应用缓释氧基质强化生态沟渠对农田排水中氮磷的净化能力

赵新宇，商卫纯，陈昌仁，邵光成，钟天意，冯 骞

(1.河海大学环境学院，江苏南京 210098；2.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏南京 210098；3.宁波市环境保护科学研究设计院, 浙江宁波 315010；4.江苏省水利厅，江苏南京 210098；5.河海大学南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室，江苏南京 210098)

造成农业面源污染的原因多种多样，而农田排水占主导地位。据相关调查，造成河、湖等富营养化的原因中，有超过了25%的原因是农田排水造成的[1]。农田排水沟渠是农田排水的最初汇集地，也是河道和湖泊营养盐的输出源。在八卦洲存在着大量农田排水沟渠，这就为其周围河道和湖泊的富营养化埋下了较大隐患。

现阶段的研究表明，通过将农田排水沟渠人工改造为生态沟渠，即在毛沟或农沟等自然沟渠种植挺水植物并辅以农田排水控制等多重手段，不仅能够促进挺水植物根系的生长，还能增加根系表面与脱氮除磷相关微生物的附着量，很大程度上增强了沟渠净化氮磷污染物的能力[2]。然而对于布设缓释氧基质提高沟渠净化效果等方面，尚未发现相关的研究。鉴于此，本文通过实验室模拟八卦洲某农田排水沟渠，研究了三种挺水植物对氮、磷的削减效果；并进一步考察了模拟沟渠底部布设缓释氧基质对于生态沟渠削减污染物的强化效果，以期为农田排水沟渠的改造及农田面源污染的削减提供可靠的技术手段，从而缓解河道的污染问题。

1 试验模拟装置、材料与方法

1.1 试验装置与材料

本试验采用有机玻璃制作整个排水沟渠模拟装置，以模拟农田排水沟渠。该模拟装置的具体尺寸为3.0 m ×0.3 m×0.5 m (长×宽×高)，装置如图1所示。装置底部铺设有厚约5 cm的现场采集的沟渠底泥，铺设前用蒸馏水对现场采集的沟渠底泥洗涤2～3次，以去除原沟渠底泥中的污染物，挺水植物均匀的栽培于底泥。模拟沟渠内有效水深为0.3 m，借助一台循环泵(BT100-2 J)转速的控制，使水体以3 m/min的速度流动起来。

本试验中，原水取自于南京市八卦洲某农田排水沟渠的春季农田排水。前期对原水水质进行检测，主要水质指标：NH3-N为9.6 mg/L, TN为44.1 mg/L, TP为1.1 mg/L, CODMn为12 mg/L。本文选择黄菖蒲[3]、风车草[4]及梭鱼草[5]3种具有较强污染物去除能力的景观挺水植物为试验植物。试验在自然光照下进行，模拟农田沟渠中污染物的净化过程。另外，试验所需的缓释氧基质由缓释氧材料、保水材料、骨架材料、外加剂材料和粘结材料按照一定的比例混制而成，其中各部分材料的重量百分比分别为30%过氧化钙、10%过氧化镁；5%蛭石、10%污泥营养土、5%酸改性凹凸棒土；12%陶粒、8%毛竹纤维；3%高炉矿渣、2%磷酸二氢钾；4%高岭土、7%蒙脱石、4%伊利石[6]，并在模拟装置底部均匀布设缓释氧基质。

图1 试验装置Fig.1 Schematic Diagram of Experiment

1.2 试验过程

设置3组模拟沟渠以配置单一挺水植物，另设置3组模拟沟渠以搭配种植两种挺水植物，再设1组种植单一挺水植物，并在其底部均匀布设缓释氧基质。表1为具体的配制方式。最后设一自然沟渠组(空白对照组)进行比较。缓释氧基质材料的用量为1 g/L，其平均释氧速率为0.082 mg/(g·d)，匀散于模拟生态沟渠的底部。装置内水温恒定于(15±1) ℃，pH值控制在7.3±0.1。稳定运行12 d，每隔1 d取样并进行水质分析。

1.3 分析指标方法

试验过程中，本文通过分析NH3-N、TN和TP 3个水质指标的变化过程来评价挺水植物的净化能力。NH3-N采用的是纳氏试剂分光光度法测定；TN采用的是碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法；TP采用铝锑抗分光光度法。

表1 模拟生态沟渠中挺水植物及缓释氧基质配置方式Tab.1 Arrangement of Emergent Aquatic Plants and Sustained-Release Oxygen Substrate in Simulated Ecological Ditches

2 试验结果

图2 单一挺水植物、两两组合搭配、布设缓释氧基质对水体中NH3-N、TN、TP的去除Fig.2 Removal of NH3-N, TN, TP by Single Emergent Aquatic Plant, Combination in Pairs of Three Emergent Aquatic Plants and Deployment of Sustained-Release Oxygen Substrate

本文所选的黄菖蒲、梭鱼草及风车草三种景观挺水植物去除农田排水中氮、磷的效果如图2所示。由图2可知，空白对照组中NH3-N、TN和TP的浓度在装置运行12 d后，仅有小幅度的下降。在单一植物组中，本文所选的3种挺水植物均能较好地去除氮磷。在黄菖蒲组中，可以将NH3-N浓度削减到6.6 mg/L，TN浓度削减到27.5 mg/L，TP削减到0.47 mg/L；其NH3-N、TN和TP去除负荷分别为75.29、413.86 mg/(m2·d)和15.57 mg/(m2·d)。其余两组中，梭鱼草组NH3-N、TN及TP的浓度分别为6.9、28.3 mg/L和0.53 mg/L；其NH3-N、TN和TP去除负荷分别为67.79、393.86 mg/(m2·d)和13.84 mg/(m2·d)。风车草组中NH3-N、TN和TP的浓度分别为7.1、36.6 mg/L和0.52 mg/L；其NH3-N、TN和TP去除负荷分别为62.79、186.36 mg/(m2·d)和14.09 mg/(m2·d)。

当挺水植物两两搭配组合时，3种组合对于氮磷的净化效果均不佳。由图2可知，12 d时，黄菖蒲搭配风车草组中NH3-N、TN和TP的浓度分别为8.4、38.5 mg/L和0.86 mg/L；其NH3-N、TN和TP去除负荷分别为28.31、137.72 mg/(m2·d)和5.80 mg/(m2·d)。当黄菖蒲搭配梭鱼草种植时，NH3-N、TN和TP的浓度分别为8.5、39.3 mg/L和0.89 mg/L；其NH3-N、TN和TP去除负荷分别为25.96、117.75 mg/(m2·d)和4.87 mg/(m2·d)。梭鱼草搭配风车草组中NH3-N、TN和TP的浓度分别为8.5、39.2 mg/L和0.92 mg/L；其NH3-N、TN和TP去除负荷分别为25.63、120.50 mg/(m2·d)和4.12 mg/(m2·d)。而对于布设了缓释氧基质的黄菖蒲组，NH3-N、TN和TP的浓度分别为3.9、26.1 mg/L与0.40 mg/L；其(NH3-N)、TN和TP去除负荷分别为141.04、449.28 mg/(m2·d)和17.14 mg/(m2·d)。值得注意的是，不论挺水植物单独作用、组合作用或者搭配缓释氧基质作用，模拟装置运行过程中水生植物的耗水量均较大，需定期为模拟装置补充洁净水。那么在实际的生态沟渠运行中，就要考虑到水生植物的蒸腾作用和根系传输水的能力所造成的水分损失，很可能需要向生态沟渠中补充水源，以维持水生植物的正常生理代谢。

3 分析与讨论

3.1 单一挺水植物削减氮磷的能力

受污染模拟沟渠水质中氨态氮、总氮和总磷浓度的去除率如图3所示。由图3可知，空白对照组中的氮磷有微量削减。结合3种挺水植物的NH3-N、TN和TP的去除负荷对比，发现在NH3-N的去除中，黄菖蒲的净化效果较好，去除率大于30%；而在TN的削减方面，梭鱼草、黄菖蒲表现出较强的去除能力，去除率大于35%；3种景观挺水植物对TP的去除效果均较显著，去除率均可达到50%以上。

图3 三种挺水植物单独作用对NH3-N、TN、TP的去除率Fig.3 Removal Rates of NH3-N, TN, TP by Single Emergent Aquatic Plant

挺水植物在生长过程中通过吸收和利用水中的NH3-N等无机氮来合成自身的物质，这样就降低了水体中TN的含量。另外，有研究表明，NH3-N的浓度水平低于10 mg/L时，黄菖蒲体内一些促进光合作用的酶活性未被抑制，这就使得其体内叶绿体处于正常生理状态，茎叶部分的氮利用率稳定在较高的水平[7]。这就解释了黄菖蒲对无机氮的吸收及转换能力都要优于其他两种挺水植物。另外，试验结果表明三种挺水植物均可以较好地吸收和利用磷来合成生长所需的物质，并且黄菖蒲对于磷的去除效果最好，去除率约是空白对照组的6倍。分析原因可能是在高磷浓度条件下，黄菖蒲体内具有相应的生理适应机制，使其适应在高磷环境下生长[8]，从而可以有效提高其对农田排水中磷的利用率。但经净化后，NH3-N、TN浓度水平仍较高(NH3-N>6.5 mg/L；TN>25 mg/L)，表明单一挺水植物去除NH3-N和TN效果有限。

3.2 挺水植物组合削减氮磷的水平

尽管本文研究的3种景观挺水植物均具有较好的氮磷污染物净化效果，但挺水植物单独作用净化后，农田排水中的污染物浓度仍停留在较高的水平。与此同时，一些学者提出与单一植物相比，一些挺水植物的组合兼具增强NH3-N与TP的净化效果[9]。因此，本试验记录了设计的3种挺水植物组合搭配时的净化效果。由图4可知，设计的风车草与黄菖蒲均匀种植时对NH3-N、TN和TP的净化率最高，去除率分别为11.83%、12.51%和21.31%。然而，3种组合方案的氮磷污染物去除负荷均远低于挺水植物单独作用时的效果，均无法显著地提高氮磷的去除率。

造成挺水植物组合去除氮磷效果不佳的原因很可能是植物的化感作用[10]，即植物在发挥作用时会以不同途径向周围的环境中释放化感物质。这类化学产物主要包括了脂肪族、芳香族、含氧杂环化物、类萜和含氮化物[11]。这些物质作为植物自身的次生代谢产物会产生毒害作用，进而影响另一种挺水植物的正常生长代谢，使得黄菖蒲搭配风车草的组合对NH3-N、TN和TP的去除率不及挺水植物单独作用(比如黄菖蒲)时的1/2。由此可以得出，不同景观挺水植物的组合搭配对于污染物的去除并未达到人们的预期效果。此外，还应加强生态沟渠运行中的水生植物管理，在生态沟渠的闲置期及时收割清理，一年两次，一次宜在2月～3月，另一次宜在8月～9月。避免水生植物的季节性死亡和分解腐烂恶化水体水质，造成水体的二次污染。

图4 挺水植物两两的组合及布设缓释氧基质于黄菖蒲对氮磷的去除率Fig.4 Removal Rates of NH3-N, TN and TP by Combination in Pairs of the Emergent Aquatic Plants and the Deployment of Sustained-Release Oxygen Substrate in Iris pseudacorus L.

3.3 缓释氧基质布设改善水体条件并强化生态沟渠净化氮磷的能力

3.3.1 缓释氧基质布设改善水体pH、DO

在农村沟渠的农田排水中，溶解氧的浓度往往很低，而低浓度的溶解氧在很大程度上限制了挺水植物对于沟渠生态系统的恢复能力[12-13]，同时也成为阻碍NH3-N去除的因素之一。本文提出将缓释氧基质应用在生态沟渠中，利用缓释氧基质中的两种释氧材料过氧化钙和过氧化镁遇水能够释放氧气的特性，再结合粘结材料对释氧材料释氧速率的控制，缓慢为水体提供充足的氧气以强化挺水植物对于氮磷等污染物的削减能力。由图5可知，布设缓释氧基质材料后黄菖蒲组中溶解氧浓度的平均值为4.38 mg/L，较空白组高约2.35 mg/L；相比未布设缓释氧材料的#1组，溶解氧浓度提高了1.65 mg/L左右。本研究所制的缓释氧基质在20 d内能够持续地向水体提供氧气，再加上挺水植物白天的光合作用，这两者使得水体的溶解氧浓度显著提升。另外，由于缓释氧基质自身的材料具有一定的絮凝性能，布设过程中会附带着将水体中的悬浮颗粒物和小部分有机物凝聚起来，形成絮状胶体沉降至水底，水体的透明度增加，植物的光合作用得到增强。

图5 缓释氧基质布设前后水体DO变化Fig.5 Changes of DO before and after the Deployment of Sustained-Release Oxygen Substrate

此外，在布设有缓释氧基质的黄菖蒲组中的农田排水的pH值(7.6)要比未布设有缓释氧基质的黄菖蒲组的(pH值=7.5)和空白对照组的(pH值=7.4)略高。但各组的pH均处于中性水平，这为受污染沟渠的原位处理提供了良好的环境。在pH中性环境下，原沟渠的底泥中磷的释放这一过程受到了抑制[14]；且微生物的活性较强，有利于水中、植物根区附近微生物的硝化和反硝化作用等[2]。

3.3.2 缓释氧基质的布设强化生态沟渠的氮磷净化能力

由图4可知，#7组中NH3-N、TN和TP的去除率分别为：58.94%、40.79%和63.02%。对比分析黄菖蒲削减污染物的效果，NH3-N去除率提高了约25%，NH3-N去除负荷提高了65.75 mg/(m2·d)。证明挺水植物对NH3-N的净化能力的增强是由于水体中充足的溶解氧造成的；但TN和TP去除负荷仅分别提高了35.43 mg/(m2·d)和1.57 mg/(m2·d)，说明缓释氧材料的投加并未显著的提升TN和TP去除率。

上述研究表明均匀布设的缓释氧基质能稳定的为水体提供氧气，这能够起到双重作用。一方面，氮含量和溶解氧在时间尺度上呈现出负相关性；另外，相关的微生物能够在溶解氧和碳源充足时将氨态氮氧化为其他形态的氮(如亚硝态氮和硝态氮等)，解决了NH3-N致使水质黑臭的问题[15]。因此，在改造后的生态沟渠底部布设缓释氧基质具有较高的环境效益。

4 结论

(1)将农村自然沟渠改造成生态沟渠，在植物和微生物的协同作用下，农田中流失的氮磷得到了有效控制，并在污染物的转移过程中削减了其对水体的污染程度。此外，改造过程中由种植与管理水生植物、制备与布置缓释氧基质所增加的成本投入约为550元/(m2·年)。

(2)生态沟渠中水生植物的选择及搭配至关重要。对比3种挺水植物的净化作用，发现黄菖蒲对氮磷的去除能力最强，且NH3-N、TN和TP的去除率分别为31.46%、37.58%和57.25%。而3种挺水植物的组合搭配均未强化生态沟渠对污染物的净化能力，3种组合的净化效果均远不及挺水植物单独作用时的。

(3)生态沟渠底部布设的缓释氧基质能够持续地为水体提供氧气，充足的溶解氧提升了沟渠的水环境容量及自净能力，大幅度强化了黄菖蒲对NH3-N的净化能力，NH3-N的去除率约为黄菖蒲单独作用时的2倍。缓释氧基质的应用从根本上改善了生态沟渠对面源污染的净化效果，同时这也为农村生态沟渠的改造提供了新的技术方案。