生态沟渠对村落无序排放污水截留效果的试验

冯羽中，刘秋菊，张皓驰，金 秋，李先宁,*

(1.东南大学能源与环境学院，江苏南京 211189；2.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210029)

面源污染(non-point source pollution)又称非点源污染，主要指溶解态或悬浮态污染源从非特定地点，在降水(降雪)的冲刷作用下，通过地表径流进入水体而引起的水体污染[1]。太湖流域水环境污染统计结果表明，进入太湖流域的污染中，53%的化学需氧量(chemical oxygen demand，COD)、45%的总氮(total nitrogen，TN)和68%的总磷(total phosphorus，TP)来源于面源污染[2]。随着城市生活污水、工业废水等点源污染逐步得到有效的控制和治理，由村镇生活污水和地表径流组成的村落无序排放污水逐渐成为了影响当地水环境质量的重要污染源。目前，对于面源污染的研究主要集中于城市降雨径流治理、农田径流污染的治理和控制、地表和地下径流的水质监测方面[3]，针对村落无序排放污水这一类综合性面源污染治理及控制的研究仍然较少[4]。

村落无序排放污水即为农村地区村民生产生活过程中产生的，未经收集直接随意排放进入周边环境的污水。其中，污染物的来源主要包括村民生活中随意泼洒的杂用水、散养畜禽的排泄物、随意堆放产生的无序垃圾堆放点等[5]，在降水径流的作用下形成无序排放污水[6]。以雨水冲刷为主的产生方式使村落无序排放污水有以下特点：(1)降雨过程中降雨量、降雨地点与降雨时间的不确定性使得污水的产生量、产生地点和污染物浓度存在极大的随机性；(2)散养畜禽粪便和垃圾堆放点位置和规模的无序性使得污水的产生存在极大的分散性和隐蔽性；(3)无序污水出现的时间和地点均难以确定，难以对村落无序排放污水进行监测和研究。

针对村落无序排放污水治理中存在的难点，此次试验采用生态沟渠技术对其进行处理。生态沟渠主要由填料和湿生植物组成，主要用于收集地表径流并拦截去除其中的污染物，通过自然沉降、填料过滤吸附、植物吸收以及微生物作用截留水中的悬浮泥沙、有机质、N、P等水环境污染物，对无序产生的面源污染有着很好的截留净化效果[7]。刘福兴等[8]利用不同规格的生态沟渠对农田面源污染进行处理，获得了良好的去除效果，对氨氮、TN、TP和悬浮物的去除效率均达到50%以上。朱金格等[9]构建生态沟-湿地系统对农田尾水进行拦截净化，结果表明生态沟渠能够有效去除农田尾水中的污染物，后续配置人工湿地能够有效提高N、P去除效率，提升出水水质。相比于其他水环境修复技术，生态沟渠有着建设运行成本较低、占地面积少、设计方式灵活多变的优势[10]。与此同时，除拦截污染、净化水质外，生态沟渠在海绵城市的建设中还具有滞水、蓄水、防止水土流失等功能[11]。在生态沟渠的维护过程中通过定期收割沟渠中的植物，可以有效避免二次污染，合理地选择植物种类也能够产生额外的景观效益[12]。朱晓瑞等[13]对生态沟渠中植物种类对N、P去除效果的影响进行研究，筛选出适合天津地区的沟渠植物配置，为天津地区生态沟渠的设计提供了理论依据。在以农业为主要产业的村落中，可以对已有输水渠道进行生态化改造，通过开孔、铺设网格、铺设填料等方式种植湿地植物建设生态沟渠，使生态沟渠在村镇中更易于建设和推广[14]。刘馨井雨等[15]对生态沟渠在农田面源污染防治中的作用进行了模拟研究，结果表明，生态沟和人工湿地的共同作用能够在满足传统除涝排渍需求的同时有效削减稻田排水中TN的排放量，且能够有效节约污染治理所需土地面积。

本试验通过改变生态沟渠中的填料类型、调整生态沟渠进水水力负荷，分析填料及水力负荷运行条件对生态沟渠污染物拦截去除能力的影响。在此基础上，进行暴雨径流模拟试验，验证生态沟渠对随机性较强的面源污染的实际截留效果，为村落无序排放污水的治理及控制提供参考，为相关污水处理设施的设计、建设及运行提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区域概况

试验区域位于宜兴市大浦镇洋渭村试验基地(31°19′N，119°56′E)，属于热带季风气候，降雨雨量充足。试验于夏季进行，试验期间气温为28～33 ℃。试验中生态沟渠进水水源为人工配制的模拟废水，通过改变运行条件测试其对生态沟渠污染处理效果的影响，并进行暴雨径流模拟试验，通过出水中污染物浓度变化验证生态沟渠对村落无序排放污水的截留效果。

1.2 生态沟渠设计

生态沟渠设计如图1所示，沟渠主体为砖石混凝土结构，各廊道规格相同，长为12.0 m、宽为1.0 m、深为0.6 m，沟渠中填料深度为0.3 m，前端设有长为2.0 m、宽为1.0 m、深为1.0 m的配水池，末端设有与渠道主体同等宽度、深度的集水槽。通过改变沟渠中的填料，构建3种不同填料类型的生态沟渠：(1)球形填料生态沟渠，采用直径为10 cm的塑料空心球作为填料，空隙率约为95%，填料层厚度为0.30 m；(2)煤渣填料生态沟渠，采用煤渣作为填料，空隙率约为53%，填料层厚度为0.30 m；(3)沙石填料生态沟渠，下层为砾石，粒径为10～30 mm，上层为粗砂，上下层铺设厚度均为0.15 m，整体空隙率约为40%，整体填料层厚度为0.30 m。试验中选用的沟渠植物为空心菜，种植密度为30株/m2，空心菜植株于当地农户处购买，移栽时植株高度为30～40 cm。试验采用间歇式进水，试验装置运行过程中廊道内有效水深约为0.10 m。空心菜移栽前对沟渠填料进行浸泡清洗，去除填料中的粉尘、油污等有害物质，避免干扰试验结果。

图1 生态沟渠试验装置示意图

1.3 测定方法

2 填料类型对生态沟渠拦截效果的影响

2.1 试验设计

2.2 结果与讨论

图2 不同填料类型生态沟渠对污染物的去除效果

生态沟渠中有机质的去除过程与填料的吸附拦截作用、植物根系的截留作用以及微生物的作用密不可分，其中微生物异化分解作用为生态沟渠中有机物去除的主要途径[17]。此次试验采用的3种填料中，煤渣有着相对更大的比表面积，为微生物的生长提供了更多的附着点，且煤渣有着较高的空隙率，使沟渠中水流能够均匀混合，与填料更加充分接触，这有效提高了微生物对有机物的去除效果；相比之下，球形填料空隙率较大，有利于水流与填料的充分接触，但由于塑料材质表面光滑、比表面积较小，使得微生物生长受到限制；沙石填料比表面积相比球形填料较大，但由于空隙率较低，水流难以与填料充分接触，抑制了微生物对有机物的去除作用。由此可见，煤渣较大的比表面积以及相对较高的空隙率使得以煤渣为填料的生态沟渠表现出更好的有机物去除效果[18]。

生态沟渠对P的去除主要依靠沉淀、填料吸附、植物根系的截留作用[22]。此次试验中，煤渣填料组对TP的去除效果最好，沙石填料组次之，而球形填料组较差。这是由于此次试验采用的3种填料中，煤渣孔隙率最高，比表面积最大，有着最强的吸附能力；而球形填料表面光滑，比表面积最小，吸附能力最差。不同类型填料吸附截留能力的差异使得煤渣填料生态沟渠对TP的去除效果优于沙石填料组和球形填料组。

生态沟渠的建设目的在于拦截去除污水中的悬浮物、有机质、N、P等水环境污染物，综合考虑此次试验中3种不同填料的生态沟渠对污染物的去除率，以试验模拟的村落无序排放污水为处理对象时，以煤渣为填料的生态沟渠展现出更好的污染物拦截效果。

3 水力负荷对生态沟渠拦截效果的影响

3.1 试验设计

水力负荷对生态沟渠拦截效果影响试验在以煤渣为填料的生态沟渠中进行。试验进水水质与2.1小节中相同，使用太湖湖水稀释生活污水配制得到。考虑当地降水量、径流流量、后续处理单元水力负荷等，此次试验设置6个梯度的水力负荷，分别为0.86、1.72、2.58、3.61、4.30、5.16 m3/(m2·d)。每2～3 d在集水槽中采集生态沟渠进出水并检测水质，计算污染物拦截效率。

3.2 结果与讨论

图3 不同水力负荷下生态沟渠对污染物的去除效果

随着水力负荷的逐渐增大，生态沟渠中CODCr的去除率逐渐下降，这是由于随着水力负荷的增长，生态沟渠中水流速度不断上升，沟渠对污水中颗粒态有机物的拦截效果大幅下降；同时水力负荷的增大使得污水与填料上附着生长的微生物的接触时间随之减短，生态沟渠对有机物的去除率随之降低[23]。随着水力负荷的增长，进入生态沟渠的有机物总量不断增多，有机物污染负荷未超过填料中微生物代谢能力时，有机物的去除总量逐渐上升；当水力负荷过高时，过快的流速不仅限制了微生物分解有机物的有效时间，水流产生的冲刷作用也使得被填料和植物根系截留的有机物重新进入水中，导致水力负荷超过一定限度后有机物的去除率迅速降低。这使得沟渠中CODCr的去除负荷随水力负荷的上升呈现出先增大后减小的变化趋势。

此次试验中，生态沟渠中N的去除率随水力负荷的上升而不断降低，这是由于水力负荷上升后沟渠填料及植物根系的吸附截留效率降低，沟渠对污水中颗粒态氮的截留效果随之下降；污水与填料的接触时间缩短使得微生物脱氮作用难以有效发挥，生态沟渠中N的总体去除效果随之降低[24]。水力负荷逐渐增大时，生态沟渠中N的去除负荷呈现出先升高后降低的趋势，这是由于水力负荷上升后，进入沟渠的污染物总量不断增多，污染负荷未超出生态沟渠的截留净化能力时，虽然去除率有所下降但由于污染物总量的上升，污染去除负荷仍会有所增长。当水力负荷过大时，水流速度过快，污水无法与沟渠中的填料充分接触，填料的吸附拦截效果下降且微生物脱氮作用有效时间不足，这极大地影响了生态沟渠对污水中各形态氮的去除效果[25]，导致水力负荷过大后生态沟渠中N的去除负荷逐渐下降。

试验结果显示，生态沟渠中TP去除率随水力负荷的提高而逐渐降低。这是由于试验中使用的污水为人工配制的模拟降雨径流，试验用水中P主要以颗粒态存在，颗粒态磷在TP中的占比为64.39%～84.77%，其去除途径主要为沉淀作用以及填料和植物根系的吸附拦截作用。当水力负荷增大时，颗粒态磷的沉淀效果随之降低，且水流与填料的接触时间缩短，沟渠填料的吸附拦截效果下降，使得TP去除率随水力负荷的提高而逐渐降低[26]。此次试验采用的水力负荷范围内，TP的去除负荷并未出现明显的下降趋势，这是由于生态沟渠中P的去除更加依赖于沉淀、吸附、截留等物理作用而非生物作用，受水力停留时间的影响较小[27]，在水力负荷提升的过程中去除率下降较为缓慢。而去除负荷受去除率和污染负荷两方面的影响，试验中沟渠对TP的去除负荷并未出现明显的降低趋势。

生态沟渠作为一种面源污染治理技术，建设目的在于利用排灌水渠道拦截去除N、P、有机物等水环境污染物。此次试验中采用污染物的去除率和去除负荷来评价生态沟渠对污水的处理效果，其中去除率反映的是生态沟渠中污染物浓度的变化情况，而去除负荷反映的是同等土地使用面积下污染物的去除总量，即生态沟渠的面积利用效率。综合考虑水力负荷对有机物、N、P去除效果的影响，以试验模拟的村落无序排放污水为处理对象时，该生态沟渠的理想水力负荷为3.61 m3/(m2·d)。

4 生态沟渠对模拟暴雨径流的拦截效果

4.1 试验设计

对模拟暴雨径流中污染物的拦截试验在以煤渣为填料的生态沟渠中进行。试验中，模拟降雨过程中地表径流的水质和流量特征，按照径流峰值出现时间的先后顺序，将3种模拟暴雨径流分为前期型暴雨、中期型暴雨以及后期型暴雨[28]，试验进水水量分布情况如图4所示。沟渠进水中污染物的浓度与进水时间相关联，污染物浓度与时间的对应关系如表1所示。试验中进水的水量与水质参考监测所得当地暴雨径流情况，由3种试验用水按不同比例混合得到。生态沟渠进水流量由流量计进行控制，模拟降雨径流历时1 h，产流开始后对生态沟渠出水进行取样，间隔20 min取样一次，直至产流结束。

表1 模拟暴雨径流进水水质

图4 模拟暴雨径流流量分布

4.2 结果与讨论

图5 生态沟渠对不同模拟暴雨径流中污染物的去除效果

此次试验中，不同类型暴雨模拟试验中生态沟渠的出水污染物浓度随产流时间的变化趋势并无较大差异。产流初期(0～40 min)，沟渠出水中各项污染物浓度均随进水量的增长而迅速上升；产流中期(40～60 min)，出水污染物浓度逐渐达到最大值；产流后期(60～120 min)，污染物浓度逐渐降低直至产流结束。模拟暴雨径流试验开始时，由于沟渠中维持有一定量的残留水，这一部分水体长期处于生态沟渠中，污染物浓度较低，这使得生态沟渠对进水中的污染物存在一定的缓冲稀释能力[29]。随着产流时间的延长，进入沟渠的污染物总量逐渐增多，沟渠的稀释效果不断下降，这使得产流初期出水中的污染物浓度迅速上升。而产流后期出水中污染物浓度逐渐降低，可以归结为以下原因：首先，试验开始后生态沟渠进水中污染物浓度逐渐降低，进水流量在达到峰值后亦逐渐下降，使得试验后期进入生态沟渠的污染负荷不断降低；其次，模拟试验开始1 h后进水停止，生态沟渠中的水力停留时间逐渐增长，增强了沟渠对污染物的拦截去除效果，这使得产流后期出水中污染物浓度逐渐降低[30]。

此次试验中模拟的暴雨径流是一种短时大流量的冲击负荷，有着较大的处理难度。生态沟渠中存在的缓冲空间对冲击负荷具有一定的调蓄能力，沟渠中的填料以及茂密生长的植物使得生态沟渠有着较大的水流阻力，短时大流量冲击负荷下生态沟渠中的水流规律发生变化，出现局部壅水现象[31]，实际水力停留时间高于表观水力停留时间，使得生态沟渠对冲击性水力负荷有着一定的缓冲能力。此次暴雨径流模拟试验中，生态沟渠各出水阶段中N、P、CODCr浓度均低于进水中污染物的累加均值，且出水中污染物浓度峰值出现的时间也相对滞后，这说明生态沟渠对暴雨径流这一类短时大流量冲击负荷有着一定的调蓄削减能力，在应对随机性较强的村落无序排放污水时有一定优势。

5 生态沟渠长期运行效果

5.1 试验设计

实际工程应用中，污水生态处理设施的长效性和稳定性非常重要。为检验长期运行过程中生态沟渠污染去除效果的变化情况，在以煤渣为填料的生态沟渠中进行长期运行效果试验。在长期连续运行条件下对生态沟渠的污染处理能力进行研究，并对不同季节沟渠中的污染处理能力的差异进行分析。试验中进水水质与2.1小节中相同，使用太湖湖水稀释生活污水配制得到。生态沟渠进水水力负荷为3.61 m3/(m2·d)，通过水泵及流量计控制沟渠流量以维持长期运行。

5.2 结果与讨论

表2 生态沟渠长期运行结果

生态沟渠中污染物去除效果与气温有着密切的联系，在夏季气温较高时采用空心菜等生长快的水生经济植物有利于植物对N、P的吸收，同时通过对经济作物的收割可以获得经济效益。冬季沟渠中的污染去除率随着气温的下降出现了明显的降低，因此，在冬季选择水芹等适合冬季生长的植物进行换茬对维持生态沟渠的污染物净化效果具有一定的作用，同时在有条件的地区还可采用大棚、地膜覆盖等保温措施达到提高微生物活性及植物同化吸收的作用。

6 结论与展望

综上所述，本试验的主要结论如下。

(1)进水负荷相近时，以煤渣为填料的生态沟渠有着最好的污染物拦截去除效果，对CODCr、N、P的去除效果均优于球形填料和沙石填料型生态沟渠。以村落无序排放污水为处理对象时，选用煤渣这一类孔隙率高、吸附性能强的材料作为生态沟渠的填料能够更有效地提升其对污水的拦截净化效果。

(2)水力负荷增长时，生态沟渠对污染物的去除率随之降低，污染去除负荷呈现出先增大后减小的趋势。水力负荷的增长会引起生态沟渠中污染物去除率的降低，但在一定范围内适当提高水力负荷能够有效提高污染物去除负荷，提高土地利用效率。在生态沟渠建设中，应当综合考虑污染物的去除率及去除负荷以确定设计水力负荷。

(3)在应对暴雨径流这一类短时大流量冲击负荷时，生态沟渠各时段的出水污染物浓度均低于进水中污染物的累加均值。这说明生态沟渠对类似暴雨径流的冲击负荷有着较强的滞纳缓冲能力，这使得生态沟渠在应对村落无序排放污水等具有随机排放特征的面源污染时，仍能保持较好的污染净化效果。生态沟渠对短时大流量冲击流量的调蓄滞纳作用以及对污染物的拦截削减作用能够有效地减轻后续处理设施的污水净化难度。

(4)长期运行过程中，生态沟渠污染去除效果随季节的改变和气温的降低出现了明显的变化，冬季沟渠中的污染物去除率随着气温的降低出现了明显的下降，在冬季换种水芹等适合冬季生长的植物对维持生态沟渠污染物净化效果具有一定的作用，有条件的地区还可采用大棚、地膜覆盖等保温措施提高微生物的活性及植物的同化吸收作用。

此试验中探究了填料类型及水力负荷对生态沟渠运行效果的影响以及生态沟渠对暴雨径流的截留净化效果，为生态沟渠的设计建设提供参考，但是对生态沟渠污染去除效果的影响因素仍值得深入研究。试验通过模拟暴雨径流产生的无序污水来研究生态沟渠的拦截效果，对其他类型的面源污染仍需要进一步研究以扩展生态沟渠在面源污染治理中的应用范围。除单独使用外，生态沟渠也是一种良好的前处理手段，此次试验中未涉及后续污水处理技术，因此，对生态沟渠后续处理单元的选用及多技术耦合净化方案仍需更深入的研究。