周 波，王紅雨，紀(jì)敬輝

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.銀川能源學(xué)院，銀川 750105；3.寧夏大學(xué)寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021)

農(nóng)業(yè)排水是控制土壤鹽分、保證灌溉農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的前提。排水良好的土壤有利于提高整個(gè)季節(jié)的農(nóng)田耕作效率，但是排水過程中從土壤中淋洗出的各種鹽分以及化肥和農(nóng)藥等，會(huì)成為周邊河道或湖泊等地表水體的污染源[1-3]。寧夏地處黃河中上游，土地面積的3/4屬于干旱地帶，區(qū)內(nèi)自產(chǎn)水資源量少質(zhì)差，是典型的資源型缺水地區(qū)。大量的生產(chǎn)實(shí)踐表明，控制排水與實(shí)施溝水凈化回用是灌溉農(nóng)業(yè)開源節(jié)流的一條有效途徑[4,5]。通過合理控制排水，以排水溝道排出的多余水量并能有效凈化，補(bǔ)充灌溉水源，形成一個(gè)可重復(fù)利用的農(nóng)業(yè)灌排水循環(huán)系統(tǒng)非常必要。因此，農(nóng)田水質(zhì)凈化問題成為首要解決的問題。

大量關(guān)于農(nóng)田水質(zhì)凈化的研究表明[6-13]，多數(shù)研究都針對(duì)于濕地，或者溝渠內(nèi)的水生植物的凈化效果，并且取得了一定成果。

而在基質(zhì)吸附方面，劉嬌[14]等研究表明，與直接施加玉米秸稈相比，施加黑炭顯著降低了土壤氮化物排放量。張燕[15]等研究了排水溝渠爐渣與底泥對(duì)水中氮、磷截留效應(yīng)，并選擇爐渣作為溝渠基質(zhì)壩的填充物。任玉銳[16]等研究植物作為反硝化碳源試驗(yàn)，表明橘樹葉或者玉米芯作為反硝化固相碳源，適合作為生物膜載體。劉瑋晶[17]等研究表明，生物質(zhì)炭能夠提高土壤對(duì)按態(tài)氮素的吸附能力，顯著降低土壤銨態(tài)氮素養(yǎng)分的淋失。魏星[18]等表明，補(bǔ)充植物桔稈能將人工濕地系統(tǒng)的總氮去除。王改玲[19]等研究表明，秸稈還田可降低反硝化反應(yīng)速率及反硝化過程中N2O的排放。吳攀[20]等試驗(yàn)說明，農(nóng)田排水溝能有效地截留農(nóng)田排水污染物，選擇適合的基質(zhì)進(jìn)行人工布設(shè)實(shí)際可行，有助于發(fā)揮農(nóng)田排水溝的生態(tài)功能。邵留[21]等以甘蔗渣、玉米芯、稻草、稻殼、花生殼、木屑6種農(nóng)業(yè)廢物作為反硝化碳源和生物膜載體的備選材料，初步優(yōu)選出了玉米芯、稻草、稻殼可用做替代傳統(tǒng)液體碳源的固體碳源?；|(zhì)對(duì)氮的去除主要依賴于生化反應(yīng)的硝化/反硝化作用，且相關(guān)研究表明有機(jī)填料更加能促進(jìn)脫氮反應(yīng)因而好于礦物填料[22]。

而從農(nóng)田排水溝護(hù)坡基質(zhì)方面研究凈化農(nóng)業(yè)排水水質(zhì)效果的相關(guān)研究很少。本研究秉著“以廢治廢”的原則，以玉米芯、干樹葉和鋸木渣與土混合作為排水溝護(hù)坡基質(zhì)，并和全原土基質(zhì)作為對(duì)比，在4次干濕循環(huán)條件下，進(jìn)行不同濃度人工配水過濾吸附試驗(yàn)，考察所選基質(zhì)對(duì)氮素的吸附能力，以期為可重復(fù)利用的農(nóng)業(yè)灌排水循環(huán)系統(tǒng)中的水質(zhì)凈化環(huán)節(jié)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中需要的玉米芯和干樹葉為農(nóng)村廢棄物，鋸木渣取自銀川匯特家具廠，上述基質(zhì)均經(jīng)去離子水浸泡后烘干粉碎備用。試驗(yàn)土壤取自寧夏青銅峽市葉盛鎮(zhèn)勝利溝邊坡，物理性質(zhì)見表1。試驗(yàn)配水為蒸餾水，所需的氮源采用分析純NH4NO3，磷源采用分析純NaH2PO4。

1.2 試驗(yàn)方法與儀器

試驗(yàn)所需基質(zhì)分別為玉米芯、干樹葉和鋸木渣與土的混合物，考慮到護(hù)坡基質(zhì)質(zhì)量不能過輕，其含量為設(shè)計(jì)試驗(yàn)土壤總質(zhì)量的3.1%，并以全原土作為對(duì)比，共4種。

人工配水以氮磷濃度不同分別設(shè)計(jì)為N高P高、N高P低、N低P高和N低P低4種，見表2。

表2 試驗(yàn)配水濃度Tab.2 Concentration of test water

試驗(yàn)儀器為自制梯度比試驗(yàn)儀，示意圖見圖1(儀器截面為100 mm×100 mm正方形)，材質(zhì)為8 mm厚鋼化玻璃，開始試驗(yàn)時(shí)將圖1中1～6管口關(guān)閉。每次將總質(zhì)量1 599 g混合均勻的基質(zhì)倒入儀器內(nèi)，分4層，按干密度為1. 551 g/cm3的標(biāo)準(zhǔn)，每層用木錘輕擊至25 mm厚度，基質(zhì)總高為100 mm，將2 L表2中4種濃度配水分別從注水口緩緩注入，為使每種基質(zhì)吸附氮素效果具有可比性， 均在室溫下使基質(zhì)和配水在容器上部先浸泡12 h，保證相同的HRT，再將配水勻速流入儀器下部，從出水口將流出的配水全部收集，澄清后將漏土加入原基質(zhì)中，并把澄清的配水混勻在1周內(nèi)作水質(zhì)檢測(cè)，每次16組試驗(yàn)。將儀器內(nèi)基質(zhì)取出晾干，重復(fù)上述水質(zhì)吸附試驗(yàn)，循環(huán)4次，每次循環(huán)間隔1周。水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法及儀器見表3。

圖1 試驗(yàn)所用梯度比裝置Fig.1 Apparatus and Schematic of apparatus for gradient ratio tests

本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理用Origin 8.6和Excel進(jìn)行圖片制作和分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 TN濃度變化

圖2為不同濃度進(jìn)水條件下TN濃度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化。從圖2中可以看出，各種基質(zhì)都表現(xiàn)為第2次循環(huán)后TN凈化效果最好，隨著循環(huán)次數(shù)的增加TN含量逐漸升高，凈化率降低。第1次循環(huán)水中TN減少，主要是因?yàn)樵蠳H+4-N進(jìn)入水中后一部分被未飽和的混合土體吸附，另一部分經(jīng)微生物的硝化和反硝化作用轉(zhuǎn)化為N2O和N2等氣體，脫離水中，從而使氮素從水中永久去除；但硝化細(xì)菌只能將NH+4-N轉(zhuǎn)化為NO-2-N和NO-3-N，并不能使含氮化合物從水中去除，只是改變氮的存在形式[23]。圖2(a)表明N高P高時(shí)，第1次循環(huán)后4種基質(zhì)的凈化能力均較高，玉米芯混合基質(zhì)對(duì)TN的凈化率最高，為78.25%，后3次循環(huán)后樹葉均表現(xiàn)為最高的凈化能力，凈化率分別為88.83%、25.63%和27.18%。圖2(b)表明N高P低時(shí)第1次、第2次循環(huán)后樹葉基質(zhì)凈化率最高分別為91.13%、90.57%，第3次、第4次循環(huán)后，鋸木渣基質(zhì)均表現(xiàn)最高凈化率分別為39.49%和 45.38%。圖2(c)表明N低P高時(shí)，第1次循環(huán)后凈化率最高為原土基質(zhì)，為81.43%，第2次、第3次和第4次循環(huán)后樹葉基質(zhì)凈化率均最高，分別為95.08%、71.81%和35.12%，凈化效果呈遞減趨勢(shì)。圖2(d)表明N低P低時(shí)，第1次、第2次循環(huán)后凈化能力最高的基質(zhì)分別為鋸木渣、原土，凈化率分別為63.08%、94.73%，第3次、第4次凈化率最高的均為玉米芯，分別為50.89%和35.38%。

表3 水質(zhì)檢測(cè)方法Tab.3 Water quality detection

圖2 不同進(jìn)水條件下TN濃度隨循環(huán)次數(shù)的變化Fig 2 Under different inflow TN concentration varies over cycle times

綜上所述，4種基質(zhì)經(jīng)過不同濃度進(jìn)水，4次循環(huán)后的水質(zhì)凈化試驗(yàn)表明干樹葉基質(zhì)對(duì)TN總體表現(xiàn)為較高的凈化能力。

2.2 NH+4-N濃度變化

圖3為不同濃度進(jìn)水條件下NH+4-N濃度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化。圖3(a)中N高P高時(shí)，第1次、第2次和第3次循環(huán)后，玉米芯凈化率均最高分別為29.03%、16.31%和29.12%，第4次循環(huán)后，鋸木渣凈化率最高為22.58%。圖3(b)中N高P低時(shí)，4次循環(huán)凈化率最高的基質(zhì)分別為樹葉、原土、樹葉和玉米芯，凈化率分別為75.07%、21.80%、21.71%和23.21%。圖3(c)中N低P高時(shí)，第1次、第2次循環(huán)后凈化率最高基質(zhì)分別為玉米芯、鋸木渣，凈化率分別為45.39%、20.27%，第3次、第4次循環(huán)后均是樹葉表現(xiàn)為較高的凈化率，分別為30.18%、80.87%。圖3(d)中N低P低時(shí)，4次循環(huán)凈化率最高的基質(zhì)分別為原土、鋸木渣、樹葉和樹葉，凈化率分別為29.65%、45.67%、35.76%和39.26%。氮濃度高的溝渠中NH+4-N濃度下降較快，這主要是由于水體中高濃度NH+4-N與孔隙水形成濃度梯度，促進(jìn)水中NH+4-N向基質(zhì)孔隙水?dāng)U散，加速了NH+4-N向基質(zhì)擴(kuò)散。

圖3 不同進(jìn)水條件下NH+4-N濃度隨循環(huán)次數(shù)的變化Fig 3 Under different inflow NH+4-N concentration varies over cycle times

2.3 NO-3-N濃度變化

圖4為不同濃度進(jìn)水條件下NO-3-N濃度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化。圖4(a)中N高P高時(shí)，第1次、第2次循環(huán)后樹葉基質(zhì)表現(xiàn)為較高的凈化率，分別為49.52%、36.15%，第3次、第4次循環(huán)后，鋸木渣表現(xiàn)為較高的凈化率，分別為9.31%、5.97%。圖4(b)中N高P低時(shí)，第1次、第2次和第4次循環(huán)樹葉凈化率均最高，分別為24.12%、17.17%和14.76%，第3次循環(huán)后玉米芯凈化率最高，為8.88%。圖4(c)為N低P高時(shí)，前3次循環(huán)后，樹葉凈化率最高，分別為76.3%、76.5%和26.2%，第4次循環(huán)后玉米芯凈化率最高，為42.77%。圖4(d)中N低P低時(shí)，前2次循環(huán)鋸木渣凈化率最高，為55.47%和46.6%，后2次循環(huán)后樹葉的凈化率最高，分別為65.66%和35.47%。試驗(yàn)初期第1次循環(huán)硝化細(xì)菌的硝化作用占優(yōu)勢(shì)，水體中NO-3-N相對(duì)積累，隨停留時(shí)間延長，水環(huán)境由好氧狀態(tài)逐漸向缺氧、厭氧狀態(tài)轉(zhuǎn)化，厭氧細(xì)菌得以快速生長并充分利用水中豐富NO-3-N，將其轉(zhuǎn)化為N2O和N2等氣體，致使水體NO-3-N濃度降低。4次干濕循環(huán)試驗(yàn)中，表明干樹葉對(duì)NO-3-N總體有較好的凈化能力。

圖4 不同進(jìn)水條件下NO-3-N濃度隨循環(huán)次數(shù)的變化Fig 4 Under different inflow NO-3-N concentration varies over cycle times

3 結(jié) 語

排水溝護(hù)坡作為溝渠濕地的重要組成部分，除了固坡防塌外，在很大程度上影響著排水溝對(duì)污染物攔截作用的發(fā)揮，并且可在一定程度上提高溝渠對(duì)污染物的去除效率。通過在排水溝護(hù)坡基質(zhì)中進(jìn)行的物理、化學(xué)和生物反應(yīng)，包括過濾、沉淀、絮凝和微生物降解等作用，可使農(nóng)田退水得到凈化。

通過玉米芯、樹葉、鋸木渣和土的混合物與全原土4種基質(zhì)在4種不同濃度人工配水條件下，4次干濕循環(huán)后的氮素吸附試驗(yàn)研究，得出結(jié)論如下。

(1)TN濃度變化。當(dāng)?shù)獫舛容^高和較低時(shí)，樹葉的凈化能力均最好，凈化率達(dá)到95.08%，其次為玉木芯和原土，凈化率分別為78.25%、94.73%。

(2)NH+4-N濃度變化。當(dāng)?shù)獫舛雀邥r(shí)，樹葉具有較高的凈化能力，凈化率為75.07%；當(dāng)?shù)獫舛鹊蜁r(shí)，樹葉凈化能力強(qiáng)，凈化率為80.87%。

(3)NO-3-N濃度變化。當(dāng)?shù)獫舛雀邥r(shí)，樹葉具有較高的凈化能力，凈化率為49.52%；當(dāng)?shù)獫舛鹊蜁r(shí)，樹葉凈化能力強(qiáng)，為76.5%，其次為鋸末渣，凈化率為55.47%。

(4)干樹葉對(duì)3種氮素均有較好的凈化效果。在不同進(jìn)水濃度情況下，4種基質(zhì)均表現(xiàn)為隨著循環(huán)次數(shù)的增加，TN和NO-3-N凈化率逐漸減小，NH+4-N有增加趨勢(shì)。

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