坡岸截留强化处理设施在不同运行条件下对农业面源污染物去除效果

引用本文

李怀正, 陈珂莉, 危忠, 王卫刚. 坡岸截留强化处理设施在不同运行条件下对农业面源污染物去除效果[J]. 环境科学, 2015, 36(9): 3262-3268. 复制到剪切板

LI Huai-zheng, CHEN Ke-li, WEI Zhong, WANG Wei-gang. Agricultural Non-Point Source Pollutants Removal by Enhanced Riverbank Interception Facilities Under Different Operating Conditions[J]. Environmental Science, 2015, 36(9): 3262-3268. 复制到剪切板

坡岸截留强化处理设施在不同运行条件下对农业面源污染物去除效果

李怀正¹, 陈珂莉¹, 危忠², 王卫刚¹

1. 同济大学长江水环境教育部重点实验室, 上海 200092;
2. 中南建筑设计院股份有限公司, 武汉 430071

收稿日期: 2014-12-16; 修订日期: 2015-04-27.

基金项目：国家科技支撑计划项目(2012BAJ21B06-04)

作者简介：李怀正(1962~),男,研究员,主要研究方向为面源污染控制及河道整治技术,E-mail:lihz@tongji.edu.cn

摘要：对坡岸截留强化处理设施在不同温度、不同雨强、不同降雨间隔条件下处理农业面源污染进行中试试验研究. 结果表明,水温从20℃下降至4.3℃,COD、TN、NH₄⁺-N、TP去除率下降了15.58%、48.93%、42.26%、57.75%; 降雨强度由0.65mm ·min^-1增加1倍至1.30mm ·min^-1,COD的平均去除率低了15.19%,TN、NH₄⁺-N的去除效率相当,TP的去除效率提高了11.21%,但COD、TN、NH₄⁺-N、TP单位面积去除的总量却提高了26.27%、68.3%、32.6%、104.2%; 降雨间隔从2 d增加到4 d时对COD去除的影响不大,但使NH₄⁺-N、TN的处理效率提高19.31%、13.95%,对TP的单位面积去除量提高71.43%,但去除总量有限.

关键词：农业面源污染坡岸截留强化处理设施温度降雨强度降雨间隔

Agricultural Non-Point Source Pollutants Removal by Enhanced Riverbank Interception Facilities Under Different Operating Conditions

LI Huai-zheng¹, CHEN Ke-li¹, WEI Zhong², WANG Wei-gang¹

1. Key Laboratory of Yangtze River Water Environment, Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092, China;
2. Central-South Architectural Design Institute Co., Ltd., Wuhan 430071, China

Abstract: Treatment of agricultural non-point source pollution in a pilot scale by enhanced riverbank interception facilities with different temperatures, rainfall intensities and rainfall interval conditions was investigated. The results showed that if water temperature decreased from 20 degrees to 4.3 degrees, the removal efficiencies of COD, TN, NH₄⁺-N, TP decreased by 15.58%, 48.93%, 42.26%, 57.75% respectively, and no significant effect on the removal of SS was found. If rainfall intensity increased doubled from 0.65mm ·min^-1 to 1.30mm ·min^-1, it made the average removal rate of COD decrease 15.19%, TN, NH₄⁺-N did not change and removal efficiency of TP increased 11.21%. But the total removed quantity per unit area of COD, TN, NH₄⁺-N, TP increased by 26.27%, 68.3%, 32.6%, and 104.2%. If rainfall interval increased from 2 to 4 days, it would make NH₄⁺-N, TN removal efficiencies increase by 19.31%, 13.95% respectively, and the removed quantity per unit area of TP increased 71.43%, but the total removal quantity of TP was limited.

Key words: agricultural non-point source pollution enhanced riverbank interception facilities temperature rainfall intensity rainfall interval

目前,在世界范围内农业面源污染已被列为河流污染的主要来源之一,成为全世界共同关注的一个严重环境问题.国内外对农业面源污染控制的生态工程技术主要有缓冲带技术^{[1, 2]}、人工湿地处理技术^{[3, 4]}、多水塘技术^[5]、土壤渗滤技术^[6]、土壤促渗技术^[7]等.其中,缓冲带技术与人工湿地技术在农业面源污染控制中应用较为广泛^{[8, 9]},具有投资省、运行成本低、操作维护简单等优点.

在江南水网地区的农村,农田与受纳水体之间的坡岸缓冲带的宽度较窄,对污染物去除效果有限^[10].因此,本研究将利用一种新型的处理设施--坡岸截留强化处理设施,即在坡岸带添加人工湿地基质,实现缓冲带与潜流湿地的结合,使一部分农田径流通过潜层渗流的方式进入人工湿地系统,从而降低对缓冲带的冲击负荷,延长径流停留时间,提高径流污染物去除率.

坡岸截留强化处理设施对污染物的去除机制与滨岸缓冲带、人工湿地基本相同.而据国内外研究发现人工湿地对污染物的去除效果会受到不同运行条件如温度、水力负荷、污染物负荷等的影响^[11].Nivala等^[12]发现水平潜流湿地在夏天对有机物、氨氮的处理效果要高于冬天;Tunsiper等^[13]研究结果也显示垂直潜流湿地和水平潜流湿地在低温条件下对生活污水的处理效果都降低,且垂直潜流湿地的去除率要低于水平潜流湿地.在水力条件方面,水力负荷的提高,对人工湿地污染物去除效果表现出不同的情况,且污染物不同,影响情况也不同^[14].Calherios等^[15]设计了两套不同水力负荷的水平潜流湿地,发现当水力负荷从6 cm ·d^-1提高到18 cm ·d^-1时,出水COD浓度从≥242mg ·L^-1增大到≥610mg ·L^-1(进水COD≥610mg ·L^-1),而出水氨氮浓度却有所降低.此外,水力停留时间(HRT)对N、P和BOD的去除效果影响不同.Huang等^[16]研究表明延长HRT有利于提高人工湿地系统的脱氮效率,且随着HRT的延长,系统中TN、NH₄⁺-N、TKN的浓度呈指数降低,并且人工湿地系统中所去除的NH₄⁺-N、TKN有97%的去除量与停留时间有关,但同时也指出当湿地中主要为厌氧环境时,大幅提高HRT可能不能促进硝态氮的去除率.另外,HRT的延长会降低BOD的去除率^[14].Ayaz^[17]指出HRT超过两天后,水平潜流湿地对BOD的去除效果不明显.由此不难看出,在实际运行中,有必要对设施的最佳工况进行探究,以提高污染物的去除效果.

本研究将通过研究不同温度、不同降雨强度条件、不同降雨间隔下处理设施出水水质随时间变化过程,分析污染物去除的机制,探讨农业面源污染处理的最佳技术参数,以期为江南水网地区农村的农业面源污染处理提供实践参考以及技术支持. 1 材料与方法 1.1 试验装置

坡岸截留强化处理装置剖面如图 1所示,沿坡岸长3 m,沿坡面宽3.3 m,每套装置由集水渠、砂土层、基质层、土壤层、植被层、隔板、防渗膜、配水渠组成.集水渠修建在农田末端靠近装置一侧,宽20 cm,深10 cm,另外在靠近河岸的一侧用木桩护坡,可使最终经过处理的水通过木桩间空隙流入河道.装置植物主要选择当地常见种,并考虑其对坡岸截留强化处理设施去除污染物的效果,最终选择金鸡菊(Coreopsis drummondii Torr.et Gray),种植密度为6株·m^-2.装置基质层在对比了不同基质高度的坡岸截留强化处理设施对污染物去除效果的基础上,选择基质高度60 cm,装填5~10 mm瓜子片,孔隙率为35%,表面覆土采用1:1的砂土,高度为20 cm.

1.集水沟;2.基质(5~10 mm瓜子片);3.表面覆土(砂土); 4.植物;5.二次配水渠;6.挡板;7.防渗膜;8.木桩;9.河流图 1 坡岸截留设施剖面示意 Fig. 1 Profile of enhanced riverbank interception facility

坡岸截留强化处理设施对农业面源径流污染物处理的基本过程为:当降雨所形成的径流较小时,受径流污染的水进入集水渠后均匀溢流,进入基质层,整个基质层分为Ⅰ、Ⅱ两个区,两区之间采用挡水隔板将其分开,面源污染水先进入Ⅰ区后通过隔板下部狭缝进入Ⅱ区;当降雨所形成的径流增大时,受径流污染的水进入集水渠后均匀溢流,部分进入基质层,部分沿表面覆土径流,在二次配水渠处进入基质层,从而达到根据降雨强度大小自动调节形成表面流及潜流,以增加径流在基质间停留时间的目的. 1.2 试验方法 1.2.1 不同温度条件下坡岸截留强化设施对污染物去除效果研究

不同季节变化对坡岸截留强化处理设施面源污染物的净化效果产生影响,本研究模拟2 h降雨量为156 mm、平均降雨强度为1.3mm ·min^-1、隔天进水的条件下,通过坡岸截留强化处理设施高温试验工况和低温试验工况的对比试验,分析温度对系统处理效果的影响及作用机制,以期为该技术在寒冷地区的应用提供参考依据.进水取自于与农田相近的河道,水质见表 1.

表 1 进水水质浓度(平均值±标准误差) Table 1 Water quality of influent under different temperatures (mean value±standard deviation)

1.2.2 不同降雨强度下的坡岸截留强化处理设施对污染物的去除效果研究

不同的降雨强度引起的地表径流量不同即处理设施进水流量不同,会对处理设施净化污染物的效果产生影响.本研究模拟2 h降雨量为156 mm、平均降雨强度为1.3mm ·min^-1以及2 h降雨量为78 mm、平均降雨强度为0.65mm ·min^-1的条件下(其中1.3mm ·min^-1雨强下径流理论水力停留时间为0.56 h,0.65mm ·min^-1下理论水力停留时间为1.12 h),通过坡岸截留强化处理设施的处理,分析不同降雨强度对系统处理效果的影响及作用机制,进水取自于与农田相近的河道,水质见表 2.

表 2 进水水质浓度(不同降雨强度)¹⁾ Table 2 Water quality of influent under different rainfall intensities

1.2.3 不同降雨间隔下的坡岸截留强化处理设施对污染物的去除效果研究

降雨污染径流具有晴天累积、雨天排放的特点,因此,不同的降雨时间间隔会对坡岸截留强化处理设施的处理效果产生影响.本研究通过污染模拟2 h降雨量为156 mm、平均降雨强度为1.3mm ·min^-1的条件下,通过坡岸截留强化处理设施的处理,分析不同降雨时间间隔对系统处理效果的影响及作用机制.进水取自于与农田相近的河道,水质见表 3.

表 3 进水水质浓度(不同降雨间隔)¹⁾ Table 3 Water quality of influent under different rainfall intervals

1.3 水样监测与分析

在模拟降雨进水8~10 min后,坡岸截留强化处理设施中木桩间隙开始有水渗出,因此,取样时间统一按照10 min后开始取样,之后取样的时间为20、30、50、70、90、120 min,每次取样500 mL,水样保存后立即分析.

试验选择的主要分析指标为COD、NH₄⁺-N、TN、TP、温度,其中COD采用标准重铬酸钾滴定法(GB 11901-89)测定,NH₄⁺-N采用纳氏试剂分光光度法(GB 7479-87)测定,TN采用碱性过硫酸钾-溶解紫外分光光度法(GB 11894-89)测定,TP采用钼酸铵分光光度法(GB 11893-89)测定,温度采用温度计现场测定. 2 结果与讨论 2.1 不同温度条件下坡岸截留强化设施对污染物的去除效果

表 4显示了不同温度下坡岸截留强化处理设施污染物去除率随时间变化的多组平行试验数据的统计结果.

表 4 不同温度下坡岸截留强化处理设施污染物去除效果(平均值±标准误差)/% Table 4 Pollutants removal of enhanced riverbank interception under different temperatures (mean value±standard deviation)/%

从表 4 COD去除情况可以看出,在2 h的降雨历时内,坡岸截留强化处理设施在高温工况下对有机污染物的去除效率优于低温工况(P<0.1),平均去除率提高了15.58%,单位面积COD去除量提高了1.2倍.此外,根据COD去除率随降雨时间变化趋势[图 2(a)],发现随着降雨时间的增加,高温工况下COD的去除率在30 min出现拐点,之后趋于平稳,而低温工况COD的去除率在30 min也出现拐点,之后逐渐上升,在70 min以后,高温工况和低温工况的处理设施对COD的平均去除率基本相同,分别为41.06%和40.89%.这主要是由于植物吸收和基质吸附的速率与温度呈正相关,高温工况下施植物吸收和基质吸附容量在30 min后趋于饱和,虽然有微生物去除COD进行弥补,但总去除率下降.而低温工况的处理设施植物吸收和基质吸附速率低,但吸收和吸附容量还在,当微生物去除COD的作用逐渐增强后,表现为COD总的去除率增加.因此可以看出在30 min之前处理设施去除COD主要是依靠植物的吸收、基质的吸附作用,而30 min以后,当植物的吸收、基质的吸附作用减弱后,微生物去除COD的作用逐渐增强.而70 min后,无论是高温工况还是低温工况COD的去除都是主要依靠微生物来完成^[18].由于坡岸截留强化处理设施设于地下,在低温条件下具有保温作用,且比高温时具有更好的供氧能力^[19],因此,低温工况的处理设施对COD的去除率与高温工况的处理设施对COD的去除率相当.

图 2 不同温度下坡岸截留强化处理设施污染物去除效果 Fig. 2 Pollutants removal of enhanced riverbank interception under different temperatures

表 4 TN和NH₄⁺-N的去除率情况可以看出,坡岸截留强化处理设施在高温工况对TN、NH₄⁺-N的去除效率明显优于低温工况(P<0.05),平均去除率分别提高了48.93%、42.26%,单位面积TN、NH₄⁺-N的去除量分别提高了100%、90%.温度对脱氮的影响主要在于对微生物硝化作用以及对植物吸收和基质吸附的影响.微生物的硝化作用是一个极具温度敏感性的过程,一般认为,硝化反应的适宜温度为20~30℃,低于15℃时,反应速度迅速下降,5℃时世代周期高达1500~2000 h,反应几乎完全停止^[20].而对于反硝化过程,Kuschk等^[21]的研究认为温度低于15℃时,湿地系统反硝化速率明显下降.因此在本研究低温工况下,可以认为微生物脱氮作用不明显.另外温度对植物的生长及基质的吸附状态影响很大,温度的降低会降低植物对NH₄⁺-N的吸收能力及基质对NH₄⁺-N的吸附能力^[18],从而大大降低了系统对NH₄⁺-N的去除率.

从图 2(b)可以发现,在低温条件下,30 min后NH₄⁺-N去除速率急剧下降,并在70 min后平均去除率低于5%,说明低温条件下对NH₄⁺-N的去除主要是植物、基质的吸收和吸附;而在高温条件下,70 min后NH₄⁺-N平均去除速率下降了20%左右,但仍有较高去除率,说明高温条件下微生物的作用是后期去除NH₄⁺-N的主要原因.从图 2(c)可以发现,在高温条件下,50 min后TN的去除率开始下降,并在70 min后平均去除率稳定在42%左右,说明运行后期微生物的反硝化作用加强,部分弥补了前期植物吸收和基质吸附拦截TN饱和后所引起的去除率下降.

从表 4 TP去除率情况发现,坡岸截留强化处理设施在高温工况对TP的去除效率明显优于低温工况(P<0.05),平均去除率提高了57.75%,单位面积TP的去除量提高了4.79倍.已有研究表明人工湿地中70%~80%的磷是通过吸附和沉淀去除的^[22],而温度对土壤及基质的物理吸附影响较大,由此不难看出,本研究中总磷的去除主要是由植物的吸收和基质的拦截吸附等物化作用来完成^[23]. 2.2 不同降雨强度下的坡岸截留强化处理设施对污染物的去除效果

表 5显示了不同降雨强度下坡岸截留强化处理设施污染物去除率变化的多组平行试验数据的统计结果.

表 5 不同降雨强度下坡岸截留强化处理设施污染物去除效果(平均值±标准误差)/% Table 5 Pollutants removal of enhanced riverbank interception under different rainfall intensities (mean value±standard deviation)/%

项目	雨强	10 min	20 min	30 min	50 min	70 min	90 min	120 min
COD	1.30 mm·min^-1	42.22±1.19	41.04±0.21	35.53±4.24	33.71±6.41	26.48±7.01	18.21±5.96	19.25±8.20
COD	0.65 mm·min^-1	61.82±0.89	54.69±4.09	50.57±4.07	50.65±2.56	39.40±4.46	34.92±5.17	30.84±4.11

NH₄⁺-N	1.30 mm·min^-1	42.16±11.38	45.36±11.23	55.87±14.63	46.09±16.53	49.42±16.81	47.93±13.96	42.73±15.34
NH₄⁺-N	0.65 mm·min^-1	43.95±5.69	45.24±3.90	45.65±3.21	37.51±15.91	49.59±4.40	45.34±13.34	50.33±11.30

TN	1.30 mm·min^-1	78.70±2.31	75.25±4.57	71.73±4.92	45.25±7.79	44.52±1.42	39.94±1.47	43.42±6.27
TN	0.65 mm·min^-1	50.49±1.47	60.04±5.23	57.42±4.90	57.66±3.76	58.41±5.06	54.77±11.15	58.15±5.19

TP	1.30 mm·min^-1	62.63±3.63	61.02±4.61	51.72±5.33	49.83±5.45	53.42±8.99	54.20±1.22	60.49±1.14
TP	0.65 mm·min^-1	35.44±2.01	40.61±4.47	45.89±4.67	50.63±3.62	43.45±1.69	50.54±3.07	50.02±3.62

从表 5中COD去除情况可以看出,虽然平均雨强为1.30 mm ·min^-1下COD的总平均去除率比平均雨强为0.65 mm ·min^-1下的COD的总平均去除率低了15.19%,但其单位面积去除的总量却高了2.43 g ·m^-2,相当于提高了26.27%.说明当进水流量变大时,相应水力停留时间变短,系统中的COD被植物根系、基质表面的生物膜吸附的时间短,部分吸附在生物膜表面的COD被降解的时间也短,使其去除效率低,但因其流量大,COD去除总量并不低.

在表 5中通过对比不同降雨强度下对NH₄⁺-N、TN去除率,发现TN、NH₄⁺-N的平均去除效率相当,但1.30mm ·min^-1的降雨强度下对NH₄⁺-N的去除总量比0.65mm ·min^-1的降雨强度下增加了32.6%,对TN的去除总量增加了68.3%,说明降雨强度的增加能提高NH₄⁺-N、TN的去除总量.此外,当降雨强度大时,其前期TN的去除率高,30 min以后,其去除率下降26.48%.而当降雨强度小时,其TN去除率比较平稳.据研究发现,在高水力负荷下湿地拦截对TN去除影响较大,且前期作用较强^[24].因此湿地系统内布水均匀性将影响TN的去除.当流量较大时,初期布水相对更为均匀,表面流和表面下渗潜流同时作用,充分发挥了滨岸缓冲带和潜流人工湿地的优势,使非溶解性的氮被土壤、基质拦截.但随着不可滤成分的累积,处理设施内基质垂直沿程空隙率发生变化^[25],容易造成局部穿透,出现短流现象,拦截效果变差,去除率下降.而降雨强度小,处理设施初始布水不均匀,会出现局部的短流现象,并且表面下渗量大,未充分发挥滨岸缓冲带的作用.随着局部土壤、基质空隙变小后,水流会因阻力增加自动减少原来流经区域的流量,流向原来不流过的区域,表现为TN去除率比较平稳.这也可以由NH₄⁺-N (只有溶解态)在不同雨强下其去除率比较平稳来得以验证.

在表 5中通过对不同降雨强度下对TP去除率的比较发现,平均雨强为1.30mm ·min^-1比平均雨强为0.65mm ·min^-1对TP的去除效率提高了11.21%,其对TP的去除总量也增加了0.025 g ·m^-2,几乎提高了1倍.通过对磷的进出水进行溶解性与非溶解性指标检测发现,磷的去除以非溶解性为主,说明磷的去除以基质的拦截过滤作用为主,同时也依靠植物吸收和土壤的吸附完成.对拦截过滤来讲,雨强的大小对处理设施流量的均布及避免短流起着决定作用,同时也影响处理效果.由于平均雨强为1.30mm ·min^-1和0.65mm ·min^-1的表面滤速分别为0.12 m ·h^-1和0.06 m ·h^-1,而该滤速对瓜子片滤料来讲显然太小,容易造成短流,因此雨强大时对拦截过滤效果会更好. 2.3 不同降雨间隔下的坡岸截留强化处理设施对污染物的去除效果

表 6显示了不同降雨间隔下坡岸截留强化处理设施污染物去除率变化的多组平行试验数据的统计结果.

表 6 不同降雨间隔坡岸截留强化处理设施污染物去除效果(平均值±标准误差)/% Table 6 Pollutants removal of enhanced riverbank interception under different rainfall intervals (mean value±standard deviation)/%

从表 6可以看出,降雨间隔从2 d提高到4 d时,COD的处理效率仅提高了7.24%,单位面积去除量仅提高了1.02 g ·m^-2,增长了8.73%,说明短时间的降雨间隔延长对COD的去除影响不大,同时也说明设施中存在的微生物在短时间的降雨间隔期内就可将基质吸附以及拦截下来的溶解性及不溶解性有机物进行分解,并加以同化利用,从而保证设施具有持续净化污染物的能力.

对NH₄⁺-N、TN的去除而言,降雨间隔延长到4 d后,其处理效率分别提高了19.31%、13.95%,单位面积去除量提高了0.07 g ·m^-2、0.31 g ·m^-2,增长了58.33%、44.93%,说明短期的降雨间隔延长对NH₄⁺-N、TN的去除率和去除量影响较大.降雨间隔的增加,一方面为硝化细菌分解同化被吸附拦截的污染物提供时间,另一方面改善处理设施内氧环境状况^[26],进而为硝化细菌完全氧化NH₄⁺-N创造条件.同时,NH₄⁺-N氧化为NOx-N后,为反硝化的进行奠定了基础,使截留在设施内部的氮能得到去除,为后续运行时基质的拦截、吸附作用提供更多空间,使得处理设施对氮的去除率得到了一定的提升.

从表 6可以看出,降雨间隔延长到4 d后,坡岸截留强化设施对TP的去除率增加了0.98%,单位面积去除量增加了0.035 g ·m^-2,增长了71.43%,说明短时的降雨间隔延长对TP的去除有影响,主要是因为间隔时间变长使植物对基质、土壤拦截、吸附的磷素进行吸收,为基质再次拦截、吸附磷素提供了空间.但是对于磷素不能像氮素一样通过转变成气体而从系统中去除,所以间隔运行时去除总量有限^[14]. 3 结论

(1)当平均温度从20℃下降至4.3℃时,坡岸截留强化处理设施对COD、TN、NH₄⁺-N、TP去除率分别下降了15.58%、48.93%、42.26%、57.75%.因此,温度对以微生物和物理吸附作用为主进行水质处理的坡岸截留强化处理设施具有较大影响.

(2)降雨强度对坡岸截留强化处理设施中COD、TN、NH₄⁺-N、TP的去除造成一定影响.平均雨强为1.30mm ·min^-1和0.65mm ·min^-1相比,虽然COD、NH₄⁺-N、TN、TP的平均去除率受雨强影响效果不一致,但单位面积去除总量均有所提高,分别增加了26.27%、32.6%和68.3%、104.2%.

(3)降雨间隔对坡岸截留强化处理设施中COD的影响不大,但对TN、NH₄⁺-N的去除造成一定影响.当降雨间隔由2 d增至4 d时,NH₄⁺-N、TN的处理效率分别提高了19.31%、13.95%,单位面积去除量增长了58.33%、44.93%,TP的去除情况虽有所提高,但去除总量有限.

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环境科学 2015, Vol. 36 Issue (9): 3262-3268	PDF