人工生態池對稻田排水的減污效應分析

許 怡，曾艷麗，劉敏芝，劉 天，張 軒，吳 巍，周星池

（1.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029； 2.上海市青浦區水文勘測隊，上海 201700；3.寧波市鄞州區農村水利管理中心，浙江 寧波 3151003； 4.寧波市水務設施運行管理中心，浙江 寧波 315043）

0 引 言

水稻是太湖流域種植面積最廣的糧食作物，由于稻田排水含有大量的氮、磷等營養物質，如果直接排入河湖會對水體造成污染，稻田排水面源污染已經成為農業面源污染的主要來源［1］。通過生態溝渠、人工濕地以及人工生態池等方法將稻田排水進行攔截和過濾，再排入河湖中，可以有效地減少污染物進入河道，減少農業面源污染［2-4］。潘樂等［5］在湖北漳河灌區采用塘堰濕地對稻田的氮磷污染去除效應進行了研究，結果表明，塘堰濕地對于TN、TP的整體去除率分別為45.88%和44.20%；劉馨井雨等［6］通過試驗得出生態溝、現有濕地及人工濕地對水質凈化的貢獻率分別為2.9%、30.3%和66.8%；孫寧寧等［7］運用了稻田節水灌溉-田間排水草溝-塘堰濕地-生態骨干排水溝“四道防線”系統對稻田排水中的氮、磷等元素進行凈化作用，結果表明灌區水環境改善效果明顯。除了溝渠、塘堰、濕地等自然凈化系統，人工生態池也具有良好的水質凈化作用，它是人為建造并加入原生態系統中的小型人工濕地，可以選取指定位置，通常以水泥砂漿磚砌與四周土壤隔絕開來，但是由于造價較高，在稻田排水的凈化中的研究和應用較少。由于生態池的形狀較為規則，進水排水易于控制，因此非常適合按預期的排水效果進行設計，但不同水生植物對于稻田排污的凈化效果尚缺乏定量研究。目前，對于不同水生植物的凈化能力有許多研究［8-10］，不同水生植物對于不同污染物的凈化效果也有所區別［11，12］。為了探明不同水生植物及人工生態池對于稻田排水的凈化作用，選取了浮水植物（菱角）、挺水植物（荷藕、菖蒲）、沉水植物（黑藻）進行了試驗，以期為太湖流域稻田排水的污染物凈化處理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗在上海市青浦區水利技術推廣站內開展，試驗站地理坐標為121°7'N，31°12'E，海拔2.6 m。試驗區屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫16.1 ℃，最熱月均氣溫27.8 ℃。多年平均降雨量1 104 mm。年均日照1 929 h，年均無霜期234 d，年均降雨日為134 d，汛期主要集中在6-9月。土壤質地為重壤土。試驗站配有小型氣象站，可以記錄每天的降雨、風速、相對濕度、氣溫、日照時數、水面蒸發等數據。

試驗站內人工生態池建于2009年，經過十多年的運行及自適應，生態池已經和周邊的生態環境很好地融合。生態池占地總平面尺寸：25.0 m（長）×6.0 m（寬）×0.85 m（高），包括1個集水池、1個排水池以及4塊可獨立串聯的人工生態池。每塊區域長5 m，寬6 m，深0.85 m。生態池底部由防滲材料構成不透水層，不透水層上方為砂礫層（基質2），厚度20 cm，粒徑5～8 mm；砂礫層上方為土壤層（基質1），厚度20 cm，粒徑2～6 mm。各進水口和出水口均可獨立控制。人工生態池的平面布置與剖面如圖1所示。

圖1 人工生態池平面布置與剖面圖（單位：m）Fig.1 Layout plan and cutaway view of the artificial ecological pool

1.2 試驗設計

本次試驗選取不同的水生植物測定人工生態池的減污效果，每個生態池之間相互獨立。由于生態池的規模有限，因此選取4種當地常見的且凈污效果較好的水生植物進行對比。池1～池4依次種植菖蒲、菱角、荷藕和黑藻。人工生態池附近含有農業化學物質的稻田排水首先進入集水池，稍沉淀后進入進水渠，通過進水口獨立進入每一個生態池中。場地內設有透明擋雨棚，可避免降雨干擾。

本次試驗主要模擬水稻追肥后排水進入生態池的凈化效果，肥料為尿素，排水時間為施肥后24 h。在接收稻田排水之前，生態池內水層候度控制在15 cm（水面距池底55 cm），水層高度達到25 cm（水面距池底65 cm）時停止排水。在生態池出水口處取水樣測定排水前生態池內的污染物濃度，排水后每天下午16∶00取一次水樣，觀察污染物濃度的變化情況，連續取10 d。水樣主要檢測TN、NH4+-N兩個指標。TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法進行測定，NH4+-N采用納氏試劑分光比色法測定。

1.3 數據計算

各生態池氣象條件相同，試驗期間無降雨，日均氣溫24.6～28.5 ℃之間，日平均蒸發量約2.0 mm/d。TN、NH4+-N的去除率計算公式如下［13-15］：

式中：R為污染物的去除率；IC為進水時的污染物濃度，mg/L；OCi為第i天凈化后生態池出水的污染物濃度，mg/L；Q為稻田排水進入各生態池中的水量，L。

2 結果與分析

2.1 TN凈化過程分析

稻田污水排放后，不同水生植物所在生態池的TN濃度變化過程如圖2所示，對于TN的去除率隨凈化天數的變化情況如表1所示。

表1 不同水生植物生態池TN的去除效果Tab.1 Removal effect of TN in different aquatic plant ecological pools

圖2 不同水生植物生態池TN濃度變化Fig.2 Changes of TN concentration in different aquatic plant ecological pools

可以看出，所有生態池的TN濃度均在排水后第1 d達到了峰值，隨后TN濃度呈逐漸下降趨勢，最終逐漸接近排水前的濃度水平。但是不同水生植物的TN去除效率存在一定的差異，黑藻池和菱角池在凈化第2 d TN濃度就有非常明顯的下降，TN去除率約80%，隨后黑藻池TN濃度呈逐漸緩慢下降趨勢，到第10 d的TN去除率可以達到95.1%；菱角的TN濃度在第5～7 d有一些反復，隨后逐漸降低，最終第10 d去除率達到90.3%。菖蒲池和荷藕池的TN濃度下降速度較為均勻，呈現逐漸下降趨勢，菖蒲池的下降幅度略大一些，第10 d的去除效果也可以達到87.7%；荷藕池的凈化效果略差，第10 d的去除效果為76.7%。

總體來說，不同水生植物對于TN的去除效果都較好，除了荷藕池外，其余生態池均能在凈化后6 d左右達到85%以上的TN去除率，其中黑藻池的去除效果最快最好，凈化4 d后即可達到90%以上的去除率。

2.2 NH4+-N凈化過程分析

稻田污水排放后，不同水生植物所在生態池的NH4+-N濃度變化過程如圖3所示，對于NH4+-N的去除率隨凈化天數的變化情況如表2所示。

表2 NH4+-N的去除效果Tab.2 Removal effect of TN in different aquatic plant ecological pools

圖3 不同水生植物生態池排NH4+-N濃度變化Fig.2 Changes of TN concentration in different aquatic plant ecological pools

可以看出，和TN類似，所有生態池的NH4+-N濃度均在排水后第1天達到了峰值，隨后NH4+-N濃度呈逐漸下降趨勢，最終逐漸接近排水前的濃度水平。不同水生植物的NH4+-N去除效率存在一定的差異，菱角池在凈化第2 d NH4+-N濃度就有非常明顯的下降，去除率達到81.8%，在凈化第4天達到90%以上的去除率，但是菱角池在凈化后期出現了反復，最終第10 d去除率為88.4%。黑藻池的NH4+-N濃度下降也較快，同樣在第4 d達到90%以上的去除率，隨后呈緩慢下降趨勢，最終第10 d去除率達到95.6%。菖蒲池的NH4+-N去除效果與黑藻類似，但在第7 d也出現了反復，最終第10 d的去除率達到92.7%。荷藕NH4+-N的去除效果與TN類似，呈勻速下降，但最終的第10 d的去除效果要好于TN，去除率達到93.3%。

總體來說，不同水生植物對于NH4+-N的去除效果都較好，除了菱角池外，其余生態池的第10 d NH4+-N去除率均優于TN。其中黑藻池的去除效果最好，凈化4 d后即可達到90%以上的去除率，凈化10 d達到95.6%的去除率。

3 結 論

通過人工生態池減污試驗，選取不同的水生植物對稻田排水的凈化作用進行研究。結果表明，人工生態池對于稻田排水有較好的凈化效果。菖蒲、菱角、荷藕、黑藻對于污染物的去除效果都比較好，河藕、菖蒲等挺水植物對于TN和NH4+-N的凈化速度穩定，但是短期（4 d內）凈化效果不如黑藻和菱角。由于河藕生長旺盛，基本可以遮蓋生態池，使得河藕池的溫度一直處于較為穩定的狀態，要略低于氣溫，因此凈化的速率較慢，但較為穩定，由于生物量大，最終的吸收量也較大，如果凈化時間允許，也是很好的生態池備選植物，這與吳軍等［11］的研究結果相似。黑藻、菱角等對于TN和NH4+-N的凈化速度比較快，去除率高，是較好的凈化植物，但由于植物本身的生物體量較小，因此當灌區較大，排水量較多時的吸收凈化能力還需要進一步的驗證。

綜上所述，對于短期的低濃度稻田排水，采用黑藻、菱角等沉水或浮水植物的凈化效果最好，推薦在人工生態池中種植；但如果是能夠保證較長的凈化時間，河藕、菖蒲等生長茂盛的挺水植物的凈化速度較為穩定，凈化效果也能夠滿足要求。