基于周叢生物的“生態溝渠-人工濕地”處理高負荷農業面源污水影響研究

郭軍權，吳永紅

(1.延安職業技術學院，陜西 延安 716001;2.中國科學院 南京土壤研究所，土壤與農業可持續發展國家重點實驗室，江蘇 南京 210008)

面源污染已成為世界各國地表水污染的一種主要污染源之一，在美國60%的水環境污染是由面源污染造成，其中農業面源污染占了75%左右(EPA，2007)［1］。在我國滇池入湖污染負荷中，農業面源污染的N、P 貢獻率已超過50%(段永蕙，2003)［2］。面源污染的治理研究受到越來越多學者的重視。生態溝渠技術由于其具有排水和濕地生態系統的雙重功效，在農業面源污染治理上被廣泛應用(Liu et al.，2000［3］;姜 翠 玲，2004［4］;楊林章等2005［5］)。人工濕地是一種高生產力的生態系統，具有污水凈化功能，工藝設備簡單、運轉維護管理方便、能耗低、可實現污水資源化等特點，正越來越受到人們的關注(吳振斌，2002［6］;謝圣，2005［7］)。李本行等［8］將“生態溝渠+水平流人工濕地”工藝結合研究其對低負荷農田退水中常規污染物和噻蟲嗪的去除效果。結果表明"生態溝渠+垂直流人工濕地" 系統對COD、NH4+-N、NO3--N、TN、TP 及噻蟲嗪的去除率均優于"生態溝渠+水平流人工濕地"系統。當前對高負荷面源污水強化技術研究較少，因此，開發農業面源污水強化凈化的技術迫在眉睫，筆者將周叢生物引入到“生態溝渠-垂直人工濕地”工藝組合中，用于凈化高負荷的面源污水，研究周叢生物對生態溝渠-垂直人工濕地”工藝組合凈水效果的影響，以探索一種適合處理高負荷面源污水、成本低廉、易于推廣的新技術工藝技術。為解決農業面源污水治理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 “生態溝渠-人工濕地”組合工藝

圖1 生態溝渠(a)和垂直人工濕地(b)剖面示意

“生態溝渠—人工濕地”組合工藝，由生態溝渠和復合垂直流人工濕地串聯而成。生態溝渠長100 m，溝底均寬1.0 m。溝底均寬2.0 m。后一段生態溝渠的排水直接由泵提升至人工濕地進一步凈化。

生態溝渠設計了4 座總容積為30 m3的地埋式初沉池，以盡可能去除糞水中的固體物。生態溝渠溝壁兩邊交替種植不同水生植物，其中茭白和菖蒲占80%左右。溝底間隔每10 m 放置一座填充陶粒等填料的生物接觸氧化壩(圖1)。

人工濕地由下行流池和上行流池串聯而成，中間有隔墻，底部連通(圖2)。填料:底部為公分石作為排水層，公分石表層安裝了反沖洗管道，上部為陶粒、瓜子石和細砂的混合物。水生植物:按照均等的比例，分別種植旱傘草、梭魚草、燈心草、水蔥、美人蕉、馬蹄蓮。復合垂直流人工濕地面積160 m2，均深1.0 m，坡度0.3%。

1.2 周叢生物鋪裝和培養

周叢生物(又名自然周叢生物、著生生物、附著生物)是一個半穩定的、開放的動力學系統，是在一定的環境條件下產生的微生物聚集體。從環境化學的角度看，周叢生物的定義普遍的理解為由金屬氧化物(鐵、錳和鋁氧化物)、有機質和少量礦物質組成。側重于礦物質組成的觀點認為:鐵錳的水合氧化物及其絮凝顆粒所包含的其它無機礦物質(如磷、鈣、硅等)雖然在整個周叢生物基質中所占質量很小，但決定著整個周叢生物的地球化學反應活性。

周叢生物采用實驗室富集培養［9］，將培養好的周叢生物鋪裝于彈性材料之上，為了增加生態溝渠和人工濕地表層的微生物量，將立體彈性填料(PP 材質;長120 cm，直徑120 mm，比重0.95，比表面積300～500 m2·m-3，孔隙率98%)鋪設在生態溝渠和人工濕地表層淺水區，鋪設密度水體體積的五分之一。通過將立體彈性填料鋪設在生態溝渠溝底和人工濕地淺水層，使溝渠和濕地在不同部位具有不同的水深，使水流動過程增加紊動性，增加復氧機會，營造好氧、兼氧和厭氧的不同區域，以便于不同微生物實現降解有機污染物和脫氮除磷的功能。另外建立未鋪裝聚集周叢生物材料空白對照。

1.3 系統運行方式

養殖廢水經過地埋式初沉池后，與農田排水匯集進入生態溝渠，達到稀釋的目的，混合污水水質主要指標見表1。混合污水的污染復合比一般農田面源污水高5～15 倍，因此定義為高負荷面源污水。水力流速約50～100 m3·d-1，采用水泵將生態溝渠末端的出水提升至復合垂直流人工濕地的蓄水池。在水壓的作用下，下行流池布水管水體濺起后跌落至填料層，下行后再匯入上行流池表面收集管出水。為防治填料出現阻塞現象，每月進行一次反沖洗。人工濕地進水方式為間隙式，白天進水12 h，晚間關停12 h，人工濕地處理負荷為150 m3·d-1。

表1 試驗區高負荷面源污水水質指標(n=21，均值 ± 標準差)(mg·L -1)

1.4 樣品采集與分析方法

將實驗室富集周叢生物鋪裝到生態溝渠和人工濕地繼續培養運行穩定上一個月后，開始定期從生態溝渠入口、出口(即人工濕地入口)、人工濕地出口采集表層水樣。植物刈割后，風干，稱重，并測試相關指標。NO3--N、NH4+-N、TN、TDP、T P 采用《水和廢水監測分析方法》第四版方法測定［10］。

2 結果與討論

2.1 鋪裝周叢生物“生態溝渠+垂直人工濕地”組合工藝對污水中P 的去除效果

針對農業面源污染氮磷負荷高的特點，重點對氮磷的去除效果進行了研究。將鋪裝有周叢生物“生態溝渠+垂直人工濕地”和空白組合工藝對污水中磷的數據進行處理，結果如圖2(a)，(b)所示.從圖2(a)可知，從2017 年的4 月到2018 年的3 月，雖然進水中TP 的濃度變化很大，從5.5 mg·L-1到94.5 mg·L-1，有周從生物的鋪裝“生態溝渠+垂直人工濕地”組合工藝對TP的去除率維持在很高的水平，去除率為80%～99%，平均去除率為94.7%，無周叢生物的空白對照組合工藝對TP 的去除率相對較低，去除率為50%～79%，平均去除率64.7%，有周從生物比無周從生物組合平均去除率高30.0%。從圖2(b)可知，進水中的TDP 濃度變化也很大，從0.05 mg·L-1到76.9 mg·L-1，但是TDP 的去除效率基本維持在85%～99% 的范圍內，平均去除率94.2%。無周叢生物對TDP 的去除率為46%～76%，平均去除率61.0%，比有周從生物工藝平均低33.2%。以上分析說明有周叢生物“生態溝渠+人工濕地”組合工藝大大提高了對高負荷污水中磷的凈化效果，并且具有很好的穩定性，周叢生物在整個組合工藝中對磷的去除率有較大貢獻。不論是從TP，還是TDP，鋪裝周叢生物的“生態溝渠+垂直人工濕地”組合工藝對高濃度農業污水的中P 去除效果均強于未鋪裝周叢生物組合工藝。從圖2 還可以看出，在溫度較低的月份，處理率相對都較低，主要是因為周叢生物受溫度的影響，溫度較低時，周叢生物中的微生物種類減少，活性降低，對磷的吸收和處理能力降低，導致整體的處理率降低。隨著溫度回升，微生物種類增多，活性增大，處理率不斷升高，最終穩定。

圖2 鋪裝周叢生物“生態溝渠+人工濕地”組合工藝對磷的去除效果

2.2 鋪裝周叢生物“生態溝渠+垂直人工濕地”組合工藝對污水中N 的去除效果

鋪裝周叢生物的“生態溝渠+垂直人工濕地”和無周叢生物的空白試驗組合工藝對氮(TN、NH4+-N、NO3--N)的去除效果進行比較，如圖3 所示。圖3(a)顯示，鋪裝周叢生物的組合工藝和空白組合工藝進水中TN 濃度的變化幅度在37.6 mg·L-1與653.3 mg·L-1之間，有周叢生物的處理率為72.3%～98.9%，平均去除率為93.3 %，空白處理率58.3%～80.2%，平均去除率71.3%，有周叢生物較空白平均去除率增加22.0%。圖3(b)，進水中NH4+-N 濃度變化為29.8mg·L-1到498.2mg·L-1，鋪裝周叢生物組合工藝NH4+-N 的去除效率穩定在74.3%到99.1%，空白組合NH4+-N 去除率在52.1%～76.6%，周叢生物的存在使組合工藝對NH4 +-N 的處理率提高了10.2%～46.7%。有周叢生物NH4+-N 平均去除率為91.8%，無周叢生物平均去除率63.8%，兩者之間相差28%。圖3(c)，進水中NO3--N 濃度從1.7 mg·L-1到23.0 mg·L-1，經過鋪裝周叢生物的“生態溝渠+人工濕地”和空白組合工藝處理后，兩個組合工藝NO3--N 的處理效率均表現很穩定，但處理率相差較大，有周叢生物的處理率從56.0%～95.6%，平均處理率為80.4%，空白的處理率為40.3%～62.7%，平均處理率為53.2%。NO3--N 有周叢生物比空白處理處理率高17.3%～40.1%，平均去除率高27.2%。從氮(包括TN、NH4+-N、NO3--N)的處理效果而言，周叢生物的存在極大的增強了“生態溝渠+人工濕地”組合工藝對氮的去除效果。周叢生物對水體中氮的去除途徑主要是依靠胞外聚合物的吸附，再通過微生物的降解。從圖3 還可以看出，氮處理率冬季的月份中值較小，隨著溫度的升高，處理率逐漸增大，最后穩定。說明溫度對周叢生物影響較大。

圖3 “生態溝渠+人工濕地”組合工藝對水體中氮(包括總氮、銨態氮和硝態氮)的去除效果

2.3 周叢生物對植物刈割攜帶的氮磷影響

試驗期間，為了從系統中去除更多的氮磷，對生態溝渠和人工濕地中的水生植物進行2 次刈割，并測定它們的氮磷含量。研究有無周叢生物對水生植物對氮磷吸收效果，如表3 所示，從表3 可以看出，不同水生植物莖葉單位面積內的生物量含量變化很大，從燈芯草的1.92 kg·m-2(干重)到美人蕉的4.68 kg·m-2(干重)。根據水生植物種植面積，估算刈割兩次累計從系統中攜帶氮磷負荷，空白處理為43.6 kg 和6.7 kg，有周叢生物為63.3 kg 和9.3 kg，有周叢生物的比空白處理攜帶的氮磷負荷分別增加1.45 倍和1.38 倍。說明周從生物的存在有利于，水生植物對氮磷的吸收。從表3 還可以看出，茭白、旱傘草、燈芯草和美人蕉攜帶氮磷的效果明顯，它們莖葉中氮磷的含量是其它水生植物的1 倍多，并且在實際工程建設和運行期發現，這4 種水生植物容易成活，且生長速率較快。因此，建議今后在開展生態工程處理氮磷等污染物質研究中，應盡可能選用茭白、旱傘草、燈芯草和美人蕉這四種水生植物。

表3 不同植物的收割部分的生物量、含水率和氮/磷含量

3 結論

基于周叢生物構建的“生態溝渠+人工濕地”組合工藝對高負荷的面源污水具有很好的處理效果，并且處理效能很穩定。有周叢生物組合工藝對TP，TDP，TN，NO3--N 和NH4+-N 的平均去除效率分別為94.7%，94.2%，93.3%，80.4%和91.8%，無周叢生物組合工藝對TP，TDP，TN，NO3--N 和NH4+-N 平均去除率分別為67.7%，61.0%，71.3%，53.2%和63.8%，有周叢生物比無周叢生物組合工藝平均去除率分別高30.0%，33.2%，22.0%，27.2%和28.0%。通過刈割，可以從系統中帶走相當一部分氮磷，兩次刈割結果顯示，有周從生物從系統中帶走氮磷負荷分別為63.3 kg 和9.3 kg，無周叢生物從系統中帶走氮磷負荷分別43.6 kg 和6.7 kg 有周叢生物是無周叢生物攜帶的氮磷1.45 倍和1.38 倍。周叢生物的鋪裝提高了“生態溝渠+人工濕地”組合工藝處理高負荷農業面源污水的能力。