寒旱區(qū)不同類型溝對非點(diǎn)源污染氮磷攔截效應(yīng)及相關(guān)影響因素研究

王志超，王高強(qiáng)，楊文煥，于玲紅，李衛(wèi)平，李 彬，戚迎龍

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院 呼和浩特 010031)

近年來，隨著點(diǎn)源污染得到有效控制，非點(diǎn)源污染逐漸成為水體污染的主要來源[1,2]。其中農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染造成的營養(yǎng)鹽過量排放是淡水水體污染的主要原因之一，農(nóng)田氮磷流失不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時也威脅到地下水和飲用水資源的安全[3]。研究表明[4]，地表土壤侵蝕和暴雨造成的化肥、農(nóng)藥流失是非點(diǎn)源污染的主要來源，此外，大量研究表明地表徑流是農(nóng)田氮磷流失的主要途徑[5]，故降低農(nóng)田排水中的氮磷含量，避免其加劇河湖污染具有重要意義。

生態(tài)溝是一種由水、基質(zhì)、植物和微生物組成的污染攔截機(jī)制，其通過生化過程凈化地表水[6-8]。研究表明，相對于無植物的排水溝，植物排水溝對富營養(yǎng)物質(zhì)、懸浮物和有機(jī)物具有有效地去除作用[9,10]，且基質(zhì)能夠通過吸附、沉淀、過濾等物化作用去除水體污染物，其還可以通過為微生物附著和植物生長提供適宜條件達(dá)到脫氮除磷的目的[11]。此外相關(guān)研究表明，生態(tài)溝對農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染氮磷的去除率分別達(dá) 48%～64% 和 41%～70%[12,13]。因此，生態(tài)溝對非點(diǎn)源污染防控和治理起著至關(guān)重要的作用。目前生態(tài)溝實驗主要以自然溝為研究對象，確定其對氮磷的攔截和去除能力，但在野外實驗過程中，氮磷濃度及流量等都處在動態(tài)變化之中，特別是難以對影響氮磷攔截的關(guān)鍵因素--水力條件進(jìn)行約束[14-16]。而北方寒旱地區(qū)，排水溝數(shù)量多且類型多樣，加之北方寒旱地區(qū)多鹽堿化，排水溝類型和鹽度也是影響氮磷攔截的重要因素；但不同類型溝和水力條件對生態(tài)溝攔截氮磷的影響研究還不多見，因而多種因素對寒旱區(qū)生態(tài)溝攔截氮磷影響的認(rèn)識還很有限。

本實驗采用空白溝、植物溝、基質(zhì)溝和生態(tài)溝探索：①靜態(tài)條件下，不同類型溝在不同進(jìn)水氮磷濃度下，其隨HRT的濃度變化及去除效果；②動態(tài)條件下，生態(tài)溝在不同進(jìn)水氮磷濃度、不同進(jìn)水流量和不同進(jìn)水鹽度下氮磷的濃度變化及去除效果；③不同類型溝、進(jìn)水氮磷濃度、進(jìn)水流量和進(jìn)水鹽度對生態(tài)溝攔截氮磷影響的影響因素。本研究將為進(jìn)一步開發(fā)生態(tài)溝攔截非點(diǎn)源污染提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 實驗溝概況

設(shè)置空白溝、植物溝、基質(zhì)溝和生態(tài)溝等4種類型溝進(jìn)行室內(nèi)模擬實驗，4種類型溝均采用倒梯形PVC材質(zhì)加工而成，上寬0.32 m，下寬0.25 m，高0.28 m，全長2 m。溝前、后端 0.15 m 處有一攔截板，攔截板設(shè)有配水孔，用于均勻布水?？瞻诇系撞夸佋O(shè)0.2 m厚土壤；基質(zhì)溝底部從下到上按質(zhì)量比1∶1∶3分別鋪設(shè)廢磚(1～3 cm)、沸石(0.2～0.4 cm)和爐渣(0.1～0.5 cm)，總厚度0.2 m；植物溝底部鋪設(shè)0.2 m厚土壤，然后混合種植香蒲、水蔥、鳶尾和千屈菜幼苗各10株；生態(tài)溝底部從下到上按質(zhì)量比1∶1∶3分別鋪設(shè)廢磚、沸石和爐渣，總厚度0.15 m，然后在基質(zhì)上面鋪土0.05 m，最后在土壤和基質(zhì)中混合種植香蒲、水蔥、鳶尾和千屈菜幼苗各10株，見圖1 。

圖1 4種類型溝示意圖Fig.1 Schematic diagram of four types of ditches

1.2 實驗設(shè)計

在沒有灌溉和降雨的條件下，排水溝中的水有時可能處于靜止?fàn)顟B(tài)，且在不同降雨和徑流條件下，排水溝中氮磷濃度、水流大小、鹽度和水位都有所變化，因此，本研究設(shè)有靜態(tài)和動態(tài)實驗，由于實驗裝置高度較低，不適合研究水位，故水位統(tǒng)一設(shè)置為0.05 m(土壤或基質(zhì)以上)。靜態(tài)實驗：4種類型溝(空白溝、植物溝、基質(zhì)溝和生態(tài)溝)于2019年5月10日至5月14日進(jìn)行為期5 d的靜態(tài)模擬實驗，從而篩選出對氮磷攔截效果最好的類型溝，并對不同類型溝氮磷攔截效果進(jìn)行差異性分析，接下來只對該類型溝進(jìn)行動態(tài)模擬實驗，以便從縱向更好的研究該類型溝；動態(tài)實驗：對氮磷攔截效果最好的生態(tài)溝于2019年5月15日至8月15日進(jìn)行為期3個月的動態(tài)模擬實驗，研究其分別在不同進(jìn)水氮磷濃度、不同進(jìn)水流量和不同進(jìn)水鹽度條件下對氮磷的攔截能力，以及進(jìn)水氮磷濃度、進(jìn)水流量和進(jìn)水鹽度對其氮磷攔截效果影響的差異性分析。本實驗采用人工配水，通過向自來水中添加硝酸鉀(KNO3)、氯化銨(NH4Cl)、磷酸二氫鉀(KH2PO4)、氯化鈉(NaCl)和氯化鈣(CaCl2)進(jìn)行配制，具體進(jìn)水氮磷濃度、進(jìn)水流量和進(jìn)水鹽度見表1。

1.3 采樣及水樣分析

靜態(tài)實驗期間，在不同類型溝進(jìn)、出水口，選擇不同HRT，即(0、6、12、24、48、72、96、120 h)進(jìn)行取樣；動態(tài)實驗期間 ，在生態(tài)溝進(jìn)、出水口取樣，每月取樣2次，所有水樣在24 h內(nèi)進(jìn)行水質(zhì)分析，不能當(dāng)天分析的在4 ℃下進(jìn)行保存。實驗設(shè)3組平行樣測定總氮、總磷濃度值，其測定方法按國標(biāo)《水與廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)[17]進(jìn)行測定，總氮濃度值測定采用過硫酸鉀氧化法，總磷濃度值測定采用鉬銻抗分光光度法。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和初步分析，使用 Origin 8.0進(jìn)行作圖，采用SPSS 23.0進(jìn)行數(shù)據(jù)方差分析與顯著性差異分析，P<0.05表示處理組之間存在顯著差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 靜態(tài)不同進(jìn)水氮磷濃度下4種類型溝對氮磷攔截的效果

4種類型溝在靜態(tài)不同進(jìn)水氮磷濃度下，TN、TP隨HRT的濃度變化見圖2，結(jié)果顯示，4種類型溝對氮磷去除率大小順序為生態(tài)溝、基質(zhì)溝、植物溝和空白溝，且在不同進(jìn)水氮磷濃度下，生態(tài)溝、基質(zhì)溝、植物溝隨HRT對 TN、TP去除效果存在較大差異，而空白溝去除效果變化甚微見表2。楊林章等研究表明，植物不僅可以通過吸收同化去除污水中的部分氮磷， 還能產(chǎn)生有利于去除氮磷的厭氧-好養(yǎng)環(huán)境，而且由于植物溝中水生植物根系發(fā)達(dá)，底層植物降低了水的流動速度而使顆粒物沉淀[18]。此外，植物系統(tǒng)與無植物系統(tǒng)相比，微生物含量更多[19]，所以相比空白溝，植物溝對污水中氮磷攔截效果較好。在不同進(jìn)水氮磷濃度下，植物溝與基質(zhì)溝相比，其對氮磷的攔截效果較差，因為靜態(tài)實驗時間較短，植物生物量較少，根系還不夠發(fā)達(dá)，又加之基質(zhì)有較大的空隙率和比表面積，所以基質(zhì)溝相對植物溝對污水中氮磷有較好的攔截效果。生態(tài)溝在不同進(jìn)水氮磷濃度下，對污水中氮磷攔截效果都是最好的，因為生態(tài)溝不僅結(jié)合了植物溝和基質(zhì)溝各自優(yōu)點(diǎn)，而且其還提供了促進(jìn)基質(zhì)、植物和微生物相互協(xié)同作用的環(huán)境。研究表明，基質(zhì)為水生植物和微生物的生長和新陳代謝提供載體，使植物和微生物提高了對污水中氮磷等富營養(yǎng)物質(zhì)的攔截和降解[20,21]。研究結(jié)果顯示，HRT=48 h基本是不同類型溝平均去除率變化最快時間段，此時在不同進(jìn)水氮磷濃度下，不同類型溝對污水中TN、TP去除率的影響有顯著性差異(P<0.05)。

圖2 靜態(tài)、不同進(jìn)水氮磷濃度下， 4種類型溝中TN、TP濃度變化情況Fig.2 Variation of TN and TP concentration in four types of ditches under static and different influent nitrogen and phosphorus concentrations

2.2 動態(tài)下生態(tài)溝氮磷攔截的影響因素

2.2.1 進(jìn)水氮磷濃度

生態(tài)溝在動態(tài)、HRT=48 h和不同進(jìn)水氮磷濃度下，TN、TP的濃度變化和平均去除率見圖3。結(jié)果顯示，TN、TP進(jìn)水濃度與其去除率呈負(fù)相關(guān)，但與生態(tài)溝對TN、TP的累積攔截量呈正相關(guān)，且在高氮磷濃度(TN：30 mg/L，TP：2 mg/L)進(jìn)水下，生態(tài)溝對TN、TP的日平均攔截量分別比低、中氮磷濃度進(jìn)水多4.17、3.05，0.37、0.24 mg/L，研究表明，生態(tài)溝對高濃度氮磷攔截效果最好。因為高濃度氮磷使水體由上而下形成了不同濃度梯度，使得上覆水中氮磷向底泥擴(kuò)散，為微生物的吸收和利用提供了有利的條件，同時也促進(jìn)了植物對氮磷的吸收[22,23]。在低、中和高氮磷濃度進(jìn)水下，生態(tài)溝對TN的平均去除率呈現(xiàn)先增加后稍微下降的趨勢，生態(tài)溝對TP的平均去除率呈現(xiàn)先增加后趨于平衡的趨勢。因為生態(tài)溝前期地上植物生物量不斷增加，地下植物根系逐漸發(fā)達(dá)，所以其對TN、TP的去除率逐漸增加；后期植物開始凋零，基質(zhì)吸附接近飽和，所以其對TN的去除率又開始下降，但由于磷易被底泥和基質(zhì)吸附沉淀，以及被植物吸收利用，所以后期生態(tài)溝對TP的去除率并沒有明顯的下降，而是處于動態(tài)平衡中。研究結(jié)果顯示，進(jìn)水氮磷濃度對生態(tài)溝攔截TN、TP的影響有顯著性差異(P<0.05)。

表2 靜態(tài)、不同進(jìn)水氮磷濃度下，4種類型溝對TN、TP的平均去除率 %Tab.2 Average removal rate of TN and TP by four types of ditches under static and different influent nitrogen and phosphorus concentrations

圖3 動態(tài)、不同進(jìn)水氮磷濃度下，生態(tài)溝中TN、TP濃度變化以及其平均去除率Fig.3 Concentration changes and average removal rate of TN and TP in ecological ditch under dynamic and different influent nitrogen and phosphorus concentrations

2.2.2 進(jìn)水流量

生態(tài)溝在動態(tài)、中氮磷濃度(TN：10 mg/L，TP：1 mg/L)和低、中和高流量(15、36和72 L/d)進(jìn)水條件下，TN、TP的濃度變化和平均去除率見圖4。結(jié)果顯示，在低、中和高流量進(jìn)水下，生態(tài)溝對TN、TP的平均去除率分別為41.52%、31.31%和26.59%，72.36%、64.89%和53.39%，研究表明，在低流量進(jìn)水條件下，生態(tài)溝對污水中氮磷攔截效果最好。因為在低流量進(jìn)水下，HRT相對變長，基質(zhì)的吸附作用、植物的吸收作用和微生物的降解作用也相對增加，從而提高了生態(tài)溝對氮磷的去除效果。此外，相關(guān)研究表明[24,25]高流量進(jìn)水會導(dǎo)致生態(tài)溝中含氮磷污水的水力停留時間變短，而無法滿足微生物甚至導(dǎo)致部分硝化菌隨水流流出生態(tài)溝系統(tǒng)，從而降低生態(tài)溝對污水中氮磷的去除效果。研究結(jié)果顯示，進(jìn)水流量與TN、TP平均去除率呈負(fù)相關(guān)，且進(jìn)水流量對生態(tài)溝攔截TN、TP的影響有顯著性差異(P<0.05)。

2.2.3 進(jìn)水鹽度

生態(tài)溝在動態(tài)、HRT=48 h、中氮磷濃度(TN：10 mg/L，TP：1 mg/L)和低、中和高鹽度(0%、10%和20‰)進(jìn)水條件下，TN、TP的濃度變化和平均去除率見圖5。結(jié)果顯示，在低、中和高鹽度下，生態(tài)溝對TN、TP的平均去除率分別是TN：47.19%、48.71%和37.27%，TP ：65.48%、67.94%和58.07%，研究表明，在一定鹽度范圍內(nèi)，隨著鹽度的增加，生態(tài)溝對TN、TP的平均去除率隨之增加，但當(dāng)鹽度高出一定范圍，生態(tài)溝對TN、TP的平均去除率又急劇降低。相關(guān)研究表明，鹽度在0、0.5、1.0和1.5%范圍內(nèi)，水生植物的地上生物量和地下生物量都隨鹽度的增加是先增加后降低，其說明鹽度適當(dāng)增加有利于水生植物的生物量增加，超過一定范圍，鹽度增加會明顯影響植物的生物量[26-28]。此外，在適量鹽度下，基質(zhì)由于受到腐蝕，導(dǎo)致基質(zhì)表面出現(xiàn)較多細(xì)小的孔洞，增加了基質(zhì)的比表面積，從而增加了基質(zhì)對污水中氮磷的吸附；但在高鹽度下，由于鹽的腐蝕性增大，基質(zhì)的比表面積降低，所以基質(zhì)對污水中氮磷的平均去除率降低[29]。相關(guān)研究也表明[30]，適當(dāng)?shù)柠}度有利于提高微生物代謝速度及酶活性，進(jìn)而提高氮磷的去除效果，但過高鹽度會抑制微生物代謝速度及酶活性，從而阻礙氮磷的去除。研究結(jié)果顯示，進(jìn)水鹽度對生態(tài)溝攔截TN、TP的影響無顯著性差異(P>0.05)。

圖4 動態(tài)、不同進(jìn)水流量下，生態(tài)溝中 TN、TP濃度變化以及其平均去除率Fig.4 Concentration change and average removal rate of TN and TP in ecological ditch under dynamic and different influent flow

圖5 動態(tài)、不同進(jìn)水鹽度下，生態(tài)溝中 TN、TP濃度變化以及其平均去除率Fig.5 Concentration change and average removal rate of TN and TP in ecological ditch under dynamic and different influent salinity

表3 影響氮磷攔截因素方差分析Tab.3 Variance analysis of factors affecting nitrogen and phosphorus interception

注：P<0.05表示處理組之間存在顯著差異；P>0.05表示處理組之間無顯著差異。

3 結(jié) 論

(1)靜態(tài)、不同HRT條件下，生態(tài)溝對TN、TP的去除效果最好，且TN、TP進(jìn)水濃度與其去除率呈反比，但與生態(tài)溝累積攔截量呈正比。

(2)動態(tài)、HRT=48 h條件下，生態(tài)溝對高氮磷濃度進(jìn)水的攔截效果最好，其日平均對TN、TP的攔截量分別比低、中氮磷濃度進(jìn)水多4.17、3.05，0.37、0.24 mg/L。

(3)動態(tài)、中氮磷濃度(TN：10 mg/L，TP：1 mg/L)條件下，生態(tài)溝對低流量進(jìn)水中TN、TP的攔截效果最好。

(4)動態(tài)、HRT=48 h、中氮磷濃度(TN：10 mg/L，TP：1 mg/L)和不同進(jìn)水鹽度(0、1.0%和2.0%)下，生態(tài)溝隨著進(jìn)水鹽度的增加，其對TN、TP平均去除率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。

(5)不同類型溝、進(jìn)水氮磷濃度和進(jìn)水流量對生態(tài)溝攔截TN、TP的影響有顯著性差異(P<0.05)，進(jìn)水鹽度對生態(tài)溝攔截TN、TP的影響無顯著性差異(P>0.05)，方差分析結(jié)果見表3。