基于周丛生物的“生态沟渠-人工湿地”处理高负荷农业面源污水影响研究

郭军权，吴永红

(1.延安职业技术学院，陕西 延安 716001;2.中国科学院 南京土壤研究所，土壤与农业可持续发展国家重点实验室，江苏 南京 210008)

面源污染已成为世界各国地表水污染的一种主要污染源之一，在美国60%的水环境污染是由面源污染造成，其中农业面源污染占了75%左右(EPA，2007)［1］。在我国滇池入湖污染负荷中，农业面源污染的N、P 贡献率已超过50%(段永蕙，2003)［2］。面源污染的治理研究受到越来越多学者的重视。生态沟渠技术由于其具有排水和湿地生态系统的双重功效，在农业面源污染治理上被广泛应用(Liu et al.，2000［3］;姜 翠 玲，2004［4］;杨林章等2005［5］)。人工湿地是一种高生产力的生态系统，具有污水净化功能，工艺设备简单、运转维护管理方便、能耗低、可实现污水资源化等特点，正越来越受到人们的关注(吴振斌，2002［6］;谢圣，2005［7］)。李本行等［8］将“生态沟渠+水平流人工湿地”工艺结合研究其对低负荷农田退水中常规污染物和噻虫嗪的去除效果。结果表明"生态沟渠+垂直流人工湿地" 系统对COD、NH4+-N、NO3--N、TN、TP 及噻虫嗪的去除率均优于"生态沟渠+水平流人工湿地"系统。当前对高负荷面源污水强化技术研究较少，因此，开发农业面源污水强化净化的技术迫在眉睫，笔者将周丛生物引入到“生态沟渠-垂直人工湿地”工艺组合中，用于净化高负荷的面源污水，研究周丛生物对生态沟渠-垂直人工湿地”工艺组合净水效果的影响，以探索一种适合处理高负荷面源污水、成本低廉、易于推广的新技术工艺技术。为解决农业面源污水治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 “生态沟渠-人工湿地”组合工艺

图1 生态沟渠(a)和垂直人工湿地(b)剖面示意

“生态沟渠—人工湿地”组合工艺，由生态沟渠和复合垂直流人工湿地串联而成。生态沟渠长100 m，沟底均宽1.0 m。沟底均宽2.0 m。后一段生态沟渠的排水直接由泵提升至人工湿地进一步净化。

生态沟渠设计了4 座总容积为30 m3的地埋式初沉池，以尽可能去除粪水中的固体物。生态沟渠沟壁两边交替种植不同水生植物，其中茭白和菖蒲占80%左右。沟底间隔每10 m 放置一座填充陶粒等填料的生物接触氧化坝(图1)。

人工湿地由下行流池和上行流池串联而成，中间有隔墙，底部连通(图2)。填料:底部为公分石作为排水层，公分石表层安装了反冲洗管道，上部为陶粒、瓜子石和细砂的混合物。水生植物:按照均等的比例，分别种植旱伞草、梭鱼草、灯心草、水葱、美人蕉、马蹄莲。复合垂直流人工湿地面积160 m2，均深1.0 m，坡度0.3%。

1.2 周丛生物铺装和培养

周丛生物(又名自然周丛生物、着生生物、附着生物)是一个半稳定的、开放的动力学系统，是在一定的环境条件下产生的微生物聚集体。从环境化学的角度看，周丛生物的定义普遍的理解为由金属氧化物(铁、锰和铝氧化物)、有机质和少量矿物质组成。侧重于矿物质组成的观点认为:铁锰的水合氧化物及其絮凝颗粒所包含的其它无机矿物质(如磷、钙、硅等)虽然在整个周丛生物基质中所占质量很小，但决定着整个周丛生物的地球化学反应活性。

周丛生物采用实验室富集培养［9］，将培养好的周丛生物铺装于弹性材料之上，为了增加生态沟渠和人工湿地表层的微生物量，将立体弹性填料(PP 材质;长120 cm，直径120 mm，比重0.95，比表面积300～500 m2·m-3，孔隙率98%)铺设在生态沟渠和人工湿地表层浅水区，铺设密度水体体积的五分之一。通过将立体弹性填料铺设在生态沟渠沟底和人工湿地浅水层，使沟渠和湿地在不同部位具有不同的水深，使水流动过程增加紊动性，增加复氧机会，营造好氧、兼氧和厌氧的不同区域，以便于不同微生物实现降解有机污染物和脱氮除磷的功能。另外建立未铺装聚集周丛生物材料空白对照。

1.3 系统运行方式

养殖废水经过地埋式初沉池后，与农田排水汇集进入生态沟渠，达到稀释的目的，混合污水水质主要指标见表1。混合污水的污染复合比一般农田面源污水高5～15 倍，因此定义为高负荷面源污水。水力流速约50～100 m3·d-1，采用水泵将生态沟渠末端的出水提升至复合垂直流人工湿地的蓄水池。在水压的作用下，下行流池布水管水体溅起后跌落至填料层，下行后再汇入上行流池表面收集管出水。为防治填料出现阻塞现象，每月进行一次反冲洗。人工湿地进水方式为间隙式，白天进水12 h，晚间关停12 h，人工湿地处理负荷为150 m3·d-1。

表1 试验区高负荷面源污水水质指标(n=21，均值 ± 标准差)(mg·L -1)

1.4 样品采集与分析方法

将实验室富集周丛生物铺装到生态沟渠和人工湿地继续培养运行稳定上一个月后，开始定期从生态沟渠入口、出口(即人工湿地入口)、人工湿地出口采集表层水样。植物刈割后，风干，称重，并测试相关指标。NO3--N、NH4+-N、TN、TDP、T P 采用《水和废水监测分析方法》第四版方法测定［10］。

2 结果与讨论

2.1 铺装周丛生物“生态沟渠+垂直人工湿地”组合工艺对污水中P 的去除效果

针对农业面源污染氮磷负荷高的特点，重点对氮磷的去除效果进行了研究。将铺装有周丛生物“生态沟渠+垂直人工湿地”和空白组合工艺对污水中磷的数据进行处理，结果如图2(a)，(b)所示.从图2(a)可知，从2017 年的4 月到2018 年的3 月，虽然进水中TP 的浓度变化很大，从5.5 mg·L-1到94.5 mg·L-1，有周从生物的铺装“生态沟渠+垂直人工湿地”组合工艺对TP的去除率维持在很高的水平，去除率为80%～99%，平均去除率为94.7%，无周丛生物的空白对照组合工艺对TP 的去除率相对较低，去除率为50%～79%，平均去除率64.7%，有周从生物比无周从生物组合平均去除率高30.0%。从图2(b)可知，进水中的TDP 浓度变化也很大，从0.05 mg·L-1到76.9 mg·L-1，但是TDP 的去除效率基本维持在85%～99% 的范围内，平均去除率94.2%。无周丛生物对TDP 的去除率为46%～76%，平均去除率61.0%，比有周从生物工艺平均低33.2%。以上分析说明有周丛生物“生态沟渠+人工湿地”组合工艺大大提高了对高负荷污水中磷的净化效果，并且具有很好的稳定性，周丛生物在整个组合工艺中对磷的去除率有较大贡献。不论是从TP，还是TDP，铺装周丛生物的“生态沟渠+垂直人工湿地”组合工艺对高浓度农业污水的中P 去除效果均强于未铺装周丛生物组合工艺。从图2 还可以看出，在温度较低的月份，处理率相对都较低，主要是因为周丛生物受温度的影响，温度较低时，周丛生物中的微生物种类减少，活性降低，对磷的吸收和处理能力降低，导致整体的处理率降低。随着温度回升，微生物种类增多，活性增大，处理率不断升高，最终稳定。

图2 铺装周丛生物“生态沟渠+人工湿地”组合工艺对磷的去除效果

2.2 铺装周丛生物“生态沟渠+垂直人工湿地”组合工艺对污水中N 的去除效果

铺装周丛生物的“生态沟渠+垂直人工湿地”和无周丛生物的空白试验组合工艺对氮(TN、NH4+-N、NO3--N)的去除效果进行比较，如图3 所示。图3(a)显示，铺装周丛生物的组合工艺和空白组合工艺进水中TN 浓度的变化幅度在37.6 mg·L-1与653.3 mg·L-1之间，有周丛生物的处理率为72.3%～98.9%，平均去除率为93.3 %，空白处理率58.3%～80.2%，平均去除率71.3%，有周丛生物较空白平均去除率增加22.0%。图3(b)，进水中NH4+-N 浓度变化为29.8mg·L-1到498.2mg·L-1，铺装周丛生物组合工艺NH4+-N 的去除效率稳定在74.3%到99.1%，空白组合NH4+-N 去除率在52.1%～76.6%，周丛生物的存在使组合工艺对NH4 +-N 的处理率提高了10.2%～46.7%。有周丛生物NH4+-N 平均去除率为91.8%，无周丛生物平均去除率63.8%，两者之间相差28%。图3(c)，进水中NO3--N 浓度从1.7 mg·L-1到23.0 mg·L-1，经过铺装周丛生物的“生态沟渠+人工湿地”和空白组合工艺处理后，两个组合工艺NO3--N 的处理效率均表现很稳定，但处理率相差较大，有周丛生物的处理率从56.0%～95.6%，平均处理率为80.4%，空白的处理率为40.3%～62.7%，平均处理率为53.2%。NO3--N 有周丛生物比空白处理处理率高17.3%～40.1%，平均去除率高27.2%。从氮(包括TN、NH4+-N、NO3--N)的处理效果而言，周丛生物的存在极大的增强了“生态沟渠+人工湿地”组合工艺对氮的去除效果。周丛生物对水体中氮的去除途径主要是依靠胞外聚合物的吸附，再通过微生物的降解。从图3 还可以看出，氮处理率冬季的月份中值较小，随着温度的升高，处理率逐渐增大，最后稳定。说明温度对周丛生物影响较大。

图3 “生态沟渠+人工湿地”组合工艺对水体中氮(包括总氮、铵态氮和硝态氮)的去除效果

2.3 周丛生物对植物刈割携带的氮磷影响

试验期间，为了从系统中去除更多的氮磷，对生态沟渠和人工湿地中的水生植物进行2 次刈割，并测定它们的氮磷含量。研究有无周丛生物对水生植物对氮磷吸收效果，如表3 所示，从表3 可以看出，不同水生植物茎叶单位面积内的生物量含量变化很大，从灯芯草的1.92 kg·m-2(干重)到美人蕉的4.68 kg·m-2(干重)。根据水生植物种植面积，估算刈割两次累计从系统中携带氮磷负荷，空白处理为43.6 kg 和6.7 kg，有周丛生物为63.3 kg 和9.3 kg，有周丛生物的比空白处理携带的氮磷负荷分别增加1.45 倍和1.38 倍。说明周从生物的存在有利于，水生植物对氮磷的吸收。从表3 还可以看出，茭白、旱伞草、灯芯草和美人蕉携带氮磷的效果明显，它们茎叶中氮磷的含量是其它水生植物的1 倍多，并且在实际工程建设和运行期发现，这4 种水生植物容易成活，且生长速率较快。因此，建议今后在开展生态工程处理氮磷等污染物质研究中，应尽可能选用茭白、旱伞草、灯芯草和美人蕉这四种水生植物。

表3 不同植物的收割部分的生物量、含水率和氮/磷含量

3 结论

基于周丛生物构建的“生态沟渠+人工湿地”组合工艺对高负荷的面源污水具有很好的处理效果，并且处理效能很稳定。有周丛生物组合工艺对TP，TDP，TN，NO3--N 和NH4+-N 的平均去除效率分别为94.7%，94.2%，93.3%，80.4%和91.8%，无周丛生物组合工艺对TP，TDP，TN，NO3--N 和NH4+-N 平均去除率分别为67.7%，61.0%，71.3%，53.2%和63.8%，有周丛生物比无周丛生物组合工艺平均去除率分别高30.0%，33.2%，22.0%，27.2%和28.0%。通过刈割，可以从系统中带走相当一部分氮磷，两次刈割结果显示，有周从生物从系统中带走氮磷负荷分别为63.3 kg 和9.3 kg，无周丛生物从系统中带走氮磷负荷分别43.6 kg 和6.7 kg 有周丛生物是无周丛生物携带的氮磷1.45 倍和1.38 倍。周丛生物的铺装提高了“生态沟渠+人工湿地”组合工艺处理高负荷农业面源污水的能力。