ISSAPGPR技術(shù)在農(nóng)業(yè)面源污染水體修復(fù)中的應(yīng)用研究

左繼超 莫明浩 聶小飛 王嘉 涂安國(guó)

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)面源污染；水土流失；水體修復(fù)；ISSA PGPR；末端治理

前言

農(nóng)業(yè)面源污染是分布最為廣泛且重要的污染來源之一，大量肥料施用導(dǎo)致土壤氮、磷污染物等盈余并以侵蝕、滲漏等途徑損失，對(duì)水體質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重威脅。農(nóng)業(yè)面源污染治理難度較大，相應(yīng)的治理技術(shù)效果有限。探究安全、快速、有效的污水治理技術(shù)手段來降低農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)水體環(huán)境造成的污染尤為重要。尤其對(duì)于長(zhǎng)期集中承接大量農(nóng)業(yè)坡面來水的溝渠、水塘等水域面積小、流動(dòng)性差的水體，源頭消減和過程阻控技術(shù)對(duì)污染物攔截效果有限，應(yīng)重點(diǎn)突出微生物原位生態(tài)修復(fù)等末端治理關(guān)鍵生物技術(shù)。

原位選擇性激活植物根際促生菌（ISSA PGPR）是一種水體污染原位生態(tài)修復(fù)技術(shù)，通過酶選擇性激活水環(huán)境中的土著PGPR微生物，并使之快速繁殖，通過PGPR微生物的代謝去除水體氮、磷、有機(jī)質(zhì)以降低水體中的富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；通過建立高效的生態(tài)食物鏈，實(shí)現(xiàn)對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的原位修復(fù)和提升。ISSAPGPR技術(shù)在消除河湖黑臭、景觀水修復(fù)等環(huán)境水體修復(fù)方面均有良好的效果，但對(duì)于情況更為復(fù)雜的農(nóng)業(yè)面源污染水體，尚未有探索應(yīng)用研究。

紅壤坡地是中國(guó)重要的土地資源，但不合理的開發(fā)利用往往會(huì)帶來較為嚴(yán)重的水土流失和面源污染。鑒于此，研究以常年種植茶園的坡面集水河道為研究對(duì)象，布設(shè)ISSA PGPR修復(fù)系統(tǒng)，并開展污染河道原位凈化試驗(yàn)，定位監(jiān)測(cè)ISSA PGPR技術(shù)對(duì)面源污染水體主要污染物的凈化效果，探究IS-SA PGPR技術(shù)在農(nóng)業(yè)面源污染水體修復(fù)的適用性，為農(nóng)業(yè)面源污染水體的末端治理提供技術(shù)支持和數(shù)據(jù)支撐。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

研究在江西省九江市德安縣的燕溝小流域進(jìn)行。該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)區(qū)，多年平均降雨量為1469mm。小流域位于中國(guó)紅壤的中心區(qū)域，土壤侵蝕類型以水力侵蝕為主。土壤類型為第四紀(jì)紅壤，土壤pH值5.0，有機(jī)質(zhì)1.55%，總氮0.08%，總磷0.07%。試驗(yàn)水體選擇在小流域范圍內(nèi)的江西水土保持生態(tài)科技示范園油茶園下坡位集水河道，該河道面積約2000m2，平均水深1.5m，主要承接來自于油菜園坡面匯集的徑流，水體流動(dòng)性差，2020年8-10月，坡面徑流排水進(jìn)入河道入水處水體總氮濃度為2.79-4.01mg/L，總磷平均濃度0.04mg/L，化學(xué)需氧量濃度為26.55mg/L，五日生化需氧量（BODs）平均濃度為12.19mg/L，存在明顯氮素污染，屬于劣V類水，水體存在一定富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)；由于水質(zhì)較差，藻類大量繁殖，導(dǎo)致水體缺氧，沉水植物出現(xiàn)大面積死亡現(xiàn)象。

1.2試驗(yàn)布設(shè)

試驗(yàn)河段全長(zhǎng)約200m，水面寬度隨水位變化，約4m～12m。2020年11月份，在河面最寬處布設(shè)ISSA PGPR技術(shù)裝備，定點(diǎn)在不同時(shí)間段進(jìn)行采樣和水質(zhì)監(jiān)測(cè)，為期1年。ISSA PGPR技術(shù)裝備中初次添加生物修復(fù)劑量為20kg，隨著修復(fù)進(jìn)行，水質(zhì)情況改善后（3個(gè)月后），每次添加生物修復(fù)劑量逐次減少，為每次1～5kg，每月1次。根據(jù)湖體的特點(diǎn)和設(shè)備布設(shè)位置，在設(shè)備循環(huán)出水口位置不同距離設(shè)置6個(gè)采樣點(diǎn)位，如圖1所示，采樣點(diǎn)位1設(shè)置在設(shè)備出水口處、點(diǎn)位2位于點(diǎn)位1的下游，距離設(shè)備出水口10米、點(diǎn)位3位于點(diǎn)位1的下游，距離設(shè)備出水口20米、點(diǎn)位4位于點(diǎn)位1的上游，距離設(shè)備出水口10米、點(diǎn)位5位于點(diǎn)位1的上游，距離設(shè)備出水口20米、點(diǎn)位6為湖體上游集水區(qū)入水口，距離設(shè)備出水口100米。分別于設(shè)備安裝運(yùn)行前和運(yùn)行過程中進(jìn)行采樣，共采集8次。

1.3樣品采集與分析

ISSA PGPR設(shè)備布設(shè)后，在其完工運(yùn)行過程中的2020年12月26日、2021年2月19日、3月10日、5月16日、7月22日和8月18日，分別在設(shè)備修復(fù)后的出水口上游和下游選取不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，水質(zhì)檢測(cè)指標(biāo)為總氮（TN）、總磷（TP）、化學(xué)需氧量（COD.r）、五日生化需氧量（BODs）。上下游的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位距離設(shè)備出水口20 m等距各選取2個(gè)，并在湖體上游集水區(qū)入水口選取一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，同時(shí)，在設(shè)備安裝前的2020年8月25日和2020年10月10日多點(diǎn)采集了水樣作為水體修復(fù)前的對(duì)照。

在距表層水深0.3m處采集水樣，立即帶回實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)試。pH、化學(xué)需氧量（COD.r）測(cè)定按照GB3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)方法，總磷測(cè)定按照GB 11893-89鉬酸銨分光光度法，總氮測(cè)定按照GB11894-1989堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，化學(xué)需氧量測(cè)定按照GB 11914-89重鉻酸鉀法，五日生化需氧量采用稀釋與接種法測(cè)定（GB 7488-87）。

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)取3個(gè)重復(fù)樣品的平均值，數(shù)據(jù)分析與作圖采用Microsoft Excel 2010和Origin2019處理。

2結(jié)果與討論

2.1水質(zhì)指標(biāo)變化情況

2.1.1pH變化

pH值是重要的化學(xué)和生態(tài)因子，天然水體pH值范圍在6.5～8.5之間。ISSA PGPR技術(shù)布設(shè)前、后各采樣點(diǎn)位pH值變化情況如圖2所示，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水體pH變化幅度在5.60～6.60。其中，在ISSAPGPR技術(shù)修復(fù)前，2次監(jiān)測(cè)的水體pH平均值為6. 40，而在設(shè)備運(yùn)行后，水體pH值則逐漸降低。從整個(gè)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果來看，pH值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這可能是由于隨著水體生態(tài)修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用，水體富營(yíng)養(yǎng)化程度降低，藻類生長(zhǎng)繁殖受到抑制，藻類光合作用消耗的C02減少，同時(shí)有機(jī)物分解生成C02，導(dǎo)致pH有所降低。

2.1.2水體總氮、總磷變化情況

如圖3所示，水體總氮的波動(dòng)范圍是0.21～15.33mg/L。在ISSA PGPR技術(shù)修復(fù)前，2次監(jiān)測(cè)的水體總氮平均值為3.40mg/L，設(shè)備運(yùn)行后，水體總氮濃度逐漸降低，且穩(wěn)定在相對(duì)較低水平（0.39～1.03mg/L）。其中采樣點(diǎn)6中總氮濃度由修復(fù)前的11.97mg/L顯著降低到修復(fù)穩(wěn)定后的1.33mg/L。采樣點(diǎn)位1（設(shè)備出水口處）、2、3總氮濃度平均值分別為0.27、0.29、0.39mg/L，小于采樣點(diǎn)位4、5的0. 41、0.53mg/L，說明距離設(shè)備出水口越近，總氮修復(fù)效果越好，下游修復(fù)效果好于上游。

水體中總磷濃度由修復(fù)前的0.014～0.168mg/L下降至修復(fù)后的0.006～0.092mg/L（如圖3所示）。6號(hào)采樣點(diǎn)位總磷濃度在修復(fù)前顯著高于其他采樣點(diǎn)位，這是由于6號(hào)采樣點(diǎn)位承接油茶園坡面來水，且處于上游，該點(diǎn)區(qū)域水體交換能力相對(duì)較差，導(dǎo)致該區(qū)域聚集了較多氮磷等污染物，通過ISSA PGPR技術(shù)的修復(fù)，6號(hào)采樣點(diǎn)位總磷濃度逐漸下降，到修復(fù)后期，基本達(dá)到穩(wěn)定低水平。其他點(diǎn)位的總磷水平相對(duì)均較低，修復(fù)前后未有明顯變化。

2.1.3化學(xué)需氧量（COD.r）和五日生化需氧量（BODs）變化情況

化學(xué)需氧量（COD.r）和五日生化需氧量（BODs）是檢測(cè)水體受有機(jī)物污染程度的重要指標(biāo)。如圖4所示，各采樣點(diǎn)位CODrr濃度均隨修復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸減小，其中采樣點(diǎn)位6中COD濃度在未修復(fù)前最高，平均為35.00mg/L，經(jīng)過ISSA PGPR技術(shù)修復(fù)后，濃度逐漸下降至15.66mg/L，降低了55.3%。其他采樣點(diǎn)位修復(fù)前COD.r平均濃度范圍為24.01～25.57mg/L，經(jīng)過ISSA PGPR技術(shù)修復(fù)后，各采樣點(diǎn)位COD.r濃度逐漸下降，修復(fù)后期濃度降低至5.31～13.20mg/L。

與COD濃度變化趨勢(shì)一致，水體中BODs同樣隨修復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸減小，濃度的波動(dòng)范圍為2.23～18.67mg/L。水體BODs濃度平均值由修復(fù)前的12.19mg/L逐漸降低至修復(fù)后的4.38mg/L。且BODs/COD.r比值由修復(fù)前的0.49逐漸下降至修復(fù)后的0.41，說明修復(fù)過程中水體中可被微生物降解的有機(jī)物逐漸下降，原位激活的水體微生物發(fā)揮作用，已降解了大部分可降解的有機(jī)物。

2.2污染物去除效果

以集水區(qū)入水口采樣點(diǎn)位6為對(duì)照，計(jì)算ISSAPGPR技術(shù)運(yùn)行過程中不同時(shí)期對(duì)各個(gè)采樣點(diǎn)位污染物的消減率。如表1所示，運(yùn)行初期對(duì)采樣點(diǎn)位1、2、3、4和5中總氮的消減率分別為94.99%、96.17%、92.41%、88.74%和81.91%；運(yùn)行穩(wěn)定期，對(duì)各點(diǎn)位的消減率分別為60.20%、54.39%、42.83%、43.66%和34.51%。ISSA PGPR對(duì)各點(diǎn)位總磷、CODcr、BODs等污染物濃度消減率的規(guī)律與總氮規(guī)律基本一致，運(yùn)行初期對(duì)各個(gè)點(diǎn)位總磷、COD、BODs的平均去除率分別為93.22%、44.92%、41.57%；而運(yùn)行穩(wěn)定期則有所降低。

距離ISSA PGPR設(shè)備出水口越近，對(duì)總氮、總磷、COD。和BODs的修復(fù)效果越好，且位于設(shè)備出水口下游的修復(fù)效果好于上游，這是因?yàn)樗w中PGPR經(jīng)過水流從外部水體環(huán)境進(jìn)入到生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行激活后，更容易隨水體流動(dòng)方向向下游輸入；對(duì)于設(shè)備出水口上游方向，修復(fù)效果略小于下游，本技術(shù)對(duì)上游50～100m范圍的水體仍有一定修復(fù)效果。ISSA PGPR技術(shù)更適用于對(duì)較為寬闊、且有一定流速的污染水體進(jìn)行修復(fù)，而針對(duì)狹長(zhǎng)水體的修復(fù)，根據(jù)修復(fù)有效控制范圍需要多個(gè)設(shè)備多級(jí)修復(fù)。

2.3綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)

如表2所示綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，ISSA PGPR技術(shù)修復(fù)前，水體水質(zhì)處于中、輕度污染狀況，經(jīng)過修復(fù)后，水質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)好，達(dá)到較好的水平。通過單因子指數(shù)和綜合污染指數(shù)法對(duì)修復(fù)前后的水質(zhì)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，均表明經(jīng)ISSA PGPR技術(shù)修復(fù)后，水體污染程度明顯降低，水質(zhì)等級(jí)得到提升。

3結(jié)論

經(jīng)過ISSA PGPR原位生態(tài)修復(fù)技術(shù)修復(fù)后，污染河道水體總氮、總磷、COD.r和BODs等污染物濃度從河道上游入口至下游均明顯降低，平均消減率分別可達(dá)90.84%、93.22%、44.92%、41.57%；該技術(shù)對(duì)水體上游50～100m范圍的水體仍有一定修復(fù)效果，對(duì)下游的有效修復(fù)控制范圍更加廣泛。對(duì)于水土流失引起的面源污染嚴(yán)重地區(qū)，尤其是南方紅壤坡地集中種植區(qū)域，長(zhǎng)期集中承接大量農(nóng)業(yè)坡面來水的溝渠、水塘等水域面積小、流動(dòng)性差的水體，可引入ISSA PGPR原位生態(tài)修復(fù)技術(shù)實(shí)施有效修復(fù)，以提升水體自凈能力，提高生物多樣性，建立穩(wěn)定而完整的生態(tài)系統(tǒng)。該技術(shù)是一種安全、快速、有效、健康的污水治理技術(shù)，可用于農(nóng)業(yè)面源污染水體修復(fù)，值得推廣應(yīng)用。