流域面源专栏文章｜生态沟渠对典型农业面源污染物去除性能及微生物机制研究

生态沟渠对典型农业面源污染物去除性能及微生物机制研究

作者及单位

张慧慧^{1, 2}，王瑶佳²，董月群³，袁海荣²，王恒辰¹，郑明霞¹

1.国家环境保护地下水污染模拟与控制重点实验室，中国环境科学研究院机构

2.北京化工大学化学工程学院

3.北京北控水务集团

摘要

近年来生态沟渠技术在农业面源污染净化方面受到关注，但仍存在污染物去除效率低的问题，有待优化其结构与提升对典型污染物的处理效率。针对典型面源污染物特征，构建由不同基质和植物组配组成的生态沟渠（ED1与ED2以石灰石、火山石、沸石和麦饭石为填充基质，ED3以沸石、陶粒、炉渣为填充基质；ED1与ED3种植菖蒲、梭鱼草和铜钱草，ED2种植菖蒲、美人蕉和铜钱草），探索其在不同条件下对典型面源污染物氨氮（NH₄⁺-N）、总氮（TN）、总磷（TP）的去除性能，并通过高通量测序探究污染物去除与微生物种群之间的关系。结果表明：以石灰石、火山石、沸石和麦饭石为填充基质与种植菖蒲、美人蕉和铜钱草（ED2）是较优的组配形式，其对NH₄⁺-N、TN和TP的去除率分别可达100%、86.89%和87.42%，与ED1和ED3相比较，ED2对面源污染物去除效果最好。进水污染物浓度、水力停留时间（HRT）、水位对生态沟渠去除污染物的效果均有较大影响，在HRT为12 h、中水位（6 cm）和高进水浓度（NH₄⁺-N、TN和TP浓度分别为15、40和1.2 mg/L）条件下生态沟渠对污染物NH₄⁺-N、TN和TP去除率最高，分别为99%~100%、41%~50%、81%~88%。由微生物多样性分析可知，变形菌门、放线菌门和绿弯菌门为生态沟渠中主要优势菌门，这些菌门对氮、磷的去除发挥了关键作用；运行后ED2中优势菌种的物种相对丰度最高，其中ED2中美人蕉具有较高的特异性微生物物种丰度，其微生物群落多样性最高，ED2中铜钱草物种丰度最高，其变形菌门的相对丰度由运行前的25.49%提升至运行后的45.11%，微生物群落丰度变化与污染物去除率呈正相关关系。研究结果对于优化生态沟渠设计和运行管理具有重要实践意义。

文章主要图表

图1   生态沟渠模拟装置设计与实物照片

图2   生态沟渠填充不同基质时对不同水平污染物的去除效果

图3   生态沟渠种植不同植物时对不同水平污染物的去除效果

图4   ED₁和ED₂在不同水位条件下对污染物的去除效果

图5   ED₁和ED₂在不同水力停留时间下对污染物的去除效果

本文引用格式

张慧慧，王瑶佳，董月群，等.生态沟渠对典型农业面源污染物去除性能及微生物机制研究[J].环境工程技术学报，2024，14（6）：1695-1704.

ZHANG H H,WANG Y J,DONG Y Q,et al.Removal performance and microbial mechanism of typical agricultural non-point source pollutants by ecological ditches[J].Journal of Environmental Engineering Technology，2024，14（6）：1695-1704.

END

《环境工程技术学报》由中华人民共和国生态环境部主管、中国环境科学研究院主办，是北大中文核心期刊、中国科技核心期刊。双月刊，单月20日出版。