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农田排水中氮磷的排放已经成为太湖地区面源污染的重要来源之一。如何有效地减少农田排水中氮磷向水体的排放,是近期面源污染治理的重要研究课题。本论文采用野外实地模拟试验方法,分别构建了三种类型的农田排水沟渠,即生态拦截沟渠(简称生态沟渠)、混凝土沟渠和土质沟渠(后两种统称为传统沟渠),比较研究了三种类型沟渠的对农田排水中氮磷的拦截效果和机理,获得的主要结果如下:
1.在水力停留时间为48h时的静态试验中,当进水浓度分别为试验设计的低、中、高浓度时,夏季生态沟渠TN、TP去除率分别为54%、84%、71%和46%、91%、77%,明显高于混凝土沟渠(TN:53%、28%、-1%;TP:-4%、19%、57%),略高于土质沟渠的TN、TP去除率(TN:49%、51%、85%;TP:23%、80%、73%);冬季生态沟渠TN、TP去除率分别为71%、72%、46%和73%、87%、78%,明显高于混凝土沟渠和土质沟渠的TN、TP去除率(TN:43%、16%、13%和37%、49%、22%;TP:46%、71%、51%和55%、82%、72%)。
2.在流速固定的前提下,生态沟渠在低、中、高进水浓度下TN的去除率分别为:17.0%、35.7%,7.6%,TP的去除率为41.1%,37.8%和29.0%。在进水流速不同的动态试验中,生态沟渠对农田排水中氮磷的处理效果最好,且进水流速越低,浓度越小,去除率越高。净化效果不受进水浓度的影响。
3.当水力停留时间变化时,生态沟渠对农田排水中氮磷的去除效果最佳。三种类型的沟渠的TN去除率均随水力停留时间的延长先增加,后基本保持不变的变化趋势,而TP去除率呈现随水力停留时间的延长先增加再减小的变化趋势。
4.夏季试验中,除豆角外其余植物从沟渠中吸收的氮磷总量占试验期内生态沟渠进水氮磷总量的32.7%和49.1%;其中空心菜沟渠对氮、磷的吸收总量低于水稻沟渠,但吸收效率高于水稻沟渠。冬季试验期内,生态沟渠中的植物组合(沟底+沟壁)从沟渠中吸收的氮磷总量分别占整个冬季生态沟渠进水氮磷总量的21.1%和147.9%。
5.过滤箱中基质吸附的氮磷总量占进水氮磷的10.78%和37.93%。植物吸收的氮磷总量占进水氮磷的0.37%和1.55%,远远小于基质的吸附量。
6.在不同的进水流速下,水流在生态沟渠中的实际停留时间分别为21分钟、50分钟和100分钟,约为同条件下传统沟渠的2倍左右,在增加拦截坝后,实际水力停留时间延长。
7.在高低两个进水泥沙浓度下,三条沟渠对SS的去除率分别为:生态沟渠97%和100%,混凝土沟渠94%和88%,土质沟渠91%和95%。
8.夏季整个生态沟渠底泥平均沉积厚度为1.67em,介于混凝土沟渠与土质沟渠之间,所固定的氮磷总量分别为3.41g和2.82g,占生态沟渠进水氮磷总量的1.05%和5.05%。
根据以上结果,得出以下结论:
生态沟渠对农田排水中氮磷污染的防治效果好于传统沟渠,且冬季尤为明显。其对氮磷的拦截机理主要为沟渠植物的吸收吸附、过滤箱的基质吸附和植物吸收、底泥吸收,沟渠辅助物所产生的减缓流速和沉降泥沙等方面,其中沟渠植物的吸收吸附脱氮除磷的重要途径。进水浓度基本不影响生态沟渠的氮磷去除率,但水力停留时间影响沟渠氮磷净化效果,最佳水力停留时间为48h。最佳植物配置为:“夏季沟底空心菜或水稻,沟壁狗牙根”;“冬季沟底水芹,沟壁乌塌菜”。