生态沟渠对农田退水中氮、磷去除效果及构建技术

生态沟渠对农田退水中氮、磷去除效果及构建技术报告提纲生态沟渠的设计生态沟渠运行参数优化研究区域简介

研究背景

农业面源污染第一次全国污染源普查（2007）结果显示：农业面源污染中来自种植业的TN和TP分别占总污染物排放量59%和38%

松花江流域平均施肥量为391kg/ha，远高于发达国家的安全施用强度225kg/ha农田非点源污染对土地退化和水体富营养化的影响占据了很大的比重(郭鸿鹏等，2008;Ongleyetal，2010)水田面源污染排放量为旱田的5-8倍(阎百兴，2007)水田区排水沟渠水质较长时间处于V类水，这对下游受纳水体来说具有潜在的污染风险性研究背景农业面源污染不容忽视！吉林省4项重点水利工程示意图长白山天池中部引松供水工程哈达山水利枢纽工程大安灌区工程引嫩入白工程粮食增产百亿斤项目的实施大规模水田开发农药化肥的增施东北地区水田面源污染排放加剧

三江平原耕地面积的变化(苏艳华等，2008)研究背景氮磷在农田-沟渠系统迁移示意图NPNPNPNPNPNPNPNPNP沟渠农田受纳水体NP三江平原水田区每年单位面积TN输出负荷为25.3kg/ha，TP输出负荷为1.9kg/ha,营养物质（N、P）主要通过排水沟渠流失（祝惠等，2010,2011）

排水沟渠具有湿地生态性质的特殊类型的线性湿地特征,人工生态沟渠是一项新的“最佳管理措施(bestmanagementpractices)”，可作为面源污染“源头控制”的生态拦阻技术(姜翠玲，2004；Tanneretal，2005；Jiang,etal.，2007；Kleinman，2007)

农田渠系河流、湖泊源头控制中间调控末端治理最有效经济可行高投入、低收效渠系具有拦截污染物功能研究背景影响生态沟渠净化能力的因素水文条件植物类型水体性质气候条件基质坝底泥特征生态沟渠净化能力土壤中硝化作用的最佳温度范围是30~40℃，反硝化作用的温度范围在10~30℃之间（Vymazal，1999）。夏秋阶段氮磷去除效果最好氨化作用的最佳pH值是6.5~8.5，硝化作用的最佳pH值是7.5~8.6，而反硝化作用的最佳pH值是7~8（Al-OmariandFayyad，2003），DO浓度高促进硝化作用而限制反硝化作用进行，低DO条件下限制硝化作用可溶性的无机磷化合物与底泥中的Ca2+易在碱性条件下发生沉淀作用，而与Al3+、Fe3+主要是在中性或酸性环境条件下发生反应（XiongandMahmood，2010）干湿交替对氮磷去除机制存在争议（NguyenandMarschner，2005）通过吸附、延长水力停留时间和附着微生物来提升净化效率（liuetal.,2011;Pennetal.,2007)吸收转运能力、生物量大根系发达程度等如何构建适合东北地区集约化水田的生态沟渠？研究背景三江平原湿地排水沟渠系统的网络类型属于平行格状格局，以斗渠为主，和干支渠交叉，大部分耕地形成2400×800m的大网络。三江平原（郗敏，2009）我国主要的粮食生产基地，施用的化肥主要有尿素和复合肥，其中氮肥40%作基肥，60%作追肥，磷及其它肥料全部作基肥耙地时施入，且N的施肥总量(折纯N)：16.5t/km2；P的施肥总量(折纯P2O5)：4.5t/km2，折成P为1.95t/km2（刘双全，2008）研究区域简介生态沟渠对氮磷去除能力高水位生态沟渠生态沟渠排水沟渠生态沟渠实验布设基质坝实验简介沟渠中氮磷浓度变化NH4-N：0.63-7.59mg/L,峰值出现在施肥后24-48h后且在水田NH4-N峰值之后NO3-N:1-4mg/L的，水田浓度最高值出现在6月中旬，排水沟渠浓度峰值较滞后PO4-P:吸附固定迅速，在实验开始阶段快速固定利用，后期变化不大生态沟渠运行参数优化沟渠植物的选择芦苇小叶章净化能力：芦苇略高于小叶章生存能力：芦苇略高于小叶章经济成本：芦苇低于小叶章生态沟渠运行参数优化0.55m/s0.80m/s低流速条件下，有效延长水力停留时间（HRT）(45.5-55.5%)低的流速有效的降低氨氮沿程浓度，而硝氮降低不明显生态沟渠运行参数优化进水流速-对氮的去除进水流速-对磷的去除0.55m/s0.80m/s低流速条件下，与沟底泥接触时间长，易于铁铝氧化物形成沉淀，对PO4-P去除效果较好。低流速条件下，减少对沟壁冲刷，降低水土流失的风险性，同时亦有利于沟底植物的保育。生态沟渠运行参数优化水位-对氮的去除高水位运行条件下，NH4-N,NO3-N去除速率高于低水位运行，而低水位运行条件下去除效率较高生长初期生长中期生长后期TN13.55±1.6814.29±1.213.86±2.05TP2.58±0.282.66±0.462.71±0.37PO4-P2.00±0.182.18±0.212.33±0.18NO3-N7.05±0.316.63±0.456.36±0.92NH4-N5.01±0.305.68±0.195.45±0.12进水负荷1生态沟渠运行参数优化生长初期生长中期生长后期TN44.07±1.4647.44±2.5746.98±2.03TP13.56±0.5612.94±1.0413.87±0.71PO4-P10.18±0.2610.07±0.6910.58±0.23NO3-N19.92±0.4522.12±0.8722.14±1.58NH4-N19.96±0.1623.33±0.7021.43±0.87进水负荷2同等水位运行条件下，低进水负荷的去除效率略高（80-98%），高进水负荷的去除效率略低（60-80%）生态沟渠运行参数优化高进水负荷具有较高的磷去除速率低水位具有较高的磷去除率

低进水负荷生长初期生长中期生长后期TP13.56±0.5612.94±1.0413.87±0.71PO4-P2.00±0.182.18±0.212.33±0.18

高进水负荷生长初期生长中期生长后期TP13.56±0.5612.94±1.0413.87±0.71PO4-P10.18±0.2610.07±0.6910.58±0.23

水位-对磷的去除生态沟渠运行参数优化水位对底泥中TN、TP和Corg的含量影响不大。水位-底泥中氮磷含量进水负荷生长初期生长中期生长后期TN(mg/L)13.55±1.6814.29±1.213.86±2.05TP(mg/L)2.58±0.282.66±0.462.71±0.37生态沟渠运行参数优化

低水位促进植物生物量，提高氮磷去除效率为防止高水位造成沟壁土壤的滑坡，建议沟渠中水位不应高于沟深的2/3。水位-植物对氮磷的去除

处理生物量/kg/hm2植物积累N/kg/hm2植物积累P/kg/hm2植物TN/g植物TP/g占投加TN的比例/%占投加TP的比例/%0.35m沟壁1607.8139.329.4557.3117.744.29.34沟底981.9123.325.7123.325.71.10.20.55m沟壁1325.4114.923.1459.792.320.34.1沟底869.585.826.385.826.33.81.2不同水位条件沟渠植物积累氮磷的量种植密度：沟底为40株/m2，沟壁为50株/m2

生态沟渠运行参数优化干湿变化-对氮的去除干涸再水淹促进反硝化作用的进行，也说明沟渠短期干涸（8天）再水淹，有利于沟渠底泥对氮的去除。因降雨而呈现的干湿变化有利于沟渠底泥对氮的去除。三种处理：连续水淹（CW）、干涸4天后再水淹（DFW）、干涸8天后再水淹（DEW）

生态沟渠运行参数优化炉渣、炉渣+30%底泥和底泥均具有吸附氮磷的能力,底泥吸附能力最高，但炉渣处理的水样浊度最低3种基质对氨氮的吸附效果呈现快速吸附—慢速平衡的现象;而对磷酸盐的吸附效果呈现快速吸附—慢速吸附现象基质坝-基质筛选生态沟渠运行参数优化布设基质坝不仅能截留污染物,亦能有效延长水力停留时间(HRT).各沟渠的水力停留时间和抗冲击能力对比基质坝-基质积累氮磷量生态沟渠运行参数优化设计原则与规范

根据以农田排水为主，兼顾发挥污染控制和生态廊道功能的原则，结合当前三江平原水田耕作与排水管理现状，充分利用三江平原原有农田排水沟渠，对沟渠进行一定的工程和生物改造，使构建的生态沟渠在具有原有的排水功能的基础上，增加截留净化农田排水中氮磷的能力，充分发挥沟渠系统的生态功能，提高水资源的利用率。

本设计的生态沟渠主要由工程部分和生物部分组成，工程部分主要包括渠体及生态拦截坝、节水调控闸阀等，生物部分主要包括沟壁、沟底的植物。

设计规范(GB50288-1999)和管理规范(SL/T246-1999)生态沟渠设计生态沟渠设计示意图进水出水水位设计为：1m;可移动基质坝填充物：炉渣、钢渣、沸石、陶粒等；节水调控闸阀：梯形混凝土拦截坝+调控闸阀。植物布设：沟壁植物自然+补种