應(yīng)用緩釋氧基質(zhì)強(qiáng)化生態(tài)溝渠對農(nóng)田排水中氮磷的凈化能力

趙新宇，商衛(wèi)純，陳昌仁，邵光成，鐘天意，馮 騫

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210098；2.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098；3.寧波市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究設(shè)計院, 浙江寧波 315010；4.江蘇省水利廳，江蘇南京 210098；5.河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098)

造成農(nóng)業(yè)面源污染的原因多種多樣，而農(nóng)田排水占主導(dǎo)地位。據(jù)相關(guān)調(diào)查，造成河、湖等富營養(yǎng)化的原因中，有超過了25%的原因是農(nóng)田排水造成的[1]。農(nóng)田排水溝渠是農(nóng)田排水的最初匯集地，也是河道和湖泊營養(yǎng)鹽的輸出源。在八卦洲存在著大量農(nóng)田排水溝渠，這就為其周圍河道和湖泊的富營養(yǎng)化埋下了較大隱患。

現(xiàn)階段的研究表明，通過將農(nóng)田排水溝渠人工改造為生態(tài)溝渠，即在毛溝或農(nóng)溝等自然溝渠種植挺水植物并輔以農(nóng)田排水控制等多重手段，不僅能夠促進(jìn)挺水植物根系的生長，還能增加根系表面與脫氮除磷相關(guān)微生物的附著量，很大程度上增強(qiáng)了溝渠凈化氮磷污染物的能力[2]。然而對于布設(shè)緩釋氧基質(zhì)提高溝渠凈化效果等方面，尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)的研究。鑒于此，本文通過實(shí)驗(yàn)室模擬八卦洲某農(nóng)田排水溝渠，研究了三種挺水植物對氮、磷的削減效果；并進(jìn)一步考察了模擬溝渠底部布設(shè)緩釋氧基質(zhì)對于生態(tài)溝渠削減污染物的強(qiáng)化效果，以期為農(nóng)田排水溝渠的改造及農(nóng)田面源污染的削減提供可靠的技術(shù)手段，從而緩解河道的污染問題。

1 試驗(yàn)?zāi)M裝置、材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置與材料

本試驗(yàn)采用有機(jī)玻璃制作整個排水溝渠模擬裝置，以模擬農(nóng)田排水溝渠。該模擬裝置的具體尺寸為3.0 m ×0.3 m×0.5 m (長×寬×高)，裝置如圖1所示。裝置底部鋪設(shè)有厚約5 cm的現(xiàn)場采集的溝渠底泥，鋪設(shè)前用蒸餾水對現(xiàn)場采集的溝渠底泥洗滌2～3次，以去除原溝渠底泥中的污染物，挺水植物均勻的栽培于底泥。模擬溝渠內(nèi)有效水深為0.3 m，借助一臺循環(huán)泵(BT100-2 J)轉(zhuǎn)速的控制，使水體以3 m/min的速度流動起來。

本試驗(yàn)中，原水取自于南京市八卦洲某農(nóng)田排水溝渠的春季農(nóng)田排水。前期對原水水質(zhì)進(jìn)行檢測，主要水質(zhì)指標(biāo)：NH3-N為9.6 mg/L, TN為44.1 mg/L, TP為1.1 mg/L, CODMn為12 mg/L。本文選擇黃菖蒲[3]、風(fēng)車草[4]及梭魚草[5]3種具有較強(qiáng)污染物去除能力的景觀挺水植物為試驗(yàn)植物。試驗(yàn)在自然光照下進(jìn)行，模擬農(nóng)田溝渠中污染物的凈化過程。另外，試驗(yàn)所需的緩釋氧基質(zhì)由緩釋氧材料、保水材料、骨架材料、外加劑材料和粘結(jié)材料按照一定的比例混制而成，其中各部分材料的重量百分比分別為30%過氧化鈣、10%過氧化鎂；5%蛭石、10%污泥營養(yǎng)土、5%酸改性凹凸棒土；12%陶粒、8%毛竹纖維；3%高爐礦渣、2%磷酸二氫鉀；4%高嶺土、7%蒙脫石、4%伊利石[6]，并在模擬裝置底部均勻布設(shè)緩釋氧基質(zhì)。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Schematic Diagram of Experiment

1.2 試驗(yàn)過程

設(shè)置3組模擬溝渠以配置單一挺水植物，另設(shè)置3組模擬溝渠以搭配種植兩種挺水植物，再設(shè)1組種植單一挺水植物，并在其底部均勻布設(shè)緩釋氧基質(zhì)。表1為具體的配制方式。最后設(shè)一自然溝渠組(空白對照組)進(jìn)行比較。緩釋氧基質(zhì)材料的用量為1 g/L，其平均釋氧速率為0.082 mg/(g·d)，勻散于模擬生態(tài)溝渠的底部。裝置內(nèi)水溫恒定于(15±1) ℃，pH值控制在7.3±0.1。穩(wěn)定運(yùn)行12 d，每隔1 d取樣并進(jìn)行水質(zhì)分析。

1.3 分析指標(biāo)方法

試驗(yàn)過程中，本文通過分析NH3-N、TN和TP 3個水質(zhì)指標(biāo)的變化過程來評價挺水植物的凈化能力。NH3-N采用的是納氏試劑分光光度法測定；TN采用的是堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法；TP采用鋁銻抗分光光度法。

表1 模擬生態(tài)溝渠中挺水植物及緩釋氧基質(zhì)配置方式Tab.1 Arrangement of Emergent Aquatic Plants and Sustained-Release Oxygen Substrate in Simulated Ecological Ditches

2 試驗(yàn)結(jié)果

圖2 單一挺水植物、兩兩組合搭配、布設(shè)緩釋氧基質(zhì)對水體中NH3-N、TN、TP的去除Fig.2 Removal of NH3-N, TN, TP by Single Emergent Aquatic Plant, Combination in Pairs of Three Emergent Aquatic Plants and Deployment of Sustained-Release Oxygen Substrate

本文所選的黃菖蒲、梭魚草及風(fēng)車草三種景觀挺水植物去除農(nóng)田排水中氮、磷的效果如圖2所示。由圖2可知，空白對照組中NH3-N、TN和TP的濃度在裝置運(yùn)行12 d后，僅有小幅度的下降。在單一植物組中，本文所選的3種挺水植物均能較好地去除氮磷。在黃菖蒲組中，可以將NH3-N濃度削減到6.6 mg/L，TN濃度削減到27.5 mg/L，TP削減到0.47 mg/L；其NH3-N、TN和TP去除負(fù)荷分別為75.29、413.86 mg/(m2·d)和15.57 mg/(m2·d)。其余兩組中，梭魚草組NH3-N、TN及TP的濃度分別為6.9、28.3 mg/L和0.53 mg/L；其NH3-N、TN和TP去除負(fù)荷分別為67.79、393.86 mg/(m2·d)和13.84 mg/(m2·d)。風(fēng)車草組中NH3-N、TN和TP的濃度分別為7.1、36.6 mg/L和0.52 mg/L；其NH3-N、TN和TP去除負(fù)荷分別為62.79、186.36 mg/(m2·d)和14.09 mg/(m2·d)。

當(dāng)挺水植物兩兩搭配組合時，3種組合對于氮磷的凈化效果均不佳。由圖2可知，12 d時，黃菖蒲搭配風(fēng)車草組中NH3-N、TN和TP的濃度分別為8.4、38.5 mg/L和0.86 mg/L；其NH3-N、TN和TP去除負(fù)荷分別為28.31、137.72 mg/(m2·d)和5.80 mg/(m2·d)。當(dāng)黃菖蒲搭配梭魚草種植時，NH3-N、TN和TP的濃度分別為8.5、39.3 mg/L和0.89 mg/L；其NH3-N、TN和TP去除負(fù)荷分別為25.96、117.75 mg/(m2·d)和4.87 mg/(m2·d)。梭魚草搭配風(fēng)車草組中NH3-N、TN和TP的濃度分別為8.5、39.2 mg/L和0.92 mg/L；其NH3-N、TN和TP去除負(fù)荷分別為25.63、120.50 mg/(m2·d)和4.12 mg/(m2·d)。而對于布設(shè)了緩釋氧基質(zhì)的黃菖蒲組，NH3-N、TN和TP的濃度分別為3.9、26.1 mg/L與0.40 mg/L；其(NH3-N)、TN和TP去除負(fù)荷分別為141.04、449.28 mg/(m2·d)和17.14 mg/(m2·d)。值得注意的是，不論挺水植物單獨(dú)作用、組合作用或者搭配緩釋氧基質(zhì)作用，模擬裝置運(yùn)行過程中水生植物的耗水量均較大，需定期為模擬裝置補(bǔ)充潔凈水。那么在實(shí)際的生態(tài)溝渠運(yùn)行中，就要考慮到水生植物的蒸騰作用和根系傳輸水的能力所造成的水分損失，很可能需要向生態(tài)溝渠中補(bǔ)充水源，以維持水生植物的正常生理代謝。

3 分析與討論

3.1 單一挺水植物削減氮磷的能力

受污染模擬溝渠水質(zhì)中氨態(tài)氮、總氮和總磷濃度的去除率如圖3所示。由圖3可知，空白對照組中的氮磷有微量削減。結(jié)合3種挺水植物的NH3-N、TN和TP的去除負(fù)荷對比，發(fā)現(xiàn)在NH3-N的去除中，黃菖蒲的凈化效果較好，去除率大于30%；而在TN的削減方面，梭魚草、黃菖蒲表現(xiàn)出較強(qiáng)的去除能力，去除率大于35%；3種景觀挺水植物對TP的去除效果均較顯著，去除率均可達(dá)到50%以上。

圖3 三種挺水植物單獨(dú)作用對NH3-N、TN、TP的去除率Fig.3 Removal Rates of NH3-N, TN, TP by Single Emergent Aquatic Plant

挺水植物在生長過程中通過吸收和利用水中的NH3-N等無機(jī)氮來合成自身的物質(zhì)，這樣就降低了水體中TN的含量。另外，有研究表明，NH3-N的濃度水平低于10 mg/L時，黃菖蒲體內(nèi)一些促進(jìn)光合作用的酶活性未被抑制，這就使得其體內(nèi)葉綠體處于正常生理狀態(tài)，莖葉部分的氮利用率穩(wěn)定在較高的水平[7]。這就解釋了黃菖蒲對無機(jī)氮的吸收及轉(zhuǎn)換能力都要優(yōu)于其他兩種挺水植物。另外，試驗(yàn)結(jié)果表明三種挺水植物均可以較好地吸收和利用磷來合成生長所需的物質(zhì)，并且黃菖蒲對于磷的去除效果最好，去除率約是空白對照組的6倍。分析原因可能是在高磷濃度條件下，黃菖蒲體內(nèi)具有相應(yīng)的生理適應(yīng)機(jī)制，使其適應(yīng)在高磷環(huán)境下生長[8]，從而可以有效提高其對農(nóng)田排水中磷的利用率。但經(jīng)凈化后，NH3-N、TN濃度水平仍較高(NH3-N>6.5 mg/L；TN>25 mg/L)，表明單一挺水植物去除NH3-N和TN效果有限。

3.2 挺水植物組合削減氮磷的水平

盡管本文研究的3種景觀挺水植物均具有較好的氮磷污染物凈化效果，但挺水植物單獨(dú)作用凈化后，農(nóng)田排水中的污染物濃度仍停留在較高的水平。與此同時，一些學(xué)者提出與單一植物相比，一些挺水植物的組合兼具增強(qiáng)NH3-N與TP的凈化效果[9]。因此，本試驗(yàn)記錄了設(shè)計的3種挺水植物組合搭配時的凈化效果。由圖4可知，設(shè)計的風(fēng)車草與黃菖蒲均勻種植時對NH3-N、TN和TP的凈化率最高，去除率分別為11.83%、12.51%和21.31%。然而，3種組合方案的氮磷污染物去除負(fù)荷均遠(yuǎn)低于挺水植物單獨(dú)作用時的效果，均無法顯著地提高氮磷的去除率。

造成挺水植物組合去除氮磷效果不佳的原因很可能是植物的化感作用[10]，即植物在發(fā)揮作用時會以不同途徑向周圍的環(huán)境中釋放化感物質(zhì)。這類化學(xué)產(chǎn)物主要包括了脂肪族、芳香族、含氧雜環(huán)化物、類萜和含氮化物[11]。這些物質(zhì)作為植物自身的次生代謝產(chǎn)物會產(chǎn)生毒害作用，進(jìn)而影響另一種挺水植物的正常生長代謝，使得黃菖蒲搭配風(fēng)車草的組合對NH3-N、TN和TP的去除率不及挺水植物單獨(dú)作用(比如黃菖蒲)時的1/2。由此可以得出，不同景觀挺水植物的組合搭配對于污染物的去除并未達(dá)到人們的預(yù)期效果。此外，還應(yīng)加強(qiáng)生態(tài)溝渠運(yùn)行中的水生植物管理，在生態(tài)溝渠的閑置期及時收割清理，一年兩次，一次宜在2月～3月，另一次宜在8月～9月。避免水生植物的季節(jié)性死亡和分解腐爛惡化水體水質(zhì)，造成水體的二次污染。

圖4 挺水植物兩兩的組合及布設(shè)緩釋氧基質(zhì)于黃菖蒲對氮磷的去除率Fig.4 Removal Rates of NH3-N, TN and TP by Combination in Pairs of the Emergent Aquatic Plants and the Deployment of Sustained-Release Oxygen Substrate in Iris pseudacorus L.

3.3 緩釋氧基質(zhì)布設(shè)改善水體條件并強(qiáng)化生態(tài)溝渠凈化氮磷的能力

3.3.1 緩釋氧基質(zhì)布設(shè)改善水體pH、DO

在農(nóng)村溝渠的農(nóng)田排水中，溶解氧的濃度往往很低，而低濃度的溶解氧在很大程度上限制了挺水植物對于溝渠生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)能力[12-13]，同時也成為阻礙NH3-N去除的因素之一。本文提出將緩釋氧基質(zhì)應(yīng)用在生態(tài)溝渠中，利用緩釋氧基質(zhì)中的兩種釋氧材料過氧化鈣和過氧化鎂遇水能夠釋放氧氣的特性，再結(jié)合粘結(jié)材料對釋氧材料釋氧速率的控制，緩慢為水體提供充足的氧氣以強(qiáng)化挺水植物對于氮磷等污染物的削減能力。由圖5可知，布設(shè)緩釋氧基質(zhì)材料后黃菖蒲組中溶解氧濃度的平均值為4.38 mg/L，較空白組高約2.35 mg/L；相比未布設(shè)緩釋氧材料的#1組，溶解氧濃度提高了1.65 mg/L左右。本研究所制的緩釋氧基質(zhì)在20 d內(nèi)能夠持續(xù)地向水體提供氧氣，再加上挺水植物白天的光合作用，這兩者使得水體的溶解氧濃度顯著提升。另外，由于緩釋氧基質(zhì)自身的材料具有一定的絮凝性能，布設(shè)過程中會附帶著將水體中的懸浮顆粒物和小部分有機(jī)物凝聚起來，形成絮狀膠體沉降至水底，水體的透明度增加，植物的光合作用得到增強(qiáng)。

圖5 緩釋氧基質(zhì)布設(shè)前后水體DO變化Fig.5 Changes of DO before and after the Deployment of Sustained-Release Oxygen Substrate

此外，在布設(shè)有緩釋氧基質(zhì)的黃菖蒲組中的農(nóng)田排水的pH值(7.6)要比未布設(shè)有緩釋氧基質(zhì)的黃菖蒲組的(pH值=7.5)和空白對照組的(pH值=7.4)略高。但各組的pH均處于中性水平，這為受污染溝渠的原位處理提供了良好的環(huán)境。在pH中性環(huán)境下，原溝渠的底泥中磷的釋放這一過程受到了抑制[14]；且微生物的活性較強(qiáng)，有利于水中、植物根區(qū)附近微生物的硝化和反硝化作用等[2]。

3.3.2 緩釋氧基質(zhì)的布設(shè)強(qiáng)化生態(tài)溝渠的氮磷凈化能力

由圖4可知，#7組中NH3-N、TN和TP的去除率分別為：58.94%、40.79%和63.02%。對比分析黃菖蒲削減污染物的效果，NH3-N去除率提高了約25%，NH3-N去除負(fù)荷提高了65.75 mg/(m2·d)。證明挺水植物對NH3-N的凈化能力的增強(qiáng)是由于水體中充足的溶解氧造成的；但TN和TP去除負(fù)荷僅分別提高了35.43 mg/(m2·d)和1.57 mg/(m2·d)，說明緩釋氧材料的投加并未顯著的提升TN和TP去除率。

上述研究表明均勻布設(shè)的緩釋氧基質(zhì)能穩(wěn)定的為水體提供氧氣，這能夠起到雙重作用。一方面，氮含量和溶解氧在時間尺度上呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性；另外，相關(guān)的微生物能夠在溶解氧和碳源充足時將氨態(tài)氮氧化為其他形態(tài)的氮(如亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮等)，解決了NH3-N致使水質(zhì)黑臭的問題[15]。因此，在改造后的生態(tài)溝渠底部布設(shè)緩釋氧基質(zhì)具有較高的環(huán)境效益。

4 結(jié)論

(1)將農(nóng)村自然溝渠改造成生態(tài)溝渠，在植物和微生物的協(xié)同作用下，農(nóng)田中流失的氮磷得到了有效控制，并在污染物的轉(zhuǎn)移過程中削減了其對水體的污染程度。此外，改造過程中由種植與管理水生植物、制備與布置緩釋氧基質(zhì)所增加的成本投入約為550元/(m2·年)。

(2)生態(tài)溝渠中水生植物的選擇及搭配至關(guān)重要。對比3種挺水植物的凈化作用，發(fā)現(xiàn)黃菖蒲對氮磷的去除能力最強(qiáng)，且NH3-N、TN和TP的去除率分別為31.46%、37.58%和57.25%。而3種挺水植物的組合搭配均未強(qiáng)化生態(tài)溝渠對污染物的凈化能力，3種組合的凈化效果均遠(yuǎn)不及挺水植物單獨(dú)作用時的。

(3)生態(tài)溝渠底部布設(shè)的緩釋氧基質(zhì)能夠持續(xù)地為水體提供氧氣，充足的溶解氧提升了溝渠的水環(huán)境容量及自凈能力，大幅度強(qiáng)化了黃菖蒲對NH3-N的凈化能力，NH3-N的去除率約為黃菖蒲單獨(dú)作用時的2倍。緩釋氧基質(zhì)的應(yīng)用從根本上改善了生態(tài)溝渠對面源污染的凈化效果，同時這也為農(nóng)村生態(tài)溝渠的改造提供了新的技術(shù)方案。