水利水電工程區域農業面源污染資源化處理研究

林國富

（莆田市河務管理中心，福建 莆田 351100）

水利水電工程是我國基礎設施的重要組成部分，其在農田水利灌溉、水力發電、航運運輸、城市供水與流域防洪等方面發揮著重要作用。然而，由于水利水電工程建設會造成上游流域水體流速放緩與水力停留時間延長，易為藻類富集創造條件，形成水華現象， 因此水利水電工程的庫區生態環境整治已成為我國生態環境保護的重要任務之一。

近年來， 農業面源污染對水利水電工程區域水質安全與穩定的影響作用日漸突出，該類污染主要通過雨水沖刷與農田退水等途徑向環境水體輸移有機物與營養鹽。相比點源污染，該類型污染存在間歇性與突發性等特點， 且治理過程中成本控制是保證污染有效消除的關鍵因素， 因此傳統活性污泥處理技術與物化處理技術難以在農業面源污染控制方面實現推廣應用。 生態處理工藝因具有建設運行成本低、管理維護簡單與處理效果穩定等優勢，被認為是控制面源污染、保證流域生態系統安全的有效措施［1］。

水生植物濾床屬于植物修復技術， 該技術以水生植物為核心、水生動物及微生物共生，不填充任何介質，且可實現物理過濾和生物處理相結合，具有運行管理成本較低與無二次污染等特點， 且結合水生蔬菜的耦合，還可實現一定的經濟效益［2］。近年來，該技術已應用到了富營養化水體治理、 養殖污水深度處理、城鎮生活污水等方面，驗證效果表明在保障環境水質安全方面具有應用價值［2-3］。但是，目前該方面研究依然主要以點源污水處理為實驗對象，關注其在面源污染治理方面的研究未見相關報道，而農田退水所用的無行洪要求的排水溝道等農田水利基礎設施作為面源污染輸送的重要途徑， 水生植物濾床技術完全可與其進行耦合應用。因此，根據上述研究現狀， 本研究以水生植物濾床技術的水力負荷與收割頻率為研究因子， 通過模擬研究考察其在不同運行條件下對農田退水處理的潛在效能， 并基于物質平衡計算與生物代謝途徑分析， 研究污染轉化的過程機制， 以期為水利水電工程區域農業面源污染的生態低碳控制提供理論參考與技術支撐。

1 材料與方法

1.1 實驗設計與系統

水力負荷與收割頻率是水生植物濾床技術運作的關鍵控制參數， 已有研究通常對單一因素進行分析，從而忽略了兩者之間的協同作用，因此本研究為了系統性分析兩者對水生植物濾床技術處理農業面源污染的影響， 通過中心復合設計構建了9 組系統（R1～R9），為系統效能地響應面分析提供基礎數據。9 組系統中水力負荷控制水平設定為10、20、30 cm/d，植物收割頻率設定為1、2、3 次， 由此9 組系統的水力負荷與收割頻率設置情況如表1。 實驗采用空心菜為植物對象，種植密度設定為50 棵/m2，實驗運行操作時間為90 d，從而根據收割頻率的設定，實驗對各個系統中植物的收割分別在30、45、90 d 的運行階段。為保障實驗系統的運行穩定，本論文采用人工模擬污水進行研究， 并根據農田退水的實地調研與文獻查閱［1,4］，實驗模擬污水中總氮設定為20 mg/L（氨氮2 mg/L，硝態氮18 mg/L），總磷設定為4 mg/L，總有機碳設定為20 mg/L。

表1 實驗模擬系統水力負荷與收割頻率的設置情況

1.2 實驗分析方法

水體樣品中總氮、 總磷與總有機碳的濃度分析均采用《水和廢水監測分析方法》中的標準方法，響應面分析數據采用總氮、 總磷與總有機碳各自去除效率的平均水平。在定期對植物進行收割后，對每次收割的生物量進行記錄， 并采用烘干法對植物含量進行測定， 植物總氮和總磷分別采用元素分析儀與微波消解-鉬銻抗分光光度法進行測定。在系統運行第90 d，本研究對系統中植物根系微生物進行采集，微生物DNA 提取采用E.Z.N.A?DNA 試劑盒（OMEGA Bio-Tek），提取的DNA 純度利用瓊脂糖凝膠電泳進行檢測， 其濃度通過微量核酸蛋白質分析儀進行檢測（NanoDrop ND-1000）。實驗以16S rRNA基因V3V4 區為目標區域，在PCR 擴增、產物熒光定量、文庫構建等程序后，采用Illumina?MiSeq PE300進行樣品測序。測序完畢后，實驗采用PICRUSt 對分類操作單元 （OUT） 豐度表進行標準化， 進而基于KEGG Ortholog 信息對生物代謝通路與功能基因進行預測與分析。

2 實驗結果與討論

2.1 技術實施效能

研究結果表明水生植物濾床技術在不同的運行策略下皆具有對總氮、總磷與總有機碳的去除效果。如圖1，實驗在運行90 d 過程中，總氮在R1～R9 系統中的平均去除效率分別為43%、39%、35%、58%、46%、31%、55%、42%、51%；總磷在R1～R9 系統中的平均去除效率分別為22%、14%、16%、26%、19%、18%、28%、21%、30%； 總有機碳在R1～R9 系統中的平均去除效率分別為13%、11%、8%、18%、11%、13%、21%、14%、24%。通過比較可發現，水生植物濾床技術對于總氮的去除效果最佳， 而對于總有機碳的去除效果最弱， 該結果與水生植物濾床在深度處理養殖污水中的特征相反， 對于處理微污染水源水的實施效能情況相似［3,5］。分析原因主要在于處理水質的污染物基質濃度差異及植物分泌物影響。 已有研究表明植物在生態凈化工藝中的作用不僅表現在富氧與微生物攔截方面， 其還可通過根系分泌物形式為環境提供碳源［6］，因此對于農業退水與微污染水源水此類含較低有機物濃度的污水來說， 水生植物根系分泌物可能會影響其去除效率。

圖1 水生植物濾床體系中總氮、總磷與總有機碳的去除效率

2.2 控制參數的協同作用規律

基于總氮、 總磷與總有機碳各自去除效率的平均水平， 研究采用響應面回歸模型對水力負荷與收割頻率的作用影響進行分析。 模型方差分析結果指出，二次式模型適合用于總氮和總磷的數據擬合，兩者擬合模型皆達到顯著性水平（P＜0.05），且兩者預測相關系數分別為0.9843 和0.9981，符合模型精準度與可信度要求；在總有機碳數據方面，研究發現線性模型適合用于其數據擬合， 其模型達到顯著性水平（P＜0.05），且預測相關系數和校正相關系數分別為0.8204 和0.7605， 兩者之差亦達到小于0.2 的可靠性要求。

水力負荷與收割頻率對污染物去除效率的交互作用規律如圖2， 研究結果指出水力負荷與植物收割頻率對于總氮、 總磷與總有機碳各自去除效率皆有明顯的作用影響。 總氮去除效率會隨著水力負荷增加與收割頻率次數增多而趨于降低， 水力負荷與收割頻率的相對影響系數分別為9.83 和3.00，該結果表明水力負荷對于總氮去除效率的影響要大于收割頻率。 兩組控制因子對于總磷去除效率與總有機碳去除效率的影響具有相似性， 即兩者去除效率會隨著收割頻率次數增多而增加， 但會隨著水力負荷提升而降低。 水力負荷與收割頻率對總磷去除效率的相對影響系數分別為6.00 和1.83，而對總有機碳則為5.17 和1.67，由此可見，水力負荷對于兩者去除效率的影響也是大于收割頻率。 基于上述所獲結果， 研究通過數值優化算法對水生植物濾床處理農業面源污染的最優控制條件進行求解， 預測結果指出水力負荷與植物收割頻率分別控制在10 cm/d 和3 次的運行條件是最佳控制策略 （預測可信度值=0.869），而在此條件下總氮、總磷與總有機碳的去除效率預測值分別為52%、30%和22%， 這與R9 系統（水力負荷=10 cm/d；植物收割頻率=3 次）所表征出的污染效能高度相似。

圖2 水力負荷與收割頻率對污染物去除效率影響的響應

水力負荷是生態處理工藝中的關鍵控制參數，該因素對于處理過程的影響主要體現在系統內部水力停留時間控制等方面， 進而對工藝中微生物代謝產生影響。 植物收割頻率則是通過影響植物生長狀態，進而影響植物對污染物的去除［3］，而已有研究表明即使在最理想的生長條件下植物的直接作用 （即污染物直接吸收）對污染物去除貢獻普遍較小，但植物根系功能微生物豐富度與多樣性則會對污染物去除起到更為關鍵作用［7］。因此，水力負荷與植物收割頻率的作用差異可能是導致本實驗中兩種控制因子影響強度的主要原因， 同時該結果也間接說明水生植物濾床在控制農業面源污染過程中微生物作用可能大于植物吸收作用。

2.3 氮磷去除途徑解析

依據物質平衡關系， 本實驗所設計的水生植物濾床在處理模擬污水過程中氮磷輸入的途徑主要為污水引入，盡管植物根系存在光合細菌固氮作用，但鑒于實驗所用泡沫浮板對光照的限制， 故該部分輸入可忽略不計，而碳的輸入除去污水引入貢獻，主要是通過植物固碳方式實現碳素的累積。 鑒于植物固碳過程對污水中污染物去除途徑解析的干擾， 因此本研究主要從微生物作用與植物吸收作用方面解析了污水中氮磷的去除途徑。研究結果指出R1～R9 系統 產 出 的 植 物 總 量 分 別 為3.89、3.16、4.23、2.76、2.98、4.12、2.81、3.77、3.19 kg， 盡管水力負荷與植物收割頻率存在差異， 但是各個系統中的空心菜含水率基本保持一致，約90%。各個系統中氮磷在植物體內的累積含量如表2， 實驗結果指出水力負荷與植物收割頻率未對氮磷累積含量產生顯著影響， 各個系統內植物皆保持相似水平， 分析原因在于水體中氮磷污染物去除效率未達到較高水平， 皆存在適合植物生長的殘留濃度。

表2 實驗系統中植物體內的氮磷含量 單位：mg/g

基于系統植物產出量、含水率與氮磷累積含量，研究核算的氮磷去除途徑貢獻率如圖3， 分析結果指出微生物降解在總氮與總磷去除方面發揮更為重要的作用， 其對兩者的貢獻率區間為78%～90%和55%～69%，這一結果與論文上一部分的推論相一致。同時， 響應面分析結果進一步指出微生物降解作用也對水力負荷與植物收割頻率存在顯著性的線性關系響應（P＜0.05），微生物降解作用會隨著水力負荷與收割頻率的增加而增大， 而植物吸收作用的貢獻率則會隨著兩者的減少而降低。該結果與水生植物濾床技術在富營養化水體治理方面的特征相一致［8］，因此本研究認為如何進一步優化調控微生物降解作用， 將是提升水生植物濾床在農業面源污染控制方面應用效能的關鍵問題。

圖3 微生物作用與植物吸收作用對氮磷去除的貢獻率

2.4 氮素生物系統代謝通路

綜合上述研究結果可知水生植物濾床技術在控制農業退水過程中氮磷營養元素去除與微生物具有密切關系， 鑒于氮素轉化存在系統性微生物代謝途徑， 因此本論文基于PICRUSt 方法對工藝中氮素生物系統代謝通路進行分析。 氮素代謝過程涉及的主要生物作用包括：生物固氮作用、硝酸鹽還原作用、亞硝化和硝化作用、反硝化作用與厭氧氨氧化作用，各個系統分析結果指出R1～R9 中除了厭氧氨氧化細菌與相關功能基因未被發現， 其他作用的功能基因皆有存在。如圖4，盡管不同系統中的控制參數存在差異，但R1～R9 系統內氮素生物代謝途徑保持較高相似性。 異化硝酸鹽還原路徑在所有系統內皆占據較大的豐度比例（約42%～53%），反硝化路徑豐度比例位居第2（約19%～25%）。異化硝酸鹽還原路徑與反硝化路徑分別可將硝態氮轉化為銨與氮氣［9］，而本實驗所用模擬污水中總氮的主要構成組分為硝態氮， 因此由此研究認為污水氮素結構特征是影響水生植物濾床根系微生物氮素轉化的主要影響因素，水力負荷與植物收割頻率并未起到決定性作用。亞硝化路徑作為氨氮向硝態氮轉化的關鍵生物步驟，其在系統內的相對豐度比例皆小于1%，此特征進一步證實了該論點， 而相似的研究結果也在利用水芹處理污水的研究中被發現［10］。通過響應面分析方法， 研究結果指出氮素生物代謝機制未對水力負荷與植物收割頻率的差異設定產生顯著的響應關系（P＞0.05）。 結合氮素在系統中的去除效率與微生物作用貢獻率， 研究認為氮素生物系統代謝通路不是影響微生物作用貢獻率的主要因素， 而系統內氮素脫除微生物生物量的高豐度富集與運行參數優化控制才是根本原因。

圖4 氮素生物代謝功能基因在不同層級上的相對豐度比例

3 結語

水生植物濾床具有控制水利水電工程區域農業面源污染的潛在可行性。 水力負荷與污染物去除效率之間存在顯著的負相關關系， 而植物收割頻率增加雖可提升總磷與總有機碳的去除， 但會降低總氮的去除效能。 水力負荷與植物收割頻率分別控制在10 cm/d 和3 次的運行條件是潛在最佳控制策略。微生物降解作用在污染物去除方面貢獻率較大， 且該作用會隨著水力負荷與收割頻率的增加而增大。