廖 偉,鄧海龍,謝亨旺,劉方平,徐 濤

(江西省灌溉試驗中心站 江西省農(nóng)業(yè)高效節(jié)水與面源污染防治重點實驗室,江西 南昌 330201)

當(dāng)前,我國一些地方水資源短缺、水污染嚴重、水生態(tài)退化等問題日益凸顯,特別是廣大農(nóng)村地區(qū)水生態(tài)環(huán)境逐步惡化。據(jù)2014年農(nóng)業(yè)資料統(tǒng)計及農(nóng)業(yè)部關(guān)于印發(fā)《到2020年化肥使用量零增長行動方案》和《到2020年農(nóng)藥使用量零增長行動方案》的通知,我國種植業(yè)化肥、農(nóng)藥的依賴性從1980年的25%左右增長到了現(xiàn)在的80%以上,并且化肥、農(nóng)藥的使用量逐年增長。2013年我國的化肥使用量已經(jīng)達到了5912萬t,分別是1985、1995、2005年的3.3、1.6、1.2倍。2010年國家環(huán)保部、農(nóng)業(yè)部和統(tǒng)計局聯(lián)合發(fā)布的《第一次全國污染源普查公報》顯示,我國農(nóng)業(yè)污染源總氮、總磷的貢獻率分別高達57.2%和67.4%。蔣鴻昆等研究指出,農(nóng)業(yè)面源污染對巢湖、滇池、太湖的全氮和全磷負荷分別為60%～70%和50%～60%[1]。顏曉元等研究得出2010年面源污染對長江流域、黃河流域及珠江流域總氮負荷的貢獻分別達到了58%、67%和51%[2]。張利平等指出水稻種植業(yè)用水量占農(nóng)業(yè)總用水量的65%以上,水稻種植業(yè)的氮、磷排放量貢獻率高于其他種植業(yè)[3-4]。2015年監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，鄱陽湖平原區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染氨氮比重達到63.9%,湖庫型水源中農(nóng)業(yè)面源污染、農(nóng)村生活污染氨氮比重分別為37.3%和30.5%,農(nóng)業(yè)面源污染已經(jīng)成為農(nóng)村地區(qū)水環(huán)境惡化的主要因子[5-6]。2012年住建部發(fā)布的《中國城鎮(zhèn)排水與污水處理狀況公報》顯示,我國60余萬個行政村,對生活污水進行處理的僅占6.7%[7]。大量的農(nóng)田排水及農(nóng)村生活污水直接排入溝渠、河道,設(shè)備損壞嚴重的農(nóng)村排水系統(tǒng)對這些污染物的去除效率極其低下,污染物區(qū)域性聚集、農(nóng)村污水的直接排放造成農(nóng)村水環(huán)境的嚴重污染,從而導(dǎo)致農(nóng)村飲水安全問題?！?015年國家環(huán)境狀況公報》指出我國地下水水質(zhì)為優(yōu)良級的監(jiān)測點比例僅為9.1%,較差級的監(jiān)測點比例為42.5%,極差級的監(jiān)測點比例為18.8%[8]。

排水生態(tài)溝-塘堰濕地系統(tǒng)在設(shè)計好斷面形式、溝體坡度和護坡類型的排水溝中種植優(yōu)化篩選的濕地植被,并在適當(dāng)?shù)奈恢眉釉O(shè)控水設(shè)施,增加生態(tài)溝水體水位和停留時間,通過植株根系吸收水體氮磷、土壤微生物降解、土壤吸附等途徑對農(nóng)田排水污染物進行第一步降解,再充分利用水塘改造的濕地系統(tǒng)對農(nóng)田排水進行進一步降解,從而達到減少氮、磷等營養(yǎng)元素流入下游水體的目的[9-12]。人工濕地系統(tǒng)是利用耐水植株、土壤微生物和基質(zhì)填料等協(xié)同作用取得污水凈化效果的一種生態(tài)治污工藝；生活污水首先在沉積池經(jīng)過物理沉淀,先后通過植株根系對氮磷的吸收、土壤微生物對有機質(zhì)的降解，以及基質(zhì)填料的吸附等作用達到排放標(biāo)準(zhǔn)[13-14]。

目前有關(guān)農(nóng)業(yè)面源污染控制、利用人工濕地系統(tǒng)處理農(nóng)村生活污水、農(nóng)村門塘綜合利用等單項技術(shù)研究已有很多報道,但將多個技術(shù)集合應(yīng)用于一個村莊,形成一個系統(tǒng)的示范區(qū),特別是在鄱陽湖流域平原區(qū),這方面的研究報道較少。我們利用間歇灌溉技術(shù)提高田間水肥利用效率,減少排水和施肥量；結(jié)合溝渠和蓄水塘構(gòu)成排水生態(tài)溝、塘堰濕地,控制農(nóng)田面源污染;利用集成水路的人工濕地系統(tǒng)處理農(nóng)村生活污水。這些技術(shù)的綜合利用較好地解決了農(nóng)村水環(huán)境問題,對水生態(tài)文明村的建設(shè)有著很好的實踐意義。

1 材料與方法

1.1 示范區(qū)概況

試驗示范區(qū)位于江西省南昌市向塘鎮(zhèn)高田村委禮坊自然村,為鄱陽湖環(huán)湖平原地區(qū)。本區(qū)域?qū)賮啛釒駶櫺约撅L(fēng)氣候,多年平均氣溫為17.5 ℃,1月平均氣溫5.0 ℃,7月平均氣溫29.5 ℃,年極端最高氣溫為40.6 ℃,年極端最低氣溫為-9.3 ℃,多年平均無霜期為279 d；年均日照時數(shù)為1972 h,多年平均降雨量為1747 mm,蒸發(fā)量為1139 mm。土壤以沖積性黃泥土為主,其基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗示范區(qū)土壤的基礎(chǔ)理化性質(zhì)

農(nóng)業(yè)面源污染生態(tài)修復(fù)技術(shù)示范區(qū)于2016年3月進行改造,根據(jù)農(nóng)田水肥高效利用、排水溝生態(tài)攔截、塘堰濕地凈化處理、充分利用生態(tài)系統(tǒng)對氮磷去除的思路，對原有的農(nóng)村水塘、排水溝根據(jù)設(shè)計參數(shù)清淤擴容、邊坡整治后,安裝遠程控制水閘、自計水位計,種植優(yōu)選的濕地植物。改造后塘A的面積為1095 m2，塘B的面積為1329 m2，塘C的面積為3361 m2，溝AB長45 m，溝BC長150 m,其中溝BC末端安裝了水閘，塘C為村莊門塘。改造實景如圖1所示。該區(qū)水稻種植面積73.4 hm2,水域面積為6.6 hm2,房屋面積為3.7 hm2。

人工濕地示范區(qū)采用了地表雨污水溝和地下污水暗管相結(jié)合的管網(wǎng)收集系統(tǒng),將污水收集到收集井,再通過水泵提升進入人工濕地凈化,避免了農(nóng)村生活污水及雨水沖刷直接排入農(nóng)村水系。人工濕地總占地面積200 m2，其中濕地池體占地160 m2,設(shè)計日處理能力40 t/d,日均運行處理能力8～15 t/d。該系統(tǒng)于2013年10月建成驗收,經(jīng)過2014年調(diào)試與濕地植被篩選試驗,確定采用美人蕉、旱傘草+西伯利亞鳶尾組合為人工濕地種植植被(圖2)。

1.2 試驗方法與試驗設(shè)計

1.2.1 監(jiān)測點布置與取樣 農(nóng)業(yè)面源污染生態(tài)修復(fù)技術(shù)示范區(qū)從南到北分別有塘A、生態(tài)溝AB段、塘B、生態(tài)溝BC段和塘C,在進出口設(shè)置6個斷面(如圖3)。取樣點在每個斷面布置1條水樣垂線,在垂線水面1/3處取樣,每個水樣500 mL。取樣時間為2017年1～12月,每月中旬取樣1次。

如圖4所示，在人工濕地系統(tǒng)收集井、排放口分別設(shè)置點1、點2取樣點,其中收集井取樣點在人工濕地系統(tǒng)進水處，排放口取樣點位于人工濕地凈化出水處。將收集井中的水樣混勻后在中心垂線1/3處取樣；排放口在人工濕地排水15～20 min后取樣；取樣體積均為1000 mL。取樣監(jiān)測時間為2015年4～8月,待人工濕地系統(tǒng)運行穩(wěn)定后每周取樣1次。

1.2.2 樣品測定 水樣總氮、總磷、CODCr、氨氮、總懸浮物等指標(biāo)的測定均按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)方法,每個樣品測試2次,取平均值。其中總氮測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法,總磷測定采用過硫酸鉀消解鉬酸銨分光光度法,氨氮測定采用納氏試劑法,CODCr測定采用重鉻酸鉀法,總懸浮物測定采用總量法。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)業(yè)面源污染生態(tài)修復(fù)技術(shù)示范區(qū)效果

2.1.1 示范區(qū)氮磷的沿程變化情況 不同月份的分析結(jié)果(如圖5)顯示,斷面1的總氮最高濃度為16.8 mg/L,最低濃度為1.01 mg/L,全年平均濃度為5.41 mg/L;總磷最高濃度為2.61 mg/L,最低濃度為0.17 mg/L,全年平均濃度為0.69 mg/L。斷面6的總氮最高濃度為8.13 mg/L,最低濃度為0.86 mg/L,全年平均濃度為2.51 mg/L;總磷最高濃度為1.91 mg/L,最低濃度為0.04 mg/L,全年平均濃度為0.33 mg/L。從采樣時間來看,水質(zhì)總氮、總磷濃度在1月、2月、12月較高,個別遠高于年平均值,說明冬季塘堰濕地及生態(tài)溝污染水平偏高。從采樣斷面順序看,總氮、總磷濃度總體上呈現(xiàn)從上游到下游、沿水流方向逐漸減低的趨勢,說明塘堰濕地及生態(tài)溝對農(nóng)田徑流中氮、磷有較明顯的攔截凈化作用。這主要是由于該示范區(qū)農(nóng)田灌溉用水主要來源于渠道,而每年11月至來年2月為非灌溉時間,示范區(qū)生態(tài)溝、塘堰濕地水位較低,水源補給量少,造成水質(zhì)惡化。

圖1 農(nóng)業(yè)面源污染生態(tài)修復(fù)技術(shù)示范區(qū)溝塘改造前后對比

圖2 人工濕地系統(tǒng)示范工程

圖3 農(nóng)業(yè)面源污染生態(tài)修復(fù)技術(shù)示范區(qū)監(jiān)測斷面

2.1.2 示范區(qū)氮磷去除效果分析 由表2可以看出,塘A、塘B、塘C對總氮的去除率分別為17.53%、16.27%、7.74%,對總磷的去除率分別為24.16%、26.55%、-15.76%。塘C對總氮、總磷的去除率低于塘A、塘B的,特別是總磷濃度反而增加了,這主要是因為塘C為村門塘,承接部分未進入收集管道的生活污水和散養(yǎng)家禽排放的氮磷。生態(tài)溝AB、生態(tài)溝BC對總氮的去除率分別為5.16%、23.07%,對總磷的去除率分別為18.94%、7.90%。溝AB對總氮的去除率低于溝BC,主要是由于溝AB的長度短于溝BC,而且溝BC末端有水閘控制,使該溝水停留時間變長,對總氮去除效果變好。溝AB對總磷的去除率高于溝BC,主要是由于溝AB流速快,顆粒態(tài)磷易在溝BC末端沉積,加上溝BC段靠近村莊,溝兩邊種植了小面積的菜地,經(jīng)常受到村民給菜地灌水的擾動,使得底泥中磷釋放到水質(zhì)中,導(dǎo)致總磷去除效果偏低。

圖4 人工濕地系統(tǒng)示范區(qū)剖面設(shè)計圖表2 塘堰濕地、排水生態(tài)溝對總氮總磷的去除效果

地點總氮年均進口濃度/(mg/L)年均出口濃度/(mg/L)年均去除率/%總磷年均進口濃度/(mg/L)年均出口濃度/(mg/L)年均去除率/%塘A5.414.4617.530.690.5224.16塘B4.163.4816.270.420.3126.55塘C(門塘)2.722.517.740.290.33-15.76溝AB4.464.235.160.520.4218.94溝BC3.542.7223.070.310.297.90

圖5 示范區(qū)監(jiān)測斷面總氮總磷濃度沿程年平均值、最大值、最小值的變化

2.2 人工濕地示范區(qū)實施效果

2.2.1 不同進水量人工濕地系統(tǒng)的運行效果 為了保證大量雨水進入收集池從而能及時對它們進行處理,通過調(diào)節(jié)提升池水泵來控制農(nóng)村生活污水的進水量,研究了水力負荷分別為15、20、25 t/d時人工濕地系統(tǒng)的運行凈化效果。由表3可知：人工濕地系統(tǒng)對農(nóng)村生活污水CODCr的去除率在75%以上,農(nóng)村生活污水經(jīng)處理后出水CODCr濃度范圍在18.0～29.7 mg/L;人工濕地系統(tǒng)對農(nóng)村生活污水TN的去除率在65%以上,農(nóng)村生活污水經(jīng)處理后TN濃度范圍在3.6～4.4 mg/L;人工濕地系統(tǒng)對農(nóng)村生活污水TP的去除率在75%以上,農(nóng)村生活污水經(jīng)處理后TP濃度范圍在0.21～0.49 mg/L。該示范工程的應(yīng)用效果表明該人工濕地系統(tǒng)具有不同水力負荷處理的能力。

2.2.2 不同污染程度進水人工濕地系統(tǒng)的運行效果 為了模擬大量雨水進入收集池造成污染物濃度下降的情況,在進水量為12 t/d的條件下,將收集的農(nóng)村生活污水與池塘水分別按照配比1∶ 0(高濃度農(nóng)村生活污水)、1∶ 1(低濃度農(nóng)村生活污水)混合，然后排放進入人工濕地系統(tǒng),研究了人工濕地系統(tǒng)對不同濃度農(nóng)村生活污水的去除凈化效果。結(jié)果如圖6所示，人工濕地系統(tǒng)對農(nóng)村生活污水CODCr的去除率由高濃度配比的81.4%降低到低濃度配比的71.5%;對TN的去除率由高濃度配比的68.0%降低到低濃度配比的51.1%;對TP的去除率由高濃度配比的86.7%降低到低濃度配比的78.2%；其出水水質(zhì)均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，表明該人工濕地系統(tǒng)具有對不同濃度農(nóng)村生活污水進行處理的能力。

表3 人工濕地系統(tǒng)對不同處理量農(nóng)村生活污水主要指標(biāo)的去除率

圖6 人工濕地系統(tǒng)對不同濃度農(nóng)村生活污水主要指標(biāo)的去除率

3 結(jié)論

本研究結(jié)果表明：改造后排水生態(tài)溝對水質(zhì)總氮、總磷的年平均去除率分別在5.16%～23.07%、7.90%～18.94%；塘堰濕地系統(tǒng)對水質(zhì)總氮、總磷的平均去除率分別在16.27%～17.55%、20.16%～26.55%；生態(tài)溝對水質(zhì)的凈化效果低于塘堰濕地的凈化效果;人工濕地系統(tǒng)對農(nóng)村生活污水CODCr的平均去除率在71.50%～82.35%，對總氮的平均去除率在51.11%～69.11%，對總磷的平均去除率在76.51%～90.18%,且出水水質(zhì)均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。