鄱陽湖平原區(qū)農(nóng)村水塘水體原位修復(fù)技術(shù)應(yīng)用效果分析*

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(yán)重污染[2]。同時，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(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。

國內(nèi)外學(xué)者對河湖污染修復(fù)方法進行了大量研究[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，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(dāng)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(fù)技術(shù)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(fù)模擬試驗，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 試驗場地

試驗在江西省灌溉試驗中心站試驗研究基地開展?；匚挥诮魇≯蛾柡皆瓍^(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(biāo)具體為有機質(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 試驗處理設(shè)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(zhì)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(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(zhì)指標(biāo)pH、DO、濁度等在現(xiàn)場使用YSI多參數(shù)水質(zhì)分析儀、哈希濁度儀進行原位測定，TN、氨氮、TP、COD等指標(biāo)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(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(diào)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担渲饕蚴窃囼為_始時注水?dāng)_動底泥所致；生物聯(lián)合調(diào)控處理濁度去除率始終為正值，這主要是因為池內(nèi)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。總體來說，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(diào)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(diào)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(diào)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?，至?9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，分別達最高值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，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(diào)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(diào)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(diào)控處理呈緩慢上升趨勢，落干曝曬處理和生物聯(lián)合調(diào)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(diào)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(diào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化凈化并行的過程，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)控處理對水質(zhì)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?？傮w來說，生物聯(lián)合調(diào)控處理對水體水質(zhì)指標(biāo)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(zhì)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(nèi)加速了水體中DO的消耗。

2.2 影響營養(yǎng)物質(zhì)去除率變化的因子

為探明不同濕地處理營養(yǎng)物質(zhì)去除率與相關(guān)因子的關(guān)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(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進行相關(guān)性分析。結(jié)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(diào)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(diào)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(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呈顯著負相關(guān)；對照的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呈顯著負相關(guān)、與N/P呈顯著正相關(guān)；對照和覆沙處理的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均呈顯著負相關(guān)；對照、落干曝曬處理的COD去除率均與C/N呈顯著負相關(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

(1) 生物聯(lián)合調(diào)控處理對水質(zhì)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(diào)控處理的TN去除率與DO呈顯著負相關(guān)；對照的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呈顯著負相關(guān)、與N/P呈顯著正相關(guān)；對照、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均呈顯著負相關(guān)；對照、落干曝曬處理的COD去除率均與C/N呈顯著負相關(guān)；其他處理與各因子相關(guān)性不顯著。

(3) 為提高農(nóng)村水塘對水污染凈化效果，可對農(nóng)村水塘進行生物聯(lián)合調(diào)控處理，合理控制C/N；對于底泥淤塞嚴(yán)重、營養(yǎng)鹽含量高的水塘，可進行適當(dāng)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(dāng)曬塘。