溫室中農(nóng)村廢水再生滴灌過(guò)程中污染物的時(shí)空變化規(guī)律

裴 亮， 麥榮幸， 孫莉英， 栗清亞

(1.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所 陸地水循環(huán)及地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京100101；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

1 研究背景

農(nóng)村廢水再生滴灌模式是采用滴灌方式將經(jīng)過(guò)處理的污水用于灌溉的現(xiàn)代灌溉模式，是當(dāng)前節(jié)水和環(huán)保研究的熱點(diǎn)[1-2]，很多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面已經(jīng)做了大量的相關(guān)研究[3-9]，關(guān)于再生水灌溉條件下污染物在土壤-滲漏系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化取得了很多的研究成果[4-7、9]。農(nóng)村再生水滴灌的灌溉頻率、灌溉時(shí)間、灌溉水量與地面灌溉等傳統(tǒng)灌溉方式不同，土壤水分和溶質(zhì)在土壤-滲漏系統(tǒng)中的分布與遷移也不相同。另外，再生水中含有大量的有害污染物，會(huì)隨著再生水進(jìn)入到土壤、作物體內(nèi)和地下水中，對(duì)作物生長(zhǎng)、周圍環(huán)境及人體健康產(chǎn)生很大的影響[10]。因此，有必要對(duì)污染物隨再生水在土壤中的分布運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行深入研究[11]。當(dāng)前的農(nóng)村再生水灌溉研究大多為地面灌溉條件下污染物在土壤表層的分布和遷移，對(duì)滴灌模式的研究很少，研究?jī)?nèi)容多為重金屬在作物根系層的分布以及對(duì)作物根系的影響，也很少涉及污染物在深層土壤和深層滲漏水中的分布和對(duì)地下水的影響[12-13]。因此，需要對(duì)滴灌條件下污染物在土壤-滲漏系統(tǒng)中的分布運(yùn)移特征進(jìn)行詳細(xì)研究。筆者等在農(nóng)村廢水再生滴灌方面進(jìn)行了很多研究，主要集中在養(yǎng)分對(duì)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響、養(yǎng)分運(yùn)移、養(yǎng)分脅迫等方面，對(duì)廢水中各類污染物在土壤-滲漏系統(tǒng)中的分布運(yùn)移情況還沒(méi)有開(kāi)展過(guò)相關(guān)研究[14-17]。本研究是在前期研究的基礎(chǔ)上，采用土壤過(guò)濾系統(tǒng)處理后的農(nóng)村廢水進(jìn)行滴灌，分析灌溉后土壤-滲漏系統(tǒng)中化學(xué)需氧量CODCr、生化需氧量BOD5、全氮TN、氨氮NH3—N和全磷TP的時(shí)空變化規(guī)律，為制定高效綠色的再生水灌溉制度、防治農(nóng)業(yè)面源污染以及預(yù)防人體健康風(fēng)險(xiǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)地概況

研究區(qū)位于湖北省十堰市茅箭區(qū)南部山區(qū)，全年太陽(yáng)輻射量為106.6 kcal/cm2，年平均日照時(shí)數(shù)1 655～1 958 h；年平均降雨量為800 mm以上，主要集中在6-8月。研究區(qū)的最低氣溫為-13.2 ℃，最高氣溫為41 ℃，常年平均氣溫為15.3 ℃。本研究試驗(yàn)在大棚中開(kāi)展，采用自然溫度。試驗(yàn)地土壤類型主要為沙壤土，土壤容重為1.52～1.73 g/cm3，地下潛水水位埋深為1.5～2 m。

2.2 試驗(yàn)布置

文獻(xiàn)[14-17]中有類似實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)在2015-2016年進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)作物耕作方式為壟作方式，壟肩寬80 cm，兩壟中心間距180 cm，壟高15 cm。每壟種植兩行作物，在兩行作物中間埋設(shè)一條滴頭間距20 cm、滴頭流量2.7 L/h的滴灌帶。在作物種植前，試驗(yàn)區(qū)每畝施復(fù)合肥10 kg。該試驗(yàn)采用農(nóng)村廢水再生處理后的再生水為原水，原水水質(zhì)和分析方法見(jiàn)表1。根據(jù)不同作物滴灌灌溉制度制定灌溉計(jì)劃[18-19]，在試驗(yàn)區(qū)滴頭正下方20 cm深度處埋設(shè)一組負(fù)壓計(jì)，當(dāng)負(fù)壓計(jì)指示的土壤基質(zhì)勢(shì)低于-25 kPa時(shí)進(jìn)行灌溉，每次灌水量為5 mm。灌水后第3、6、9、12、15d用土鉆對(duì)土壤進(jìn)行采樣，分別在3個(gè)滴灌點(diǎn)下土壤垂直方向0、50、100、150 cm處取樣，在試驗(yàn)場(chǎng)邊緣選擇3個(gè)點(diǎn)水平方向0、50、100、150 cm取10 cm深度處土壤樣。同時(shí)，采用深層滲漏采集裝置在每個(gè)滴灌點(diǎn)1.5 m深度處進(jìn)行滲漏水的采集。為了便于比較，土壤濃度采用同樣體積淋洗液濃度表示。

表1 原水水質(zhì)及分析方法

3 結(jié)果與分析

3.1 不同季節(jié)污染物在土壤中的截留情況

土壤1.5 m深度處深層滲漏水中污染物的濃度隨季節(jié)發(fā)生變化，具體濃度數(shù)值見(jiàn)表2。由表2可知，1.5 m深度處深層滲漏水中CODCr、BOD5、TN、NH3—N和TP的濃度隨季節(jié)的變化趨勢(shì)較為一致，不同季節(jié)土壤深層滲漏水中污染物濃度由高到低依次為：夏季>秋季>春季>冬季。采用農(nóng)村廢水進(jìn)行滴灌，CODCr在夏季和秋季的平均土壤截留率均為88%左右，截留率最高；冬季為77%左右，截留率最低；CODCr的土壤截留效果在季節(jié)間變化較小。BOD5在夏季的平均土壤截留率在88%以上，冬季為85%左右，季節(jié)間土壤截留效果差異較小。TN在夏季的平均土壤截留率為75%左右，但冬季的截留率低于70%，季節(jié)間土壤截留效果差異較大，整體的土壤截留率低于CODCr和BOD5。NH3—N、TP在土壤-滲漏系統(tǒng)中的截留率在季節(jié)間也有一定變化差異，NH3—N、TP在夏季的平均土壤截留率分別為63%和78%左右，截留率最高；NH3—N、TP在春季和秋季的土壤截留率分別在50%和60%以上；冬季的土壤截留率最低，NH3—N在冬季的土壤截留率為45%左右。

表2不同季節(jié)深層滲漏水中各污染物的平均濃度 mg/L

季節(jié)CODCrBOD5TNNH3—NTP2015年夏季4.765.334.123.210.512015年秋季3.475.023.812.330.432015年冬季2.514.412.101.710.292016年春季3.984.993.122.570.42

3.2 污染物在土壤垂直方向的沿程變化規(guī)律

3.2.1 CODCr和BOD5在土壤垂直方向的沿程變化規(guī)律 試驗(yàn)期間，各污染物在土壤垂向上的濃度分布在不同月份間的變化趨勢(shì)基本一致，本文以7月份的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果為例進(jìn)行分析。表3和表4分別為CODCr和BOD5在土壤垂向上各深度處的濃度分布。從表3中可以看出，再生水中CODCr濃度有一定的波動(dòng)，但波動(dòng)幅度較??；已知在夏季CODCr的平均土壤截留率為88%左右，土壤1.5m深度處滲漏水中CODCr濃度穩(wěn)定在4.9 mg/L以下，滿足污水綜合一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 20426-2006)。CODCr在土壤-滲漏系統(tǒng)前端(0～50 cm)的截留效果較明顯，大約55%的CODCr被有效截留在土壤-滲漏系統(tǒng)的前1/3段。這是因?yàn)樵诘喂鄺l件下，水分在土壤中的分布主要集中在土壤表層和根系層中，再加上土壤和作物根系對(duì)CODCr的吸附性能較強(qiáng)，使得多數(shù)的CODCr被截留至上表層土壤中。同樣，由表4可知，再生水中BOD5濃度有一定的波動(dòng)，波動(dòng)幅度較??；由于在夏季BOD5的平均土壤截留率在88%以上，土壤1.5 m深度處滲漏水中BOD5濃度穩(wěn)定在5.8 mg/L以下，滿足污水綜合一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。BOD5在土壤-滲漏系統(tǒng)0～100 cm深度內(nèi)的截留效果較明顯，大約45%的BOD5被截留在土壤-滲漏系統(tǒng)的前1/3段，75%左右的BOD5被截留在土壤-滲漏系統(tǒng)的前2/3段。

3.2.2 TN在土壤垂直方向的沿程變化規(guī)律 土壤中TN與CODCr及BOD5的垂直沿程變化規(guī)律相似，具體濃度數(shù)值見(jiàn)表5。再生水中TN在土壤-滲漏系統(tǒng)的前1/3段截留效果比較顯著，截留率高達(dá)50%。在灌溉水入滲前期，水分入滲速度快，隨著入滲深度的增加，入滲速度迅速減小，TN在土壤中的運(yùn)移速度也隨深度增加迅速減小。TN在土壤中的分布隨著深度增加呈現(xiàn)遞減的情況，遞減速率隨著深度增加逐漸減小。土壤1.5 m深度處滲漏水中的TN濃度穩(wěn)定在4.6 mg/L以下，水質(zhì)達(dá)到污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)。

表3土壤垂直方向不同取樣點(diǎn)CODCr的濃度 mg/L

土壤深度/cm取樣日期/(月-日)07-0607-0907-1207-1507-18026.525.926.125.423.95012.311.313.112.010.81005.25.46.15.76.11504.94.824.64.63.8

表4土壤垂直方向不同取樣點(diǎn)BOD5的濃度mg/L

土壤深度/cm取樣日期/(月-日)07-0607-0907-1207-1507-18027.828.124.325.827.25016.318.414.313.712.910010.59.911.410.17.31505.85.75.74.34.8

表5土壤垂直方向不同取樣點(diǎn)全氮(TN)的濃度 mg/L

土壤深度/cm取樣日期/(月-日)07-0607-0907-1207-1507-18018.217.316.616.716.2508.68.99.110.38.91006.36.45.86.46.21504.34.64.24.44.1

3.2.3 NH3—N和TP在土壤垂直方向的沿程變化規(guī)律 土壤中NH3—N和全磷(TP)濃度沿垂直方向的變化情況見(jiàn)表6和7。土壤1.5 m深度處滲漏水中NH3—N濃度低于3.5 mg/L，滿足污水綜合一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。NH3—N在土壤中的含量沿垂直方向從上到下依次遞減，大約35%的NH3—N被截留在土壤-滲漏系統(tǒng)的前1/3段；在50～150 cm土壤深度范圍內(nèi)，NH3—N的濃度降低幅度較小。再生水中TP濃度的波動(dòng)幅度較大，但在夏季土壤截留效果較為顯著，土壤中TP濃度沿垂直方向從上到下逐漸降低，在土壤-滲漏系統(tǒng)中TP濃度降低的幅度較為均勻，各土層穩(wěn)定在25%左右。這可能是因?yàn)橥寥缹?duì)TP的吸附能力有限，各深度土層對(duì)TP的吸附速率相近，當(dāng)TP濃度較大時(shí)，上層土壤和下層土壤對(duì)TP的吸附量相差不大。土壤1.5 m深度處滲漏水中TP濃度低于0.6 mg/L，滿足污水綜合二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

表6土壤垂直方向不同取樣點(diǎn)NH3—N的濃度 mg/L

土壤深度/cm取樣日期/(月-日)07-0607-0907-1207-1507-18016.211.99.38.89.3508.98.57.27.36.71004.85.14.74.73.81503.33.53.12.42.2

表7土壤垂直方向不同取樣點(diǎn)全磷(TP)的濃度 mg/L

土壤深度/cm取樣日期/(月-日)07-0607-0907-1207-1507-1801.83.22.32.73.0501.11.41.71.61.91000.80.90.60.81.01500.60.40.50.30.3

從以上對(duì)各污染物在土壤垂直方向上的變化分析可知，雖然再生水中各類污染物濃度不相同，但其垂直變化規(guī)律相似，各污染物的含量沿垂直方向從上到下逐漸減小；除了TP之外，其他污染物在土壤-滲漏系統(tǒng)前端(0～50 cm)的截留效果最好，中端(50～100 cm)的截留效果次之，后端(100～150 cm)的截留效果最差。這可能是因?yàn)橄鄬?duì)于其他污染物土壤對(duì)TP的吸附能力較弱，當(dāng)TP濃度較高時(shí)，各土層對(duì)TP的吸附量相近。在各類污染物中，土壤-滲漏系統(tǒng)對(duì)CODCr和BOD5的截留率最高，其次是TN和TP，NH3—N的截留率最低。土壤-滲漏系統(tǒng)對(duì)污染物截留率的高低主要取決于土壤對(duì)污染物的吸附能力，吸附能力越強(qiáng)，截留率越高。

3.3 污染物在灌溉區(qū)邊緣水平方向的沿程變化規(guī)律

滴灌區(qū)邊緣水平方向不同距離各污染物濃度見(jiàn)表8。從表8看出，滴灌試驗(yàn)區(qū)外邊緣水平方向0～150 cm、深度10 cm處的土壤中各污染物濃度隨水平距離增加而減小。在滴灌條件下，土壤水分在水平方向上水力梯度較小，且水平距離越大，水力梯度越??；土壤水分在水平方向上的擴(kuò)散距離較短。而污染物主要隨著水分在土壤中進(jìn)行遷移，在0～50 cm水平距離內(nèi)，污染物遷移速度較快，污染物濃度較高；在50～100 cm內(nèi)，污染物遷移速度慢，污染物濃度較低；在150 cm處，運(yùn)移至此的灌溉水分極少，大部分的污染物已被截留在0～100 cm內(nèi)，污染物濃度極低。

表8滴灌區(qū)邊緣水平方向不同距離各污染物濃度 mg/L

水平距離/cmCODCrBOD5TNNH3—NTP026.227.318.912.13.35010.912.89.26.21.61005.25.14.12.10.41502.71.31.40.90.2

注：各水平距離測(cè)點(diǎn)均在土壤深度10 cm處。

4 結(jié) 論

(1)不同季節(jié)土壤1.5 m深度處深層滲漏水中污染物濃度由高到低依次為：夏季>秋季>春季>冬季。

(2)在1.5 m深度處深層滲漏水中，CODCr、BOD5、TN、NH3—N和TP的最高截留率分別達(dá)到76.3%～88.1%、84.2%～89.2%、69.3%～76.8%、57.3%～63.1%和69.8%～78.6%；污染物濃度隨深度降低；在滴灌區(qū)域外邊緣，沿著水流的水平方向，各污染物衰減率逐漸增大。

(3)采用農(nóng)村廢水再生滴灌，深層滲漏水中養(yǎng)分物質(zhì)TN、TP的濃度較低，調(diào)節(jié)再生廢水濃度，可以控制污染物流入深層地下水，從而防止面源污染。