梯級溝渠對農業非點源氮磷的去除效率及影響因素

＊張振 高良敏 葛娟 趙興蘭 張海強 慕明

（安徽理工大學地球與環境學院 安徽 232001）

在我國農業生產過程中，農業精細化水平低及不計環境后果的過度使用化肥提高作物產量，導致氮、磷肥的利用率低下和在土壤中的大量積累，由此我國農業非點源污染日益嚴重[1]。農業非點源污染中的氮、磷在雨水沖刷或灌溉徑流作用下，進入周圍水體，從而造成的水體污染。大量氮、磷植物性營養元素進入水體后，營養物質過剩，藻類大量繁殖，水質惡化，嚴重導致水生生物死亡[2,3]。

農田排水溝渠既能對農業非點源污染起匯集作用又下接河流、湖泊，起著蓄水、排水、凈化水質等作用[4]。生態溝渠中的植物通過物理、生物及化學作用結合可吸收水體中8%～16%的氮[5]。溝渠內植物及土壤的共同作用，能夠有效的對水質中污染物進行截流吸附[6]；微生物厭氧環境下進行反硝化作用，兩種作用的存在促進微生物吸收轉化氮磷等營養物質，大大降低環境中氮磷污染水平。同樣對磷產生作用，有氧條件下，好氧微生物將有機磷和難溶的無機磷吸附轉化為可溶的無機磷，進而通過植物吸收、吸附沉降等作用降低水體中磷濃度[7]；溝渠研究表明農田排水溝渠是農業非點源污染氮磷重要轉換場所，是去除農業非點源中污染物的有效措施之一。本文對常見的農田溝渠結構進行改造，使其具有缺氧—好氧梯級的形態，研究梯級溝渠對農業非點源污染的處理效果。

1.研究區概況

試驗場地選擇在淮河流域內合肥市肥東縣農業密集的區域，肥東縣屬北亞熱帶季風氣候區，冬季131天左右，冬季東東北風最多，氣溫低，氣壓高，冬季平均降雨為100mm左右。本實驗選用溝渠上游為典型農村生活區，附近為居民的生活垃圾與家禽的排泄物通過降雨地表徑流等作用進入溝渠，采樣時間為冬末春初溝渠水位較低時期。

2.試驗設計

研究溝渠長30m，寬0.8m。溝渠通過擋板依次劃分為初沉區、缺氧區、兼性區及好氧區，在缺氧區和兼性區加挖0.5m，形成缺氧—好氧的梯級改造溝渠。由于研究區冬末春初降雨雨量不大，采用抽水泵從上游引入水源進入溝渠。

在溝渠改造前，在原始溝渠的上、中、下游采取水樣各1000ml，分別標記為GQ1、GQ2、GQ3，保存實驗室內測定指標。梯級采樣點位根據斷面設計個數取樣，詳細見圖1。不同斷面下取表層水樣各1000ml，共取4個點位，底泥在斷面中間分層取樣共取泥樣10份。

圖1 梯級溝渠剖面圖

3.試驗結果

(1)梯級溝渠和原始溝渠主要樣品理化性質

表1為梯級溝渠與原始溝渠水質常規指標對比，分別選取梯級溝渠進水口TJ1，缺氧區深部TJ2-2、出水口好氧區TJ4-2與原始溝渠的進水口GQ1、中部GQ2、出水口GQ3作比較。從上表可以看出梯級溝渠在水流動的全過程中，濁度和懸浮物濃度大于原始溝渠的濁度和懸浮物質量濃度，且在梯級溝渠的缺氧區濁度激增由48.71NTU到199NTU，然后在TJ4-2點位下降到10.88NTU，梯級溝渠懸浮物質量濃度在缺氧區達到446.60mg·L-1快速下降到14.00mg?L-1，截留率達到91.30%，處理效果明顯。原始溝渠的濁度和懸浮物質量濃度雖然全程出現較低水平，濁度數值平均維持在在3.86NTU左右，懸浮物質量濃度平均在12.54mg·L-1。濁度和懸浮物質量濃度總體變化不大，且有升高的趨勢，對濁度、懸浮物去除效果較差。懸浮物濃度和濁度不僅是水中有機污染物的載體也直接影響著光在水中的傳播，導致水質惡化[8]。

表1 梯級溝渠水體主要理化性質

(2)梯級溝渠水中污染物的影響

①野外梯級溝渠污染物含量沿程變化

在實驗中，梯級溝渠好氧段、缺氧段對水中污染物TN、NH4+-N、TP、COD的影響如圖2所示，從圖2(a)可以看出，梯級溝渠各個點位對不同的污染物有不同程度的影響。如圖所示TN在各個點位的濃度變化顯著，呈現“U”波動趨勢。在HD到TJ2期間TN質量濃度從3.19mg·L-1急速下降到1.87mg·L-1，此階段為梯級溝渠的缺氧段，在缺氧段內污水脫氮主要進行反硝化作用，反硝化作用脫氮效果明顯。TJ3到TJ4為梯級溝渠的兼性段及好氧段，進行硝化反應水中硝態氮含量增多，加之硝化段的時間較短及抽水泵不定期抽動水流的擾動，有研究表明在在堿性條件下土壤中微生物會促進底泥中的氮素被釋放，總氮含量增加[9]。由上圖2(a)可知氨氮含量總體緩慢下降，在TJ3到TJ4段，由于水淺流速緩慢，水中溶解氧增多，氨氮轉為硝態氮和亞硝態氮速率增加，同時溝渠兩旁植物根系對水中氨氮有攔截和吸收的作用，表現為圖形上此階段下降速率最快。

圖2 野外梯級溝渠污染物含量沿程變化

由圖2(a)可知，水中TP濃度變化呈“n”形，梯級溝渠中磷的去除機理主要為植物吸收、底泥吸附、結晶沉淀、微生物的同化和聚磷菌的過量攝磷等共同作用[7]。在抽泵機的沖擊力下，TJ1處的底泥被攪動，底泥中吸附和沉淀的溶解態和顆粒態磷被帶入水中，并進入溝渠流動，所以表現為HD到TJ2期間水中磷的濃度不降反升，TJ2為處較深的水深使水中懸浮物沉降，梯級溝渠后半段的低速水流和溝渠植物兩旁根系在水中對磷的攔截和吸收，使磷的含量由在TJ2的最高質量濃度0.88mg·L-1降到TJ4處的0.04mg·L-1，說明梯級溝渠對總磷的去除效果明顯。

從圖2(b)可以看出，梯級溝渠各個點位的COD濃度變化趨勢呈“M”形，溝渠進水口HD處的COD的質量濃度為284.96mg·L-1，出水口TJ4-2的COD質量濃度為199.68mg·L-1，總體去除效果明顯。在梯級溝渠缺氧區由上覆水TJ2到缺氧區深部TJ2-2，COD濃度增大并恢復到溝渠最高質量濃度430.56mg·L-1，在缺氧區內隨著水深的加深，水中溶解氧的含量逐漸減少，微生物代謝降低，活性減弱，對COD分解速率降低[10]。

圖3(a)表示梯級溝渠的污染物截留率，圖3(b)表示原始溝渠的污染物截留率。在梯級溝渠中，總氮的去除率為5.16%，主要是反硝化反應對氮素的去除效果明顯，但后續較長時間的硝化反應時間增多使得硝態氮含量增多。磷的截留整體效果好，截留率為87.78%，由于上游水體含有大量沖擊下來的泥沙，通過梯級擋板，橫向流速被減緩，泥沙在每一段都得到充分沉降，又因為泥沙攜帶了大量的顆粒態磷，大部分泥沙的截留就使得磷的輸出量大大減小。

圖3 野外梯級溝渠和原始溝渠污染物截留率對比

如圖3(b)所示，原始溝渠內總氮截留率為-6.8%，COD截留效率僅為2.74%，總磷截留率為57.36%，TDP截留率為16.67%。主要原因是，采樣期間降水少，原始溝渠內水體環境封閉，農田作業施肥產生的氮類進入溝渠，無法及時排出，同時水體內植物凋落物的分解造成總氮在出水口增加，COD截留率低。

②相關性分析

如上表2斯皮爾曼相關性分析所示，總氮和總磷顯著負相關（P＜0.05），說明在梯級溝渠中，總氮對總磷的含量關系密切；總氮和濁度及懸浮物呈極顯著負不相關（P＜0.01），說明總氮對懸浮物和濁度有較大影響，水中懸浮顆粒附著溶解氧，不利于反硝化反應；總磷和濁度及懸浮物呈極顯著相關（P＜0.05），說明梯級溝渠中顆粒磷的吸附對總磷的去除有較大影響；總磷和TDS顯著負相關（P＜0.05），說明梯級溝渠中TDS對總磷的去除有影響；氨氮和pH極顯著相關（P＜0.01）說明pH對氨氮的去除有較大的影響。

表2 梯級溝渠水體主要理化性質相關性分析

4.結論

（1）梯級溝渠中對水質的濁度截留率為77.67%，在缺氧區到好氧區最高截留率達到91.30%；水中懸浮物截留率是87.78%，在缺氧區到好氧區截留率最高為96.87%；對原始溝渠來說，整個運行周期內濁度和懸浮物去除無明顯差異。

（2）在梯級溝渠內總氮含量先是快速下降，在缺氧階段內進行反硝化反應，總氮質量濃度處于整個周期最低點1.66mg·L-1，后上升到3.02mg·L-1；氨氮含量在整個周期內逐漸減少，梯級溝渠出水口質量濃度為0.6715mg·L-1；總磷含量與總氮表現相反，整個趨勢呈“n”形走向，在缺氧段處于最高點，最高點質量濃度為0.88mg·L-1，好氧段迅速回落為0.04mg·L-1；COD質量濃度變化趨勢呈“M”形梯級溝渠進水口到缺氧區下降為314.08mg·L-1，在極短過程中恢復到原有水平，在兼性區及好氧區迅速降低到172.64mg·L-1。

（3）梯級溝渠總氮、總磷、氨氮、COD截留率分別為5.16%、87.78%、38.03%和51.76%，原始溝渠總氮、總磷、TDP、COD截留率分別為-6.80%、57.63%、16.67%、2.74%，改造后梯級溝渠對污染物的截留率明顯優于原始溝渠。