生态沟渠对丘陵地区农村面源污染净化效果研究

杨尚虎，龚屹鹏，杨 龙，兰书焕，罗明华

(1.绵阳师范学院资源环境工程学院，四川绵阳 621000；2.中国科学院成都生物研究所中国科学院环境与应用微生物重点实验室，四川成都 610041；3.绵阳师范学院生命科学与技术学院，四川绵阳 621000)

0 引言

近年来，随着环保意识的增强与技术研究的不断发展，我国点源污染问题得到一定控制.但在农村地区，为提高粮食产量，大量化肥、农药与杀虫剂等农用产品投入到农业生产中，随之产生土壤肥力下降、水体富营养化等严重环境问题.据全国第一次污染源调查结果，农业源排放的总氮、总磷排放分别为270.46万t和28.47万t，分别占排放总量的57.2%和67.4%.由于农村面源污染具有分散性、随机性与突发性，该类污染问题难以治理.农业面源排放的氮磷严重影响农村河道生态环境，破坏农村人居环境[1-3].随着农村面源污染问题研究的发展，人工湿地、前置库和稻田消纳等治理技术在拦截氮磷污染物中有明显效果，但人工湿地技术、前置库技术及稻田消纳技术存在占地面积大的问题，也使其在我国某些地区难以推广[4-5].研究表明生态沟渠技术具有氮磷拦截效果好、易建设、低成本与少维护的优势，但其显著问题在于单位面积拦截效率低[6].因此，强化生态沟渠对污染物消减性能，成为亟待解决的问题.董怡华[7]等用不同基质构建植物塘-人工湿地复合系统，该系统对COD、氨氮和总磷去除率分别为96.05%～98.06%、98.07%～98.88%和95.14%～96.68%，去除效果均良好.李梦华[8]等对陶粒基质人工湿地去污性能研究表明，粘土陶粒人工湿地对COD、总氮和总磷的去除效果明显，去除率分别为72.9%～97.2%、84.0%～96.3%和92.6%～99.6%.上述研究表明基质可优化污染物消减效率，但仅仅将基质应用在人工湿地技术领域，在生态沟渠中的应用鲜见报道.

本文报道了将植物、基质与微生物联合作用应用于生态沟渠技术，强化沟渠对污染物的消减性能，综合利用栽培植物的去污性能、景观功能，构建土壤+基质+植物与土壤+植物两种生态拦截沟渠，监测并分析污染物经两种沟渠处理后，化学需氧量COD和氮磷的浓度变化，并探讨两种生态沟渠COD、氨氮、硝氮、总氮和总磷的削减贡献率及水力停留时间影响，以期为丘陵地区农村面源污染治理工程设计和应用提供参考.

1 研究区域与方法

1.1 研究区域概况

成都市某村(东经104°27'51.6"，北纬30°24'11.5")位于沱江中游绛溪河支流赤水河旁，地貌以浅丘为主，年平均气温17 ℃，年平均降水量874 mm.常住人口1 981人，农作物种类多、面积广，单位面积化学肥料用量大(氮肥、磷肥、复合肥施肥量约为各50 kg/亩).丰水期5～9月降雨频繁、量大，污染物随降雨径流沿地势汇集到两条贯穿村庄的排污沟流入赤水河内.

1.2 试验材料与设计

污水经闸门、调节池进入沟渠，两组沟渠各设置美人蕉、伞草、泽泻和狐尾藻四个植物单元.沟渠1基质层由火山石、沸石、陶粒三种基质组合而成，基质的多孔结构有助于微生物挂膜，污水中部分有机物、氮素、磷素经微生物的吸收、降解、反硝化等过程得以去除.且基质本身对污水中氮素、磷素有吸附作用，植物根系可吸收固定在基质上的氮磷元素作为自身营养物质，污水中氮磷浓度经基质捕捉—植物吸收不断循环的过程进一步降低.沟渠2在削减污染物的同时与沟渠1形成对照，验证组合基质对沟渠净化污水的强化作用，污水净化流程见图1.

图1 污水净化流程图Fig.1 Sewage purification flow chart

美人蕉(CannaindicaL.)：美人蕉科美人蕉属植物，高可达1.5 m，全株绿色无毛，具块状根茎，地上枝丛生；叶片卵状长圆形.性喜温暖和充足的阳光，适应于肥沃粘质土壤生长，我国南北各地常有栽培，作为观赏植物.据文献报道，美人蕉对硝氮、氨氮有明显净化效果[9-10].

伞草(CyperusalternifoliusL.)：又名风车草，莎草科莎草属多年生草本植物，株高60～150 cm，根状茎短，粗大，须根坚硬，茎直立无分枝，叶顶生为伞状，有多数辐射枝，中国南北各省均有栽培，作为观赏植物，伞草对污水中氮磷、COD有良好的净化效果.

泽泻(Alismaplantago-aquaticaL.)：多年生水生或沼生草本，块茎直径1～3.5 cm，或更大.叶通常多数；沉水叶条形或披针形；挺水叶宽披针形、椭圆形至卵形.生于湖泊、河湾的浅水带，沼泽、沟渠及低洼湿地亦有生长.本种花较大，花期较长，用于花卉观赏.

狐尾藻(MyriophyllumverticillatumL.)：多年生粗壮沉水草本，根状茎发达，节部生根，茎圆柱形，水上叶披针形，较强壮，鲜绿色，裂片较宽.中国南北各地池塘、河沟和沼泽中常有生长，夏季生长旺盛，冬季生长慢，能耐低温，可作为冬季沟渠净化植物.

基质选择火山石(粒径2～3 cm)、沸石(粒径2～3 cm)、粉煤灰陶粒(粒径0.5～0.8 cm)(均购于巩义市德源物资经销部)；花盆选择镂空塑料花盆(下口径10 cm，上口径18 cm，高15 cm，购于台州市黄岩屹森塑料制品厂)，六孔托架(孔径12 cm、长45 cm、宽35 cm、高8 cm，购于深圳市宝安区卉丰园艺资材商行)；流量计选择超声波明渠流量计-巴氏流量计(购于南京祥瑞德家具专营店).美人蕉、伞草与泽泻单元均采用盆栽与托架搭配使用的方式，种植密度为12株/m2；狐尾藻直接泼洒，密度约为20株/m2.

两组生态沟渠均呈“弓”字型，左右对立分布，具体设计技术指标如表1所示.

1.3 分析指标与方法

沟渠稳定运行两个月后，于面源污染高发期6～9月监测沟渠对COD、氨氮、硝氮、总氮与总磷的净化效率及不同水力停留时间(hydraulic retention time,HRT)各植物单元净化效率变化，测定方法参考文献[9]的方法.

2 讨论

2.1 生态沟渠净化效率

选取沟渠进水和沟渠1和沟渠2美人蕉、伞草、泽泻植物单元出水为测定对象，探究两组盆栽植物对污染物的去除效率.图2反映了沟渠对COD净化效果.由图2可见，沟渠1对COD去除率在38.38%～59.85%，平均去除率为52.64%；沟渠2对COD去除率在19.19%～49.36%，平均去除率为38.58%.图3反映了沟渠对水体氮的净化效果.由图3可见，沟渠1对氨氮去除率在38.46%～87.91%，平均去除率为60.27%；对硝氮去除率在10.38%～97.70%，平均去除率51.91%；对总氮去除率在14.25%～97.25%，平均去除率为47.94%.由图4可见，沟渠2对氨氮去除率在19.23%～82.97%，平均去除率为53.44%；对硝氮去除率在6.49%～59.39%，平均去除率为34.13%；对总氮去除率在14.08%～66.27%，平均去除率为32.12%.图5反映了沟渠对水体磷的去除效率.由图5可见，沟渠1对总磷的去除率在28.85%～49.36%,平均去除率为40.12%；沟渠2对总磷去除率在7.81%～51.10%，平均去除率为24.81%.

图2 沟渠COD净化效果Fig.2 COD purification effect of ditch图3 沟渠1水体氮净化效率Fig.3 Nitrogen purification efficiency of ditch 1 water body

图4 沟渠2水体氮去除效率Fig.4 Nitrogen removal efficiency of ditch 2 water body 图5 沟渠水体磷去除效率Fig.5 Phosphorus removal efficiency of ditch water body

基质利用自身的多孔结构、离子交换等特性拦截污染物.同时，微生物利用基质作为生存载体，在其表面挂膜去除水体中有机物和氮素.有机物主要通过微生物异化作用进行降解，氮素的去除主要以反硝化的方式进行[10-12].由图结论可见，组合基质应用于生态沟渠中提高了沟渠对污染物的去除效率，沟渠1对COD、总氮和总磷的平均去除率比沟渠2分别高出14.06%、15.82%和15.31%.

2.2 HRT对沟渠1净化效果影响

试验根据排污沟在枯水期、平水期、丰水期平均流量大小将生态沟渠进水划分为小中大三个流量等级，对应HRT分别为12、5和2 h，探究不同进水强度下沟渠1系统对污染物的去除效果.

图6表示沟渠1在HTR分别为12、5和2 h时运行稳定后，沟渠系统对各污染物的平均(3次平行)去除率及各植物单元的去污贡献.由图6可见，当HRT从12 h降低至2 h，COD、氨氮、硝氮总氮和总磷的平均去除率分别下降29.95%、15.03%、15.24%、22.25%和29.16%.沟渠依靠基质—微生物—联合作用拦截有机物、氮磷元素[13]，随着HRT降低，进水与基质、植物根系、微生物的接触时间缩短，物质交换、吸附等过程减少，进而影响沟渠系统对污染物的吸收和降解.

图6 不同HRT下的污染物去除率及四个植物单元的去除贡献Fig.6 Pollutant removal rate under different HRT and removal contribution of four plant units

由图6还可见，当HRT从12 h降低至5 h，伞草单元作为美人蕉单元的后一处理单元，对COD、氨氮、硝氮、总氮、总磷的平均出去率分别增加4.05%、19.82%、7.64%、6.05%和4.66%.HRT从12 h降低至5 h，受进水水力负荷增加影响，作为第一处理单元的美人蕉对污染物去除效果下降.进入到伞草单元的污染负荷增加，污染物在伞草单元格中的去除量增加，因此污染物在该单元中去除率升高.可见植物单元串联的方式可提高沟渠的抗冲击负荷能力，提升沟渠去除污染物的稳定性.另外，在HRT为12、5 h时，狐尾藻作为末端处理单元对COD和总磷仍具有较好拦截效果.HRT=12 h时，对COD、总磷去除效果为12.83%、15.63%；HRT=5 h时，对COD、总磷去除效果为20.72%、33.68%.降雨径流COD、总磷的颗粒态在全形态中占有一定比例[14]，狐尾藻根部发达细密、纵横交错，可形成致密的网状根系结构，对颗粒态污染物进行有效拦截过滤.当HRT降低至5 h时，狐尾藻植株与进水接触面积因沟渠水位升高而增加，颗粒态COD、总磷拦截量随之增加，出水浓度降低.但HRT降低至2 h后，水流的冲刷作用远超过狐尾对藻颗粒态COD、总磷的拦截过滤，出水浓度升高.其次，当HRT从12 h降低至5 h，沟渠系统对硝氮和总氮平均去除率分别升高34.52%、41.46%.分析认为，适当提高进水负荷能促进微生物与水的物质交换、吸收等过程，从而增强微生物的代谢能力，有益于污染物降解[15].本研究结果与前人[16]等对水力停留时间对生物滞留池总氮去除效果影响研究结果相近.

3 结论与建议

(1)沟渠1对COD、氨氮、硝氮、总氮和总磷平均去除率分别为52.64%、60.27%、51.91%、47.94%和40.12%，组合基质应用于生态沟渠中提高了沟渠对污染物的去除效率，沟渠1对COD、总氮、总磷的平均去除率比沟渠2分别提高了14.06%、15.82%和15.31%.

(2)HRT对沟渠系统污染物去除效果影响较大.随着进水流量增加、HRT减少，沟渠1对COD、氨氮和总磷的去除效果下降.但在HRT为12、5和2 h中，硝氮去除率在HRT=5 h时达到最佳.

(3)狐尾藻根系发达致密，对颗粒态污染物有明显拦截过滤效果.但狐尾藻根茎叶较软，抗冲击能力差，可将狐尾藻设置在生态沟渠末端，作为去除径流污染中颗粒态污染物的有力屏障.

(4)丰水期洪水时段是生态沟渠运行的难点.可在沟渠前端增设导流、缓流设施，降低降雨洪峰对沟渠系统的破环，保护沟渠植物的同时提升丰水期沟渠净化效果.