馮羽中，劉秋菊，張皓馳，金 秋，李先寧,*

(1.東南大學能源與環(huán)境學院，江蘇南京 211189；2.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京 210029)

面源污染(non-point source pollution)又稱非點源污染，主要指溶解態(tài)或懸浮態(tài)污染源從非特定地點，在降水(降雪)的沖刷作用下，通過地表徑流進入水體而引起的水體污染[1]。太湖流域水環(huán)境污染統(tǒng)計結果表明，進入太湖流域的污染中，53%的化學需氧量(chemical oxygen demand，COD)、45%的總氮(total nitrogen，TN)和68%的總磷(total phosphorus，TP)來源于面源污染[2]。隨著城市生活污水、工業(yè)廢水等點源污染逐步得到有效的控制和治理，由村鎮(zhèn)生活污水和地表徑流組成的村落無序排放污水逐漸成為了影響當?shù)厮h(huán)境質量的重要污染源。目前，對于面源污染的研究主要集中于城市降雨徑流治理、農田徑流污染的治理和控制、地表和地下徑流的水質監(jiān)測方面[3]，針對村落無序排放污水這一類綜合性面源污染治理及控制的研究仍然較少[4]。

村落無序排放污水即為農村地區(qū)村民生產生活過程中產生的，未經收集直接隨意排放進入周邊環(huán)境的污水。其中，污染物的來源主要包括村民生活中隨意潑灑的雜用水、散養(yǎng)畜禽的排泄物、隨意堆放產生的無序垃圾堆放點等[5]，在降水徑流的作用下形成無序排放污水[6]。以雨水沖刷為主的產生方式使村落無序排放污水有以下特點：(1)降雨過程中降雨量、降雨地點與降雨時間的不確定性使得污水的產生量、產生地點和污染物濃度存在極大的隨機性；(2)散養(yǎng)畜禽糞便和垃圾堆放點位置和規(guī)模的無序性使得污水的產生存在極大的分散性和隱蔽性；(3)無序污水出現(xiàn)的時間和地點均難以確定，難以對村落無序排放污水進行監(jiān)測和研究。

針對村落無序排放污水治理中存在的難點，此次試驗采用生態(tài)溝渠技術對其進行處理。生態(tài)溝渠主要由填料和濕生植物組成，主要用于收集地表徑流并攔截去除其中的污染物，通過自然沉降、填料過濾吸附、植物吸收以及微生物作用截留水中的懸浮泥沙、有機質、N、P等水環(huán)境污染物，對無序產生的面源污染有著很好的截留凈化效果[7]。劉福興等[8]利用不同規(guī)格的生態(tài)溝渠對農田面源污染進行處理，獲得了良好的去除效果，對氨氮、TN、TP和懸浮物的去除效率均達到50%以上。朱金格等[9]構建生態(tài)溝-濕地系統(tǒng)對農田尾水進行攔截凈化，結果表明生態(tài)溝渠能夠有效去除農田尾水中的污染物，后續(xù)配置人工濕地能夠有效提高N、P去除效率，提升出水水質。相比于其他水環(huán)境修復技術，生態(tài)溝渠有著建設運行成本較低、占地面積少、設計方式靈活多變的優(yōu)勢[10]。與此同時，除攔截污染、凈化水質外，生態(tài)溝渠在海綿城市的建設中還具有滯水、蓄水、防止水土流失等功能[11]。在生態(tài)溝渠的維護過程中通過定期收割溝渠中的植物，可以有效避免二次污染，合理地選擇植物種類也能夠產生額外的景觀效益[12]。朱曉瑞等[13]對生態(tài)溝渠中植物種類對N、P去除效果的影響進行研究，篩選出適合天津地區(qū)的溝渠植物配置，為天津地區(qū)生態(tài)溝渠的設計提供了理論依據。在以農業(yè)為主要產業(yè)的村落中，可以對已有輸水渠道進行生態(tài)化改造，通過開孔、鋪設網格、鋪設填料等方式種植濕地植物建設生態(tài)溝渠，使生態(tài)溝渠在村鎮(zhèn)中更易于建設和推廣[14]。劉馨井雨等[15]對生態(tài)溝渠在農田面源污染防治中的作用進行了模擬研究，結果表明，生態(tài)溝和人工濕地的共同作用能夠在滿足傳統(tǒng)除澇排漬需求的同時有效削減稻田排水中TN的排放量，且能夠有效節(jié)約污染治理所需土地面積。

本試驗通過改變生態(tài)溝渠中的填料類型、調整生態(tài)溝渠進水水力負荷，分析填料及水力負荷運行條件對生態(tài)溝渠污染物攔截去除能力的影響。在此基礎上，進行暴雨徑流模擬試驗，驗證生態(tài)溝渠對隨機性較強的面源污染的實際截留效果，為村落無序排放污水的治理及控制提供參考，為相關污水處理設施的設計、建設及運行提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)域概況

試驗區(qū)域位于宜興市大浦鎮(zhèn)洋渭村試驗基地(31°19′N，119°56′E)，屬于熱帶季風氣候，降雨雨量充足。試驗于夏季進行，試驗期間氣溫為28～33 ℃。試驗中生態(tài)溝渠進水水源為人工配制的模擬廢水，通過改變運行條件測試其對生態(tài)溝渠污染處理效果的影響，并進行暴雨徑流模擬試驗，通過出水中污染物濃度變化驗證生態(tài)溝渠對村落無序排放污水的截留效果。

1.2 生態(tài)溝渠設計

生態(tài)溝渠設計如圖1所示，溝渠主體為磚石混凝土結構，各廊道規(guī)格相同，長為12.0 m、寬為1.0 m、深為0.6 m，溝渠中填料深度為0.3 m，前端設有長為2.0 m、寬為1.0 m、深為1.0 m的配水池，末端設有與渠道主體同等寬度、深度的集水槽。通過改變溝渠中的填料，構建3種不同填料類型的生態(tài)溝渠：(1)球形填料生態(tài)溝渠，采用直徑為10 cm的塑料空心球作為填料，空隙率約為95%，填料層厚度為0.30 m；(2)煤渣填料生態(tài)溝渠，采用煤渣作為填料，空隙率約為53%，填料層厚度為0.30 m；(3)沙石填料生態(tài)溝渠，下層為礫石，粒徑為10～30 mm，上層為粗砂，上下層鋪設厚度均為0.15 m，整體空隙率約為40%，整體填料層厚度為0.30 m。試驗中選用的溝渠植物為空心菜，種植密度為30株/m2，空心菜植株于當?shù)剞r戶處購買，移栽時植株高度為30～40 cm。試驗采用間歇式進水，試驗裝置運行過程中廊道內有效水深約為0.10 m?？招牟艘圃郧皩锨盍线M行浸泡清洗，去除填料中的粉塵、油污等有害物質，避免干擾試驗結果。

圖1 生態(tài)溝渠試驗裝置示意圖

1.3 測定方法

2 填料類型對生態(tài)溝渠攔截效果的影響

2.1 試驗設計

2.2 結果與討論

圖2 不同填料類型生態(tài)溝渠對污染物的去除效果

生態(tài)溝渠中有機質的去除過程與填料的吸附攔截作用、植物根系的截留作用以及微生物的作用密不可分，其中微生物異化分解作用為生態(tài)溝渠中有機物去除的主要途徑[17]。此次試驗采用的3種填料中，煤渣有著相對更大的比表面積，為微生物的生長提供了更多的附著點，且煤渣有著較高的空隙率，使溝渠中水流能夠均勻混合，與填料更加充分接觸，這有效提高了微生物對有機物的去除效果；相比之下，球形填料空隙率較大，有利于水流與填料的充分接觸，但由于塑料材質表面光滑、比表面積較小，使得微生物生長受到限制；沙石填料比表面積相比球形填料較大，但由于空隙率較低，水流難以與填料充分接觸，抑制了微生物對有機物的去除作用。由此可見，煤渣較大的比表面積以及相對較高的空隙率使得以煤渣為填料的生態(tài)溝渠表現(xiàn)出更好的有機物去除效果[18]。

生態(tài)溝渠對P的去除主要依靠沉淀、填料吸附、植物根系的截留作用[22]。此次試驗中，煤渣填料組對TP的去除效果最好，沙石填料組次之，而球形填料組較差。這是由于此次試驗采用的3種填料中，煤渣孔隙率最高，比表面積最大，有著最強的吸附能力；而球形填料表面光滑，比表面積最小，吸附能力最差。不同類型填料吸附截留能力的差異使得煤渣填料生態(tài)溝渠對TP的去除效果優(yōu)于沙石填料組和球形填料組。

生態(tài)溝渠的建設目的在于攔截去除污水中的懸浮物、有機質、N、P等水環(huán)境污染物，綜合考慮此次試驗中3種不同填料的生態(tài)溝渠對污染物的去除率，以試驗模擬的村落無序排放污水為處理對象時，以煤渣為填料的生態(tài)溝渠展現(xiàn)出更好的污染物攔截效果。

3 水力負荷對生態(tài)溝渠攔截效果的影響

3.1 試驗設計

水力負荷對生態(tài)溝渠攔截效果影響試驗在以煤渣為填料的生態(tài)溝渠中進行。試驗進水水質與2.1小節(jié)中相同，使用太湖湖水稀釋生活污水配制得到?？紤]當?shù)亟邓?、徑流流量、后續(xù)處理單元水力負荷等，此次試驗設置6個梯度的水力負荷，分別為0.86、1.72、2.58、3.61、4.30、5.16 m3/(m2·d)。每2～3 d在集水槽中采集生態(tài)溝渠進出水并檢測水質，計算污染物攔截效率。

3.2 結果與討論

圖3 不同水力負荷下生態(tài)溝渠對污染物的去除效果

隨著水力負荷的逐漸增大，生態(tài)溝渠中CODCr的去除率逐漸下降，這是由于隨著水力負荷的增長，生態(tài)溝渠中水流速度不斷上升，溝渠對污水中顆粒態(tài)有機物的攔截效果大幅下降；同時水力負荷的增大使得污水與填料上附著生長的微生物的接觸時間隨之減短，生態(tài)溝渠對有機物的去除率隨之降低[23]。隨著水力負荷的增長，進入生態(tài)溝渠的有機物總量不斷增多，有機物污染負荷未超過填料中微生物代謝能力時，有機物的去除總量逐漸上升；當水力負荷過高時，過快的流速不僅限制了微生物分解有機物的有效時間，水流產生的沖刷作用也使得被填料和植物根系截留的有機物重新進入水中，導致水力負荷超過一定限度后有機物的去除率迅速降低。這使得溝渠中CODCr的去除負荷隨水力負荷的上升呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢。

此次試驗中，生態(tài)溝渠中N的去除率隨水力負荷的上升而不斷降低，這是由于水力負荷上升后溝渠填料及植物根系的吸附截留效率降低，溝渠對污水中顆粒態(tài)氮的截留效果隨之下降；污水與填料的接觸時間縮短使得微生物脫氮作用難以有效發(fā)揮，生態(tài)溝渠中N的總體去除效果隨之降低[24]。水力負荷逐漸增大時，生態(tài)溝渠中N的去除負荷呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，這是由于水力負荷上升后，進入溝渠的污染物總量不斷增多，污染負荷未超出生態(tài)溝渠的截留凈化能力時，雖然去除率有所下降但由于污染物總量的上升，污染去除負荷仍會有所增長。當水力負荷過大時，水流速度過快，污水無法與溝渠中的填料充分接觸，填料的吸附攔截效果下降且微生物脫氮作用有效時間不足，這極大地影響了生態(tài)溝渠對污水中各形態(tài)氮的去除效果[25]，導致水力負荷過大后生態(tài)溝渠中N的去除負荷逐漸下降。

試驗結果顯示，生態(tài)溝渠中TP去除率隨水力負荷的提高而逐漸降低。這是由于試驗中使用的污水為人工配制的模擬降雨徑流，試驗用水中P主要以顆粒態(tài)存在，顆粒態(tài)磷在TP中的占比為64.39%～84.77%，其去除途徑主要為沉淀作用以及填料和植物根系的吸附攔截作用。當水力負荷增大時，顆粒態(tài)磷的沉淀效果隨之降低，且水流與填料的接觸時間縮短，溝渠填料的吸附攔截效果下降，使得TP去除率隨水力負荷的提高而逐漸降低[26]。此次試驗采用的水力負荷范圍內，TP的去除負荷并未出現(xiàn)明顯的下降趨勢，這是由于生態(tài)溝渠中P的去除更加依賴于沉淀、吸附、截留等物理作用而非生物作用，受水力停留時間的影響較小[27]，在水力負荷提升的過程中去除率下降較為緩慢。而去除負荷受去除率和污染負荷兩方面的影響，試驗中溝渠對TP的去除負荷并未出現(xiàn)明顯的降低趨勢。

生態(tài)溝渠作為一種面源污染治理技術，建設目的在于利用排灌水渠道攔截去除N、P、有機物等水環(huán)境污染物。此次試驗中采用污染物的去除率和去除負荷來評價生態(tài)溝渠對污水的處理效果，其中去除率反映的是生態(tài)溝渠中污染物濃度的變化情況，而去除負荷反映的是同等土地使用面積下污染物的去除總量，即生態(tài)溝渠的面積利用效率。綜合考慮水力負荷對有機物、N、P去除效果的影響，以試驗模擬的村落無序排放污水為處理對象時，該生態(tài)溝渠的理想水力負荷為3.61 m3/(m2·d)。

4 生態(tài)溝渠對模擬暴雨徑流的攔截效果

4.1 試驗設計

對模擬暴雨徑流中污染物的攔截試驗在以煤渣為填料的生態(tài)溝渠中進行。試驗中，模擬降雨過程中地表徑流的水質和流量特征，按照徑流峰值出現(xiàn)時間的先后順序，將3種模擬暴雨徑流分為前期型暴雨、中期型暴雨以及后期型暴雨[28]，試驗進水水量分布情況如圖4所示。溝渠進水中污染物的濃度與進水時間相關聯(lián)，污染物濃度與時間的對應關系如表1所示。試驗中進水的水量與水質參考監(jiān)測所得當?shù)乇┯陱搅髑闆r，由3種試驗用水按不同比例混合得到。生態(tài)溝渠進水流量由流量計進行控制，模擬降雨徑流歷時1 h，產流開始后對生態(tài)溝渠出水進行取樣，間隔20 min取樣一次，直至產流結束。

表1 模擬暴雨徑流進水水質

圖4 模擬暴雨徑流流量分布

4.2 結果與討論

圖5 生態(tài)溝渠對不同模擬暴雨徑流中污染物的去除效果

此次試驗中，不同類型暴雨模擬試驗中生態(tài)溝渠的出水污染物濃度隨產流時間的變化趨勢并無較大差異。產流初期(0～40 min)，溝渠出水中各項污染物濃度均隨進水量的增長而迅速上升；產流中期(40～60 min)，出水污染物濃度逐漸達到最大值；產流后期(60～120 min)，污染物濃度逐漸降低直至產流結束。模擬暴雨徑流試驗開始時，由于溝渠中維持有一定量的殘留水，這一部分水體長期處于生態(tài)溝渠中，污染物濃度較低，這使得生態(tài)溝渠對進水中的污染物存在一定的緩沖稀釋能力[29]。隨著產流時間的延長，進入溝渠的污染物總量逐漸增多，溝渠的稀釋效果不斷下降，這使得產流初期出水中的污染物濃度迅速上升。而產流后期出水中污染物濃度逐漸降低，可以歸結為以下原因：首先，試驗開始后生態(tài)溝渠進水中污染物濃度逐漸降低，進水流量在達到峰值后亦逐漸下降，使得試驗后期進入生態(tài)溝渠的污染負荷不斷降低；其次，模擬試驗開始1 h后進水停止，生態(tài)溝渠中的水力停留時間逐漸增長，增強了溝渠對污染物的攔截去除效果，這使得產流后期出水中污染物濃度逐漸降低[30]。

此次試驗中模擬的暴雨徑流是一種短時大流量的沖擊負荷，有著較大的處理難度。生態(tài)溝渠中存在的緩沖空間對沖擊負荷具有一定的調蓄能力，溝渠中的填料以及茂密生長的植物使得生態(tài)溝渠有著較大的水流阻力，短時大流量沖擊負荷下生態(tài)溝渠中的水流規(guī)律發(fā)生變化，出現(xiàn)局部壅水現(xiàn)象[31]，實際水力停留時間高于表觀水力停留時間，使得生態(tài)溝渠對沖擊性水力負荷有著一定的緩沖能力。此次暴雨徑流模擬試驗中，生態(tài)溝渠各出水階段中N、P、CODCr濃度均低于進水中污染物的累加均值，且出水中污染物濃度峰值出現(xiàn)的時間也相對滯后，這說明生態(tài)溝渠對暴雨徑流這一類短時大流量沖擊負荷有著一定的調蓄削減能力，在應對隨機性較強的村落無序排放污水時有一定優(yōu)勢。

5 生態(tài)溝渠長期運行效果

5.1 試驗設計

實際工程應用中，污水生態(tài)處理設施的長效性和穩(wěn)定性非常重要。為檢驗長期運行過程中生態(tài)溝渠污染去除效果的變化情況，在以煤渣為填料的生態(tài)溝渠中進行長期運行效果試驗。在長期連續(xù)運行條件下對生態(tài)溝渠的污染處理能力進行研究，并對不同季節(jié)溝渠中的污染處理能力的差異進行分析。試驗中進水水質與2.1小節(jié)中相同，使用太湖湖水稀釋生活污水配制得到。生態(tài)溝渠進水水力負荷為3.61 m3/(m2·d)，通過水泵及流量計控制溝渠流量以維持長期運行。

5.2 結果與討論

表2 生態(tài)溝渠長期運行結果

生態(tài)溝渠中污染物去除效果與氣溫有著密切的聯(lián)系，在夏季氣溫較高時采用空心菜等生長快的水生經濟植物有利于植物對N、P的吸收，同時通過對經濟作物的收割可以獲得經濟效益。冬季溝渠中的污染去除率隨著氣溫的下降出現(xiàn)了明顯的降低，因此，在冬季選擇水芹等適合冬季生長的植物進行換茬對維持生態(tài)溝渠的污染物凈化效果具有一定的作用，同時在有條件的地區(qū)還可采用大棚、地膜覆蓋等保溫措施達到提高微生物活性及植物同化吸收的作用。

6 結論與展望

綜上所述，本試驗的主要結論如下。

(1)進水負荷相近時，以煤渣為填料的生態(tài)溝渠有著最好的污染物攔截去除效果，對CODCr、N、P的去除效果均優(yōu)于球形填料和沙石填料型生態(tài)溝渠。以村落無序排放污水為處理對象時，選用煤渣這一類孔隙率高、吸附性能強的材料作為生態(tài)溝渠的填料能夠更有效地提升其對污水的攔截凈化效果。

(2)水力負荷增長時，生態(tài)溝渠對污染物的去除率隨之降低，污染去除負荷呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。水力負荷的增長會引起生態(tài)溝渠中污染物去除率的降低，但在一定范圍內適當提高水力負荷能夠有效提高污染物去除負荷，提高土地利用效率。在生態(tài)溝渠建設中，應當綜合考慮污染物的去除率及去除負荷以確定設計水力負荷。

(3)在應對暴雨徑流這一類短時大流量沖擊負荷時，生態(tài)溝渠各時段的出水污染物濃度均低于進水中污染物的累加均值。這說明生態(tài)溝渠對類似暴雨徑流的沖擊負荷有著較強的滯納緩沖能力，這使得生態(tài)溝渠在應對村落無序排放污水等具有隨機排放特征的面源污染時，仍能保持較好的污染凈化效果。生態(tài)溝渠對短時大流量沖擊流量的調蓄滯納作用以及對污染物的攔截削減作用能夠有效地減輕后續(xù)處理設施的污水凈化難度。

(4)長期運行過程中，生態(tài)溝渠污染去除效果隨季節(jié)的改變和氣溫的降低出現(xiàn)了明顯的變化，冬季溝渠中的污染物去除率隨著氣溫的降低出現(xiàn)了明顯的下降，在冬季換種水芹等適合冬季生長的植物對維持生態(tài)溝渠污染物凈化效果具有一定的作用，有條件的地區(qū)還可采用大棚、地膜覆蓋等保溫措施提高微生物的活性及植物的同化吸收作用。

此試驗中探究了填料類型及水力負荷對生態(tài)溝渠運行效果的影響以及生態(tài)溝渠對暴雨徑流的截留凈化效果，為生態(tài)溝渠的設計建設提供參考，但是對生態(tài)溝渠污染去除效果的影響因素仍值得深入研究。試驗通過模擬暴雨徑流產生的無序污水來研究生態(tài)溝渠的攔截效果，對其他類型的面源污染仍需要進一步研究以擴展生態(tài)溝渠在面源污染治理中的應用范圍。除單獨使用外，生態(tài)溝渠也是一種良好的前處理手段，此次試驗中未涉及后續(xù)污水處理技術，因此，對生態(tài)溝渠后續(xù)處理單元的選用及多技術耦合凈化方案仍需更深入的研究。