模擬梯級溝渠降解農業非點源污染的研究

＊趙興蘭 高良敏 張振 葛娟 張海強 慕明

（安徽理工大學地球與環境學院 安徽 232001）

農業非點源污染主要指在農業生產和生活的過程中所產生的污染物，通過地下滲漏、農田排水或地表徑流的方式進入水體，從而造成的污染[1]。近年來，我國由于農業活動引起的農業非點源污染已經引起了公眾的關注[2]。農業非點源污染作為水污染最突出的來源之一，日益嚴重[3-5]。由于農業非點源污染的發生沒有固定的出口，且具有擴散性、隱蔽性、隨機性、復雜性和檢測難度大等特點，所以其治理難度很大[6]。

目前，對農業非點源污染的控制，主要從以下三個方面來考慮：一為源頭控制；二為遷移途徑控制；三為末端控制。源頭控制根據污染物的來源大致分為三部分：一是控制農藥、化肥的使用量，提高化肥的利用率，推廣對環境影響較小的農藥與化肥[7]；二是對畜禽糞便的控制，在我國處理畜禽糞便主要是利用沼氣池[8]；三是在耕作過程中，采用免耕或少耕法，另改進灌溉技術，采用節水灌溉技術[9]。在污染物從農田向河流遷移的過程中，對污染物進行截留也是一種非常有效的手段。目前常見的技術手段有生態溝渠技術、生物籬技術、多水塘技術、前置庫技術、人工濕地技術等。末端控制技術主要是對受污染的水體，如河流、湖泊、水庫等的綜合治理[11]。

對常見的溝渠結構進行改造，使其具有梯級的形態，并在實驗室模擬這種梯級構造的溝渠[12]，本文通過控制不同實驗條件探究梯級溝渠對農業非點源污染的處理效果。

1.試驗設計

（1）試驗裝置。試驗通過改進實驗室裝置來模擬梯級溝渠，整個實驗裝置由5根中空圓柱串聯形成，圓柱高180cm，內徑15cm，5根圓柱底部均鋪設石英砂，厚度約5cm，以防底泥水滲漏影響實驗效果，在圓柱底部鋪設從野外溝渠取回的溝渠底泥，高約25cm，結合實際情況，覆上黑紙避免光照，圓柱內底泥順序與野外溝渠上下游順序依次對應，從左至右設計水位依次下降，形成梯級的狀態，試驗過程中，水從上往下形成多層階梯狀。研究梯級溝渠構造對農業非點源污染的處理效果。

（2）梯級溝渠設計。在實驗室搭建梯級溝渠裝置，該裝置由5個圓柱用塑料軟管依次連接起來構成一個整體，同時為了模擬缺氧環境將圓柱用遮光紙包住。同規格圓柱體通過控制水體深度模擬梯級狀態。其中第一根圓柱模擬缺氧區，用遮光紙將整根圓柱包住并且將圓柱頂口封住進而模擬缺氧環境，水面高165cm。第二根和第三根圓柱模擬兼性區，用遮光紙將圓柱底部底泥處包住，圓柱頂口不封，水面高145cm。第四根到第五根圓柱模擬好氧區，圓柱不遮光并且圓柱頂口不封。五根圓柱水面依次降低。水體從配水箱進入到缺氧區，然后通過帶有止水夾的塑料軟管依次進入到兼性區、好氧區，最后水體匯入回收箱中。

（3）試驗水質。試驗過程中模擬裝置進水采用人工配水的方式。人工配水主要由葡萄糖、氯化銨、尿素和磷酸二氫鉀構成。具體含量見表1。

表1 人工配水組成

（4）取樣設計。通過室內控制流量和溫度探究梯級溝渠對污染物的去除效果，具體條件設計見表2。

表2 不同條件實驗設計

根據五根圓柱的水面高度劃分取樣點位如圖1，即在缺氧區（TG1）、兼性區（TG2、TG3）、平流好氧區（TG4、TG5）分別設置一個取樣點取樣。取樣時直接打開不同層級螺旋閥取樣。

圖1 取樣點

2.結果與分析

選擇圖1各個取樣點表層水樣對污染物濃度進行繪圖，分析氮素濃度沿程變化，研究在人工配水排水時溝渠中氮的變化。利用室內搭建的梯級溝渠模擬裝置，開展不同條件組合下A（空白實驗8～10℃）、B（調低溫度0～5℃，降低流量）和C（調高溫度15～20℃，增大流量）對水中氮的去除效果研究。

(1)數據統計與分析

數據基礎處理采用Excel 2019軟件，數據統計分析采用SPSS 25.0軟件，圖表制作采用Origin 2021軟件。

(2)總氮在梯級溝渠的遷移轉化

梯級溝渠在運行6h后分別在各個柱體取樣測定總氮含量，由圖2（a）可知三個實驗條件下，總氮的質量濃度總體都是處于下降的，但是從最后出水總氮含量來看下降幅度都比較小。A條件下總氮濃度范圍9.00～8.12mg·L-1，B條件下總氮濃度范圍為7.87～6.38mg·L-1，C條件下總氮濃度范圍為8.05～7.70mg·L-1，三個條件下的平均去除率在21%左右。根據圖2可以看出總氮含量最低處在柱體TG2，A、B、C三個不同條件下總氮從TG1到TG2濃度分別從9.00mg·L-1下降到5.75mg·L-1；從7.87mg·L-1下降到4.91mg·L-1；從8.05mg·L-1下降到2.90mg·L-1。說明TG1模擬的1.65m深度缺氧環境對總氮的去除最為明顯，尤其是C（調高溫度15～20℃，增大流量）條件下總氮的去除率達到54%，這由于在15～20℃的條件下更加有利于反硝化反應的進行，進一步加速了氮素還原成氣態氮的過程。而在三個不同條件下TG3到TG5的總氮含量都出現了上升趨勢，這是由于持續復氧抑制了反硝化作用，且裝置內底泥也存在釋放氮素的現象。

圖2 總氮在不同條件下的變化規律

圖2（b）反映了梯級溝渠模擬系統在A、B、C三個不同條件下總氮截留率的變化特征。由圖可以看出A、B、C條件下總氮在TG2處截留率最高，分別為36.77%、32.70%、54.02%，其中TG1模擬了缺氧狀態，TG2模擬了兼性區，這說明反硝化作用對氮的去除有一定的作用。梯級溝渠模擬系統運行6h后同一柱體TG5的總氮截留率，即出水時總氮截留率C（26.31%）＞A（13.87%）＞B（9.95%）。這說明總體上在C（調高溫度15～20℃，增大流量）條件下對總氮的去除率最佳，優于A（空白實驗8～10℃）和B（調低溫度0～5℃，降低流量）。進而說明室內模擬梯級溝渠對總氮有一定的去除效果。

(3)氨氮在梯級溝渠的遷移轉化

梯級溝渠在運行6h后分別在各個柱體取樣測定氨氮含量，從圖3（a）可以看出在A、B條件下氨氮質量濃度總體小幅度下降，而C條件下氨氮質量濃度為TG2（1.54 mg·L-1）＞TG3（0.93mg·L-1）＞TG4（0.88mg·L-1）＞TG5（0.74mg·L-1）＞TG1（0.65mg·L-1）,由此可見最低處在TG1處，這是由于TG1模擬的是深度缺氧環境，深度缺氧加速了反硝化反應的進程，并且C條件下的溫度為15～20℃，適宜的溫度也促進了反硝化反應。從圖中可以看出在好氧區（TG4、TG5）氨氮的含量濃度都比較低，這是由于氨氮在水中主要以游離的NH4+形式存在，在有氧條件下發生消化反應，氨氮被氧化，進而氨氮質量濃度有所降低。

圖3 氨氮在不同條件下的變化規律

從圖3（b）來看，A（空白實驗8～10℃）條件下各個柱體氨氮的截留率都要低于B、C，去除效果明顯不如B、C條件下的好，由此可見當溫度處于8～10℃時，對氨氮的去除效果最差。并且三個條件下氨氮的截留率都是好氧區（TG4、TG5）＞缺氧區（TG1），這說明TG4、TG5模擬的好氧環境對氨氮的去除效果最為明顯，進而表明硝化反應對氨氮的去除起到重要作用。從圖3（b）來看，B、C條件下對氨氮的去除效果都比較好，平均截留率為77.30%，且總體去除效果相差不大，但B條件下的TG5（84.09%）＞A條件下的TG5（61.45%）。這是由于在小流量進水的情況下，水流對柱體中的底泥沖刷作用減弱，進而使得底泥釋放氮素的影響減小。

(4)硝態氮在梯級溝渠的遷移轉化

硝態氮在系統中的來源主要依賴氮的硝化作用。圖4（a）A、B、C三個不同條件硝態氮在缺氧區（TG1）處的含量都比較低，尤其C條件下硝態氮在TG1的缺氧環境含量最低為0.28mg·L-1，這是由于有一部分硝態氮被還原為氮氣釋放，而在TG2到TG5中硝態氮的含量呈現增長的趨勢，這是因為亞硝態氮被氧化以及長期的缺氧環境。其中三個不同條件下的好氧區中的硝態氮含量都較高，這是由于在好氧區更加有利于硝化反應的進行，使得硝態氮含量增加。

圖4 硝態氮在不同條件下的變化規律

由圖4（b）可以看出C條件下硝態氮的截留效率明顯高于其他兩種條件，這是由于適宜的溫度更加有利于氮素的轉化。并且三個條件下硝態氮在后期都有一個上升的趨勢，這是由于柱體由缺氧轉為好氧，水體中積累的氨氮發生硝化反應增大了硝態氮的含量。A、B、C三個條件下硝態氮的平均截留率都比較高，出水時平均截留率為69.93%，這說明室內模擬運行下梯級溝渠對硝態氮有一定的截留能力。

3.結論

（1）梯級溝渠沿程污染物測定發現A（空白實驗8～10℃）、B（調低溫度0～5℃，降低流量）、C（調高溫度15～20℃，增大流量）三個條件下總氮的截留率峰值均在TG2處，并且TG1到TG2總氮截留率呈現大幅度上升。其次A、B、C三個條件下總氮含量從TG1到TG5呈波動式下降?？梢钥闯鏊幬锱渌?，C條件下總氮的沿程下降趨勢較為明顯，這是由于適宜的溫度更加有利于反硝化反應的進行，進而說明反硝化作用對氮的去除效果最為明顯。

（2）氨氮、硝態氮作為水體中氮素的主要存在形態，在有氧與缺氧下都易發生形態轉化。氨氮、硝態氮在梯級溝渠中的含量變化受缺氧與好氧的影響整體濃度沿程呈現無規律變化，B、C條件下對氨氮的去除率明顯高于A條件，并且B、C條件下平均截留率為77.30%，這說明B、C條件對氨氮具有很好的攔截和去除效應。而硝態氮在C條件下的去除效果明顯比A、B條件下要好，這說明C條件對硝態氮去除效果最為明顯。

（3）A、B、C三個不同組合條件下總氮截留率為：C（26.8%）＞A（13.87%）＞B（9.95%），因此相比A（空白實驗8℃～10℃）和B（調低溫度0～5℃，降低流量）兩個條件來說，梯級溝渠模擬系統在C（調高溫度15～20℃，增大流量）條件下對氮素去除效果最好。