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        鄱陽湖平原區(qū)農(nóng)村水塘水體原位修復技術應用效果分析*

        2020-08-24 09:12:16劉方平姜成名
        環(huán)境污染與防治 2020年8期
        關鍵詞:水塘底泥濁度

        劉方平 姜成名 蘇 甜 時 紅 廖 偉

        (1.江西省灌溉試驗中心站,江西 南昌 330201;2.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)

        我國農(nóng)村環(huán)境污染已超過工業(yè)和城市環(huán)境污染[1]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)藥、化肥等的不合理和過量使用,畜禽糞便等農(nóng)業(yè)廢物的任意排放,以及生活污水的直接排放,造成河流和水塘嚴重污染[2]。同時,底泥是自然水域的重要組成部分,適當條件下底泥中的污染物會釋放出來,成為二次污染源,并且釋放時間、途徑和釋放量具有不確定性[3]。農(nóng)村水污染導致農(nóng)村飲水困難,影響村民居住環(huán)境,嚴重威脅農(nóng)民的身體健康,已成為污染治理的重點。

        國內外學者對河湖污染修復方法進行了大量研究[4-5],目前主要有物理、化學和生物3大類修復技術[6-9]。但物理和化學修復對生態(tài)環(huán)境的破壞較大。隨著生物技術和生物科學的不斷發(fā)展,生物修復已成為治理水污染的熱點,具有廣闊的市場前景[10-14]。

        鄱陽湖平原區(qū)農(nóng)村具有多水塘濕地系統(tǒng),在農(nóng)業(yè)發(fā)展中具有不可替代的作用和價值[15-16]。然而,當前我國主要研究方向集中在城市湖泊[17]和大中型湖庫[18],少有針對農(nóng)村微小型水塘污染修復技術的研究。為此,通過選擇鄱陽湖平原區(qū)農(nóng)村水塘,進行原位修復模擬試驗,以期得到不同修復方法下農(nóng)村水塘水環(huán)境指標變化規(guī)律,提出適宜農(nóng)村微小型水塘的原位修復技術。

        表1 水塘濕地小區(qū)處理措施

        1 材料與方法

        1.1 試驗場地

        試驗在江西省灌溉試驗中心站試驗研究基地開展。基地位于江西省鄱陽湖平原區(qū),地處江西省南昌縣向塘鎮(zhèn)高田村,地理位置為東經(jīng)116°、北緯28°26′,海拔22.0 m,區(qū)內為典型的亞熱帶濕潤季風性氣候?;貎痊F(xiàn)配有小型濕地小區(qū),面積28.2 m2(4.7 m×6.0 m),均為一體化鋼筋混凝土結構,邊壁厚度30 cm,以防止小區(qū)之間的滲水;各小區(qū)地表以下凈深為80 cm,底部無襯砌。

        將池中原有底泥挖除25 cm,將農(nóng)村水塘取來的底泥覆上,并填平。試驗用底泥取自鄱陽湖平原區(qū)某受污染農(nóng)村水塘底泥,其營養(yǎng)成分指標具體為有機質22.88 g/kg、全氮1.36 g/kg、堿解氮214.84 mg/kg、有效磷181.29 mg/kg,pH=6.15。

        1.2 試驗處理設計

        各處理詳見表1。其中,池4濕地小區(qū)放養(yǎng)的底棲生物為三角帆蚌(Hyriopsiscumingii),密度為18個/m3,平均質量約150 g/個。為避免三角帆蚌外殼攜帶的藻類對試驗造成誤差,三角帆蚌均事先用板刷刷除附生的藻類,然后放在自來水中漂洗1 d,后使用河水馴養(yǎng)3 d。選取鳙魚、鰱魚等濾食性魚類,每池分別放養(yǎng)9、27條,每條質量200~300 g。挺水植物選取了花葉蘆竹(Arundodonaxvar.versicolor),在濕地小區(qū)周邊1 m內種植4排(間距為20 cm)。各濕地所覆原水水深為50 cm;原水為農(nóng)田排水,氨氮、TN、TP、COD分別為1.320、2.269、0.063 、52.73 mg/L,pH為6.80。

        1.3 采樣及測定方法

        水樣分兩層采集,水面下10 cm的水樣為上層水,距離底泥10 cm的水樣為下層水。采用對角線5點采樣法采集上、下層水樣,立刻帶回實驗室放入冰箱中4 ℃保存待測。

        水質指標pH、DO、濁度等在現(xiàn)場使用YSI多參數(shù)水質分析儀、哈希濁度儀進行原位測定,TN、氨氮、TP、COD等指標按照文獻[19]檢測。

        1.4 數(shù)據(jù)處理

        主要采用SPSS17.0、WPS2019等分析軟件進行相關數(shù)據(jù)分析和圖表繪制。

        2 結果與討論

        2.1 水質指標變化規(guī)律

        由圖1可見,對照、覆沙處理、落干曝曬處理的濁度去除率總體上表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律,呈現(xiàn)先降后升的趨勢;生物聯(lián)合調控處理濁度去除率呈不斷上升的趨勢,并在前3天快速上升,隨后平緩上升。對照、覆沙處理、落干曝曬處理濁度去除率在前期均為負值,其中覆沙處理在第10天、落干曝曬處理在第13天、對照在第17天時才變?yōu)檎?,其主要原因是試驗開始時注水擾動底泥所致;生物聯(lián)合調控處理濁度去除率始終為正值,這主要是因為池內種植濕地植物較茂盛,根系發(fā)達,對注水有一定緩沖作用,有效防止了注水時底泥的擾動,并對水中懸浮顆粒有一定的吸附作用??傮w來說,不同處理濁度去除率均隨時間的延長而上升,并均在第21天達到最高值,且生物聯(lián)合調控處理(68.18%)>覆沙處理(49.09%)>落干曝曬處理(28.64%)>對照(24.09%)。

        圖1 不同濕地小區(qū)水體濁度去除率的變化Fig.1 Changes of turbidity removal rate in different water ponds

        由圖2可見,對照氨氮去除率先略升,第7天達到較高值(13.18%),隨后快速下降,第13天達到最低值(-56.59%),說明其間有氨氮的釋放,接著呈上升趨勢,至第21天達到最高值(15.38%)。覆沙處理氨氮去除率總體呈緩慢上升的趨勢,但第17天有個小幅下降,第19天達到最高值(44.70%)。落干曝曬處理氨氮去除率呈現(xiàn)波動變化趨勢,前3天和第10天前后變化劇烈。生物聯(lián)合調控處理氨氮去除率總體呈平緩上升趨勢,前3天呈快速上升趨勢,并在第21天達到最高值(92.64%)。各處理不同時期氨氮去除率均為正值(除對照外),總體表現(xiàn)為生物聯(lián)合調控處理>覆沙處理>落干曝曬處理>對照。

        圖2 不同濕地小區(qū)水體氨氮去除率的變化規(guī)律Fig.2 Changes of ammonia nitrogen removal rate in different water ponds

        由圖3可見,對照、覆沙處理、落干曝曬處理TN去除率總體上表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律,呈現(xiàn)波動變化趨勢。對照TN去除率先略上升,隨后下降至第10天變?yōu)樨撝担恋?9天轉為正值,并略有上升,第21天僅為5.31%。覆沙處理和落干曝曬處理TN去除率均先呈快速上升趨勢,分別達最高值52.33%和54.88%,隨后總體降低。生物聯(lián)合調控處理TN去除率總體呈平緩上升趨勢,但在前3天呈快速上升趨勢,并在第21天達到最高值(79.85%)。各處理不同時期TN去除率均為正值(除對照外),總體表現(xiàn)出生物聯(lián)合調控處理>落干曝曬處理>覆沙處理>對照。

        圖3 不同濕地小區(qū)水體TN去除率的變化Fig.3 Changes of TN removal rate in different water ponds

        由圖4可見,不同處理COD去除率總體呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律,除落干曝曬處理在第7~10天有個下降過程外,其余時期均呈上升趨勢。對照和覆沙處理COD去除率在前3天呈快速上升趨勢,隨后緩慢上升,到第21天達最高值,分別為87.23%和64.12%;落干曝曬處理和生物聯(lián)合調控處理COD去除率均在前7天呈快速上升趨勢,其后落干曝曬處理呈先降后升趨勢,生物聯(lián)合調控處理呈緩慢上升趨勢,落干曝曬處理和生物聯(lián)合調控處理均在第21天達到最高值,分別為92.22%和92.10%。COD去除率總體表現(xiàn)出生物聯(lián)合調控處理>落干曝曬處理>對照>覆沙處理。

        圖4 不同濕地小區(qū)水體COD去除率的變化Fig.4 Changes of COD removal rate in different water ponds

        由圖5可見,對照、覆沙處理、落干曝曬處理TP去除率總體表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律,呈現(xiàn)先降后升的趨勢,均在第10或13天達到最低值,分別為-325.40%、-177.78%、-157.94%,整個取樣監(jiān)測階段TP去除率均為負值,說明磷的釋放特別明顯。生物聯(lián)合調控處理TP去除率呈先下降后緩慢上升的趨勢,第3天達到最低值(-75.21%),第13天轉為正值,第21天達到最高值(66.13%),整個過程是一個磷的釋放和吸收轉化凈化并行的過程,前期表現(xiàn)為磷的釋放占主導,后期以磷的吸收轉化凈化占主導。TP去除率總體表現(xiàn)為生物聯(lián)合調控處理>覆沙處理>落干曝曬處理>對照。

        圖5 不同濕地小區(qū)水體TP去除率的變化Fig.5 Changes of TP removal rate in different water ponds

        綜上分析,生物聯(lián)合調控處理對水質凈化的效果總體最佳,濁度、氨氮、TN和COD去除率隨時間延長總體呈上升趨勢,并且均在前期有一個快速去除的過程,去除率最高值均在第21天,分別為68.18%、92.64%、79.85%和92.10%;TP去除率剛好相反,前期較快下降,后期緩慢上升。總體來說,生物聯(lián)合調控處理對水體水質指標均有逐漸改善的趨勢,這主要是因為濕地植物的生長會吸收底泥或水中的一部分營養(yǎng)成分,阻斷底泥與水體的直接交換,抑制底泥中營養(yǎng)物質的釋放[20-22]。覆沙處理對濁度、氨氮和TP均有較好的去除率,但對TN、COD去除率相對較低,其可能原因是覆沙處理能有效減少水下底泥的擾動,從而減少底泥的揚起,以及由此造成的底泥氨氮和TP的釋放,但覆沙也會阻隔底泥中微生物在水體中的活動,并且細沙較底泥不利于微生物的附著棲息生長繁殖,從而降低微生物對COD的降解。落干曝曬處理對水體中TN和COD有較好的去除率,但水體中DO也快速地降低,其可能是落干曝曬期間,底泥中一些好氧微生物大量繁殖,待覆水后,短期內加速了水體中DO的消耗。

        2.2 影響營養(yǎng)物質去除率變化的因子

        為探明不同濕地處理營養(yǎng)物質去除率與相關因子的關系,主要對TN去除率與DO、pH、水溫,TP去除率與DO、pH、水溫、氮磷質量比(N/P),COD去除率與氨氮、pH、水溫日變差(ΔT)、碳氮質量比(C/N)、N/P進行相關性分析。結果見表2至表4。各因子對TN去除率的影響順序:對照中水溫>pH>DO;覆沙處理中水溫>DO>pH;落干曝曬處理中DO>水溫>pH;生物聯(lián)合調控處理中DO>水溫>pH。各因子對TP去除率的影響順序:對照中N/P>pH>水溫>DO;覆沙處理中N/P>水溫>pH>DO;落干曝曬處理中水溫>pH>N/P>DO;生物聯(lián)合調控處理中DO>N/P>水溫>pH。各因子對COD去除率的影響順序:對照中C/N>ΔT>pH>N/P>氨氮;覆沙處理中氨氮>pH>C/N>ΔT>N/P;落干曝曬處理中C/N>pH>ΔT>氨氮>N/P;生物聯(lián)合調控處理中C/N>氨氮>N/P>pH>ΔT。生物聯(lián)合調控處理的TN去除率與DO呈顯著負相關;對照的TN去除率與水溫呈顯著正相關;其他處理與各因子相關性不顯著。生物聯(lián)合調控處理的TP去除率與DO呈顯著負相關、與N/P呈顯著正相關;對照和覆沙處理的TP去除率均與N/P呈顯著正相關;其他處理與各因子相關性不顯著。生物聯(lián)合調控處理的COD去除率與氨氮、C/N均呈顯著負相關;對照、落干曝曬處理的COD去除率均與C/N呈顯著負相關;其他處理與各因子相關性不顯著。

        表2 TN去除率與各因子相關性分析1)

        表3 TP去除率與各因子相關性分析

        表4 COD去除率與各因子相關性分析

        3 結 語

        (1) 生物聯(lián)合調控處理對水質凈化的效果總體最佳,濁度、氨氮、TN和COD去除率隨時間延長總體呈上升趨勢,最高值均出現(xiàn)在第21天,分別為68.18%、92.64%、79.85%和92.10%;TP去除率剛好相反,前期較快下降,后期緩慢上升。

        (2) 生物聯(lián)合調控處理的TN去除率與DO呈顯著負相關;對照的TN去除率與水溫呈顯著正相關;其他處理與各因子相關性不顯著。生物聯(lián)合調控處理的TP去除率與DO呈顯著負相關、與N/P呈顯著正相關;對照、覆沙處理的TP去除率均與N/P呈顯著正相關;其他處理與各因子相關性不顯著。生物聯(lián)合調控處理的COD去除率與氨氮、C/N均呈顯著負相關;對照、落干曝曬處理的COD去除率均與C/N呈顯著負相關;其他處理與各因子相關性不顯著。

        (3) 為提高農(nóng)村水塘對水污染凈化效果,可對農(nóng)村水塘進行生物聯(lián)合調控處理,合理控制C/N;對于底泥淤塞嚴重、營養(yǎng)鹽含量高的水塘,可進行適當清淤,并在岸邊淤泥較深處進行河沙覆蓋;控制水體適宜的N/P;具有排水條件的水塘可選取雨水少的季節(jié)進行適當曬塘。

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