多元生態(tài)技術(shù)下的鄉(xiāng)村澇池水質(zhì)保障研究

唐志立,王云中,胡 濱,付飛熊

(1.陜西省水工程勘察規(guī)劃研究院,陜西 西安 710003;2.西安建筑科技大學(xué),陜西 西安 710055)

0 引言

澇池是我國北方地區(qū)為存蓄雨水而修建的一種小型的水土保持工程,其特征與南方“塘”相似,距今已有其余年歷史。在早期,村民常將澇池底泥作為農(nóng)家肥使用,澇池使用率高,澇池水質(zhì)較好。隨著我國經(jīng)濟(jì)和城市化進(jìn)展的飛速發(fā)展,農(nóng)村人口銳減,澇池也逐漸被廢棄。一般澇池水位較淺,是一個封閉的系統(tǒng),具有水環(huán)境容量小、自凈能力差等特點,澇池水體很容易受到污染,再加上缺乏管理,致使?jié)吵厮|(zhì)不斷惡化。據(jù)相關(guān)研究表明,關(guān)中地區(qū)實施整治的1 500多座澇池中,由于種種原因,已有 78.2%的澇池出現(xiàn)不同程度的水體黑臭現(xiàn)象[1]。

1 澇池水體修復(fù)研究現(xiàn)狀

目前,許多澇池被廢棄,大量的澇池被垃圾雜物填埋,水體黑臭、蚊蠅滋生,耿乃立[2]在研究中表明澇池的蓄水、防洪、排澇等功能在逐步消失,澇池數(shù)量銳減。當(dāng)雨季來臨時,雨水得不到收集利用,污水在地面肆意橫流,嚴(yán)重危害了地下水以及農(nóng)田的安全,加重了農(nóng)村的面源污染,十分影響著村民的身心健康。楊雲(yún)舒[3]等在陜西省長武塬區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn),該地區(qū)澇池消失嚴(yán)重,消失澇池數(shù)量占澇池總量的75%。蘇媛等[4]在陜西省楊凌示范區(qū)選取了8個具有典型代表性的澇池并進(jìn)行水質(zhì)分析發(fā)現(xiàn),所有澇池水質(zhì)均超過地表V類水標(biāo)準(zhǔn),大部分水體污染嚴(yán)重,水體污染物以N類污染最為嚴(yán)重。肖程洲[5]在對關(guān)中地區(qū)的18個澇池的水質(zhì)分析中表明,大部分澇池水體TN、TP、COD含量超標(biāo)十分嚴(yán)重,其中NO3-N濃度超V類水標(biāo)準(zhǔn)約4倍,TP超15倍,COD超4倍,其污染來源主要是生活污水排放及垃圾堆放。

近年來,有不少學(xué)者針對澇池做了研究,但大多數(shù)都聚焦于澇池的建造設(shè)計、歷史演變特征及其流域典型灌木植被生態(tài)參數(shù)的研究[3],針對澇池水質(zhì)保持及凈化等方面的研究依然較少。相較于湖泊、水庫等大型水體的修復(fù)治理,澇池的水體的修復(fù)治理關(guān)注度低,缺乏廣泛全面的調(diào)查研究以及較為成熟的治理體系以及技術(shù)措施。目前,國內(nèi)外針對封閉水體采用的修復(fù)技術(shù)主要有三類[8]:(1)化學(xué)方法,如加入化學(xué)藥劑殺藻、加入鐵鹽促進(jìn)磷的沉淀、加入石灰脫氮等;(2)物理方法,如疏挖底泥、機(jī)械除藻、引水沖淤等;(3)生物—生態(tài)方法,主要指投加微生物制劑抑藻、放養(yǎng)控藻型生物、構(gòu)建水生植被及物理生態(tài)工程。而澇池因其地理位置分散,再加上各地村民生活習(xí)慣差異,致使其污染源以及受污染程度均存在較大的差異,截止目前依然缺乏一套系統(tǒng)的理論以及成熟的治理技術(shù)。因此,開展?jié)吵厮|(zhì)凈化研究刻不容緩。

2 技術(shù)與方法

2.1 研究區(qū)概況

本研究選址位于陜西省劉家塬村,該澇池容積1 840 m3,深度3 m,水深1.5 m,屬于綜合性澇池[9]。該澇池水質(zhì)惡劣,水體黑臭,大量藻類滋生,進(jìn)水口被大量垃圾填埋,從源頭上就已經(jīng)造成了污染。許多村民將生活污水排放至澇池中,澇池表面形成了油膜,隔絕了水體與空氣,導(dǎo)致水體嚴(yán)重缺氧。據(jù)村民介紹,澇池已被荒廢多年,因為無人看管,導(dǎo)致周遭環(huán)境惡化。

2.2 構(gòu)建多元生態(tài)技術(shù)

根據(jù)劉家塬村澇池現(xiàn)狀,通過利用人工濕地技術(shù)、噴淋加氧技術(shù)或生態(tài)噴泉技術(shù)、水體構(gòu)筑物過流加氧技術(shù)、水體大循環(huán)技術(shù)等多元生態(tài)技術(shù)對該澇池進(jìn)行生態(tài)改造。在澇池旁2 m處修建小型潛流型人工濕地,通過將澇池水引入潛流型人工濕地,水在經(jīng)過濕地過程中,其中大量的有機(jī)物以及N、P等物質(zhì)能被人工濕地所處理,處理后的水在經(jīng)過水體構(gòu)筑物形成跌水回到澇池從而增加其溶解氧量。水體大循環(huán)顧名思義就是指通過增設(shè)循環(huán)水泵等方法來增加水體的循環(huán)量,或者使本來不流動的死水流動起來,增加大水體擾動量,從而使水體底部缺氧水與上部富氧水相混合來達(dá)到增加水體底部溶解氧含量。也就是在澇池周邊底部設(shè)多出取水頭,然后通過人工生態(tài)噴泉從中心噴出,從而達(dá)到水體循環(huán)和噴淋加氧的雙重作用。

2.3 研究方法

本研究過程中,以改造完成后的劉家塬村澇池為實驗組,增加距劉家塬村1 km的宋家村澇池作為對照組。本研究選取化學(xué)需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、總氮(TN)、總磷(TP)、葉綠素、溶解氧(DO)六個指標(biāo)對澇池水質(zhì)進(jìn)行評價,各個指標(biāo)測量方法參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB3838-2002中介紹的方法執(zhí)行[10]。通過將實驗組與對照組測定的結(jié)果進(jìn)行對比來評價多元生態(tài)技術(shù)在凈化澇池水質(zhì)方面的效果。

3 結(jié)果與分析

3.1 COD

實驗組與對照組COD含量變化如表1所示。從表1不難看出,對照組COD濃度要遠(yuǎn)高于實驗組COD濃度,在2022年6月29日,兩組差值高達(dá)189 mg/L。經(jīng)過多元生態(tài)技術(shù)改造后的實驗組在多數(shù)時間里,其COD濃度低于40 mg/L,達(dá)到了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),在半數(shù)時間里,其COD濃度低于20 mg/L,達(dá)到了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。反觀未采取措施的對照組,最高時COD濃度高度230 mg/L,在多數(shù)時間里,其COD濃度均遠(yuǎn)高于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。采樣期實驗組平均濃度為25.93 mg/L,采樣期對照組平均濃度為75.79 mg/L。

表1 COD含量變化 mg/L

3.2 BOD5

實驗組實驗組與對照組BOD5含量變化如表2所示。由表2可以看出,對照組BOD5濃度要遠(yuǎn)高于實驗組,在2022年3月1日,兩組差值高達(dá)57.4 mg/L。經(jīng)過多元生態(tài)技術(shù)改造后的實驗組除在2022年5月16日,其余時間BOD5濃度低于10 mg/L,達(dá)到了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),在2022年7月后,其BOD5濃度低于4 mg/L,達(dá)到了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。反觀未采取措施的對照組,最高時BOD5濃度達(dá)到了66.3 mg/L,在采樣期間,79%的時間里,其BOD5濃度均高于10 mg/L,遠(yuǎn)高于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。采樣期實驗組平均濃度為6.25 mg/L,采樣期對照組平均濃度為23.54 mg/L。

表2 BOD5含量變化 mg/L

3.3 總氮(TN)

實驗組與對照組TN含量變化如表3所示。由表3可以看出,對照組TN濃度要遠(yuǎn)高于實驗組TN濃度,在2022年3月1日,兩組差值高達(dá)9.8 mg/L。經(jīng)過多元生態(tài)技術(shù)改造后的實驗組除在采樣期79%的時間中,其TN濃度低于2 mg/L,達(dá)到了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),且總體趨勢平穩(wěn)。反觀未采取措施的對照組,最高時TN濃度達(dá)到了13.7 mg/L,在采樣期間,其TN濃度均高于2 mg/L,無任何時間段達(dá)到了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。采樣期實驗組平均濃度為1.90 mg/L,采樣期對照組平均濃度為4.11 mg/L。

表3 總氮(TN)含量變化 mg/L

3.4 總磷(TP)

實驗組與對照組TP含量變化如表4所示。由表4可以看出,對照組TP濃度要遠(yuǎn)高于實驗組TP濃度,在2022年6月29日,兩組差值高達(dá)0.77 mg/L。經(jīng)過多元生態(tài)技術(shù)改造后的實驗組除在采樣期86%的時間中,其TP濃度低于0.2 mg/L,達(dá)到了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),且總體趨勢平穩(wěn)。反觀未采取措施的對照組,最高時TP濃度達(dá)到了0.93 mg/L,在采樣期86%的時間中,其TP濃度均高于0.2 mg/L,大部分無法達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。采樣期實驗組平均濃度為0.16 mg/L,采樣期對照組平均濃度為0.37 mg/L。

表4 總磷(TP)含量變化 mg/L

3.5 葉綠素

實驗組與對照組葉綠素含量變化如表5所示。由表5可以看出,對照組葉綠素濃度要遠(yuǎn)高于實驗組葉綠素濃度,在2022年6月16日,兩組差值高達(dá)494 ug/L。葉綠素含量能夠很好的反應(yīng)水體中藻類的含量,從而得出水體富營養(yǎng)化情況,從表5可以看出,對照組水體富營養(yǎng)化情況十分嚴(yán)重,而經(jīng)過多元生態(tài)技術(shù)改造后的實驗組,水體富營養(yǎng)化情況得到了極大的改善。采樣期實驗組平均濃度為50.29 ug/L,采樣期對照組平均濃度為219.21 ug/L。

表5 葉綠素含量變化 ug/L

3.6 溶解氧(DO)

實驗組與對照組DO含量變化如表6所示。由表6可以看出,實驗組與對照組的DO濃度均高于7.5 mg/L,達(dá)到了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的I類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),且總體趨勢平穩(wěn)。實驗組在經(jīng)過多元生態(tài)技術(shù)改造后,使得其含氧量增加,有利于水體自凈。采樣期實驗組平均濃度為12.44 mg/L,采樣期對照組平均濃度為11.38 mg/L。

表6 溶解氧(DO) mg/L

4 結(jié)語

從上述數(shù)據(jù)可以得出,在經(jīng)過多元生態(tài)技術(shù)改造后,實驗組水質(zhì)得到明顯改造,在大部分時間里,其絕大多數(shù)水質(zhì)指標(biāo)可以達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),部分時間段可以達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。與對照組相比,COD平均去除率為34.21%,BOD5平均去除率為26.55%,TN平均去除率為46.23%,TP平均去除率為43.24%,葉綠素平均去除率為22.94%,實驗組DO平均濃度比對照組高了1.06 mg/L。

通過建設(shè)潛流型人工濕地,利用生態(tài)方法去除水體中的有機(jī)物質(zhì)以及N、P等物質(zhì)。相較于其他方法,該方法更加環(huán)保經(jīng)濟(jì),更加簡單并且能夠長期實現(xiàn)水體自凈。通過采用水體構(gòu)筑物流加氧技術(shù)、噴淋加氧技術(shù)以及水體大循環(huán)技術(shù),使原本的死水活了起來,使得水體在不需要補(bǔ)水等措施的前提下實現(xiàn)了流動,增加了水體的溶解氧含量,加強(qiáng)了水體自凈能力,同時這三種技術(shù)的運用為當(dāng)?shù)靥峁┝讼∪钡纳鷳B(tài)景觀功能,在改善水質(zhì)的同時滿足了村民的文化需求,十分具有推廣意義。