寒旱区不同类型沟对非点源污染氮磷拦截效应及相关影响因素研究

王志超，王高强，杨文焕，于玲红，李卫平，李 彬，戚迎龙

(1.内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古 包头 014010；2.内蒙古农牧业科学院 呼和浩特 010031)

近年来，随着点源污染得到有效控制，非点源污染逐渐成为水体污染的主要来源[1,2]。其中农业非点源污染造成的营养盐过量排放是淡水水体污染的主要原因之一，农田氮磷流失不仅造成了巨大的经济损失，同时也威胁到地下水和饮用水资源的安全[3]。研究表明[4]，地表土壤侵蚀和暴雨造成的化肥、农药流失是非点源污染的主要来源，此外，大量研究表明地表径流是农田氮磷流失的主要途径[5]，故降低农田排水中的氮磷含量，避免其加剧河湖污染具有重要意义。

生态沟是一种由水、基质、植物和微生物组成的污染拦截机制，其通过生化过程净化地表水[6-8]。研究表明，相对于无植物的排水沟，植物排水沟对富营养物质、悬浮物和有机物具有有效地去除作用[9,10]，且基质能够通过吸附、沉淀、过滤等物化作用去除水体污染物，其还可以通过为微生物附着和植物生长提供适宜条件达到脱氮除磷的目的[11]。此外相关研究表明，生态沟对农业非点源污染氮磷的去除率分别达 48%～64% 和 41%～70%[12,13]。因此，生态沟对非点源污染防控和治理起着至关重要的作用。目前生态沟实验主要以自然沟为研究对象，确定其对氮磷的拦截和去除能力，但在野外实验过程中，氮磷浓度及流量等都处在动态变化之中，特别是难以对影响氮磷拦截的关键因素--水力条件进行约束[14-16]。而北方寒旱地区，排水沟数量多且类型多样，加之北方寒旱地区多盐碱化，排水沟类型和盐度也是影响氮磷拦截的重要因素；但不同类型沟和水力条件对生态沟拦截氮磷的影响研究还不多见，因而多种因素对寒旱区生态沟拦截氮磷影响的认识还很有限。

本实验采用空白沟、植物沟、基质沟和生态沟探索：①静态条件下，不同类型沟在不同进水氮磷浓度下，其随HRT的浓度变化及去除效果；②动态条件下，生态沟在不同进水氮磷浓度、不同进水流量和不同进水盐度下氮磷的浓度变化及去除效果；③不同类型沟、进水氮磷浓度、进水流量和进水盐度对生态沟拦截氮磷影响的影响因素。本研究将为进一步开发生态沟拦截非点源污染提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 实验沟概况

设置空白沟、植物沟、基质沟和生态沟等4种类型沟进行室内模拟实验，4种类型沟均采用倒梯形PVC材质加工而成，上宽0.32 m，下宽0.25 m，高0.28 m，全长2 m。沟前、后端 0.15 m 处有一拦截板，拦截板设有配水孔，用于均匀布水。空白沟底部铺设0.2 m厚土壤；基质沟底部从下到上按质量比1∶1∶3分别铺设废砖(1～3 cm)、沸石(0.2～0.4 cm)和炉渣(0.1～0.5 cm)，总厚度0.2 m；植物沟底部铺设0.2 m厚土壤，然后混合种植香蒲、水葱、鸢尾和千屈菜幼苗各10株；生态沟底部从下到上按质量比1∶1∶3分别铺设废砖、沸石和炉渣，总厚度0.15 m，然后在基质上面铺土0.05 m，最后在土壤和基质中混合种植香蒲、水葱、鸢尾和千屈菜幼苗各10株，见图1 。

图1 4种类型沟示意图Fig.1 Schematic diagram of four types of ditches

1.2 实验设计

在没有灌溉和降雨的条件下，排水沟中的水有时可能处于静止状态，且在不同降雨和径流条件下，排水沟中氮磷浓度、水流大小、盐度和水位都有所变化，因此，本研究设有静态和动态实验，由于实验装置高度较低，不适合研究水位，故水位统一设置为0.05 m(土壤或基质以上)。静态实验：4种类型沟(空白沟、植物沟、基质沟和生态沟)于2019年5月10日至5月14日进行为期5 d的静态模拟实验，从而筛选出对氮磷拦截效果最好的类型沟，并对不同类型沟氮磷拦截效果进行差异性分析，接下来只对该类型沟进行动态模拟实验，以便从纵向更好的研究该类型沟；动态实验：对氮磷拦截效果最好的生态沟于2019年5月15日至8月15日进行为期3个月的动态模拟实验，研究其分别在不同进水氮磷浓度、不同进水流量和不同进水盐度条件下对氮磷的拦截能力，以及进水氮磷浓度、进水流量和进水盐度对其氮磷拦截效果影响的差异性分析。本实验采用人工配水，通过向自来水中添加硝酸钾(KNO3)、氯化铵(NH4Cl)、磷酸二氢钾(KH2PO4)、氯化钠(NaCl)和氯化钙(CaCl2)进行配制，具体进水氮磷浓度、进水流量和进水盐度见表1。

1.3 采样及水样分析

静态实验期间，在不同类型沟进、出水口，选择不同HRT，即(0、6、12、24、48、72、96、120 h)进行取样；动态实验期间 ，在生态沟进、出水口取样，每月取样2次，所有水样在24 h内进行水质分析，不能当天分析的在4 ℃下进行保存。实验设3组平行样测定总氮、总磷浓度值，其测定方法按国标《水与废水监测分析方法》(第四版)[17]进行测定，总氮浓度值测定采用过硫酸钾氧化法，总磷浓度值测定采用钼锑抗分光光度法。

1.4 数据分析

采用Excel 2016进行数据处理和初步分析，使用 Origin 8.0进行作图，采用SPSS 23.0进行数据方差分析与显著性差异分析，P<0.05表示处理组之间存在显著差异。

2 结果与讨论

2.1 静态不同进水氮磷浓度下4种类型沟对氮磷拦截的效果

4种类型沟在静态不同进水氮磷浓度下，TN、TP随HRT的浓度变化见图2，结果显示，4种类型沟对氮磷去除率大小顺序为生态沟、基质沟、植物沟和空白沟，且在不同进水氮磷浓度下，生态沟、基质沟、植物沟随HRT对 TN、TP去除效果存在较大差异，而空白沟去除效果变化甚微见表2。杨林章等研究表明，植物不仅可以通过吸收同化去除污水中的部分氮磷， 还能产生有利于去除氮磷的厌氧-好养环境，而且由于植物沟中水生植物根系发达，底层植物降低了水的流动速度而使颗粒物沉淀[18]。此外，植物系统与无植物系统相比，微生物含量更多[19]，所以相比空白沟，植物沟对污水中氮磷拦截效果较好。在不同进水氮磷浓度下，植物沟与基质沟相比，其对氮磷的拦截效果较差，因为静态实验时间较短，植物生物量较少，根系还不够发达，又加之基质有较大的空隙率和比表面积，所以基质沟相对植物沟对污水中氮磷有较好的拦截效果。生态沟在不同进水氮磷浓度下，对污水中氮磷拦截效果都是最好的，因为生态沟不仅结合了植物沟和基质沟各自优点，而且其还提供了促进基质、植物和微生物相互协同作用的环境。研究表明，基质为水生植物和微生物的生长和新陈代谢提供载体，使植物和微生物提高了对污水中氮磷等富营养物质的拦截和降解[20,21]。研究结果显示，HRT=48 h基本是不同类型沟平均去除率变化最快时间段，此时在不同进水氮磷浓度下，不同类型沟对污水中TN、TP去除率的影响有显著性差异(P<0.05)。

图2 静态、不同进水氮磷浓度下， 4种类型沟中TN、TP浓度变化情况Fig.2 Variation of TN and TP concentration in four types of ditches under static and different influent nitrogen and phosphorus concentrations

2.2 动态下生态沟氮磷拦截的影响因素

2.2.1 进水氮磷浓度

生态沟在动态、HRT=48 h和不同进水氮磷浓度下，TN、TP的浓度变化和平均去除率见图3。结果显示，TN、TP进水浓度与其去除率呈负相关，但与生态沟对TN、TP的累积拦截量呈正相关，且在高氮磷浓度(TN：30 mg/L，TP：2 mg/L)进水下，生态沟对TN、TP的日平均拦截量分别比低、中氮磷浓度进水多4.17、3.05，0.37、0.24 mg/L，研究表明，生态沟对高浓度氮磷拦截效果最好。因为高浓度氮磷使水体由上而下形成了不同浓度梯度，使得上覆水中氮磷向底泥扩散，为微生物的吸收和利用提供了有利的条件，同时也促进了植物对氮磷的吸收[22,23]。在低、中和高氮磷浓度进水下，生态沟对TN的平均去除率呈现先增加后稍微下降的趋势，生态沟对TP的平均去除率呈现先增加后趋于平衡的趋势。因为生态沟前期地上植物生物量不断增加，地下植物根系逐渐发达，所以其对TN、TP的去除率逐渐增加；后期植物开始凋零，基质吸附接近饱和，所以其对TN的去除率又开始下降，但由于磷易被底泥和基质吸附沉淀，以及被植物吸收利用，所以后期生态沟对TP的去除率并没有明显的下降，而是处于动态平衡中。研究结果显示，进水氮磷浓度对生态沟拦截TN、TP的影响有显著性差异(P<0.05)。

表2 静态、不同进水氮磷浓度下，4种类型沟对TN、TP的平均去除率 %Tab.2 Average removal rate of TN and TP by four types of ditches under static and different influent nitrogen and phosphorus concentrations

图3 动态、不同进水氮磷浓度下，生态沟中TN、TP浓度变化以及其平均去除率Fig.3 Concentration changes and average removal rate of TN and TP in ecological ditch under dynamic and different influent nitrogen and phosphorus concentrations

2.2.2 进水流量

生态沟在动态、中氮磷浓度(TN：10 mg/L，TP：1 mg/L)和低、中和高流量(15、36和72 L/d)进水条件下，TN、TP的浓度变化和平均去除率见图4。结果显示，在低、中和高流量进水下，生态沟对TN、TP的平均去除率分别为41.52%、31.31%和26.59%，72.36%、64.89%和53.39%，研究表明，在低流量进水条件下，生态沟对污水中氮磷拦截效果最好。因为在低流量进水下，HRT相对变长，基质的吸附作用、植物的吸收作用和微生物的降解作用也相对增加，从而提高了生态沟对氮磷的去除效果。此外，相关研究表明[24,25]高流量进水会导致生态沟中含氮磷污水的水力停留时间变短，而无法满足微生物甚至导致部分硝化菌随水流流出生态沟系统，从而降低生态沟对污水中氮磷的去除效果。研究结果显示，进水流量与TN、TP平均去除率呈负相关，且进水流量对生态沟拦截TN、TP的影响有显著性差异(P<0.05)。

2.2.3 进水盐度

生态沟在动态、HRT=48 h、中氮磷浓度(TN：10 mg/L，TP：1 mg/L)和低、中和高盐度(0%、10%和20‰)进水条件下，TN、TP的浓度变化和平均去除率见图5。结果显示，在低、中和高盐度下，生态沟对TN、TP的平均去除率分别是TN：47.19%、48.71%和37.27%，TP ：65.48%、67.94%和58.07%，研究表明，在一定盐度范围内，随着盐度的增加，生态沟对TN、TP的平均去除率随之增加，但当盐度高出一定范围，生态沟对TN、TP的平均去除率又急剧降低。相关研究表明，盐度在0、0.5、1.0和1.5%范围内，水生植物的地上生物量和地下生物量都随盐度的增加是先增加后降低，其说明盐度适当增加有利于水生植物的生物量增加，超过一定范围，盐度增加会明显影响植物的生物量[26-28]。此外，在适量盐度下，基质由于受到腐蚀，导致基质表面出现较多细小的孔洞，增加了基质的比表面积，从而增加了基质对污水中氮磷的吸附；但在高盐度下，由于盐的腐蚀性增大，基质的比表面积降低，所以基质对污水中氮磷的平均去除率降低[29]。相关研究也表明[30]，适当的盐度有利于提高微生物代谢速度及酶活性，进而提高氮磷的去除效果，但过高盐度会抑制微生物代谢速度及酶活性，从而阻碍氮磷的去除。研究结果显示，进水盐度对生态沟拦截TN、TP的影响无显著性差异(P>0.05)。

图4 动态、不同进水流量下，生态沟中 TN、TP浓度变化以及其平均去除率Fig.4 Concentration change and average removal rate of TN and TP in ecological ditch under dynamic and different influent flow

图5 动态、不同进水盐度下，生态沟中 TN、TP浓度变化以及其平均去除率Fig.5 Concentration change and average removal rate of TN and TP in ecological ditch under dynamic and different influent salinity

表3 影响氮磷拦截因素方差分析Tab.3 Variance analysis of factors affecting nitrogen and phosphorus interception

注：P<0.05表示处理组之间存在显著差异；P>0.05表示处理组之间无显著差异。

3 结 论

(1)静态、不同HRT条件下，生态沟对TN、TP的去除效果最好，且TN、TP进水浓度与其去除率呈反比，但与生态沟累积拦截量呈正比。

(2)动态、HRT=48 h条件下，生态沟对高氮磷浓度进水的拦截效果最好，其日平均对TN、TP的拦截量分别比低、中氮磷浓度进水多4.17、3.05，0.37、0.24 mg/L。

(3)动态、中氮磷浓度(TN：10 mg/L，TP：1 mg/L)条件下，生态沟对低流量进水中TN、TP的拦截效果最好。

(4)动态、HRT=48 h、中氮磷浓度(TN：10 mg/L，TP：1 mg/L)和不同进水盐度(0、1.0%和2.0%)下，生态沟随着进水盐度的增加，其对TN、TP平均去除率呈现先增加后降低的趋势。

(5)不同类型沟、进水氮磷浓度和进水流量对生态沟拦截TN、TP的影响有显著性差异(P<0.05)，进水盐度对生态沟拦截TN、TP的影响无显著性差异(P>0.05)，方差分析结果见表3。