生态塘生态沟渠耦合系统低温条件的运行效果研究*

崔 霞 孔令为 林红军 梅荣武 申利国 邵卫伟 成水平 王 震 代嫣然 李思亮 谭映宇 黄冠中 王杭林

(1.浙江师范大学地理与环境科学学院，浙江 金华 321004；2.浙江省环境保护科学设计研究院，浙江 杭州 310007；3.同济大学环境科学与工程学院，上海 200092)

崔 霞1,2孔令为2#林红军1梅荣武2申利国1邵卫伟2成水平3王 震2代嫣然3李思亮2谭映宇2黄冠中2王杭林2

(1.浙江师范大学地理与环境科学学院，浙江 金华 321004；2.浙江省环境保护科学设计研究院，浙江 杭州 310007；3.同济大学环境科学与工程学院，上海 200092)

构建生态塘/生态沟渠耦合系统的中试工程并在低温条件下连续运行，考察耦合系统对微污染水体的净化效果。结果表明，生态塘/生态沟渠耦合系统在低温运行阶段对COD、TN、氨氮及TP的平均去除率分别为54.50%、37.43%、53.00%、44.20%。pH对COD和TP的去除率影响不明显，与氨氮呈正相关关系，线性相关系数R2=0.705 92；耦合系统中DO供给充足，因此DO对COD、TN、TP去除率的影响并不明显，DO仅与氨氮去除率呈显著正相关，线性相关系数R2=0.771 64。

生态塘 生态沟渠 耦合工艺 低温 运行效果

Abstract: In this paper， the pilot scale novel ecological pond/ecological ditch coupling project were constructed and operated under the lower temperature conditions. The performance of the established coupling project on light-polluted water purification was monitored and evaluated. The results showed that the ecological pond/ecological ditch coupling system presented perfect purification performance at lower temperature,the average COD,TN,ammonia nitrogen and TP removal rate of coupling system was 54.50%,37.43%,53.00% and 44.20% respectively. The pH parameter had no significant impact on the removal rate of COD and TP,while had positive correlation with ammonia nitrogen removal rate,the liner correlation coefficient was 0.705 92;the DO supply of coupling system was adequate,so DO had less impact on COD,TP and TN removal rate,it was only positive correlated with ammonia nitrogen removal rate,and the correlation coefficient was 0.771 64.

Keywords: ecological pond; ecological ditch; coupling process; low temperature; operating performance

随着点源污染物质的有效控制，面源污染形势越来越严峻，已经成为受纳水体富营养化和水环境质量退化的重要原因之一。据调查，全世界不同程度退化的12亿hm2耕地中，约有12%是由农业面源污染引起[1]。农业面源污染主要是指由农用化肥农药、畜禽养殖、农田固体废弃物等引起的有机质或氮、磷等污染物，通过地表径流或地下渗漏等形式污染水体，造成水体富营养化，破环水生生态环境。

常见的农业面源污染控制技术，如缓冲带技术、化肥管理技术[2]、氧化塘技术[3]、人工湿地技术等普遍存在控制效率不稳定、运行成本偏高等现象[4]。生态沟渠净化技术是近几年发展起来的一种占地面积小，运行和建设费用低的高效水质净化技术，目前已广泛应用于农业面源污染和生活污水等水质净化领域[5]。但生态沟渠运行效果易受污染负荷、季节温度等因素影响[6-7]。孔令为[8]的研究表明，温度与微生物的活动密切相关，硝化及反硝化过程对温度均较为敏感，当温度低于15 ℃时，微生物及植物不能充分发挥脱氮效果，当温度<5 ℃时，硝化和反硝化的反应速率将大幅降低[9]。因此，对低温下生态沟运行效果的研究具有一定实用价值，为提高生态沟渠在低温下的运行效果，本研究在临安某区构建生态塘/生态沟渠耦合系统并在低温条件下连续运行，对耦合系统各单元的连接、布水、水位控制以及水生植物配置等进行优化，考察低温条件下耦合系统的COD、TN、TP及氨氮去除效果，为后期进一步优化工程设计和研究整个系统的去污机制提供技术支持和定量化数据。

1 材料与方法

1.1 实验装置

实验装置设于天然池塘下游，该池塘主要收集上游地表径流及养殖废水，出水通过管道重力流入耦合系统的生态塘，生态塘主要构造为长方体玻璃钢槽，尺寸为4 m×2 m×2 m，其中在长度上分为4格槽，格槽间通过弯头连通，污水从前端的大塘流入生态塘后经过4格槽的过滤最终出水流入生态沟渠。生态沟渠池体材质为玻璃钢，渠长为100.00 m，呈倒梯形形状，上宽1.10 m，下宽0.50 m，高0.60 m；距渠底0.18、0.36 m高度处分别设置宽为0.12 m的长方形植物种植带，种植挺水植物千屈菜、梭鱼草、再力花、西伯利亚鸢尾以及沉水植物金鱼藻和苦草，并装填周边农田种植土3～6 cm；渠底铺设5～10 cm种植土，沟渠坡度为1.73。生态沟渠内每间隔20 m设置一个无动力曝气装置以实现沟渠水体DO的强化和补给。

1.2 实验方法

在前置天然池塘与生态塘间设置流量计控制耦合系统的水位和水力停留时间，为保证植物养活及系统调试，设置进水流量为2.0 m3/h，水力停留时间约为16 h。实验期间不定时取样，测定生态塘/生态沟渠耦合系统进出水中COD、TN、TP、氨氮含量，计算去除率，待系统运行成熟后根据实际情况增设水温、DO、pH等监测指标。

1.3 分析方法

水样COD采用重铬酸钾法测定；TN采用过硫酸氧化—紫外分光光度法测定；氨氮采用纳氏试剂光度法测定；TP采用过硫酸钾消解法测定[10]；DO采用便携式溶解氧仪器法测定；pH采用便携式pH仪测定。

2 结果与分析

生态塘/生态沟渠耦合系统运行时间为2015年11月5日至2016年4月14日，其中2016年1月15日至3月3日由于渠体后段漏水调整未监测水质数据。实验期间，超过2/3的天数平均温度低于14 ℃，属于低温运行，耦合系统运行阶段进水水质见表1。

表1 实验进水水质

2.1 COD去除效果

低温条件下生态塘/生态沟渠耦合系统进出水COD及其去除率的变化见图1。

图1 低温下生态塘/生态沟渠耦合系统对COD的去除效果Fig.1 Removal effect of ecological pond/ecological ditch coupling system on COD under low temperature

由图1可见，生态塘/生态沟渠耦合系统在实验期间运行总体较为稳定。除运行第28天时出现异常值外，COD进水质量浓度基本在5～15 mg/L波动，而出水COD也基本维持在5 mg/L以下。系统运行第1天COD的去除率为47.60%，第10天COD去除率上升至81.80%，这可能与系统内植物趋于稳定且生物量具有一定增长有关[11]；随后，系统COD去除率虽有波动，但大致呈现出降低趋势，系统运行第58天时COD的去除率降至27.20%，经调查，系统运行当日温度降至1.5 ℃，温度降幅较大，系统运行后期COD去除率逐渐增加，最高增至65.80%，这与温度开始回升有关。整个运行阶段系统COD去除率为27.20%～81.80%，平均值为54.50%，说明生态塘/生态沟渠耦合系统对COD有一定的去除效果，但受温度影响明显。

2.2 TN去除效果

低温条件下生态塘/生态沟渠耦合系统进出水TN及其去除率的变化见图2。

由图2可见，生态塘/生态沟渠耦合系统对TN的去除率总体呈下降趋势。在整个低温运行阶段，系统TN去除率在16.50%～56.20%，平均值为37.43%。TANG等[12]采用沟渠—湿地—塘系统的示范工程处理微污染水体，在(15.3±2.5) ℃下该示范工程对TN去除率为36.35%。通过对比发现，TANG等构建的示范工程增加了湿地环节，且运行的平均温度比本研究高，但TN的去除效果与本研究相近，可见中试研究与示范工程的处理效果不尽相同，示范工程规模及处理能力远高于中试研究，处理效果较中试研究低。因此，耦合系统若在未来放大规模运行，为取得良好稳定的运行效果，需要针对低温条件增加一些强化手段。

图2 低温下生态塘/生态沟渠耦合系统对TN的去除效果Fig.2 Removal effect of ecological pond/ecological ditch coupling system on TN under low temperature

2.3 氨氮的去除效果

低温条件下生态塘/生态沟渠耦合系统进出水氨氮及其去除率的变化见图3。

图3 低温下生态塘/生态沟渠耦合系统对氨氮的去除效果Fig.3 Removal effect of ecological pond/ecological ditch coupling system on ammonia nitrogen under low temperature

由图3可见，生态塘/生态沟渠耦合系统进水氨氮波动较大，在运行前25 d进水氨氮持续增长，在运行40 d左右出现大幅下跌，在运行后期进水氨氮总体呈下降趋势。经生态塘/生态沟渠耦合系统处理后，出水氨氮相对稳定，氨氮去除率在33.30%～72.70%，平均去除率为53.00%，可见生态塘/生态沟渠耦合系统对氨氮有较好的去除效果，系统对氨氮的去除效果优于对TN的去除效果。生态塘/生态沟渠耦合系统在低温条件下对氨氮去除率最高可达70%，这可能与系统中植物稳定生长后对氨氮的截留与转化作用有关，同时也说明了系统对氨氮尚具有较大的去除潜力。

2.4 TP的去除效果

低温条件下生态塘/生态沟渠耦合系统进出水TP及其去除率的变化见图4。

由图4可见，生态塘/生态沟渠耦合系统进出水TP变化较平稳，系统运行前70 d，TP去除率总体呈现逐步下降的趋势，运行第120天后，TP去除率开始逐步上升，说明生态塘/生态沟渠耦合系统对TP的处理效果受温度影响明显。整个运行期间，TP去除率在26.70%～61.70%变化，平均TP去除率为44.20%，耦合系统对TP的去除效果优于对TN的去除效果。

图4 低温下生态塘/生态沟渠耦合系统对TP的去除效果Fig.4 Removal effect of ecological pond/ecological ditch coupling system on TP under low temperature

2.5 影响因素分析

为考察不同因素对生态塘/生态沟渠耦合系统运行效果的影响，本研究采用一维线性模型拟合耦合系统污染物去除率与pH、DO之间的关系，由于低温运行阶段pH、DO并未连续监测，仅采用2016年3月15日至4月14日温度较为稳定的数据进行拟合。

2.5.1 pH的影响

低温条件下pH对生态塘/生态沟渠耦合系统运行效果的影响见图5。

图5 低温下pH对塘/生态沟渠系统处理效果的影响Fig.5 The effects of pH on processing effect of ecological pond/ecological ditch coupling system under low temperature

图6 低温下DO对生态塘/生态沟渠耦合系统处理效果的影响Fig.6 Effects of DO on processing effect of ecological pond/ecological ditch coupling system under low temperature

2.5.2 DO的影响

低温条件下DO对生态塘/生态沟渠耦合系统运行效果的影响见图6。

由图6可见，DO与氨氮去除率的一维线性拟合效果最好，拟合相关系数R2=0.771 64，与COD、TN、TP去除率的拟合效果均较差，说明本研究中耦合系统的DO对COD、TN、TP去除率的影响不明显。一般情况下，随着生态系统中DO的增加，COD等水质指标的变化趋势应逐渐明显[15]，与本研究结果不符；分析原因，本研究中整个生态沟渠渠段共设置5套无动力曝气装置，对生态沟渠系统DO供给充足，系统内DO可能呈饱和状态，因此DO对污染物去除率的影响并未体现。

3 结 论

(1) 生态塘/生态沟渠耦合系统在低温运行阶段对COD、TN、氨氮、TP的平均去除率分别为54.50%、37.43%、53.00%、44.20%，运行效果良好。

(2) pH对耦合系统COD、TP去除率的影响不明显，而与氨氮去除率呈正相关关系，线性相关系数R2=0.705 92；DO对耦合系统COD、TP及TN去除率的影响低于其对氨氮去除率的影响，DO对耦合系统氨氮去除率线性相关系数R2=0.771 64，耦合系统中DO供给充足，因此DO对污染物去除率的影响并不明显。

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Studyonoperationeffectofpond-ecologicalditchcouplingsystemunderthelowertemperature

CUIXia1,2,KONGLingwei2,LINHongjun1,MEIRongwu2,SHENLiguo1,SHAOWeiwei2,CHENGShuiping3,WANGZhen2，DAIYanran3,LISiliang2,TANYingyu2,HUANGGuanzhong2，WANGHanglin2.

(1.CollegeofGeographyandEnvironmentalSciences,ZhejiangNormalUniversity,JinhuaZhejiang321004;2.EnvironmentalResearchandDesignInstituteofZhejiangProvince,HangzhouZhejiang310007;3.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,TongjiUniversity，Shanghai200092)

2017-01-20)

崔 霞，女，1991年生，硕士研究生，主要从事面源污水处理和生态修复方面的研究。#

。

*国家水体污染控制与治理科技重大专项(No.2014ZX07101-12)；浙江省自然科学基金资助项目(No.LQ16B060001)；浙江省省属科研院所专项(No.2014F50025)；2014年浙江省博士后科研择优资助项目；浙江省科技厅公益研究计划项目(No.2016C31106)；浙江省软科学研究计划重点项目(No.2016C25047)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.08.016