梯级沟渠对农业非点源氮磷的去除效率及影响因素

＊张振 高良敏 葛娟 赵兴兰 张海强 慕明

（安徽理工大学地球与环境学院 安徽 232001）

在我国农业生产过程中，农业精细化水平低及不计环境后果的过度使用化肥提高作物产量，导致氮、磷肥的利用率低下和在土壤中的大量积累，由此我国农业非点源污染日益严重[1]。农业非点源污染中的氮、磷在雨水冲刷或灌溉径流作用下，进入周围水体，从而造成的水体污染。大量氮、磷植物性营养元素进入水体后，营养物质过剩，藻类大量繁殖，水质恶化，严重导致水生生物死亡[2,3]。

农田排水沟渠既能对农业非点源污染起汇集作用又下接河流、湖泊，起着蓄水、排水、净化水质等作用[4]。生态沟渠中的植物通过物理、生物及化学作用结合可吸收水体中8%～16%的氮[5]。沟渠内植物及土壤的共同作用，能够有效的对水质中污染物进行截流吸附[6]；微生物厌氧环境下进行反硝化作用，两种作用的存在促进微生物吸收转化氮磷等营养物质，大大降低环境中氮磷污染水平。同样对磷产生作用，有氧条件下，好氧微生物将有机磷和难溶的无机磷吸附转化为可溶的无机磷，进而通过植物吸收、吸附沉降等作用降低水体中磷浓度[7]；沟渠研究表明农田排水沟渠是农业非点源污染氮磷重要转换场所，是去除农业非点源中污染物的有效措施之一。本文对常见的农田沟渠结构进行改造，使其具有缺氧—好氧梯级的形态，研究梯级沟渠对农业非点源污染的处理效果。

1.研究区概况

试验场地选择在淮河流域内合肥市肥东县农业密集的区域，肥东县属北亚热带季风气候区，冬季131天左右，冬季东东北风最多，气温低，气压高，冬季平均降雨为100mm左右。本实验选用沟渠上游为典型农村生活区，附近为居民的生活垃圾与家禽的排泄物通过降雨地表径流等作用进入沟渠，采样时间为冬末春初沟渠水位较低时期。

2.试验设计

研究沟渠长30m，宽0.8m。沟渠通过挡板依次划分为初沉区、缺氧区、兼性区及好氧区，在缺氧区和兼性区加挖0.5m，形成缺氧—好氧的梯级改造沟渠。由于研究区冬末春初降雨雨量不大，采用抽水泵从上游引入水源进入沟渠。

在沟渠改造前，在原始沟渠的上、中、下游采取水样各1000ml，分别标记为GQ1、GQ2、GQ3，保存实验室内测定指标。梯级采样点位根据断面设计个数取样，详细见图1。不同断面下取表层水样各1000ml，共取4个点位，底泥在断面中间分层取样共取泥样10份。

图1 梯级沟渠剖面图

3.试验结果

(1)梯级沟渠和原始沟渠主要样品理化性质

表1为梯级沟渠与原始沟渠水质常规指标对比，分别选取梯级沟渠进水口TJ1，缺氧区深部TJ2-2、出水口好氧区TJ4-2与原始沟渠的进水口GQ1、中部GQ2、出水口GQ3作比较。从上表可以看出梯级沟渠在水流动的全过程中，浊度和悬浮物浓度大于原始沟渠的浊度和悬浮物质量浓度，且在梯级沟渠的缺氧区浊度激增由48.71NTU到199NTU，然后在TJ4-2点位下降到10.88NTU，梯级沟渠悬浮物质量浓度在缺氧区达到446.60mg·L-1快速下降到14.00mg•L-1，截留率达到91.30%，处理效果明显。原始沟渠的浊度和悬浮物质量浓度虽然全程出现较低水平，浊度数值平均维持在在3.86NTU左右，悬浮物质量浓度平均在12.54mg·L-1。浊度和悬浮物质量浓度总体变化不大，且有升高的趋势，对浊度、悬浮物去除效果较差。悬浮物浓度和浊度不仅是水中有机污染物的载体也直接影响着光在水中的传播，导致水质恶化[8]。

表1 梯级沟渠水体主要理化性质

(2)梯级沟渠水中污染物的影响

①野外梯级沟渠污染物含量沿程变化

在实验中，梯级沟渠好氧段、缺氧段对水中污染物TN、NH4+-N、TP、COD的影响如图2所示，从图2(a)可以看出，梯级沟渠各个点位对不同的污染物有不同程度的影响。如图所示TN在各个点位的浓度变化显著，呈现“U”波动趋势。在HD到TJ2期间TN质量浓度从3.19mg·L-1急速下降到1.87mg·L-1，此阶段为梯级沟渠的缺氧段，在缺氧段内污水脱氮主要进行反硝化作用，反硝化作用脱氮效果明显。TJ3到TJ4为梯级沟渠的兼性段及好氧段，进行硝化反应水中硝态氮含量增多，加之硝化段的时间较短及抽水泵不定期抽动水流的扰动，有研究表明在在碱性条件下土壤中微生物会促进底泥中的氮素被释放，总氮含量增加[9]。由上图2(a)可知氨氮含量总体缓慢下降，在TJ3到TJ4段，由于水浅流速缓慢，水中溶解氧增多，氨氮转为硝态氮和亚硝态氮速率增加，同时沟渠两旁植物根系对水中氨氮有拦截和吸收的作用，表现为图形上此阶段下降速率最快。

图2 野外梯级沟渠污染物含量沿程变化

由图2(a)可知，水中TP浓度变化呈“n”形，梯级沟渠中磷的去除机理主要为植物吸收、底泥吸附、结晶沉淀、微生物的同化和聚磷菌的过量摄磷等共同作用[7]。在抽泵机的冲击力下，TJ1处的底泥被搅动，底泥中吸附和沉淀的溶解态和颗粒态磷被带入水中，并进入沟渠流动，所以表现为HD到TJ2期间水中磷的浓度不降反升，TJ2为处较深的水深使水中悬浮物沉降，梯级沟渠后半段的低速水流和沟渠植物两旁根系在水中对磷的拦截和吸收，使磷的含量由在TJ2的最高质量浓度0.88mg·L-1降到TJ4处的0.04mg·L-1，说明梯级沟渠对总磷的去除效果明显。

从图2(b)可以看出，梯级沟渠各个点位的COD浓度变化趋势呈“M”形，沟渠进水口HD处的COD的质量浓度为284.96mg·L-1，出水口TJ4-2的COD质量浓度为199.68mg·L-1，总体去除效果明显。在梯级沟渠缺氧区由上覆水TJ2到缺氧区深部TJ2-2，COD浓度增大并恢复到沟渠最高质量浓度430.56mg·L-1，在缺氧区内随着水深的加深，水中溶解氧的含量逐渐减少，微生物代谢降低，活性减弱，对COD分解速率降低[10]。

图3(a)表示梯级沟渠的污染物截留率，图3(b)表示原始沟渠的污染物截留率。在梯级沟渠中，总氮的去除率为5.16%，主要是反硝化反应对氮素的去除效果明显，但后续较长时间的硝化反应时间增多使得硝态氮含量增多。磷的截留整体效果好，截留率为87.78%，由于上游水体含有大量冲击下来的泥沙，通过梯级挡板，横向流速被减缓，泥沙在每一段都得到充分沉降，又因为泥沙携带了大量的颗粒态磷，大部分泥沙的截留就使得磷的输出量大大减小。

图3 野外梯级沟渠和原始沟渠污染物截留率对比

如图3(b)所示，原始沟渠内总氮截留率为-6.8%，COD截留效率仅为2.74%，总磷截留率为57.36%，TDP截留率为16.67%。主要原因是，采样期间降水少，原始沟渠内水体环境封闭，农田作业施肥产生的氮类进入沟渠，无法及时排出，同时水体内植物凋落物的分解造成总氮在出水口增加，COD截留率低。

②相关性分析

如上表2斯皮尔曼相关性分析所示，总氮和总磷显著负相关（P＜0.05），说明在梯级沟渠中，总氮对总磷的含量关系密切；总氮和浊度及悬浮物呈极显著负不相关（P＜0.01），说明总氮对悬浮物和浊度有较大影响，水中悬浮颗粒附着溶解氧，不利于反硝化反应；总磷和浊度及悬浮物呈极显著相关（P＜0.05），说明梯级沟渠中颗粒磷的吸附对总磷的去除有较大影响；总磷和TDS显著负相关（P＜0.05），说明梯级沟渠中TDS对总磷的去除有影响；氨氮和pH极显著相关（P＜0.01）说明pH对氨氮的去除有较大的影响。

表2 梯级沟渠水体主要理化性质相关性分析

4.结论

（1）梯级沟渠中对水质的浊度截留率为77.67%，在缺氧区到好氧区最高截留率达到91.30%；水中悬浮物截留率是87.78%，在缺氧区到好氧区截留率最高为96.87%；对原始沟渠来说，整个运行周期内浊度和悬浮物去除无明显差异。

（2）在梯级沟渠内总氮含量先是快速下降，在缺氧阶段内进行反硝化反应，总氮质量浓度处于整个周期最低点1.66mg·L-1，后上升到3.02mg·L-1；氨氮含量在整个周期内逐渐减少，梯级沟渠出水口质量浓度为0.6715mg·L-1；总磷含量与总氮表现相反，整个趋势呈“n”形走向，在缺氧段处于最高点，最高点质量浓度为0.88mg·L-1，好氧段迅速回落为0.04mg·L-1；COD质量浓度变化趋势呈“M”形梯级沟渠进水口到缺氧区下降为314.08mg·L-1，在极短过程中恢复到原有水平，在兼性区及好氧区迅速降低到172.64mg·L-1。

（3）梯级沟渠总氮、总磷、氨氮、COD截留率分别为5.16%、87.78%、38.03%和51.76%，原始沟渠总氮、总磷、TDP、COD截留率分别为-6.80%、57.63%、16.67%、2.74%，改造后梯级沟渠对污染物的截留率明显优于原始沟渠。