劉方平 姜成名 蘇 甜 時(shí) 紅 廖 偉

(1.江西省灌溉試驗(yàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330201)

我國(guó)農(nóng)村環(huán)境污染已超過(guò)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(guò)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(yán)重污染[2]。同時(shí)，底泥是自然水域的重要組成部分，適當(dāng)條件下底泥中的污染物會(huì)釋放出來(lái)，成為二次污染源，并且釋放時(shí)間、途徑和釋放量具有不確定性[3]。農(nóng)村水污染導(dǎo)致農(nóng)村飲水困難，影響村民居住環(huán)境，嚴(yán)重威脅農(nóng)民的身體健康，已成為污染治理的重點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)河湖污染修復(fù)方法進(jìn)行了大量研究[4-5]，目前主要有物理、化學(xué)和生物3大類修復(fù)技術(shù)[6-9]。但物理和化學(xué)修復(fù)對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞較大。隨著生物技術(shù)和生物科學(xué)的不斷發(fā)展，生物修復(fù)已成為治理水污染的熱點(diǎn)，具有廣闊的市場(chǎng)前景[10-14]。

鄱陽(yáng)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(jià)值[15-16]。然而，當(dāng)前我國(guó)主要研究方向集中在城市湖泊[17]和大中型湖庫(kù)[18]，少有針對(duì)農(nóng)村微小型水塘污染修復(fù)技術(shù)的研究。為此，通過(guò)選擇鄱陽(yáng)湖平原區(qū)農(nóng)村水塘，進(jìn)行原位修復(fù)模擬試驗(yàn)，以期得到不同修復(fù)方法下農(nóng)村水塘水環(huán)境指標(biāo)變化規(guī)律，提出適宜農(nóng)村微小型水塘的原位修復(fù)技術(shù)。

表1 水塘濕地小區(qū)處理措施

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地

試驗(yàn)在江西省灌溉試驗(yàn)中心站試驗(yàn)研究基地開展?；匚挥诮魇≯蛾?yáng)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(nèi)為典型的亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)性氣候?；貎?nèi)現(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(jié)構(gòu)，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(wú)襯砌。

將池中原有底泥挖除25 cm，將農(nóng)村水塘取來(lái)的底泥覆上，并填平。試驗(yàn)用底泥取自鄱陽(yáng)湖平原區(qū)某受污染農(nóng)村水塘底泥，其營(yíng)養(yǎng)成分指標(biāo)具體為有機(jī)質(zhì)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(yàn)處理設(shè)計(jì)

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(gè)/m3，平均質(zhì)量約150 g/個(gè)。為避免三角帆蚌外殼攜帶的藻類對(duì)試驗(yàn)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(lái)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(zhì)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(nèi)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(cè)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(duì)角線5點(diǎn)采樣法采集上、下層水樣，立刻帶回實(shí)驗(yàn)室放入冰箱中4 ℃保存待測(cè)。

水質(zhì)指標(biāo)pH、DO、濁度等在現(xiàn)場(chǎng)使用YSI多參數(shù)水質(zhì)分析儀、哈希濁度儀進(jìn)行原位測(cè)定，TN、氨氮、TP、COD等指標(biāo)按照文獻(xiàn)[19]檢測(cè)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

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

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)指標(biāo)變化規(guī)律

由圖1可見，對(duì)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(shì)；生物聯(lián)合調(diào)控處理濁度去除率呈不斷上升的趨勢(shì)，并在前3天快速上升，隨后平緩上升。對(duì)照、覆沙處理、落干曝曬處理濁度去除率在前期均為負(fù)值，其中覆沙處理在第10天、落干曝曬處理在第13天、對(duì)照在第17天時(shí)才變?yōu)檎?，其主要原因是試?yàn)開始時(shí)注水?dāng)_動(dòng)底泥所致；生物聯(lián)合調(diào)控處理濁度去除率始終為正值，這主要是因?yàn)槌貎?nèi)種植濕地植物較茂盛，根系發(fā)達(dá)，對(duì)注水有一定緩沖作用，有效防止了注水時(shí)底泥的擾動(dòng)，并對(duì)水中懸浮顆粒有一定的吸附作用。總體來(lái)說(shuō)，不同處理濁度去除率均隨時(shí)間的延長(zhǎng)而上升，并均在第21天達(dá)到最高值，且生物聯(lián)合調(diào)控處理(68.18%)>覆沙處理(49.09%)>落干曝曬處理(28.64%)>對(duì)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(duì)照氨氮去除率先略升，第7天達(dá)到較高值(13.18%)，隨后快速下降，第13天達(dá)到最低值(-56.59%)，說(shuō)明其間有氨氮的釋放，接著呈上升趨勢(shì)，至第21天達(dá)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(shì)，但第17天有個(gè)小幅下降，第19天達(dá)到最高值(44.70%)。落干曝曬處理氨氮去除率呈現(xiàn)波動(dòng)變化趨勢(shì)，前3天和第10天前后變化劇烈。生物聯(lián)合調(diào)控處理氨氮去除率總體呈平緩上升趨勢(shì)，前3天呈快速上升趨勢(shì)，并在第21天達(dá)到最高值(92.64%)。各處理不同時(shí)期氨氮去除率均為正值(除對(duì)照外)，總體表現(xiàn)為生物聯(lián)合調(diào)控處理>覆沙處理>落干曝曬處理>對(duì)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(duì)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(dòng)變化趨勢(shì)。對(duì)照TN去除率先略上升，隨后下降至第10天變?yōu)樨?fù)值，至第19天轉(zhuǎn)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(shì)，分別達(dá)最高值52.33%和54.88%，隨后總體降低。生物聯(lián)合調(diào)控處理TN去除率總體呈平緩上升趨勢(shì)，但在前3天呈快速上升趨勢(shì)，并在第21天達(dá)到最高值(79.85%)。各處理不同時(shí)期TN去除率均為正值(除對(duì)照外)，總體表現(xiàn)出生物聯(lián)合調(diào)控處理>落干曝曬處理>覆沙處理>對(duì)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(gè)下降過(guò)程外，其余時(shí)期均呈上升趨勢(shì)。對(duì)照和覆沙處理COD去除率在前3天呈快速上升趨勢(shì)，隨后緩慢上升，到第21天達(dá)最高值，分別為87.23%和64.12%；落干曝曬處理和生物聯(lián)合調(diào)控處理COD去除率均在前7天呈快速上升趨勢(shì)，其后落干曝曬處理呈先降后升趨勢(shì)，生物聯(lián)合調(diào)控處理呈緩慢上升趨勢(shì)，落干曝曬處理和生物聯(lián)合調(diào)控處理均在第21天達(dá)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(diào)控處理>落干曝曬處理>對(duì)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(duì)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(shì)，均在第10或13天達(dá)到最低值，分別為-325.40%、-177.78%、-157.94%，整個(gè)取樣監(jiān)測(cè)階段TP去除率均為負(fù)值，說(shuō)明磷的釋放特別明顯。生物聯(lián)合調(diào)控處理TP去除率呈先下降后緩慢上升的趨勢(shì)，第3天達(dá)到最低值(-75.21%)，第13天轉(zhuǎn)為正值，第21天達(dá)到最高值(66.13%)，整個(gè)過(guò)程是一個(gè)磷的釋放和吸收轉(zhuǎn)化凈化并行的過(guò)程，前期表現(xiàn)為磷的釋放占主導(dǎo)，后期以磷的吸收轉(zhuǎn)化凈化占主導(dǎo)。TP去除率總體表現(xiàn)為生物聯(lián)合調(diào)控處理>覆沙處理>落干曝曬處理>對(duì)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(diào)控處理對(duì)水質(zhì)凈化的效果總體最佳，濁度、氨氮、TN和COD去除率隨時(shí)間延長(zhǎng)總體呈上升趨勢(shì)，并且均在前期有一個(gè)快速去除的過(guò)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(lái)說(shuō)，生物聯(lián)合調(diào)控處理對(duì)水體水質(zhì)指標(biāo)均有逐漸改善的趨勢(shì)，這主要是因?yàn)闈竦刂参锏纳L(zhǎng)會(huì)吸收底泥或水中的一部分營(yíng)養(yǎng)成分，阻斷底泥與水體的直接交換，抑制底泥中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的釋放[20-22]。覆沙處理對(duì)濁度、氨氮和TP均有較好的去除率，但對(duì)TN、COD去除率相對(duì)較低，其可能原因是覆沙處理能有效減少水下底泥的擾動(dòng)，從而減少底泥的揚(yáng)起，以及由此造成的底泥氨氮和TP的釋放，但覆沙也會(huì)阻隔底泥中微生物在水體中的活動(dòng)，并且細(xì)沙較底泥不利于微生物的附著棲息生長(zhǎng)繁殖，從而降低微生物對(duì)COD的降解。落干曝曬處理對(duì)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(nèi)加速了水體中DO的消耗。

2.2 影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)去除率變化的因子

為探明不同濕地處理營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)去除率與相關(guān)因子的關(guān)系，主要對(duì)TN去除率與DO、pH、水溫，TP去除率與DO、pH、水溫、氮磷質(zhì)量比(N/P)，COD去除率與氨氮、pH、水溫日變差(ΔT)、碳氮質(zhì)量比(C/N)、N/P進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果見表2至表4。各因子對(duì)TN去除率的影響順序：對(duì)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(diào)控處理中DO>水溫>pH。各因子對(duì)TP去除率的影響順序：對(duì)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(diào)控處理中DO>N/P>水溫>pH。各因子對(duì)COD去除率的影響順序：對(duì)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(diào)控處理中C/N>氨氮>N/P>pH>ΔT。生物聯(lián)合調(diào)控處理的TN去除率與DO呈顯著負(fù)相關(guān)；對(duì)照的TN去除率與水溫呈顯著正相關(guān)；其他處理與各因子相關(guān)性不顯著。生物聯(lián)合調(diào)控處理的TP去除率與DO呈顯著負(fù)相關(guān)、與N/P呈顯著正相關(guān)；對(duì)照和覆沙處理的TP去除率均與N/P呈顯著正相關(guān)；其他處理與各因子相關(guān)性不顯著。生物聯(lián)合調(diào)控處理的COD去除率與氨氮、C/N均呈顯著負(fù)相關(guān)；對(duì)照、落干曝曬處理的COD去除率均與C/N呈顯著負(fù)相關(guān)；其他處理與各因子相關(guān)性不顯著。

表2 TN去除率與各因子相關(guān)性分析1)

表3 TP去除率與各因子相關(guān)性分析

表4 COD去除率與各因子相關(guān)性分析

3 結(jié) 語(yǔ)

(1) 生物聯(lián)合調(diào)控處理對(duì)水質(zhì)凈化的效果總體最佳，濁度、氨氮、TN和COD去除率隨時(shí)間延長(zhǎng)總體呈上升趨勢(shì)，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(diào)控處理的TN去除率與DO呈顯著負(fù)相關(guān)；對(duì)照的TN去除率與水溫呈顯著正相關(guān)；其他處理與各因子相關(guān)性不顯著。生物聯(lián)合調(diào)控處理的TP去除率與DO呈顯著負(fù)相關(guān)、與N/P呈顯著正相關(guān)；對(duì)照、覆沙處理的TP去除率均與N/P呈顯著正相關(guān)；其他處理與各因子相關(guān)性不顯著。生物聯(lián)合調(diào)控處理的COD去除率與氨氮、C/N均呈顯著負(fù)相關(guān)；對(duì)照、落干曝曬處理的COD去除率均與C/N呈顯著負(fù)相關(guān)；其他處理與各因子相關(guān)性不顯著。

(3) 為提高農(nóng)村水塘對(duì)水污染凈化效果，可對(duì)農(nóng)村水塘進(jìn)行生物聯(lián)合調(diào)控處理，合理控制C/N；對(duì)于底泥淤塞嚴(yán)重、營(yíng)養(yǎng)鹽含量高的水塘，可進(jìn)行適當(dāng)清淤，并在岸邊淤泥較深處進(jìn)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(jìn)行適當(dāng)曬塘。