藻球-植物生态沟渠控制农村径流污染

陆敏博，刘 芸，王宇翔，钱冬旭，耿 冰，杨小丽,*,宋海亮

(1.悉地〈苏州〉勘察设计顾问有限公司，江苏苏州 215123；2.东南大学土木工程学院，江苏南京 211189；3.上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司，上海 200082；4.南京师范大学环境学院，江苏南京 210023)

农村面源污染是造成农村水环境恶化的重要原因之一[1]。当前，我国新农村建设正全面展开，农产品经济得到大力发展，为了有效提高农作物的产量，氮磷肥料在农业生产中被广泛使用，且用量通常超过农作物的实际需求[2]，降雨径流和农田排水携带过剩的氮磷营养物质进入下游河道，导致受纳水体呈现富营养化状态。因此，有效控制农村径流污染，促进农业生产与生态文明和谐发展对改善农村生态环境具有重要意义。

生态沟渠是削减农村面源污染的有效举措之一，主要通过底泥沉积物滞留、水生植物吸收、微生物代谢等作用实现过流污水中污染物的净化。目前，大量研究表明，生态沟渠已成功应用于处理农村径流污染[3-5]，但是单一的生态沟渠技术难以有效净化浓度高、成分复杂、流速不稳定的污水[6]。因此，研究新型生态沟渠提高水质稳定净化效果十分必要。将藻类应用于水质净化领域近年来逐渐成为研究热点，微藻不仅可以通过光合作用释放氧气促进水体中好氧菌的活性，从而提高污染物的降解效果，还可直接同化污水中的营养物质供给自身生长繁殖。小球藻是一种广泛分布的淡水藻类，对生长环境的适应性强，既可以利用光能和CO2实现自养生长，也可以依靠环境中的有机营养物质进行异养繁殖，且光合效率较高，甚至可达陆生植物的10倍左右[7]。小球藻及其胶球在处理城市污水[8]、净化养殖废水[9]以及修复生态环境[10]方面均取得了良好的效果。

本研究将生态沟渠和小球藻固定化技术进行耦合，构建藻球-植物生态沟渠，既可以缓解农村径流污染，又可为优化生态沟渠提供新思路。研究中将实验室模拟沟渠系统与示范工程相结合，实验室研究旨在筛选最优的植物组合以及小球藻胶球的制备，示范工程位于南京市溧水区涧东村，以考察藻球-植物生态沟渠在实际工程中的运行效果。

1 材料与方法

1.1 实验室沟渠构建

实验室模拟沟渠如图1所示。该装置由有机玻璃制成，长为1 m，宽为0.5 m。装置底部土壤取自南京市涧东村，土层厚度为20 cm，上覆水水位保持为10 cm，表1为试验用水水质。

图1 实验室模拟生态沟渠Fig.1 Simulated Ecological Ditch in Laboratory

1.2 植物种类的筛选

生态沟渠内的植物应当兼具经济价值和污染物处理效能。一方面，适度刈割能够令植物具有较大的氮磷贮存量，提高系统的氮磷去除效果；另一方面，植物枯萎腐烂后会造成二次污染，因此，生态沟渠的长期稳定运行需激发农户对植物进行定期收割。

表1 试验用水水质Tab.1 Water Quality in Experiment

对示范工程实施地的植物种植情况进行调研后，选取4种适宜当地种植且具有经济价值的水生植物：水芹、菖蒲、空心菜、水葱。既往研究发现，水芹和菖蒲具有较好的磷去除效果[11-12]，空心菜和水葱则可有效去除水体中的氮[13-14]。为了兼顾系统的脱氮和除磷效果，试验设置了4种植物组合形式，分别为水芹和空心菜(1#)、水芹和水葱(2#)、菖蒲和空心菜(3#)、菖蒲和水葱(4#)，栽种密度为100株/m2。4组植物生态沟渠与1条空白对照沟渠(仅土壤)同时运行，上覆水保持流动状态，水力停留时间为1 d。

1.3 固定化藻球的制备

游离态的微藻直接用于净化水质不但占地面积较大、投资高，而且难以从处理后的水体中进行游离藻的分离，因此，本研究利用生物细胞固定化技术制备小球藻胶球，利用其较强的光合作用能力为沟渠系统供氧，增强微生物活性的同时提高水体的DO含量。将6%的聚乙烯醇(PVA)和2%的海藻酸钠(SA)于100 ℃下水浴加热，制备PVA/SA胶体溶液并冷却至室温；将一定量的小球藻原液(购自江苏好润生物科技有限公司，密度为1.25×107cells/mL)与胶体溶液混合，使用注射器将混合溶液注入到3%的CaCl2溶液中，静置1 h得到小球藻胶体小球，随后取出固定好的胶球用蒸馏水洗涤3次。

固定化藻球制备会影响系统净水效果和小球藻活性。本研究考察了不同胶球初始接种密度(1∶3、1∶5、1∶10、1∶20、1∶50)、胶球规格(1、3、5、7 mm)和胶球投加量(30、50、100、150、00 mL)对系统运行效果的影响。试验过程中，胶球置于透水袋内，并将小球藻沟渠串联于植物生态沟渠末端，透水袋内放置5 cm厚的沸石层，用以固定透水袋，同时吸收NH3-N。

1.4 监测指标和方法

小球藻密度采用血球计数板计数。CODMn、NH3-N、TN、TP等指标参照《水和废水监测分析方法》(第四版)[15]，DO浓度采用便携式溶氧仪测定。

2 结果与讨论

2.1 不同植物组合生态沟渠的净水效果

植物是生态沟渠的重要组成部分，是影响系统净水效果的重要因素。不同植物组合下，各沟渠系统在稳定运行阶段对污染物的平均去除率如图2所示，出水DO浓度变化情况如图3所示。

图2 不同植物组合生态沟渠对污染物的平均去除率Fig.2 Average Removal Rate of Pollutants in Ecological Ditches with Different Plant Combinations

图3 不同植物组合生态沟渠出水DO浓度变化情况Fig.3 Variation of DO Concentration in Effluent of Ecological Ditches with Different Plant Combinations

由图2可知，植物沟渠系统在稳定运行期间对CODMn的平均去除率相较于空白组均有显著提升。其中，1#和3#的去除率高于2#和4#，说明空心菜可以有效提升系统对CODMn的净化效果，这可能是因为其根系发达，可以为根区附近的微生物提供更多的附着空间，加速水体中大分子有机物的降解，这与贝亦江等[16]的研究发现相吻合。

就水体中氮元素的去除而言，各植物沟渠系统均取得了较好的效果，且不同植物组合的TN去除效果与NH3-N去除效果相似，说明硝化和反硝化作用同步顺利进行。由图2可知，1#对TN和NH3-N的去除率均高于其他植物组合沟渠系统，可能是因为空心菜和水芹的根际微生物中含有较丰富的氮循环菌。唐莹莹等[17]在研究中发现，浮床空心菜系统中的氮循环菌总数相较于空白对照组有明显增加，尤其是氨化菌、硝化菌和亚硝化菌的丰富度。胡绵好等[18]在生态浮床系统中发现，水芹系统的反硝化菌种群数量最多且反硝化作用速率最高。除了微生物的脱氮作用外，植物吸收也是氮去除的重要途径。Su等[19]对比了9种水生植物对氮的吸收情况，发现空心菜对氮的同化量最高。Duan等[20]利用水芹生态浮床系统处理受污染的河水，发现植物吸收量占TN去除量的52.5%。因此，在植物吸收和微生物脱氮的双重优势下，1#对氮元素的去除效果最优。

对比图2中各系统对TP的去除率，1#的除磷效果最佳。一方面，水芹和空心菜的根系发达，不但可富集微生物促进含磷物质的生物降解，而且也有利于含磷物质的吸附截留去除；另一方面，2种植物对磷元素的吸收能力较强。研究表明，水芹的磷吸收贡献率占TP去除量的92.7%[21]，空心菜的全磷累积量达到了19.8 g/m2[22]。

不同植物沟渠系统出水DO浓度结果表明，1#对DO的提升效果最明显，出水浓度达到了7.31 mg/L，可能是因为水芹和空心菜的通气组织发达，且植物体内含有较多的叶绿素，可以更好地进行光合作用，增加水体泌氧。叶元英等[23]对水芹的营养器官进行解剖观察发现，水芹根系具有发达的通气组织，且地上茎的基本组织细胞以及叶肉细胞中叶绿体的含量较高。于敏[24]则发现，空心菜的叶绿素含量高达74%～88.7%，且在受到污染胁迫时光合作用能力无明显降低。

综合不同植物组合沟渠对污染物的去除效果和水体DO的提升幅度，选择水芹和空心菜作为生态沟渠的最佳植物组合。

2.2 小球藻胶球的筛选及净水效果分析

2.2.1 不同初始胶球接种密度对系统中藻球密度的影响

不同接种密度下胶球中小球藻的生长繁殖活性不同。试验中初定胶球规格为1 mm、投加量为100 mL，并筛选出最适宜小球藻生长繁殖的初始接种密度。5种接种密度下胶球内小球藻密度随运行时间的变化情况如图4所示。

图4 胶球内小球藻密度随运行时间的变化Fig.4 Variation of Chlorella Density in Microalgal Beads with Time

小球藻在经历一段适应期后进入快速生长阶段，达到密度峰值后数量稍有下降并逐渐稳定。分析认为，在运行初期，小球藻通过光合和异养作用获得能量进行快速繁殖，后期由于水体中可利用的营养物质减少，数量稍有下降，最终依靠光合作用维持数量稳定。当接种比例为1∶5，即初始接种密度为2.1×106cells/mL时，小球藻的适应期最短，峰值密度和稳定期平均密度也最高。因此，选择小球藻原液与胶体溶液比例为1∶5来制作小球藻胶球。

2.2.2 不同胶球规格下系统的运行效果

本阶段试验以1∶5的接种比例分别制作4种规格的小球藻胶球，并监测分析各藻球-植物生态沟渠对污染物的去除效果、增氧能力以及胶球内小球藻密度的变化情况，以筛选出净水效果最好且有利于小球藻生长繁殖的胶球规格。同时，设置植物对照组，即生态沟渠仅栽种水芹和空心菜，未添加小球藻。不同沟渠系统的污染物平均去除率如图5所示，出水DO浓度如图6所示，胶球内小球藻密度随运行时间的变化情况如图7所示。

图5 不同沟渠系统的污染物平均去除率Fig.5 Average Removal Rates of Pollutants in Different Ecological Ditches

图6 不同沟渠系统的出水DO浓度变化情况Fig.6 Variation of DO Concentration in Effluent of Different Ecological Ditches

图7 胶球内小球藻密度随运行时间的变化情况Fig.7 Variation of Chlorella Density in Microalgal Beads with Time

对比图5中不同系统的CODMn去除率，小球藻的加入可有效改善CODMn的去除效果，平均去除率由植物对照组的68%提升至联合沟渠的76%～83%，表明小球藻能够直接降解利用有机污染物。3 mm规格的胶球表现出最佳的CODMn去除能力，分析认为，1 mm的胶球过于坚硬，阻碍了内部有机物的传递，而5 mm和7 mm的胶球则由于体积偏大，胶球内的营养物质传输较慢，影响有机物的去除。

小球藻的存在也可促进水体中磷的去除，相比于植物对照组的74%，藻球-植物联合沟渠对TP的平均去除率提升至83%～91%。一方面，藻类光合作用使好氧菌的活性得到提高，可将更多的有机磷转化为易被小球藻和植物吸收的磷酸盐；另一方面，底泥表层的好氧状态加强，使得表层土壤中的铁、铝转化为更易吸附磷的无定形的氧化态形式。与其余规格的胶球相比，3 mm胶球系统的TP去除率最高，除了植物对磷元素的大量吸收同化以及小球藻的部分吸收之外，底泥中铁、铝也可对磷进行有效吸附。李剑波等[26]在研究中发现，有机物浓度的升高会抑制铁、铝结合磷的形成，3 mm胶球系统中CODMn的浓度最低，因此，更有利于通过铁、铝结合吸附去除磷。

图7为3个运行周期内小球藻密度的变化情况。胶球规格为3 mm时，小球藻的生长适应期最短，繁殖速度最快，峰值密度和稳定期密度也最高。分析认为，5 mm和7 mm的胶球体积偏大，中心区域的小球藻无法获得充足的营养物质用于生长繁殖；1 mm胶球内的小球藻虽然可较快获得营养物质，但胶球体积偏小，小球藻的生长空间有限，因此，无法进行大量繁殖。3 mm的胶球则可较好地平衡营养物质的有效传输和生长需要的充足空间，可保持较高的繁殖活性。

综上，胶球规格确定为3 mm，这种制作规格下小球藻的生长活性最高，且系统对污染物的去除效果最佳，也可有效提高水体中的DO浓度。

2.2.3 不同胶球投加量下系统DO的提升效果

本研究生态沟渠的受纳水体中有鱼类养殖，仅当水体DO达到5～7 mg/L时才适宜鱼类生长繁殖。因此，胶球投加量的筛选试验以沟渠出水DO≥7 mg/L作为评价指标。以1∶5的接种比例制作3 mm胶球，并以5种不同体积量的胶球构建藻球-植物生态沟渠，其出水DO浓度随运行时间的变化情况如图8所示。

图8 不同沟渠系统的出水DO浓度变化情况Fig.8 Variation of DO Concentration in Effluent of Different Ecological Ditches

由图8可知：当胶球投加量在30～100 mL时，投加量越大，DO增幅越大；当投加量大于100 mL时，随着投加量增加，DO提升效果不明显，这可能是因为，小球藻的数量过多会形成相互竞争关系，水体中含有的营养物质仅能满足部分小球藻光合反应所需的量。因此，小球藻最佳投加量确定为100 mL，由于实验室模拟沟渠的总长度为2 m，固定化小球藻的合理投加量为50 mL/m。

2.3 示范工程建设及运行效果分析

2.3.1 生态沟渠示范工程的建设

示范工程建设地位于南京市溧水区洪蓝镇涧东村，村庄东侧是草莓种植园和一条东大圩河，西侧有5个池塘，均用于鱼类养殖。现场调研发现，村内的沟渠系统多呈硬质化，无法缓解农业径流污染，考虑到沟渠改造不影响居民的日常农劳习惯，决定将村东草莓地的水泥硬质化排水沟渠改造为藻球-植物生态沟渠，以同时满足灌溉排水和面源污染控制的双重功能。

示范地沟渠整体呈倒梯形，总长为100 m，底部设有溢流坝。沟渠内土壤层厚为20 cm，水层高为10 cm，水芹和空心菜各种植50 m，且保持双列种植。沟渠内每隔10 m放置装有小球藻和沸石的透水袋，小球藻最佳投加量为50 mL/m，因此，透水袋内的小球藻胶球添加量为500 mL。据估算，非降雨时段生态沟渠的水力停留时间约为1 d，现场运行时间持续1个月，分别对降雨和非降雨时段下的生态沟渠和下游受纳水体的水质进行监测。

2.3.2 示范工程的运行效果

非降雨时期，生态沟渠主要净化来自东大圩河的引水；降雨时期，草莓地的降雨径流也一并排入生态沟渠进行处理。现场运行期间，沟渠进出水均值及去除率如表2所示。

表2 沟渠各项水质指标的进出水均值及去除率Tab.2 Average Values and Removal Rates of Influent and Effluent from Ecological Ditches

由表2可知，生态沟渠取得了较好的污染物去除效果。非降雨阶段，污染物去除率均达到了60%以上，沟渠出水除了TN，基本达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)规定的Ⅲ类水标准，说明生态沟渠的运行效果良好，水质由进水时的劣Ⅴ类水得到了切实提高，有利于改善下游受纳水体的水生态环境。降雨阶段，污染物的进水浓度升高，去除率下降，因为降雨径流会携带草莓地的残余肥料进入沟渠，所以进水氮磷物质的浓度明显升高，且降雨径流的汇入使得水力停留时间减少，污染物质得不到充分降解，去除率下降。此外，雨天时光照强度降低，植物和藻类的光合作用减弱，对水体DO的提升效果也变差。

3 结论

(1)不同水生植物组合的筛选试验中，推荐水芹和空心菜作为生态沟渠的配套植物。该组合对CODMn和氮磷物质的去除率以及水体DO的提升效果均具有明显优势。

(2)小球藻胶球接种比例为1∶5，即初始接种密度为2.1×106cells/mL时，小球藻的生长活性最高，繁殖速率最快；胶球规格为3 mm时，藻球-植物生态沟渠的污染物去除效果最好，出水中DO浓度最高，且小球藻对环境的适应力强，增殖较快；胶球的最佳投加量为50 mL/m，该投加量下出水DO≥7 mg/L。

(3)示范工程地生态沟渠的运行情况良好，非降雨时期，沟渠出水可基本达到地表水Ⅲ类水标准。