植物塘对农田退水中主要污染物降解效果浅析

倪涌

（镇江市生态环境局 江苏镇江 212001）

0 引言

农田退水一直是水环境治理的一个难题。农田退水是农业面源污染的主要污染途径之一。在美国，农田退水造成了2/3 河流和湖泊的水体受到污染［1］。根据欧洲河流的有关调查结果显示，仅挪威一国的农业退水中有将近30%的TP 和50%的TN，其污染程度可见一斑。农田退水属于间歇性突发排放且来源复杂，其排放时间、水量、污染物浓度等要素很难在源头上进行控制。目前，治理农田退水的思路：①减少耕地肥料的用量，从源头上减少污染来源；②建立生态拦截系统，包括生态渠、植物塘等，对其进行末端治理。然而控制肥料用量会影响农业生产，而生态渠技术需要较大的占地面积，且需要一定的时间长度进行生物降解，并不适合所有的农村地区；而植物塘可以用废弃的鱼塘进行改造或者直接在预留空地上挖建，形式多样，以便于统一管理，适合各类农村地区使用。

1 植物塘降解技术的优点和去污机理

就目前农田退水治理技术来看，植物塘属于比较新型且有效的生态治理方式之一。它是通过构建生物群落的方式，将水生生物、浮游生物、微生物形成一个共生系统，利用生物的自净功能来处理污水，相对于“引言”中介绍的农田退水处理方式，具有以下优点：

（1）相对于生态渠，植物塘可以拥有更大的容积和收水面，能够对大量高浓度农田退水进行缓冲，有效杜绝渠道满溢后，农田退水直接排入附近河道。

（2）拥有更深的水深，方便各种降解植物的栽种，特别是一些沉水植物的栽种，能够根据各地水污染特点，栽种具有针对性污染因子降解植物，同时在构建水生态环境方面具有更多的选择性。

（3）占地面积较小，同时能保证污水具有足够的停留时间，降解作用相对于生态渠更为显著。

植物塘目前主要是对农田退水中的有机物、氮、磷进行降解。针对有机物，先是通过絮凝、稀释、沉淀3 种物理性作用，而后在水中微生物降解和水生植物吸收2 种化学作用下最终得以去除和降解［2］。植物塘中的植物不仅能够提供载体来促进微生物的生长，而且在其进行光合作用的过程中所产生的氧气还能够帮助依赖氧气维持生命的微生物进行生理活动，而微生物的代谢产物能够为水生植物提供碳源和营养物质，微生物-植物共生系统有助于去除污水中的有机物［3］。

农田退水中磷的形态主要为有机磷、正磷酸盐和聚磷酸盐。在植物塘中，磷从水中被降解的机理一般有2 种：①通过水中植物的吸收作用，将磷变为自身生命活动中必需的营养来源；②PO43-经过化学作用后可以同水体中的Ca2+、Mg2+和Fe3+等阳离子结合，从而发生化学沉淀而被降解。

在植物塘中，一般是通过植物吸收和氨挥发2 种方式降解水体中的氨氮。植物塘内氨氮主要以2 种形态存在，这2 种形态间的平衡方程式见式（1）。

式（1）中平衡过程受温度和pH 的影响。当pH 在7.0 左右时，水体中氮的存在形式主要以NH4+为主；当pH＞9.0 时，植物塘中氮的主要降解途径为氨挥发［4］。

2 影响植物塘降解效果的主要因素

2.1 实验方法

为考察植物塘对农田退水降解的主要因素，通过模拟实验，将同质的水样充入到模拟的塘体中。塘体基质采用现有塘体中的淤泥并混入细沙、鹅卵石等（图1）。淤泥作为底层铺垫层，主要用于植物根系的延伸和营养物质的保存和固定，而泥沙和鹅卵石除了模拟自然塘底的环境，还对水中悬浮物进行吸附，一定程度上保持水体的清澈，使植物得到充足的光照。

图1 模拟植物塘设定图

根据本地主要植物塘的平均深度，整个模拟塘体水体深度为1.5 m，底部栽种本地较为常见的挺水或沉水植物（植株均选择发育成熟的植株）。根据相关研究资料采用合适的种植密度以保证最大的处理效果［5］，同时设置不同的水力停留时间、塘体温度等条件进行分类实验［6］来判断不同条件下植物塘的降解效果，详细情况见表1。

表1 各组样品的实验条件

根据本地农田退水长期实际的监测数据，本实验设置3 种浓度的水流来模拟日常农田退水常见水质状况，设置情况见表2。分别通入10 组试样中来测定降解效果。

表2 进水水质设定 单位：mg／L

2.2 实验结果

根据实验发现，对于高浓度废水，一般停留时间需要9 d 才能使降解水质趋于平稳，而中浓度需要6 d，低浓度只需要5 d，浓度越高，需要降解的时间越长。

（1）在COD 降解率方面，30 ℃水温下，香蒲对COD的降解率最高，接近80%，而泽泻与菖蒲的降解率分别为78%和77%，狐尾藻的COD 降解率为75%，金鱼藻为62%。在20 ℃时，香蒲、泽泻的降解率有所下降，而金鱼藻和菖蒲的降解率却有所提高。在10 ℃时除金鱼藻外，其他4 种植物的降解率都出现大幅度下降（图2）。从上述实验数据来看，COD 的降解效果与所在的环境温度有着一定的关联，同时跟水生植物生长状态也有着密切的关系。比如金鱼藻在20 ℃时的净化效果相比30 ℃时竟出现少量的提升，据有关资料显示，金鱼藻最佳生长温度为15～25 ℃，在这个温度范围内，金鱼藻的生物活性最强。同时在这个研究中发现，浊度对金鱼藻的净化效果也有干扰，例如在20 ℃、200 NTU 的浑水中，金鱼藻的降解效率在5 d 内会出现逐渐降低的现象，一旦浊度恢复到50 NTU 以下，金鱼藻的降解效率便会在最高值稳定下来，这与金鱼藻受到的光照减少、植物生长情况不佳有着密切的关系。

图2 不同温度下各水生植物COD 降解率

（2）在氨氮降解方面，30 ℃水温下，菖蒲的降解率最优，达到了84%，泽泻为66%，香蒲为60%，狐尾藻为64%，金鱼藻仅为35%；而在20 ℃时，所有植物的降解率都产生了一定的下降，但幅度较小；在10 ℃时，所有植物的降解率都在持续下降，但幅度变化极其微小（图3）。从氨氮实验中，我们发现水温对氨氮降解的影响不如COD 降解那么明显，这也验证氨氮的去污过程与水温关联较小，同时水生生物的长势对氨氮降解效果影响也较小，只和植物品种有关。值得注意的是，氮元素也是植物生长所需的重要营养之一，相对于COD 的降解率，氨氮在同等温度下的降解率是高于COD 的。所以在氨氮的降解方面，要针对不同地区农田退水的水质，进行合适的水生植物栽种搭配，以取得更好的效果。

图3 不同温度下各水生植物氨氮降解率

（3）在总磷降解方面，30 ℃水温下，泽泻的降解率最优，达到了70%，菖蒲为65%，香蒲为62%，狐尾藻为61%，金鱼藻为47%；而在20 ℃时，除菖蒲、狐尾藻外，所有植物的降解率都在持续下降，菖蒲和狐尾藻的处理效率达到了66%和62%；在10 ℃时，除金鱼藻略微下降外，所有植物的降解率出现大幅度下降（图4）。从总磷的测试数据来看，其降解效率和温度的关联性较COD和氨氮来看是最大的，也就是说，总磷的降解和水生植物的生长情况关联最大。因为磷作为植物生长所需的营养物质之一，一旦环境温度不在水生植物最佳生长的范围内，植物对其的代谢作用便会直线下降，对营养物质的消耗也会大大减少，这也一定程度上说明，PO43-经过化学作用后可以同水体中的Ca2+、Mg2+和Fe3+等阳离子结合，从而发生化学沉淀而被降解。这种作用相对于植物的吸收消耗作用来说，在总磷降解过程中不是主要作用，这也在一定程度上说明，为什么很多鱼塘湖泊一旦沉水植物出现大面积死亡，就会爆发水华等。原因是营养物质原有的消耗平衡被打破，消费者由水生植物变为藻类，藻类的生长速度大幅增加。

图4 不同温度下各水生植物总磷降解率

综上所述，温度是影响水生植物的生长的重要因素，同时也是影响植物塘降解效果的重要因素，尤其是COD 和总磷的降解与水生植物适宜生长的温度有很大的关联，而氨氮的降解和水温关联性较小。同时我们发现金鱼藻的温度适应性较强，降解效率也相对于其他植物来说十分稳定，在不同的区域均可以作为水生植物搭配的必选物种。

3 结论

（1）水温影响植物塘降解效果的一个重要因素。水温由于影响水生植物的长势，会进一步影响植物的生物活性，从而影响水生植物对污染物的代谢效率，进而影响整个植物塘对污染物的代谢效率。对于不同的因子，水温对总磷的降解影响最大，COD 次之，最后是氨氮。

（2）停留时间是影响污染物净化量的一个重要指标。在实际运用中，植物塘的降解作用是生态法的典型，虽然不如一些加药沉淀、曝气絮凝等方法来的快速，但副作用几乎不存在，也不会对水质造成二次污染。所以要保证植物塘出水水质达标，必须要有较长的水力停留时间。

（3）植物物种选择，对氨氮降解影响较大。所以不同地区要根据当地的农田退水的水质特点，合理栽种不同类型的水生植物，保证其降解效果的稳定和优化。