生态沟渠对水中氮磷去除效果的模拟研究

梁 善，郭秋萍，杜建军，刘 雯，雷泽湘

（仲恺农业工程学院环境科学与工程学院/广东省产地环境污染防控工程技术研究中心，广东 广州 510225）

【研究意义】近年来，农业面源污染严重威胁着水环境的质量与安全［1-3］。调查表明，目前我国农业面源污染总氮、总磷排放量分别占全国总氮、总磷排放总量的57.2%和67.3%，农业面源污染是国内主要河流、湖泊等氮磷主要输入源，氮磷流失的营养物质占其输入总量的50%以上［4］。即使在挪威、瑞典、荷兰和芬兰等欧洲国家，农业面源污染总氮、总磷排放量也均占排放总量的50%和40%以上，部分地区甚至更高［5］。因此，综合施策，实施“源头减量-过程阻控-末端治理”的农田氮磷污染防控模式已成为农田氮磷污染防控重要措施［6］。

【前人研究进展】水泥硬化的沟渠，使沟渠失去吸收农田退水中氮磷物质的能力［7-9］。生态沟渠主要是通过沟渠内部的动植物、土壤、微生物之间的吸收转化作用，来降低水体中的氮磷污染物质质量浓度，从而达到水体净化的效果［10～11］。因此，若以生态沟渠代替水泥硬化的沟渠，种植不同生态型水生植物，不仅可以改善农田景观、美化环境，同时可以吸收农田退水中的氮磷物质，对于氮磷物质起到吸收和拦截作用（过程阻控），为人工湿地或生态塘进一步的末端治理减轻负荷［12-14］。在正常农田种植状态下，沟渠中的水体一般呈现流动变化状态，这对研究生态沟渠对于氮磷吸收和拦截作用及其机理带来极大的影响与不便［13,15］。【本研究切入点】目前，许多研究者为分析沟渠的净化效果和机理，在室内搭建模拟生态沟渠（生态水槽），在水体流动状态下，对水槽植物种植种类、槽内水力停留时间、槽内底部填料种类和水槽构造等方面进行了研究，但在模拟生态沟渠内对于不同生态型植物搭配种植对水体净化效果的研究较少［16-19］。【拟解决的关键问题】本研究以珠三角地区常见水生植物为试材，搭建具有水体循环系统的生态沟渠模拟装置，通过改变生态沟渠模拟装置的水力停留时间等关键因素，分析不同进水流量及不同植物组合生态沟渠装置的氮磷去除能力，旨在为珠三角地区农田生态沟渠工程设计与建造提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2018年8—12月在仲恺农业工程学院海珠校区温室大棚内进行，温室大棚面积约50 m2。供试植物：针对珠三角地区气候及生态环境条件，在前期研究的基础上，模拟生态沟渠确定采用氮磷去除效果较好的2种不同生态型植物组合C1（再力花Thalia dealbata-大薸Pistia stratiotes-九冠草Echinodorus major）与C2（再力花Thalia dealbata-凤眼莲Eichhorniacrassipes-黑藻Hydrilla verticillata）。其中，再力花是挺水植物，九冠草和黑藻是沉水植物，大薸和凤眼莲是浮水植物。每个处理2次重复。

试验污水：采用模拟农田退水，氮磷质量浓度组成为 TN 15～17 mg/L、TP 0.9～1.1 mg/L、NO3--N 7.5～8.5 mg/L、NH4+-N 7.5～8.5 mg/L，微量元素铁、硼、锰、锌、铜、钼离子质量浓度分别为1.4、0.5、0.5、0.05、0.02、0.01 mg/L。

1.2 模拟生态沟渠的构建与运行

模拟生态沟渠装置的渠体以广东省广州市南沙区广州市福安农业产业园有限公司农田实地沟渠为模板，通过田间现场实际农田排水沟渠的测绘，运用CAD2017软件进行装置初步制图，并在温室内搭建完成。该装置由前置水箱、生态水槽和后置水箱3个部分构成（图1、图2），通过PVC管、循环水泵和控制电路连接成为一个整体，为了贴近实际农田沟渠运作情况，采用水位控制器自动控制前端水箱水位高度，进而控制生态水槽进水流量和生态水槽槽内水体循环速度。后置水箱是试验水体的加药箱，同时也是生态水槽溢流的临时储水箱，通过控制电路控制水泵将后置水箱水体抽至前置水箱，再从前置水箱低端阀门控制进入生态水槽的水体流量，形成完整的水体处理循环系统。

生态沟渠模拟装置采用不锈钢材质，共4条，每条长6 m×宽（下0.3 m，上0.5 m）×高0.45 m，槽内每1.5 m设置拦截网，以防生态沟渠内不同区域植物漂移；生态水槽进水端装有流量计，实时监测水体流量变化，溢流口设置停留水箱，各水槽均安装有单独的循环水泵，并设置有手自动控制电箱，渠内不同植物立体布置。

图1 生态沟渠模拟装置结构Fig. 1 Structure diagram of the ecological ditch simulation device

图2 模拟生态沟渠植物布置Fig. 2 Plant layout in the simulated ecological ditch

参考当地沟渠实际情况与装置的设计参数确定具体的试验水体流速，试验流量设定为60、180、300 L/h 3个水平（水力停留时间分别为0.54、0.18、0.108 d），水槽有效容量0.78 m3，水槽横截面积0.13 m2。

植物移植前，在水箱内先预培育3～5 d，再移植到生态水槽中进行动态试验，选择适当的植物数量（按生物量分配），各沟渠内等量放置挺水植物60株，总植物量为0.8～1.2 kg/m2；浮水植物100株，水面覆盖率在25%～30%之间，总植物量为0.8～1.0 kg/m2；沉水植物45株，总植物量为0.8～1.0 kg/m2。相同植物各重复处理间试验前重量误差不超过±10%，每批试验前后称量试验植物鲜重。槽边的魔术贴固定挺水植物，槽底定植环与定植棉固定沉水植物，设置拦截网来限制浮水植物的流动，控制水面覆盖率，避免影响沉水植物生长的光合作用，从而形成立体空间植物布置。

提前配制好人工模拟农田退水，并先将自来水添加到指定水位（前置水箱与中段生态水槽），开始放置植物并往水中添加浓缩人工模拟农田退水，手动搅拌；结合田间现场监测数据，使生态水槽试验水体达到试验质量浓度要求。水样现场采集，放置于100 mL聚乙烯瓶中存放，带回实验室，以便测定各项指标。

1.3 化学分析方法

水质pH、DO测定：多参数分析仪（上海仪电科学仪器股份有限公司，型号DZS-706）现场采样测定；水质总氮测定采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法（HJ636-2012）；总磷测定采用钼酸铵分光光度法（GB11893-89）；硝态氮测定采用紫外分光光度法；铵态氮测定采用纳氏试剂分光光度法（HJ535-2009）；参照地表水环境质量标准（GB3838-2002）。

植株重量测定采用分析天平（梅特勒-托利多国际贸易上海有限公司，型号TLE104/02）；植株消解采用浓H2SO4-H2O2消煮，全氮测定采用碱解扩散法、全磷测定采用钒钼黄比色法。

数据统计采用Microsoft Office Excel 2019软件，数据分析采用IBM SPSS statistics 20软件，绘图采用Origin 2017软件。

2 结果与分析

2.1 低进水流量模拟生态沟渠的氮磷去除效果

图3 低进水流量模拟生态沟渠中氮素质量浓度（A）与磷素质量浓度（B）动态变化Fig. 3 Dynamic changes of nitrogen (A) and phosphorus(B) mass concentrations in the water of simulated ecological ditch with low influent flow rate

由图3A可知，在低进水流量（60 L/h）条件下，随着装置运行时间延长，总氮质量浓度在逐渐下降，至运行22 d时趋于平稳，运行26 d时，2种植物组合C1与C2总氮去除率分别达到36.74%和34.91%；硝态氮质量浓度呈现先上升后下降的趋势，约在运行10 d时出现拐点，由于植物吸收和硝化作用，铵态氮质量浓度从装置运行开始就一直快速下降，至运行8 d时出现拐点，之后趋于平稳，此时C1与C2铵态氮质量浓度分别仅为0.23、0.24 mg/L，相较于铵态氮去除率达到90%以上，达到国家地表水环境质量标准I类水质标准（GB3838-2002）；对比质量浓度变化曲线可知，从装置运行开始，硝态氮相较于铵态氮在水中的氮素占比呈现上升态势，装置运行至12 d以后，生态沟渠内氮素以硝态氮为主，硝态氮的质量浓度变化趋势与总氮接近一致。C1与C2在低流量下总氮、硝态氮与铵态氮的去除率没有明显差异，但模拟生态沟渠装置对氮素呈现出较好的去除效果。

由图3B可知，在装置运行前期总磷质量浓度下降速率较快，在运行18 d后速率放缓，质量浓度变化趋于稳定，C1与C2总磷质量浓度均为0.07 mg/L，总磷去除率最高为96.01%，处理后总磷质量浓度能够达到国家地表水环境质量标准Ⅱ类水质标准（GB3838-2002）；前期C2植物组合去除速率略高于C1，最终总磷去除率都能达到95.00%以上。

不同植物由于生长习性不同，生物量与氮磷吸收量存在差异［20］。由表1可知，低进水流量下，试验结束时C1植物总鲜重小于C2，而C2生物量增量高于C1，差异显著。但植物体内氮、磷吸收量，C1都要略高于C2。

表1 低进水流量模拟生态沟渠中不同植物组合的生物量与氮磷吸收量Table 1 Biomass, nitrogen and phosphorus absorption amounts of two plant combinations in simulated ecological ditch with low influent flow rate

2.2 中进水流量生态沟渠的氮磷去除效果

由图4A可知，中进水流量（180 L/h）下，总氮、硝态氮、铵态氮质量浓度变化趋势与低进水流量时相似，总氮在第18 d时质量浓度变化趋于稳定，C1与C2总氮去除率分别达到18.23%和17.65%，去除率仅约为低进水流量的50%；硝态氮质量浓度变化在运行10 d时出现拐点，C1与C2比较，C1对硝态氮的去除率略高于C2。装置运行14 d后，硝态氮与铵态氮质量浓度变化不大，C1与C2铵态氮质量浓度维持在0.14、0.15 mg/L，其去除率均达到98%以上，均达到国家地表水环境质量标准I类水质标准（GB3838-2002）。

由图4B可知，C1与C2总磷质量浓度下降趋势相同，与低进水流量时相似，前期质量浓度下降速率快，在运行14 d时质量浓度下降速率趋于平缓，C1与C2质量浓度曲线重叠，至运行18 d时，C1与C2总磷质量浓度均降低到0.20 mg/L以下，去除率分别为79.39%与80.67%，处理后总磷质量浓度能够达到国家地表水环境质量标准Ⅳ类水质标准。

图4 中进水流量模拟生态沟渠中氮素质量浓度（A）与磷素质量浓度（B）的动态变化Fig. 4 Dynamic changes of nitrogen (A) and phosphorus(B) concentrations in the water of simulated ecological ditch with medium influent flow rate

由表2可知，相较于低进水流量，中进水流量C1和C2植物生物量增重、氮吸收量、磷吸收量显著降低，分别只有低进水流量的56.1%、47.1%，56.8%、37.7%，77.1%、67.9%。低进水流量下，试验结束时，C1的总鲜重大于C2，而C2的生物量增量高于C1，但植物体内的氮吸收量与磷吸收量C1都要高于C2，C1分别比C2高55.7%与18.4%，差异显著。

表2 中进水流量模拟生态沟渠中不同植物组合的生物量与氮磷吸收量Table 2 Biomass, nitrogen and phosphorus absorption in simulated amounts of two plant combinations ecological ditch with medium influent flow rate

2.3 高进水流量下生态沟渠的氮磷去除效果

由图5A可知，高进水流量（300 L/h）下，总氮去除率变化波动较大，相较于前2种流量情况，运行12 d时，总氮去除率最高仅为9.2%，C1与C2在高流量下总氮去除率相差不大。观察发现，高流量运行14 d时，浮水植物开始出现整体叶子腐烂情况，导致总氮去除率降低；由于硝化作用的影响，铵态氮大量转化为硝态氮，水中硝态氮大量累积；至运行10 d时，C1与C2铵态氮质量浓度分别仅为0.06、0.05 mg/L，去除率均达到99%以上，达到国家地表水环境质量标准I类水质标准。C1与C2比较，总氮变化趋势相同，运行4～10 d时，C1比C2的硝态氮质量浓度略高，而C2比C1的铵态氮质量浓度略高。

由图5B可知，C1与C2总磷下降趋势相同，前期质量浓度下降速率快，在运行14 d时质量浓度下降至0.35 mg/L左右，C1与C2间质量浓度下降曲线重叠，去除率最高为66.13%，处理后总磷质量浓度能够达到国家地表水环境质量标准V类水质标准（GB3838-2002）。

图5 高进水流量模拟生态沟渠中氮素质量浓度（A）与磷素质量浓度（B）的动态变化Fig. 5 Dynamic changes of nitrogen (A) and phosphorus (B)concentrations in the water of simulated ecological ditch with high influent flow rate

表3 高进水流量模拟生态沟渠中不同植物组合的生物量与氮磷吸收量Table 3 Biomass, nitrogen and phosphorus absorption amounts of two plant combinations in simulated ecological ditch with high influent flow rate

由表3可知，相较于低、中进水流量，高进水流量时，C1和C2植物生物量增重、氮吸收量、磷吸收量进一步显著降低，分别只有低进水流量的 27.2%、28.57%，37.51%、35.40%，51.5%、44.0%。高进水流量下，试验结束时，C1的总鲜重大于C2，而C2的生物量增量高于C1，但植物体内的氮吸收量与磷吸收量C1均高于C2，C1比C2分别高9.4%与22.2%，其中磷吸收量差异显著。

3 讨论

在农田普通沟渠承担着农田灌溉与退水功能的基础上，将其改造成生态沟渠，强化沟渠对污染物和营养污染物质的吸收与转化的功能［21］。由于野外实地生态沟渠试验，环境影响因素众多，因此在室内搭建模拟生态沟渠装置。本研究重点在于探讨沟渠内种植植物的搭配、沟渠水力停留时间两种关键性因素，研究结果表明，模拟生态沟渠在3种流速下对模拟农田退水氮磷均具有净化效果，但不同流速对水中氮磷去除效果存在差异。

模拟生态沟渠装置主要利用植物吸收和微生物转化的方式去除模拟农田退水的氮磷。生态沟渠中，降低水体流速，延长水力停留时间，同时种植根系发达的水生植物，增大植物根部与水体的接触面积，能够提高其对水中氮磷的去除效果［22-24］。本研究结果表明，中低流速时，模拟生态沟渠净化效果最优，这与水体在生态沟渠内水力停留时间的长短有关［25］。模拟生态沟渠总氮去除率为9.20%～36.74%、铵态氮去除率为97.26%～99.31%，低流速时高于张春旸等［26］研究的生态沟渠总氮去除率31.4%，且铵态氮去除率远高于部分实际农田生态沟渠系统净化效果，水中铵态氮质量浓度下降较快，而在铵态氮质量浓度极低的情况下，总氮与硝态氮质量浓度还具有差异，说明水体中存在部分其他形态的氮素［27］。由于水体处于流动状态，模拟生态沟渠装置的前端进水口、末端溢流孔都处于跌水状态，运行时水体DO值在3.60～4.65 mg/L范围内，有利于为生态水槽水体表面创造好氧环境。由于模拟生态沟渠良好的好氧环境条件，使水体中硝化作用明显，而挺水植物和浮水植物根部、沉水植物表面、水槽底部和槽边利于微生物的生长与繁殖，产生好氧与厌氧环境，从而达到去除氮素的效果［15,28］。

相较于氮素，模拟生态沟渠对总磷去除效果更好，去除率为63.38%～96.10%，出水总磷质量浓度能够达到国家地表水环境质量标准Ⅱ～Ⅴ类水质标准，其去除率高于部分实际农田生态沟渠系统净化效果［11,29］。生态沟渠农田退水中磷素的去除，主要是通过污泥沉淀与植物吸收等方式来实现，植物根部产生的微生物絮团，试验后期沟渠底部因微生物残体而产生活性污泥成分，污泥中含有铁铝氧化物，对磷素具有吸附能力，同时沟渠内植物生长发育也是促进沟渠内水体磷素吸收的主要贡献者［29-30］，而在本试验模拟状态下，植物生长发育对磷的吸收是去除磷的主要形式。

生态沟渠植物不同的种植搭配，影响着水体氮磷的去除效果。本研究植物有两种搭配组合，适应于珠三角地区气候及生态环境条件，既美观又有实用效应。随着沟渠植物的生长，生物量随之增加，对水中氮磷的吸收也随之增加［31-33］。但随着植物的生长发育，浮水植物的数量增长，占据更大的水域面积，影响着沉水植物的光合作用，植物易出现腐烂分解的情况，使水质变差，所以需要制定合理有效的管理模式，避免因植物腐烂释放的氮磷等物质产生二次污染［19,34］。

4 结论

（1）生态沟渠进水流量设置为低进水流量（60 L/h）时，模拟生态沟渠运行26 d时，两种植物组合C1与C2的总氮去除率分别达到36.74%和34.91%，氨氮去除率均达97%以上，总磷去除率均达95%以上，总磷质量浓度达到国家地表水环境质量标准Ⅱ类水质标准，铵态氮质量浓度达到国家地表水环境质量标准Ⅰ类水质标准，该条件下模拟生态沟渠对水中氮磷去除效果较好。

（2）植物对水体氮磷物质的去除效果受到进水流量大小的影响，低进水流量（60 L/h）时有利于植物生长和植物对水体氮磷的阻控。不同进水流量下，C2生物量增重均高于C1，但C1对氮、磷的吸收量要高于C2，因此，C1植物组合搭配对水中氮磷去除效果影响较好。