＊張振 高良敏 葛娟 趙興蘭 張海強(qiáng) 慕明

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院 安徽 232001）

在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，農(nóng)業(yè)精細(xì)化水平低及不計環(huán)境后果的過度使用化肥提高作物產(chǎn)量，導(dǎo)致氮、磷肥的利用率低下和在土壤中的大量積累，由此我國農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染日益嚴(yán)重[1]。農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染中的氮、磷在雨水沖刷或灌溉徑流作用下，進(jìn)入周圍水體，從而造成的水體污染。大量氮、磷植物性營養(yǎng)元素進(jìn)入水體后，營養(yǎng)物質(zhì)過剩，藻類大量繁殖，水質(zhì)惡化，嚴(yán)重導(dǎo)致水生生物死亡[2,3]。

農(nóng)田排水溝渠既能對農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染起匯集作用又下接河流、湖泊，起著蓄水、排水、凈化水質(zhì)等作用[4]。生態(tài)溝渠中的植物通過物理、生物及化學(xué)作用結(jié)合可吸收水體中8%～16%的氮[5]。溝渠內(nèi)植物及土壤的共同作用，能夠有效的對水質(zhì)中污染物進(jìn)行截流吸附[6]；微生物厭氧環(huán)境下進(jìn)行反硝化作用，兩種作用的存在促進(jìn)微生物吸收轉(zhuǎn)化氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)，大大降低環(huán)境中氮磷污染水平。同樣對磷產(chǎn)生作用，有氧條件下，好氧微生物將有機(jī)磷和難溶的無機(jī)磷吸附轉(zhuǎn)化為可溶的無機(jī)磷，進(jìn)而通過植物吸收、吸附沉降等作用降低水體中磷濃度[7]；溝渠研究表明農(nóng)田排水溝渠是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染氮磷重要轉(zhuǎn)換場所，是去除農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源中污染物的有效措施之一。本文對常見的農(nóng)田溝渠結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，使其具有缺氧—好氧梯級的形態(tài)，研究梯級溝渠對農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的處理效果。

1.研究區(qū)概況

試驗場地選擇在淮河流域內(nèi)合肥市肥東縣農(nóng)業(yè)密集的區(qū)域，肥東縣屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬季131天左右，冬季東東北風(fēng)最多，氣溫低，氣壓高，冬季平均降雨為100mm左右。本實驗選用溝渠上游為典型農(nóng)村生活區(qū)，附近為居民的生活垃圾與家禽的排泄物通過降雨地表徑流等作用進(jìn)入溝渠，采樣時間為冬末春初溝渠水位較低時期。

2.試驗設(shè)計

研究溝渠長30m，寬0.8m。溝渠通過擋板依次劃分為初沉區(qū)、缺氧區(qū)、兼性區(qū)及好氧區(qū)，在缺氧區(qū)和兼性區(qū)加挖0.5m，形成缺氧—好氧的梯級改造溝渠。由于研究區(qū)冬末春初降雨雨量不大，采用抽水泵從上游引入水源進(jìn)入溝渠。

在溝渠改造前，在原始溝渠的上、中、下游采取水樣各1000ml，分別標(biāo)記為GQ1、GQ2、GQ3，保存實驗室內(nèi)測定指標(biāo)。梯級采樣點(diǎn)位根據(jù)斷面設(shè)計個數(shù)取樣，詳細(xì)見圖1。不同斷面下取表層水樣各1000ml，共取4個點(diǎn)位，底泥在斷面中間分層取樣共取泥樣10份。

圖1 梯級溝渠剖面圖

3.試驗結(jié)果

(1)梯級溝渠和原始溝渠主要樣品理化性質(zhì)

表1為梯級溝渠與原始溝渠水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)對比，分別選取梯級溝渠進(jìn)水口TJ1，缺氧區(qū)深部TJ2-2、出水口好氧區(qū)TJ4-2與原始溝渠的進(jìn)水口GQ1、中部GQ2、出水口GQ3作比較。從上表可以看出梯級溝渠在水流動的全過程中，濁度和懸浮物濃度大于原始溝渠的濁度和懸浮物質(zhì)量濃度，且在梯級溝渠的缺氧區(qū)濁度激增由48.71NTU到199NTU，然后在TJ4-2點(diǎn)位下降到10.88NTU，梯級溝渠懸浮物質(zhì)量濃度在缺氧區(qū)達(dá)到446.60mg·L-1快速下降到14.00mg?L-1，截留率達(dá)到91.30%，處理效果明顯。原始溝渠的濁度和懸浮物質(zhì)量濃度雖然全程出現(xiàn)較低水平，濁度數(shù)值平均維持在在3.86NTU左右，懸浮物質(zhì)量濃度平均在12.54mg·L-1。濁度和懸浮物質(zhì)量濃度總體變化不大，且有升高的趨勢，對濁度、懸浮物去除效果較差。懸浮物濃度和濁度不僅是水中有機(jī)污染物的載體也直接影響著光在水中的傳播，導(dǎo)致水質(zhì)惡化[8]。

表1 梯級溝渠水體主要理化性質(zhì)

(2)梯級溝渠水中污染物的影響

①野外梯級溝渠污染物含量沿程變化

在實驗中，梯級溝渠好氧段、缺氧段對水中污染物TN、NH4+-N、TP、COD的影響如圖2所示，從圖2(a)可以看出，梯級溝渠各個點(diǎn)位對不同的污染物有不同程度的影響。如圖所示TN在各個點(diǎn)位的濃度變化顯著，呈現(xiàn)“U”波動趨勢。在HD到TJ2期間TN質(zhì)量濃度從3.19mg·L-1急速下降到1.87mg·L-1，此階段為梯級溝渠的缺氧段，在缺氧段內(nèi)污水脫氮主要進(jìn)行反硝化作用，反硝化作用脫氮效果明顯。TJ3到TJ4為梯級溝渠的兼性段及好氧段，進(jìn)行硝化反應(yīng)水中硝態(tài)氮含量增多，加之硝化段的時間較短及抽水泵不定期抽動水流的擾動，有研究表明在在堿性條件下土壤中微生物會促進(jìn)底泥中的氮素被釋放，總氮含量增加[9]。由上圖2(a)可知氨氮含量總體緩慢下降，在TJ3到TJ4段，由于水淺流速緩慢，水中溶解氧增多，氨氮轉(zhuǎn)為硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮速率增加，同時溝渠兩旁植物根系對水中氨氮有攔截和吸收的作用，表現(xiàn)為圖形上此階段下降速率最快。

圖2 野外梯級溝渠污染物含量沿程變化

由圖2(a)可知，水中TP濃度變化呈“n”形，梯級溝渠中磷的去除機(jī)理主要為植物吸收、底泥吸附、結(jié)晶沉淀、微生物的同化和聚磷菌的過量攝磷等共同作用[7]。在抽泵機(jī)的沖擊力下，TJ1處的底泥被攪動，底泥中吸附和沉淀的溶解態(tài)和顆粒態(tài)磷被帶入水中，并進(jìn)入溝渠流動，所以表現(xiàn)為HD到TJ2期間水中磷的濃度不降反升，TJ2為處較深的水深使水中懸浮物沉降，梯級溝渠后半段的低速水流和溝渠植物兩旁根系在水中對磷的攔截和吸收，使磷的含量由在TJ2的最高質(zhì)量濃度0.88mg·L-1降到TJ4處的0.04mg·L-1，說明梯級溝渠對總磷的去除效果明顯。

從圖2(b)可以看出，梯級溝渠各個點(diǎn)位的COD濃度變化趨勢呈“M”形，溝渠進(jìn)水口HD處的COD的質(zhì)量濃度為284.96mg·L-1，出水口TJ4-2的COD質(zhì)量濃度為199.68mg·L-1，總體去除效果明顯。在梯級溝渠缺氧區(qū)由上覆水TJ2到缺氧區(qū)深部TJ2-2，COD濃度增大并恢復(fù)到溝渠最高質(zhì)量濃度430.56mg·L-1，在缺氧區(qū)內(nèi)隨著水深的加深，水中溶解氧的含量逐漸減少，微生物代謝降低，活性減弱，對COD分解速率降低[10]。

圖3(a)表示梯級溝渠的污染物截留率，圖3(b)表示原始溝渠的污染物截留率。在梯級溝渠中，總氮的去除率為5.16%，主要是反硝化反應(yīng)對氮素的去除效果明顯，但后續(xù)較長時間的硝化反應(yīng)時間增多使得硝態(tài)氮含量增多。磷的截留整體效果好，截留率為87.78%，由于上游水體含有大量沖擊下來的泥沙，通過梯級擋板，橫向流速被減緩，泥沙在每一段都得到充分沉降，又因為泥沙攜帶了大量的顆粒態(tài)磷，大部分泥沙的截留就使得磷的輸出量大大減小。

圖3 野外梯級溝渠和原始溝渠污染物截留率對比

如圖3(b)所示，原始溝渠內(nèi)總氮截留率為-6.8%，COD截留效率僅為2.74%，總磷截留率為57.36%，TDP截留率為16.67%。主要原因是，采樣期間降水少，原始溝渠內(nèi)水體環(huán)境封閉，農(nóng)田作業(yè)施肥產(chǎn)生的氮類進(jìn)入溝渠，無法及時排出，同時水體內(nèi)植物凋落物的分解造成總氮在出水口增加，COD截留率低。

②相關(guān)性分析

如上表2斯皮爾曼相關(guān)性分析所示，總氮和總磷顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），說明在梯級溝渠中，總氮對總磷的含量關(guān)系密切；總氮和濁度及懸浮物呈極顯著負(fù)不相關(guān)（P＜0.01），說明總氮對懸浮物和濁度有較大影響，水中懸浮顆粒附著溶解氧，不利于反硝化反應(yīng)；總磷和濁度及懸浮物呈極顯著相關(guān)（P＜0.05），說明梯級溝渠中顆粒磷的吸附對總磷的去除有較大影響；總磷和TDS顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），說明梯級溝渠中TDS對總磷的去除有影響；氨氮和pH極顯著相關(guān)（P＜0.01）說明pH對氨氮的去除有較大的影響。

表2 梯級溝渠水體主要理化性質(zhì)相關(guān)性分析

4.結(jié)論

（1）梯級溝渠中對水質(zhì)的濁度截留率為77.67%，在缺氧區(qū)到好氧區(qū)最高截留率達(dá)到91.30%；水中懸浮物截留率是87.78%，在缺氧區(qū)到好氧區(qū)截留率最高為96.87%；對原始溝渠來說，整個運(yùn)行周期內(nèi)濁度和懸浮物去除無明顯差異。

（2）在梯級溝渠內(nèi)總氮含量先是快速下降，在缺氧階段內(nèi)進(jìn)行反硝化反應(yīng)，總氮質(zhì)量濃度處于整個周期最低點(diǎn)1.66mg·L-1，后上升到3.02mg·L-1；氨氮含量在整個周期內(nèi)逐漸減少，梯級溝渠出水口質(zhì)量濃度為0.6715mg·L-1；總磷含量與總氮表現(xiàn)相反，整個趨勢呈“n”形走向，在缺氧段處于最高點(diǎn)，最高點(diǎn)質(zhì)量濃度為0.88mg·L-1，好氧段迅速回落為0.04mg·L-1；COD質(zhì)量濃度變化趨勢呈“M”形梯級溝渠進(jìn)水口到缺氧區(qū)下降為314.08mg·L-1，在極短過程中恢復(fù)到原有水平，在兼性區(qū)及好氧區(qū)迅速降低到172.64mg·L-1。

（3）梯級溝渠總氮、總磷、氨氮、COD截留率分別為5.16%、87.78%、38.03%和51.76%，原始溝渠總氮、總磷、TDP、COD截留率分別為-6.80%、57.63%、16.67%、2.74%，改造后梯級溝渠對污染物的截留率明顯優(yōu)于原始溝渠。