模拟梯级沟渠降解农业非点源污染的研究

＊赵兴兰 高良敏 张振 葛娟 张海强 慕明

（安徽理工大学地球与环境学院 安徽 232001）

农业非点源污染主要指在农业生产和生活的过程中所产生的污染物，通过地下渗漏、农田排水或地表径流的方式进入水体，从而造成的污染[1]。近年来，我国由于农业活动引起的农业非点源污染已经引起了公众的关注[2]。农业非点源污染作为水污染最突出的来源之一，日益严重[3-5]。由于农业非点源污染的发生没有固定的出口，且具有扩散性、隐蔽性、随机性、复杂性和检测难度大等特点，所以其治理难度很大[6]。

目前，对农业非点源污染的控制，主要从以下三个方面来考虑：一为源头控制；二为迁移途径控制；三为末端控制。源头控制根据污染物的来源大致分为三部分：一是控制农药、化肥的使用量，提高化肥的利用率，推广对环境影响较小的农药与化肥[7]；二是对畜禽粪便的控制，在我国处理畜禽粪便主要是利用沼气池[8]；三是在耕作过程中，采用免耕或少耕法，另改进灌溉技术，采用节水灌溉技术[9]。在污染物从农田向河流迁移的过程中，对污染物进行截留也是一种非常有效的手段。目前常见的技术手段有生态沟渠技术、生物篱技术、多水塘技术、前置库技术、人工湿地技术等。末端控制技术主要是对受污染的水体，如河流、湖泊、水库等的综合治理[11]。

对常见的沟渠结构进行改造，使其具有梯级的形态，并在实验室模拟这种梯级构造的沟渠[12]，本文通过控制不同实验条件探究梯级沟渠对农业非点源污染的处理效果。

1.试验设计

（1）试验装置。试验通过改进实验室装置来模拟梯级沟渠，整个实验装置由5根中空圆柱串联形成，圆柱高180cm，内径15cm，5根圆柱底部均铺设石英砂，厚度约5cm，以防底泥水渗漏影响实验效果，在圆柱底部铺设从野外沟渠取回的沟渠底泥，高约25cm，结合实际情况，覆上黑纸避免光照，圆柱内底泥顺序与野外沟渠上下游顺序依次对应，从左至右设计水位依次下降，形成梯级的状态，试验过程中，水从上往下形成多层阶梯状。研究梯级沟渠构造对农业非点源污染的处理效果。

（2）梯级沟渠设计。在实验室搭建梯级沟渠装置，该装置由5个圆柱用塑料软管依次连接起来构成一个整体，同时为了模拟缺氧环境将圆柱用遮光纸包住。同规格圆柱体通过控制水体深度模拟梯级状态。其中第一根圆柱模拟缺氧区，用遮光纸将整根圆柱包住并且将圆柱顶口封住进而模拟缺氧环境，水面高165cm。第二根和第三根圆柱模拟兼性区，用遮光纸将圆柱底部底泥处包住，圆柱顶口不封，水面高145cm。第四根到第五根圆柱模拟好氧区，圆柱不遮光并且圆柱顶口不封。五根圆柱水面依次降低。水体从配水箱进入到缺氧区，然后通过带有止水夹的塑料软管依次进入到兼性区、好氧区，最后水体汇入回收箱中。

（3）试验水质。试验过程中模拟装置进水采用人工配水的方式。人工配水主要由葡萄糖、氯化铵、尿素和磷酸二氢钾构成。具体含量见表1。

表1 人工配水组成

（4）取样设计。通过室内控制流量和温度探究梯级沟渠对污染物的去除效果，具体条件设计见表2。

表2 不同条件实验设计

根据五根圆柱的水面高度划分取样点位如图1，即在缺氧区（TG1）、兼性区（TG2、TG3）、平流好氧区（TG4、TG5）分别设置一个取样点取样。取样时直接打开不同层级螺旋阀取样。

图1 取样点

2.结果与分析

选择图1各个取样点表层水样对污染物浓度进行绘图，分析氮素浓度沿程变化，研究在人工配水排水时沟渠中氮的变化。利用室内搭建的梯级沟渠模拟装置，开展不同条件组合下A（空白实验8～10℃）、B（调低温度0～5℃，降低流量）和C（调高温度15～20℃，增大流量）对水中氮的去除效果研究。

(1)数据统计与分析

数据基础处理采用Excel 2019软件，数据统计分析采用SPSS 25.0软件，图表制作采用Origin 2021软件。

(2)总氮在梯级沟渠的迁移转化

梯级沟渠在运行6h后分别在各个柱体取样测定总氮含量，由图2（a）可知三个实验条件下，总氮的质量浓度总体都是处于下降的，但是从最后出水总氮含量来看下降幅度都比较小。A条件下总氮浓度范围9.00～8.12mg·L-1，B条件下总氮浓度范围为7.87～6.38mg·L-1，C条件下总氮浓度范围为8.05～7.70mg·L-1，三个条件下的平均去除率在21%左右。根据图2可以看出总氮含量最低处在柱体TG2，A、B、C三个不同条件下总氮从TG1到TG2浓度分别从9.00mg·L-1下降到5.75mg·L-1；从7.87mg·L-1下降到4.91mg·L-1；从8.05mg·L-1下降到2.90mg·L-1。说明TG1模拟的1.65m深度缺氧环境对总氮的去除最为明显，尤其是C（调高温度15～20℃，增大流量）条件下总氮的去除率达到54%，这由于在15～20℃的条件下更加有利于反硝化反应的进行，进一步加速了氮素还原成气态氮的过程。而在三个不同条件下TG3到TG5的总氮含量都出现了上升趋势，这是由于持续复氧抑制了反硝化作用，且装置内底泥也存在释放氮素的现象。

图2 总氮在不同条件下的变化规律

图2（b）反映了梯级沟渠模拟系统在A、B、C三个不同条件下总氮截留率的变化特征。由图可以看出A、B、C条件下总氮在TG2处截留率最高，分别为36.77%、32.70%、54.02%，其中TG1模拟了缺氧状态，TG2模拟了兼性区，这说明反硝化作用对氮的去除有一定的作用。梯级沟渠模拟系统运行6h后同一柱体TG5的总氮截留率，即出水时总氮截留率C（26.31%）＞A（13.87%）＞B（9.95%）。这说明总体上在C（调高温度15～20℃，增大流量）条件下对总氮的去除率最佳，优于A（空白实验8～10℃）和B（调低温度0～5℃，降低流量）。进而说明室内模拟梯级沟渠对总氮有一定的去除效果。

(3)氨氮在梯级沟渠的迁移转化

梯级沟渠在运行6h后分别在各个柱体取样测定氨氮含量，从图3（a）可以看出在A、B条件下氨氮质量浓度总体小幅度下降，而C条件下氨氮质量浓度为TG2（1.54 mg·L-1）＞TG3（0.93mg·L-1）＞TG4（0.88mg·L-1）＞TG5（0.74mg·L-1）＞TG1（0.65mg·L-1）,由此可见最低处在TG1处，这是由于TG1模拟的是深度缺氧环境，深度缺氧加速了反硝化反应的进程，并且C条件下的温度为15～20℃，适宜的温度也促进了反硝化反应。从图中可以看出在好氧区（TG4、TG5）氨氮的含量浓度都比较低，这是由于氨氮在水中主要以游离的NH4+形式存在，在有氧条件下发生消化反应，氨氮被氧化，进而氨氮质量浓度有所降低。

图3 氨氮在不同条件下的变化规律

从图3（b）来看，A（空白实验8～10℃）条件下各个柱体氨氮的截留率都要低于B、C，去除效果明显不如B、C条件下的好，由此可见当温度处于8～10℃时，对氨氮的去除效果最差。并且三个条件下氨氮的截留率都是好氧区（TG4、TG5）＞缺氧区（TG1），这说明TG4、TG5模拟的好氧环境对氨氮的去除效果最为明显，进而表明硝化反应对氨氮的去除起到重要作用。从图3（b）来看，B、C条件下对氨氮的去除效果都比较好，平均截留率为77.30%，且总体去除效果相差不大，但B条件下的TG5（84.09%）＞A条件下的TG5（61.45%）。这是由于在小流量进水的情况下，水流对柱体中的底泥冲刷作用减弱，进而使得底泥释放氮素的影响减小。

(4)硝态氮在梯级沟渠的迁移转化

硝态氮在系统中的来源主要依赖氮的硝化作用。图4（a）A、B、C三个不同条件硝态氮在缺氧区（TG1）处的含量都比较低，尤其C条件下硝态氮在TG1的缺氧环境含量最低为0.28mg·L-1，这是由于有一部分硝态氮被还原为氮气释放，而在TG2到TG5中硝态氮的含量呈现增长的趋势，这是因为亚硝态氮被氧化以及长期的缺氧环境。其中三个不同条件下的好氧区中的硝态氮含量都较高，这是由于在好氧区更加有利于硝化反应的进行，使得硝态氮含量增加。

图4 硝态氮在不同条件下的变化规律

由图4（b）可以看出C条件下硝态氮的截留效率明显高于其他两种条件，这是由于适宜的温度更加有利于氮素的转化。并且三个条件下硝态氮在后期都有一个上升的趋势，这是由于柱体由缺氧转为好氧，水体中积累的氨氮发生硝化反应增大了硝态氮的含量。A、B、C三个条件下硝态氮的平均截留率都比较高，出水时平均截留率为69.93%，这说明室内模拟运行下梯级沟渠对硝态氮有一定的截留能力。

3.结论

（1）梯级沟渠沿程污染物测定发现A（空白实验8～10℃）、B（调低温度0～5℃，降低流量）、C（调高温度15～20℃，增大流量）三个条件下总氮的截留率峰值均在TG2处，并且TG1到TG2总氮截留率呈现大幅度上升。其次A、B、C三个条件下总氮含量从TG1到TG5呈波动式下降。可以看出药物配水下，C条件下总氮的沿程下降趋势较为明显，这是由于适宜的温度更加有利于反硝化反应的进行，进而说明反硝化作用对氮的去除效果最为明显。

（2）氨氮、硝态氮作为水体中氮素的主要存在形态，在有氧与缺氧下都易发生形态转化。氨氮、硝态氮在梯级沟渠中的含量变化受缺氧与好氧的影响整体浓度沿程呈现无规律变化，B、C条件下对氨氮的去除率明显高于A条件，并且B、C条件下平均截留率为77.30%，这说明B、C条件对氨氮具有很好的拦截和去除效应。而硝态氮在C条件下的去除效果明显比A、B条件下要好，这说明C条件对硝态氮去除效果最为明显。

（3）A、B、C三个不同组合条件下总氮截留率为：C（26.8%）＞A（13.87%）＞B（9.95%），因此相比A（空白实验8℃～10℃）和B（调低温度0～5℃，降低流量）两个条件来说，梯级沟渠模拟系统在C（调高温度15～20℃，增大流量）条件下对氮素去除效果最好。