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3种生态化改造模拟沟渠系统净化农田退水的试验研究

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  摘 要:通过室内模拟试验,研究了3种生态化改造模拟沟渠系统对农田退水的净化效果。结果表明,整个试验周期内,A型(苦草+贝壳粉)、B型(苦草+火山石)和C型(金鱼藻+火山石)沟渠系统的TP表面去除负荷分别为25.85、23.49和23.83mg·d-1·m-2,NH3-N去除负荷分别达到114.47、117.63和116.96mg·d-1·m-2,COD去除负荷分别为1.782、1.783和1.785g·d-1·m-2;说明生态沟渠污染净化效率受沟渠植物种类和基质类型的影响较大。
  关键词:硬质化沟渠;生态化改造;农田退水;污染去除效率
  中图分类号 S641.1 文献标识码 A 文章编号 1007-7731(2020)04-0065-04
  Abstract: Concrete ditch was eco-constructed to study its process performances for purifying farmland drainage. For this purpose, a pilot-scale simulation study on three eco-constructed ditch systems differing in vegetation and substrate, noted as AD(Vallisneria natans+shell powder), BD (Vallisneria natans+volcanic rock) and CD(Ceratophyllum demersum L. +volcanic rock), was conducted to look at their pollutant removal performance. The AD, BD and CD were found to have a removal efficience of 25.85, 23.49 and 23.83 mg·d-1·m-2 for TP purification, and 114.47, 117.63 and 116.96 mg·d-1·m-2 for removal of ammonium nitrogen, respectively. The results indicated that the purifying capacities of eco-constructed ditch systems are affected by vegetation and the substrate as well.
  Key words: Concrete ditch; Eco-construction; Farmland drainage; Pollutant removal efficency
  1 引言
  生態沟渠技术被公认为是农业面源污染过程阻断技术中的重要代表,但现有技术主要是建立在对自然土质沟渠改造基础上(通常采用空心砌块或带孔预制板砌筑沟体,并在孔内定植植物)[1-3],难以推广应用到我国广大农村地区普遍存在的硬质化沟渠。作为生态沟渠的重要组成部分,沟渠植物是其生态系统的调控者和初级生产者,对沟渠生态系统的结构和环境功能具有重要影响[4,5]。沉水植物广泛分布于淡水湖泊、池塘、河流等水域中,在生境良好的农田沟渠中也经常出现。与挺水植物相比,沉水植物生长于水下,对沟渠输水能力的影响较小,其根茎叶均能够为微生物的生长提供附着场所,往往具有更好的水质净化效果,因而在生态沟渠建设工程中具有更大的应用潜力。
  沟渠底泥具有人工湿地基质相类似的功能,在沟渠系统中的物质交换及其迁移转化过程中具有不可忽视的作用。研究发现,沟渠系统可通过底泥的吸附和沉淀作用消纳水中溶解态和颗粒态磷,降低水体中的磷负菏[6];最新研究发现,在沟渠中人为设置基质层,可明显提高污染物的去除效率和抗负荷冲击能力[1,7]。综合已有研究结果可推测,沟渠底泥或基质与沟渠植物之间可能存在一定程度的交互效应,不同基质与植物的组配极有可能导致不同的污染去除效率。
  本研究以硬质化沟渠生态化改造及其强化净化农田退水为目标,以2种乡土沉水植物和2种基质为供试材料,采用室内动态模拟试验,研究3种生态化改造方式下生态沟渠系统对农田退水的净化效果,以期为硬质化沟渠生态化改造及其设计应用参考。
  2 材料与方法
  2.1 供试材料
  2.1.1 供试植物 选取苦草(Vallisneria natans)和金鱼藻(Ceratophyllum demersum L.)为供试植物。2种植物均为长江中下游流域常见的优势沉水植物,分别属于不同的科、属,其生长习性不尽相同。
  2.1.2 供试基质 试验选取贝壳粉和火山石为供试基质,其中贝壳原料购自浙江舟山定海区某养殖场,火山石购于灵寿县华硕矿产品加工厂。2种材料用去离子水洗净后充分干燥,破碎后过10目筛后作为供试基质。
  2.1.3 试验用水 本试验人工配置出氮磷浓度处于较高水平的农田退水,同时加入一定量的易降解有机化合物,以创造出有利于自适应微生物快速增殖生长的营养条件。试验原水取自浙江农林大学平山实验农场内的池塘,原水中TP含量0.17mg·L-1,NH3-N含量为0.39mg·L-1,COD含量为8.56mg·L-1。在原水中加入硫酸铵、硝酸钠、磷酸二氢钾和可溶性淀粉,配置后的试验用水TP、NH3-N和COD浓度分别为4.17mg·L-1、20.39mg·L-1和272.27mg·L-1。
  2.2 试验方案 试验采用白色聚乙烯矩形塑料箱(0.6m×0.8m×0.6m)模拟硬质化矩形断面沟渠。塑料箱底部铺设厚度为10cm的供试基质,基质层上铺设1层用于定植植物和防止基质流失的渗排水网垫(厚度为5mm,铺设面积为0.48m2),渗排水网垫上定植植株生长状态良好且株高相近的供试植物300g(鲜重),塑料箱内注入试验用水160L。试验共设置3组,每组为3个重复,并设置无植物和基质的空白对照组。   为模拟农田退水流态水动力环境,试验配套安装一套同一规格的微型循环水泵(流量为240L/h)。为对比分析沉水植物和基质的组配对农田退水的净化效果,试验设计以下3种硬质化沟渠生态化改造方式:方式1:选用贝壳粉为基质,定植植物为苦草(简称A型沟渠);方式2:选用火山石为基质,定植植物为苦草(简称B型沟渠);方式3:选用火山石为基质,定植植物为金鱼藻(简称C型沟渠)。
  试验于浙江农林大学平山实验农场温室大棚内进行,试验周期共计49d(2018年7月—2018年8月)。试验期间每隔7d采样1次,测定水样TP、NH3-N和COD浓度。
  2.3 水样分析 TP测定采用过硫酸钾氧化-钼锑抗分光光度法,NH3-N测定采用纳氏试剂分光光度法,COD测定采用重铬酸钾消解法测定。各指标具体分析方法详见《水和废水监测分析方法》(第四版)。
  2.4 数据处理 数据基础处理采用Excel 2007软件,数据统计分析采用SPSS20.0软件,图表制作采用Origin 9.0软件。各污染物指去除率及其表面去除负荷按下列公式计算:
  3 结果与分析
  3.1 TP去除效果 作为一种特殊的人工湿地,生态沟渠系统中磷的去除机理主要为植物吸收、基质/底泥吸附、结晶沉淀、微生物的同化和聚磷菌的过量摄磷等共同作用,因此其除磷能力不仅受到水质本身、水文条件、季节变化等外部因素的影响,也受到沟渠植物种类及基质类型的影响。
  由图1可知,3种构造沟渠系统中TP浓度及去除率的变化趋势基本一致,均表现为:随着净化时间的延长,TP浓度逐渐降低,TP去除率逐渐增加。但各周TP去除量波动较大,其中第21天的TP去除量最高,7天累计去除量分别达到178.48(A型沟渠)、157.70(B型沟渠)和94.56mg(C型沟渠),分别为第7天的2.07、3.41和1.14倍。至试验结束时(第49天),A型沟渠(苦草+贝壳粉)、B型沟渠(苦草+火山石)和C型沟渠(金鱼藻+火山石)TP去除率分别达到91.13%、82.82%和83.99%。多重比較分析发现(图2),B型沟渠和C型沟渠在整个试验期间的TP表面去除负荷无显著差异,分别为23.49和23.83mg·d-1·m-2,但均明显低于A型沟渠25.85mg·d-1·m-2。
  3.2 NH3-N去除效果 在生态沟渠系统中,NH3-N的去除途径主要包括微生物的降解转化、植物吸收、基质/底泥吸附以及物理挥发等,其中植物吸收、基质吸附其及所产生的间接增效作用对除氮效果产生重要影响。试验发现(图3),3种构型沟渠系统中NH3-N浓度均随着净化时间的延长而呈现逐渐降低的趋势,其去除率表现出逐渐增加的趋势。至试验结束时(第49d),3种沟渠系统NH3-N去除率分别达到82.55%(A型沟渠)、84.89%(B型沟渠)和84.34%(C型沟渠)。
  此外,尽管3种沟渠系统在较长时间尺度上NH3-N的去除效果差别不大,但期间NH3-N的去除量变化较大,如试验第14天,3种沟渠系统NH3-N去除量均出现峰值,7d累计去除量分别达到588.24(A型沟渠)、760.08(B型沟渠)和855.84mg(C型沟渠),分别为第7天的2.44、6.86和5.59倍。就整个试验期间而言(49天),B型和C型沟渠NH3-N表面去除负荷无显著差异(图4),分别达到117.63和116.96mg·d-1·m-2,但均显著高于A型沟渠114.47mg·d-1·m-2。
  3.3 COD去除效果 整个试验期间3种构造沟渠系统COD浓度及其去除率的变化如图5所示。3种沟渠系统在试验初期表现出较好的COD去除效果,但在试验中后期COD去除效率明显下降。试验第14天,A、B和C 3种沟渠的COD去除效率最高,7d累计去除量达到了15.07(A型沟渠)、16.85(B型沟渠)和17.60g(C型沟渠),分别为试验7天的4.21、2.83和3.94倍。至试验结束时,3种沟渠系统COD去除率分别达到96.21%(A型沟渠)、96.27%(B型沟渠)和96.37%(C型沟渠),表面去除负荷分别达到1.782(A型沟渠)、(B型沟渠)和1.785g·d-1·m-2(C型沟渠)。
  4 小结
  (1)随着净化时间的延长,A型(苦草+贝壳粉)、B型(苦草+火山石)和C型(金鱼藻+火山石)沟渠TP、NH3-N和COD的去除率均呈现出逐渐增加的趋势。至试验结束时(第49天),A型、B型和C型沟渠TP去除率分别为91.13%、82.82%和83.99%,NH3-N去除率分别为82.55%、84.89%和84.34%,COD去除率分别为96.21%、96.27%和96.37%。
  (2)3种沟渠系统各周之间污染物去除量存在较大波动,其中TP去除量在第21天出现峰值,7d累计去除量分别达到178.48(A型沟渠)、157.70(B型沟渠)和94.56mg(C型沟渠);而NH3-N和COD在第14天去除效率最高,NH3-N去除量达到588.5(A型沟渠)、759.9(B型沟渠)和855.5mg(C型沟渠),COD去除量为16.8~18.6g。就整个试验周期而言,B型和C型沟渠TP、NH3-N和COD的去除效率无显著差异;但A型沟渠TP去除效率明显好于B型和C型沟渠,而其NH3-N去除效率又显著低于B型和C型沟渠。
  (3)至试验结束时(第49天),A型、B型和C型沟渠的TP表面去除负荷分别为25.85、23.49和23.83mg·d-1·m-2,NH3-N表面去除负荷分别达到114.47、117.63和116.96mg·d-1·m-2,COD表面去除负荷分别为1.782、1.783和1.785g·d-1·m-2。
  参考文献
  [1]刘福兴,陈桂发,付子轼,等.不同构造生态沟渠的农田面源污染物处理能力及实际应用效果[J].生态与农村环境学报,2019,35(06):787-794.
  [2]张树楠,肖润林,刘锋,等.生态沟渠对氮、磷污染物的拦截效应[J].环境科学,2015,36(12):4516-4522.
  [3]王晓玲,乔斌,李松敏,等.生态沟渠对水稻不同生长期降雨径流氮磷的拦截效应研究[J].水利学报,2015,46(12):1406-1413.
  [4]李红芳,刘锋,肖润林,等.水生植物对生态沟渠底泥磷吸附特性的影响[J].农业环境科学学报,2016,35(01):157-163.
  [5]张震,刘伸伸,胡宏祥,等.3种湿地植物对农田沟渠水体氮、磷的消减作用[J].浙江农林大学学报,2019,36(01):88-95.
  [6]张树楠,贾兆月,肖润林,等.生态沟渠底泥属性与磷吸附特性研究[J].环境科学,2013,34(03):1101-1106.
  [7]赵新宇,商卫纯,陈昌仁,等.应用缓释氧基质强化生态沟渠对农田排水中氮磷的净化能力[J].净水技术,2018,37(09):126-131.
  (责编:张 丽)
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