藻球-植物生態(tài)溝渠控制農(nóng)村徑流污染

陸敏博，劉 蕓，王宇翔，錢冬旭，耿 冰，楊小麗,*,宋海亮

(1.悉地〈蘇州〉勘察設(shè)計(jì)顧問有限公司，江蘇蘇州 215123；2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京 211189；3.上海城市水資源開發(fā)利用國家工程中心有限公司，上海 200082；4.南京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210023)

農(nóng)村面源污染是造成農(nóng)村水環(huán)境惡化的重要原因之一[1]。當(dāng)前，我國新農(nóng)村建設(shè)正全面展開，農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)得到大力發(fā)展，為了有效提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，氮磷肥料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛使用，且用量通常超過農(nóng)作物的實(shí)際需求[2]，降雨徑流和農(nóng)田排水?dāng)y帶過剩的氮磷營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入下游河道，導(dǎo)致受納水體呈現(xiàn)富營養(yǎng)化狀態(tài)。因此，有效控制農(nóng)村徑流污染，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)文明和諧發(fā)展對改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

生態(tài)溝渠是削減農(nóng)村面源污染的有效舉措之一，主要通過底泥沉積物滯留、水生植物吸收、微生物代謝等作用實(shí)現(xiàn)過流污水中污染物的凈化。目前，大量研究表明，生態(tài)溝渠已成功應(yīng)用于處理農(nóng)村徑流污染[3-5]，但是單一的生態(tài)溝渠技術(shù)難以有效凈化濃度高、成分復(fù)雜、流速不穩(wěn)定的污水[6]。因此，研究新型生態(tài)溝渠提高水質(zhì)穩(wěn)定凈化效果十分必要。將藻類應(yīng)用于水質(zhì)凈化領(lǐng)域近年來逐漸成為研究熱點(diǎn)，微藻不僅可以通過光合作用釋放氧氣促進(jìn)水體中好氧菌的活性，從而提高污染物的降解效果，還可直接同化污水中的營養(yǎng)物質(zhì)供給自身生長繁殖。小球藻是一種廣泛分布的淡水藻類，對生長環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，既可以利用光能和CO2實(shí)現(xiàn)自養(yǎng)生長，也可以依靠環(huán)境中的有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行異養(yǎng)繁殖，且光合效率較高，甚至可達(dá)陸生植物的10倍左右[7]。小球藻及其膠球在處理城市污水[8]、凈化養(yǎng)殖廢水[9]以及修復(fù)生態(tài)環(huán)境[10]方面均取得了良好的效果。

本研究將生態(tài)溝渠和小球藻固定化技術(shù)進(jìn)行耦合，構(gòu)建藻球-植物生態(tài)溝渠，既可以緩解農(nóng)村徑流污染，又可為優(yōu)化生態(tài)溝渠提供新思路。研究中將實(shí)驗(yàn)室模擬溝渠系統(tǒng)與示范工程相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)室研究旨在篩選最優(yōu)的植物組合以及小球藻膠球的制備，示范工程位于南京市溧水區(qū)澗東村，以考察藻球-植物生態(tài)溝渠在實(shí)際工程中的運(yùn)行效果。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)室溝渠構(gòu)建

實(shí)驗(yàn)室模擬溝渠如圖1所示。該裝置由有機(jī)玻璃制成，長為1 m，寬為0.5 m。裝置底部土壤取自南京市澗東村，土層厚度為20 cm，上覆水水位保持為10 cm，表1為試驗(yàn)用水水質(zhì)。

圖1 實(shí)驗(yàn)室模擬生態(tài)溝渠Fig.1 Simulated Ecological Ditch in Laboratory

1.2 植物種類的篩選

生態(tài)溝渠內(nèi)的植物應(yīng)當(dāng)兼具經(jīng)濟(jì)價值和污染物處理效能。一方面，適度刈割能夠令植物具有較大的氮磷貯存量，提高系統(tǒng)的氮磷去除效果；另一方面，植物枯萎腐爛后會造成二次污染，因此，生態(tài)溝渠的長期穩(wěn)定運(yùn)行需激發(fā)農(nóng)戶對植物進(jìn)行定期收割。

表1 試驗(yàn)用水水質(zhì)Tab.1 Water Quality in Experiment

對示范工程實(shí)施地的植物種植情況進(jìn)行調(diào)研后，選取4種適宜當(dāng)?shù)胤N植且具有經(jīng)濟(jì)價值的水生植物：水芹、菖蒲、空心菜、水蔥。既往研究發(fā)現(xiàn)，水芹和菖蒲具有較好的磷去除效果[11-12]，空心菜和水蔥則可有效去除水體中的氮[13-14]。為了兼顧系統(tǒng)的脫氮和除磷效果，試驗(yàn)設(shè)置了4種植物組合形式，分別為水芹和空心菜(1#)、水芹和水蔥(2#)、菖蒲和空心菜(3#)、菖蒲和水蔥(4#)，栽種密度為100株/m2。4組植物生態(tài)溝渠與1條空白對照溝渠(僅土壤)同時運(yùn)行，上覆水保持流動狀態(tài)，水力停留時間為1 d。

1.3 固定化藻球的制備

游離態(tài)的微藻直接用于凈化水質(zhì)不但占地面積較大、投資高，而且難以從處理后的水體中進(jìn)行游離藻的分離，因此，本研究利用生物細(xì)胞固定化技術(shù)制備小球藻膠球，利用其較強(qiáng)的光合作用能力為溝渠系統(tǒng)供氧，增強(qiáng)微生物活性的同時提高水體的DO含量。將6%的聚乙烯醇(PVA)和2%的海藻酸鈉(SA)于100 ℃下水浴加熱，制備PVA/SA膠體溶液并冷卻至室溫；將一定量的小球藻原液(購自江蘇好潤生物科技有限公司，密度為1.25×107cells/mL)與膠體溶液混合，使用注射器將混合溶液注入到3%的CaCl2溶液中，靜置1 h得到小球藻膠體小球，隨后取出固定好的膠球用蒸餾水洗滌3次。

固定化藻球制備會影響系統(tǒng)凈水效果和小球藻活性。本研究考察了不同膠球初始接種密度(1∶3、1∶5、1∶10、1∶20、1∶50)、膠球規(guī)格(1、3、5、7 mm)和膠球投加量(30、50、100、150、00 mL)對系統(tǒng)運(yùn)行效果的影響。試驗(yàn)過程中，膠球置于透水袋內(nèi)，并將小球藻溝渠串聯(lián)于植物生態(tài)溝渠末端，透水袋內(nèi)放置5 cm厚的沸石層，用以固定透水袋，同時吸收NH3-N。

1.4 監(jiān)測指標(biāo)和方法

小球藻密度采用血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)。CODMn、NH3-N、TN、TP等指標(biāo)參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)[15]，DO濃度采用便攜式溶氧儀測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同植物組合生態(tài)溝渠的凈水效果

植物是生態(tài)溝渠的重要組成部分，是影響系統(tǒng)凈水效果的重要因素。不同植物組合下，各溝渠系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行階段對污染物的平均去除率如圖2所示，出水DO濃度變化情況如圖3所示。

圖2 不同植物組合生態(tài)溝渠對污染物的平均去除率Fig.2 Average Removal Rate of Pollutants in Ecological Ditches with Different Plant Combinations

圖3 不同植物組合生態(tài)溝渠出水DO濃度變化情況Fig.3 Variation of DO Concentration in Effluent of Ecological Ditches with Different Plant Combinations

由圖2可知，植物溝渠系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行期間對CODMn的平均去除率相較于空白組均有顯著提升。其中，1#和3#的去除率高于2#和4#，說明空心菜可以有效提升系統(tǒng)對CODMn的凈化效果，這可能是因?yàn)槠涓蛋l(fā)達(dá)，可以為根區(qū)附近的微生物提供更多的附著空間，加速水體中大分子有機(jī)物的降解，這與貝亦江等[16]的研究發(fā)現(xiàn)相吻合。

就水體中氮元素的去除而言，各植物溝渠系統(tǒng)均取得了較好的效果，且不同植物組合的TN去除效果與NH3-N去除效果相似，說明硝化和反硝化作用同步順利進(jìn)行。由圖2可知，1#對TN和NH3-N的去除率均高于其他植物組合溝渠系統(tǒng)，可能是因?yàn)榭招牟撕退鄣母H微生物中含有較豐富的氮循環(huán)菌。唐瑩瑩等[17]在研究中發(fā)現(xiàn)，浮床空心菜系統(tǒng)中的氮循環(huán)菌總數(shù)相較于空白對照組有明顯增加，尤其是氨化菌、硝化菌和亞硝化菌的豐富度。胡綿好等[18]在生態(tài)浮床系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)，水芹系統(tǒng)的反硝化菌種群數(shù)量最多且反硝化作用速率最高。除了微生物的脫氮作用外，植物吸收也是氮去除的重要途徑。Su等[19]對比了9種水生植物對氮的吸收情況，發(fā)現(xiàn)空心菜對氮的同化量最高。Duan等[20]利用水芹生態(tài)浮床系統(tǒng)處理受污染的河水，發(fā)現(xiàn)植物吸收量占TN去除量的52.5%。因此，在植物吸收和微生物脫氮的雙重優(yōu)勢下，1#對氮元素的去除效果最優(yōu)。

對比圖2中各系統(tǒng)對TP的去除率，1#的除磷效果最佳。一方面，水芹和空心菜的根系發(fā)達(dá)，不但可富集微生物促進(jìn)含磷物質(zhì)的生物降解，而且也有利于含磷物質(zhì)的吸附截留去除；另一方面，2種植物對磷元素的吸收能力較強(qiáng)。研究表明，水芹的磷吸收貢獻(xiàn)率占TP去除量的92.7%[21]，空心菜的全磷累積量達(dá)到了19.8 g/m2[22]。

不同植物溝渠系統(tǒng)出水DO濃度結(jié)果表明，1#對DO的提升效果最明顯，出水濃度達(dá)到了7.31 mg/L，可能是因?yàn)樗酆涂招牟说耐饨M織發(fā)達(dá)，且植物體內(nèi)含有較多的葉綠素，可以更好地進(jìn)行光合作用，增加水體泌氧。葉元英等[23]對水芹的營養(yǎng)器官進(jìn)行解剖觀察發(fā)現(xiàn)，水芹根系具有發(fā)達(dá)的通氣組織，且地上莖的基本組織細(xì)胞以及葉肉細(xì)胞中葉綠體的含量較高。于敏[24]則發(fā)現(xiàn)，空心菜的葉綠素含量高達(dá)74%～88.7%，且在受到污染脅迫時光合作用能力無明顯降低。

綜合不同植物組合溝渠對污染物的去除效果和水體DO的提升幅度，選擇水芹和空心菜作為生態(tài)溝渠的最佳植物組合。

2.2 小球藻膠球的篩選及凈水效果分析

2.2.1 不同初始膠球接種密度對系統(tǒng)中藻球密度的影響

不同接種密度下膠球中小球藻的生長繁殖活性不同。試驗(yàn)中初定膠球規(guī)格為1 mm、投加量為100 mL，并篩選出最適宜小球藻生長繁殖的初始接種密度。5種接種密度下膠球內(nèi)小球藻密度隨運(yùn)行時間的變化情況如圖4所示。

圖4 膠球內(nèi)小球藻密度隨運(yùn)行時間的變化Fig.4 Variation of Chlorella Density in Microalgal Beads with Time

小球藻在經(jīng)歷一段適應(yīng)期后進(jìn)入快速生長階段，達(dá)到密度峰值后數(shù)量稍有下降并逐漸穩(wěn)定。分析認(rèn)為，在運(yùn)行初期，小球藻通過光合和異養(yǎng)作用獲得能量進(jìn)行快速繁殖，后期由于水體中可利用的營養(yǎng)物質(zhì)減少，數(shù)量稍有下降，最終依靠光合作用維持?jǐn)?shù)量穩(wěn)定。當(dāng)接種比例為1∶5，即初始接種密度為2.1×106cells/mL時，小球藻的適應(yīng)期最短，峰值密度和穩(wěn)定期平均密度也最高。因此，選擇小球藻原液與膠體溶液比例為1∶5來制作小球藻膠球。

2.2.2 不同膠球規(guī)格下系統(tǒng)的運(yùn)行效果

本階段試驗(yàn)以1∶5的接種比例分別制作4種規(guī)格的小球藻膠球，并監(jiān)測分析各藻球-植物生態(tài)溝渠對污染物的去除效果、增氧能力以及膠球內(nèi)小球藻密度的變化情況，以篩選出凈水效果最好且有利于小球藻生長繁殖的膠球規(guī)格。同時，設(shè)置植物對照組，即生態(tài)溝渠僅栽種水芹和空心菜，未添加小球藻。不同溝渠系統(tǒng)的污染物平均去除率如圖5所示，出水DO濃度如圖6所示，膠球內(nèi)小球藻密度隨運(yùn)行時間的變化情況如圖7所示。

圖5 不同溝渠系統(tǒng)的污染物平均去除率Fig.5 Average Removal Rates of Pollutants in Different Ecological Ditches

圖6 不同溝渠系統(tǒng)的出水DO濃度變化情況Fig.6 Variation of DO Concentration in Effluent of Different Ecological Ditches

圖7 膠球內(nèi)小球藻密度隨運(yùn)行時間的變化情況Fig.7 Variation of Chlorella Density in Microalgal Beads with Time

對比圖5中不同系統(tǒng)的CODMn去除率，小球藻的加入可有效改善CODMn的去除效果，平均去除率由植物對照組的68%提升至聯(lián)合溝渠的76%～83%，表明小球藻能夠直接降解利用有機(jī)污染物。3 mm規(guī)格的膠球表現(xiàn)出最佳的CODMn去除能力，分析認(rèn)為，1 mm的膠球過于堅(jiān)硬，阻礙了內(nèi)部有機(jī)物的傳遞，而5 mm和7 mm的膠球則由于體積偏大，膠球內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)傳輸較慢，影響有機(jī)物的去除。

小球藻的存在也可促進(jìn)水體中磷的去除，相比于植物對照組的74%，藻球-植物聯(lián)合溝渠對TP的平均去除率提升至83%～91%。一方面，藻類光合作用使好氧菌的活性得到提高，可將更多的有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為易被小球藻和植物吸收的磷酸鹽；另一方面，底泥表層的好氧狀態(tài)加強(qiáng)，使得表層土壤中的鐵、鋁轉(zhuǎn)化為更易吸附磷的無定形的氧化態(tài)形式。與其余規(guī)格的膠球相比，3 mm膠球系統(tǒng)的TP去除率最高，除了植物對磷元素的大量吸收同化以及小球藻的部分吸收之外，底泥中鐵、鋁也可對磷進(jìn)行有效吸附。李劍波等[26]在研究中發(fā)現(xiàn)，有機(jī)物濃度的升高會抑制鐵、鋁結(jié)合磷的形成，3 mm膠球系統(tǒng)中CODMn的濃度最低，因此，更有利于通過鐵、鋁結(jié)合吸附去除磷。

圖7為3個運(yùn)行周期內(nèi)小球藻密度的變化情況。膠球規(guī)格為3 mm時，小球藻的生長適應(yīng)期最短，繁殖速度最快，峰值密度和穩(wěn)定期密度也最高。分析認(rèn)為，5 mm和7 mm的膠球體積偏大，中心區(qū)域的小球藻無法獲得充足的營養(yǎng)物質(zhì)用于生長繁殖；1 mm膠球內(nèi)的小球藻雖然可較快獲得營養(yǎng)物質(zhì)，但膠球體積偏小，小球藻的生長空間有限，因此，無法進(jìn)行大量繁殖。3 mm的膠球則可較好地平衡營養(yǎng)物質(zhì)的有效傳輸和生長需要的充足空間，可保持較高的繁殖活性。

綜上，膠球規(guī)格確定為3 mm，這種制作規(guī)格下小球藻的生長活性最高，且系統(tǒng)對污染物的去除效果最佳，也可有效提高水體中的DO濃度。

2.2.3 不同膠球投加量下系統(tǒng)DO的提升效果

本研究生態(tài)溝渠的受納水體中有魚類養(yǎng)殖，僅當(dāng)水體DO達(dá)到5～7 mg/L時才適宜魚類生長繁殖。因此，膠球投加量的篩選試驗(yàn)以溝渠出水DO≥7 mg/L作為評價指標(biāo)。以1∶5的接種比例制作3 mm膠球，并以5種不同體積量的膠球構(gòu)建藻球-植物生態(tài)溝渠，其出水DO濃度隨運(yùn)行時間的變化情況如圖8所示。

圖8 不同溝渠系統(tǒng)的出水DO濃度變化情況Fig.8 Variation of DO Concentration in Effluent of Different Ecological Ditches

由圖8可知：當(dāng)膠球投加量在30～100 mL時，投加量越大，DO增幅越大；當(dāng)投加量大于100 mL時，隨著投加量增加，DO提升效果不明顯，這可能是因?yàn)?，小球藻的?shù)量過多會形成相互競爭關(guān)系，水體中含有的營養(yǎng)物質(zhì)僅能滿足部分小球藻光合反應(yīng)所需的量。因此，小球藻最佳投加量確定為100 mL，由于實(shí)驗(yàn)室模擬溝渠的總長度為2 m，固定化小球藻的合理投加量為50 mL/m。

2.3 示范工程建設(shè)及運(yùn)行效果分析

2.3.1 生態(tài)溝渠示范工程的建設(shè)

示范工程建設(shè)地位于南京市溧水區(qū)洪藍(lán)鎮(zhèn)澗東村，村莊東側(cè)是草莓種植園和一條東大圩河，西側(cè)有5個池塘，均用于魚類養(yǎng)殖?，F(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，村內(nèi)的溝渠系統(tǒng)多呈硬質(zhì)化，無法緩解農(nóng)業(yè)徑流污染，考慮到溝渠改造不影響居民的日常農(nóng)勞習(xí)慣，決定將村東草莓地的水泥硬質(zhì)化排水溝渠改造為藻球-植物生態(tài)溝渠，以同時滿足灌溉排水和面源污染控制的雙重功能。

示范地溝渠整體呈倒梯形，總長為100 m，底部設(shè)有溢流壩。溝渠內(nèi)土壤層厚為20 cm，水層高為10 cm，水芹和空心菜各種植50 m，且保持雙列種植。溝渠內(nèi)每隔10 m放置裝有小球藻和沸石的透水袋，小球藻最佳投加量為50 mL/m，因此，透水袋內(nèi)的小球藻膠球添加量為500 mL。據(jù)估算，非降雨時段生態(tài)溝渠的水力停留時間約為1 d，現(xiàn)場運(yùn)行時間持續(xù)1個月，分別對降雨和非降雨時段下的生態(tài)溝渠和下游受納水體的水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測。

2.3.2 示范工程的運(yùn)行效果

非降雨時期，生態(tài)溝渠主要凈化來自東大圩河的引水；降雨時期，草莓地的降雨徑流也一并排入生態(tài)溝渠進(jìn)行處理?，F(xiàn)場運(yùn)行期間，溝渠進(jìn)出水均值及去除率如表2所示。

表2 溝渠各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的進(jìn)出水均值及去除率Tab.2 Average Values and Removal Rates of Influent and Effluent from Ecological Ditches

由表2可知，生態(tài)溝渠取得了較好的污染物去除效果。非降雨階段，污染物去除率均達(dá)到了60%以上，溝渠出水除了TN，基本達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)規(guī)定的Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，說明生態(tài)溝渠的運(yùn)行效果良好，水質(zhì)由進(jìn)水時的劣Ⅴ類水得到了切實(shí)提高，有利于改善下游受納水體的水生態(tài)環(huán)境。降雨階段，污染物的進(jìn)水濃度升高，去除率下降，因?yàn)榻涤陱搅鲿y帶草莓地的殘余肥料進(jìn)入溝渠，所以進(jìn)水氮磷物質(zhì)的濃度明顯升高，且降雨徑流的匯入使得水力停留時間減少，污染物質(zhì)得不到充分降解，去除率下降。此外，雨天時光照強(qiáng)度降低，植物和藻類的光合作用減弱，對水體DO的提升效果也變差。

3 結(jié)論

(1)不同水生植物組合的篩選試驗(yàn)中，推薦水芹和空心菜作為生態(tài)溝渠的配套植物。該組合對CODMn和氮磷物質(zhì)的去除率以及水體DO的提升效果均具有明顯優(yōu)勢。

(2)小球藻膠球接種比例為1∶5，即初始接種密度為2.1×106cells/mL時，小球藻的生長活性最高，繁殖速率最快；膠球規(guī)格為3 mm時，藻球-植物生態(tài)溝渠的污染物去除效果最好，出水中DO濃度最高，且小球藻對環(huán)境的適應(yīng)力強(qiáng)，增殖較快；膠球的最佳投加量為50 mL/m，該投加量下出水DO≥7 mg/L。

(3)示范工程地生態(tài)溝渠的運(yùn)行情況良好，非降雨時期，溝渠出水可基本達(dá)到地表水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。