葛紅林

摘 要：通過對山西省運城市主要農(nóng)業(yè)灌溉水體中DO、ORP、NH3-N、PO43--P等黑臭指數(shù)的影響，以及新沉積物對農(nóng)業(yè)上覆水中NH3-N、PO43--P的釋放特性進行研究，明確農(nóng)業(yè)水體污染的特征，并制定污染治理策略，在消除歷史污染的同時，降低新污染的積累速度。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)灌溉水體；黑臭水體；底泥污染；溶解氧；氨氮

中圖分類號：X52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）01–0-03

從農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境方面分析，目前山西省既有工業(yè)污染，又有農(nóng)區(qū)水污染，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全受到嚴(yán)重威脅。根據(jù)山西省運城地區(qū)農(nóng)業(yè)環(huán)境保護監(jiān)測站2020年的數(shù)據(jù)：全省重度受污染耕地有800 km2，且以汾河流域太原、臨汾、運城為主要糧棉產(chǎn)區(qū)[1]。所以在山西省加大對農(nóng)業(yè)水質(zhì)的控制力度十分重要。據(jù)生態(tài)環(huán)境部統(tǒng)計，2020年年底，我國農(nóng)業(yè)中的黑臭水體消除率已達(dá)98.20%[2]。黑臭水體主要是由于新產(chǎn)生的沉積物中富含有機污染物，經(jīng)微生物分解腐化，耗損水中溶解氧，使得其處于厭氧狀態(tài)，并產(chǎn)生氨氮、硫化氫和硫醇等還原性氣體，硫化氫等還會與亞鐵、錳等離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生亞鐵等黑色物質(zhì)，水體反復(fù)黑臭，導(dǎo)致前期治理效果難以持續(xù)。通過對運城地區(qū)主要農(nóng)田灌溉用新形成的新生沉積物對上覆水中DO、ORP及其他黑臭指數(shù)的影響，分析了水體釋放NH3-N和PO43--P的特點，并從長期保持水質(zhì)的觀點出發(fā)，提出了適宜的治理方案。

1 山西運城主要農(nóng)業(yè)灌溉水體污染現(xiàn)狀

山西省運城市在古代被稱為“河?xùn)|”，地處山西省最南端、黃土高原東南邊緣、汾河平原最為寬廣的地區(qū)；面積14 230 km?，作為歐亞大陸橋的重要組成部分，是我國“西部大開發(fā)”“中部崛起”的核心區(qū)域，在全國的區(qū)域發(fā)展格局中有著舉足輕重的作用[3]。然而，由于農(nóng)用水的污染，運城水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象嚴(yán)重，對居民的生活、生產(chǎn)造成了很大的影響。目前流域內(nèi)的耕地平均化肥施用量已經(jīng)從1979年的244.50 kg/hm2增加到了667.50 kg/hm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過發(fā)達(dá)國家為了防止化肥對水體的污染所制定的225 kg/hm2的安全限度。

2 山西運城農(nóng)業(yè)灌溉水體底泥污染釋放特征研究

2.1 試驗材料

試驗用的底泥是A、B、C三條已經(jīng)完成了黑臭治理的農(nóng)業(yè)水體底泥，分別采樣于伍姓湖接納姚暹渠入口段、涑水河永濟韓陽鎮(zhèn)入黃口段，汾河河津蔡村鄉(xiāng)段。三條水體在處理時均已進行了沉積物的清理，以確保實驗所用的沉積物為初生沉積物，其水質(zhì)指標(biāo)具體如下：

2.2 試驗方法

實驗設(shè)備是4個高50 cm、直徑15 cm的有機玻璃圓柱形反應(yīng)器。在實驗中，以1∶2的比例將沉積物和水混合，并設(shè)1組不含沉積物的空白對照組。對實驗裝置進行了避光處理，在沉積物試驗組進行了靜態(tài)試驗，在沉積物試驗中，利用虹吸式的方法，將脫水緩慢地注入盛放沉積物的容器，以防止由于水流的撞擊而引起DO的異常波動，并進行靜態(tài)測定[4]。

3 結(jié)果與分析

3.1 沉積物對農(nóng)業(yè)水體黑臭的影響

結(jié)果顯示，在不含沉積物的對照組中，通過避光和密閉措施，防止藻類和微生物的光合作用，使得水體中的DO維持在4.0 mg/L左右，ORP在90 mV左右，無明顯變化。但是，在加入新的沉積物后，DO、ORP的含量明顯下降，A組的DO快速下降至大約1.5 mg/L，ORP僅為10 mV；B組將DO降到0.60 mg/L，C組將ORP降到-30 mV。3個實驗區(qū)上覆水的溶解氧、溶解氧含量都已經(jīng)達(dá)到了嚴(yán)重的黑臭程度，B、C這2個實驗區(qū)在兩年以上的新沉積物處理下，其溶解氧、溶解氧含量的變化比A實驗區(qū)一年以上的更明顯。在厭氧環(huán)境中，有機物被微生物轉(zhuǎn)化成還原狀態(tài)，導(dǎo)致底泥具有較強的還原狀態(tài)，伴隨著厭氧脅迫的加劇，底泥中ORP降低[5]。因此，在三處水體的新生沉淀物加入上覆水后，在試驗前期，水中的DO和ORP會快速而大幅度地下降，并造成水體的嚴(yán)重黑臭。

3.2 新沉積物在農(nóng)業(yè)水體富營養(yǎng)化中的作用

無機氮和總磷是判斷水體富營養(yǎng)化等級的重要指標(biāo)，在沉積物中的氮磷主要以氨氮（NH3-N）和正磷酸鹽（PO43--P）的形式向上覆水體釋放，圖1和圖2展示了新生沉積物向水體釋放NH3-N和PO43--P的特征變化曲線。

從圖1和圖2可以看出，在空白試驗組原水中，NH3-N保持不變。在添加新沉積物后，3組實驗中NH3-N、PO43--P的含量都在一段時間內(nèi)迅速升高，隨著試驗時間的增加，試驗結(jié)果有明顯的波動。其中，A組NH3-N濃度最高為3.6 mg/L，而PO43--P濃度最高為0.26 mg/L；B組中NH3-N最高為4.4 mg/L，PO43--P最高為0.36 mg/L；C組NH3-N濃度最高為5.6 mg/L，PO43--P濃度最高為0.44 mg/L。NH3-N和PO43--P濃度的劇烈波動，主要是由于沉積物對污染物起到了釋放和吸附的雙重作用，新沉積物會受到環(huán)境物理條件和微生態(tài)環(huán)境的影響，NH3-N和PO43--P處于一個動態(tài)平衡的狀態(tài)，最后表現(xiàn)出穩(wěn)定的波動。

可以看出，3組試驗上覆水中的NH3-N濃度都達(dá)到了黑臭或輕微黑臭的程度，也就是說，新生沉積物引起的氨氮濃度超過黑臭極限的危險是比較低的。然而，在我國，TN和TP分別在2.0和0.2 mg/L以上時，已被認(rèn)定為重度富營養(yǎng)。結(jié)果表明，在3個新的沉積物釋放實驗中，上覆水體均為重度富營養(yǎng)化。A、B和C等3個水體，在沉積物釋放較好的春季和夏季，容易由于氮和磷濃度過高而造成藍(lán)藻大量繁殖，并有暴發(fā)的危險。水華暴發(fā)后，不但會在水面上產(chǎn)生“藻體浮渣”，對水質(zhì)產(chǎn)生不良影響，而且還會引起水生動植物死亡，對水生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生極大的危害[6]；同時，大量藍(lán)藻死亡和腐化，也會造成水中溶氧量的減少，最后造成水中的黑色和臭味。

從全面分析中可以發(fā)現(xiàn)，DO和ORP的波動規(guī)律是一樣的，但與PO43--P的波動恰好相反，即DO和ORP的降低對PO43--P的釋放有利，而DO和ORP的升高對PO43--P的吸收更有利。這主要是因為在無溶氧和無硝酸鹽的厭氧環(huán)境下，沉積物中的多聚磷菌能在無溶氧和無硝酸鹽的情況下分解成PO43--P；在有氧或有硝酸鹽存在時，聚磷菌能降解PHB，并將PO43--P吸附到生物體內(nèi)[7]。因此，DO、ORP對水環(huán)境中的磷有很大的影響。保持沉積物的好氧狀態(tài)，或者提高沉積物的ORP，可以有效地抑制PO43--P的釋放，進而控制水體富營養(yǎng)化。

4 山西運城農(nóng)業(yè)灌溉水體污染治理模式探討

4.1 治理流程

針對山西運城農(nóng)業(yè)灌溉水體污染的地域特點，以及農(nóng)業(yè)灌溉水體黑臭問題，采用農(nóng)業(yè)土壤中的粗、細(xì)礫石和人工填埋的生物填料作為過濾材料，通過對農(nóng)業(yè)水環(huán)境的植被吸附、微生物代謝等過程，去除農(nóng)業(yè)水中的有機質(zhì)，提高農(nóng)業(yè)水環(huán)境質(zhì)量。同時，為了降低水中懸浮物濃度、農(nóng)業(yè)污水堵塞的概率和生物填料顆粒的更換次數(shù)，在農(nóng)業(yè)污水進水前端增加沉淀設(shè)備，具體工藝流程圖如圖3所示。

4.2 科學(xué)耕作防止化肥污染

施肥的重點是確定合適的氮肥用量。目前主要采用田間肥料試驗或土壤與植株測，但該實驗具有較大的空間變異性，對參數(shù)要求較高，且需要大量的野外實驗和土木實驗。對于我國作物生產(chǎn)而言，按面積計算氮肥施用量、損失量和產(chǎn)量，并在此基礎(chǔ)上確定地區(qū)的氮肥施用量比較合適[8]。

適時施肥，將作物的最大需肥峰和最大供肥峰相結(jié)合，充分發(fā)揮肥料的效用。在此基礎(chǔ)上，采取科學(xué)的施肥方式，堅持深施，并采取節(jié)灌等措施，降低氮的損失，提高施肥的科學(xué)性。深施對氨揮發(fā)和徑流損失有利，相關(guān)研究表明，在土壤深度8～10 cm范圍內(nèi)，深施比表施的肥效高出1倍左右[9]。

4.3 末端治理和回收

控制徑流是治理氮素污染的一項重要措施。通過對水資源的優(yōu)化管理，如在旱地上使用肥水結(jié)合技術(shù)，在稻田上使用節(jié)水灌溉技術(shù)，在坡耕地上使用保護性耕作等。構(gòu)建農(nóng)業(yè)灌溉溝渠系統(tǒng)，利用生態(tài)溝渠緊密聯(lián)系各個農(nóng)業(yè)區(qū)域，根據(jù)土壤養(yǎng)分含量和作物種類的需肥規(guī)律和特征，對農(nóng)業(yè)水分和養(yǎng)分展開綜合調(diào)控和一體化管理，實現(xiàn)以水促肥、水肥耦合，提高水、養(yǎng)分的利用效率。同時，水中的氮在經(jīng)過農(nóng)業(yè)排水溝渠運輸進入受納水體之前，在遷移轉(zhuǎn)化的過程中會被截留，從而減少進入水體的污染負(fù)荷。

5 結(jié)論

造成農(nóng)業(yè)污水黑臭的原因是多方面的，因此，必須堅持系統(tǒng)性、合理性、科學(xué)性、經(jīng)濟性的原則，并根據(jù)不同類型的農(nóng)業(yè)廢水，采取相應(yīng)的處理措施。降低排入農(nóng)業(yè)污水內(nèi)的DO、ORP、NH3-N、PO43--P等黑臭指數(shù)，從而對農(nóng)業(yè)污水污染進行有效控制，解決農(nóng)業(yè)污水的黑臭問題，消除劣V類水體，提高居民的生活質(zhì)量。

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