NH3-N和磷，而内部的厌氧微生物可以实现脱氮作用，从而达到净化污水的效果。底部的无纺布具有结构疏松、比表面积大等优势，无纺布也能吸附微生物，增强组合式人工水草对沟渠水质的净化效果。

2.6 微生态系统显微镜观察

人工水草上的生物相在显微镜下的观察结果见图6。由图6可见，人工水草本身为微生物附着生长提供了较为固定的基质，其上附着较多的细菌、藻类等微生物。在显微镜下，可以观察到芽孢杆菌、假单胞菌和硝化细菌等形态的脱氮微生物。这些脱氮微生物在好氧环境中进行氨化反应，使含氮有机物降解，释放出氨，进而被硝化细菌和反硝化细菌利用，最后还原成氮气排出。故人工水草对TN和NH3-N的去除效果较好，去除率最高可达60%和55%。此外人工水草上还存在一些低等的原生动物和后生动物，这些原生动物和后生动物可加快生物膜的代谢速度。综上可知，波罗江良好的光照自然条件和污染水体为人工水草的表面微生物生长提供了良好的生存环境，促成了一个较为完善的微生态系统形成，也有利于生物多样性的形成。

图6 400倍显微镜下微生物照片Fig.6 The photos under the 400 times microscope

3 结论

(1)采用碳素纤维生态草和无纺布结合的组合式人工水草对三面硬化的农田排水沟渠水质进行净化是技术上完全可行的净化手段。

(2)在HRT为2.1～2.5 h，DO浓度为3.38～4.37 mgL，温度为16.1～22.1 ℃，水深为0.07～0.13 m条件下，当进水中CODMn为3.8～7.3 mgL，TN、TP和NH3-N浓度分别为1.18～2.65、0.05～0.19和0.45～0.83 mgL时，CODMn、TN、TP和NH3-N的去除率分别为10.86%～40.35%、13.04%～60.52%、15.65%～48.68%和13.59%～55.13%，处理效果较为稳定。

(3)微生态系统显微镜观察表明，微生态系统主要包括多种细菌、藻类、原生动物和后生动物，生物多样性较丰富，形成了较完善的微生态系统，有利于水体的净化。

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Application of Artificial Plants in Farmland Drainage Ditches of Boluo River

TENG Qingxiao1,2, PANG Yan1， HU Xiaozhen1， WANG Yongtao2， HUANG Tianyin2

1.Research Center of Lake Eco-environment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2.School of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China

Aiming at the problem of the drainage ditches hardening and lacking natural purification ability, the technique of artificial plants was put forward as a solution based on the ecological sewage ditch principles. In-situ artificial plant experiment was carried out to purify the agriculture drainage in drainage ditches of the Boluo River of Dali. The results showed that the artificial aquatic plants have feasible and stable purification ability for agriculture drainage. When the CODMn, TN, TP and NH3-N of the agriculture drainage were 3.8-7.3 mgL, 1.18-2.65 mgL, 0.05-0.19 mgL, 0.45-0.83 mgL, respectively, with hydraulic retention time of 2.1-2.5 h, and after the treatment of artificial grass carpet, the removal rates of CODMn, TN, TP and NH3-N in farmland drainage ditches were 10.86%-40.35%, 13.04%-60.52%, 15.65%-48.68% and 13.59%-55.13%, respectively.

farmland drainage ditch; artificial plants; in-situ purification; Boluo River

滕庆晓，庞燕，胡小贞，等.人工水草技术在波罗江农田排水硬化沟渠中的应用[J].环境工程技术学报,2016,6(1):65-71.

TENG Q X, PANG Y，HU X Z, et al.Application of artificial plants in farmland drainage ditches of Boluo River[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2016,6(1):65-71.

2015-05-19

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07105-003-03)

滕庆晓(1989—)，男，硕士，主要研究方向为水污染控制与治理，774320360@qq.com

*责任作者:庞燕(1970—)，女，副研究员，主要研究方向为湖泊水污染控制及生态恢复，190068749@qq.com

X522

1674-991X(2016)01-0065-07

10.3969j.issn.1674-991X.2016.01.010