鄱陽湖平原區農村水環境治理工程示范及應用

廖 偉,鄧海龍,謝亨旺,劉方平,徐 濤

(江西省灌溉試驗中心站 江西省農業高效節水與面源污染防治重點實驗室,江西 南昌 330201)

當前,我國一些地方水資源短缺、水污染嚴重、水生態退化等問題日益凸顯,特別是廣大農村地區水生態環境逐步惡化。據2014年農業資料統計及農業部關于印發《到2020年化肥使用量零增長行動方案》和《到2020年農藥使用量零增長行動方案》的通知,我國種植業化肥、農藥的依賴性從1980年的25%左右增長到了現在的80%以上,并且化肥、農藥的使用量逐年增長。2013年我國的化肥使用量已經達到了5912萬t,分別是1985、1995、2005年的3.3、1.6、1.2倍。2010年國家環保部、農業部和統計局聯合發布的《第一次全國污染源普查公報》顯示,我國農業污染源總氮、總磷的貢獻率分別高達57.2%和67.4%。蔣鴻昆等研究指出,農業面源污染對巢湖、滇池、太湖的全氮和全磷負荷分別為60%～70%和50%～60%[1]。顏曉元等研究得出2010年面源污染對長江流域、黃河流域及珠江流域總氮負荷的貢獻分別達到了58%、67%和51%[2]。張利平等指出水稻種植業用水量占農業總用水量的65%以上,水稻種植業的氮、磷排放量貢獻率高于其他種植業[3-4]。2015年監測數據表明，鄱陽湖平原區農業面源污染氨氮比重達到63.9%,湖庫型水源中農業面源污染、農村生活污染氨氮比重分別為37.3%和30.5%,農業面源污染已經成為農村地區水環境惡化的主要因子[5-6]。2012年住建部發布的《中國城鎮排水與污水處理狀況公報》顯示,我國60余萬個行政村,對生活污水進行處理的僅占6.7%[7]。大量的農田排水及農村生活污水直接排入溝渠、河道,設備損壞嚴重的農村排水系統對這些污染物的去除效率極其低下,污染物區域性聚集、農村污水的直接排放造成農村水環境的嚴重污染,從而導致農村飲水安全問題。《2015年國家環境狀況公報》指出我國地下水水質為優良級的監測點比例僅為9.1%,較差級的監測點比例為42.5%,極差級的監測點比例為18.8%[8]。

排水生態溝-塘堰濕地系統在設計好斷面形式、溝體坡度和護坡類型的排水溝中種植優化篩選的濕地植被,并在適當的位置加設控水設施,增加生態溝水體水位和停留時間,通過植株根系吸收水體氮磷、土壤微生物降解、土壤吸附等途徑對農田排水污染物進行第一步降解,再充分利用水塘改造的濕地系統對農田排水進行進一步降解,從而達到減少氮、磷等營養元素流入下游水體的目的[9-12]。人工濕地系統是利用耐水植株、土壤微生物和基質填料等協同作用取得污水凈化效果的一種生態治污工藝；生活污水首先在沉積池經過物理沉淀,先后通過植株根系對氮磷的吸收、土壤微生物對有機質的降解，以及基質填料的吸附等作用達到排放標準[13-14]。

目前有關農業面源污染控制、利用人工濕地系統處理農村生活污水、農村門塘綜合利用等單項技術研究已有很多報道,但將多個技術集合應用于一個村莊,形成一個系統的示范區,特別是在鄱陽湖流域平原區,這方面的研究報道較少。我們利用間歇灌溉技術提高田間水肥利用效率,減少排水和施肥量；結合溝渠和蓄水塘構成排水生態溝、塘堰濕地,控制農田面源污染;利用集成水路的人工濕地系統處理農村生活污水。這些技術的綜合利用較好地解決了農村水環境問題,對水生態文明村的建設有著很好的實踐意義。

1 材料與方法

1.1 示范區概況

試驗示范區位于江西省南昌市向塘鎮高田村委禮坊自然村,為鄱陽湖環湖平原地區。本區域屬亞熱帶濕潤性季風氣候,多年平均氣溫為17.5 ℃,1月平均氣溫5.0 ℃,7月平均氣溫29.5 ℃,年極端最高氣溫為40.6 ℃,年極端最低氣溫為-9.3 ℃,多年平均無霜期為279 d；年均日照時數為1972 h,多年平均降雨量為1747 mm,蒸發量為1139 mm。土壤以沖積性黃泥土為主,其基礎理化性質見表1。

表1 試驗示范區土壤的基礎理化性質

農業面源污染生態修復技術示范區于2016年3月進行改造,根據農田水肥高效利用、排水溝生態攔截、塘堰濕地凈化處理、充分利用生態系統對氮磷去除的思路，對原有的農村水塘、排水溝根據設計參數清淤擴容、邊坡整治后,安裝遠程控制水閘、自計水位計,種植優選的濕地植物。改造后塘A的面積為1095 m2，塘B的面積為1329 m2，塘C的面積為3361 m2，溝AB長45 m，溝BC長150 m,其中溝BC末端安裝了水閘，塘C為村莊門塘。改造實景如圖1所示。該區水稻種植面積73.4 hm2,水域面積為6.6 hm2,房屋面積為3.7 hm2。

人工濕地示范區采用了地表雨污水溝和地下污水暗管相結合的管網收集系統,將污水收集到收集井,再通過水泵提升進入人工濕地凈化,避免了農村生活污水及雨水沖刷直接排入農村水系。人工濕地總占地面積200 m2，其中濕地池體占地160 m2,設計日處理能力40 t/d,日均運行處理能力8～15 t/d。該系統于2013年10月建成驗收,經過2014年調試與濕地植被篩選試驗,確定采用美人蕉、旱傘草+西伯利亞鳶尾組合為人工濕地種植植被(圖2)。

1.2 試驗方法與試驗設計

1.2.1 監測點布置與取樣 農業面源污染生態修復技術示范區從南到北分別有塘A、生態溝AB段、塘B、生態溝BC段和塘C,在進出口設置6個斷面(如圖3)。取樣點在每個斷面布置1條水樣垂線,在垂線水面1/3處取樣,每個水樣500 mL。取樣時間為2017年1～12月,每月中旬取樣1次。

如圖4所示，在人工濕地系統收集井、排放口分別設置點1、點2取樣點,其中收集井取樣點在人工濕地系統進水處，排放口取樣點位于人工濕地凈化出水處。將收集井中的水樣混勻后在中心垂線1/3處取樣；排放口在人工濕地排水15～20 min后取樣；取樣體積均為1000 mL。取樣監測時間為2015年4～8月,待人工濕地系統運行穩定后每周取樣1次。

1.2.2 樣品測定 水樣總氮、總磷、CODCr、氨氮、總懸浮物等指標的測定均按照相關國家標準方法,每個樣品測試2次,取平均值。其中總氮測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法,總磷測定采用過硫酸鉀消解鉬酸銨分光光度法,氨氮測定采用納氏試劑法,CODCr測定采用重鉻酸鉀法,總懸浮物測定采用總量法。

2 結果與分析

2.1 農業面源污染生態修復技術示范區效果

2.1.1 示范區氮磷的沿程變化情況 不同月份的分析結果(如圖5)顯示,斷面1的總氮最高濃度為16.8 mg/L,最低濃度為1.01 mg/L,全年平均濃度為5.41 mg/L;總磷最高濃度為2.61 mg/L,最低濃度為0.17 mg/L,全年平均濃度為0.69 mg/L。斷面6的總氮最高濃度為8.13 mg/L,最低濃度為0.86 mg/L,全年平均濃度為2.51 mg/L;總磷最高濃度為1.91 mg/L,最低濃度為0.04 mg/L,全年平均濃度為0.33 mg/L。從采樣時間來看,水質總氮、總磷濃度在1月、2月、12月較高,個別遠高于年平均值,說明冬季塘堰濕地及生態溝污染水平偏高。從采樣斷面順序看,總氮、總磷濃度總體上呈現從上游到下游、沿水流方向逐漸減低的趨勢,說明塘堰濕地及生態溝對農田徑流中氮、磷有較明顯的攔截凈化作用。這主要是由于該示范區農田灌溉用水主要來源于渠道,而每年11月至來年2月為非灌溉時間,示范區生態溝、塘堰濕地水位較低,水源補給量少,造成水質惡化。

圖1 農業面源污染生態修復技術示范區溝塘改造前后對比

圖2 人工濕地系統示范工程

圖3 農業面源污染生態修復技術示范區監測斷面

2.1.2 示范區氮磷去除效果分析 由表2可以看出,塘A、塘B、塘C對總氮的去除率分別為17.53%、16.27%、7.74%,對總磷的去除率分別為24.16%、26.55%、-15.76%。塘C對總氮、總磷的去除率低于塘A、塘B的,特別是總磷濃度反而增加了,這主要是因為塘C為村門塘,承接部分未進入收集管道的生活污水和散養家禽排放的氮磷。生態溝AB、生態溝BC對總氮的去除率分別為5.16%、23.07%,對總磷的去除率分別為18.94%、7.90%。溝AB對總氮的去除率低于溝BC,主要是由于溝AB的長度短于溝BC,而且溝BC末端有水閘控制,使該溝水停留時間變長,對總氮去除效果變好。溝AB對總磷的去除率高于溝BC,主要是由于溝AB流速快,顆粒態磷易在溝BC末端沉積,加上溝BC段靠近村莊,溝兩邊種植了小面積的菜地,經常受到村民給菜地灌水的擾動,使得底泥中磷釋放到水質中,導致總磷去除效果偏低。

圖4 人工濕地系統示范區剖面設計圖表2 塘堰濕地、排水生態溝對總氮總磷的去除效果

地點總氮年均進口濃度/(mg/L)年均出口濃度/(mg/L)年均去除率/%總磷年均進口濃度/(mg/L)年均出口濃度/(mg/L)年均去除率/%塘A5.414.4617.530.690.5224.16塘B4.163.4816.270.420.3126.55塘C(門塘)2.722.517.740.290.33-15.76溝AB4.464.235.160.520.4218.94溝BC3.542.7223.070.310.297.90

圖5 示范區監測斷面總氮總磷濃度沿程年平均值、最大值、最小值的變化

2.2 人工濕地示范區實施效果

2.2.1 不同進水量人工濕地系統的運行效果 為了保證大量雨水進入收集池從而能及時對它們進行處理,通過調節提升池水泵來控制農村生活污水的進水量,研究了水力負荷分別為15、20、25 t/d時人工濕地系統的運行凈化效果。由表3可知：人工濕地系統對農村生活污水CODCr的去除率在75%以上,農村生活污水經處理后出水CODCr濃度范圍在18.0～29.7 mg/L;人工濕地系統對農村生活污水TN的去除率在65%以上,農村生活污水經處理后TN濃度范圍在3.6～4.4 mg/L;人工濕地系統對農村生活污水TP的去除率在75%以上,農村生活污水經處理后TP濃度范圍在0.21～0.49 mg/L。該示范工程的應用效果表明該人工濕地系統具有不同水力負荷處理的能力。

2.2.2 不同污染程度進水人工濕地系統的運行效果 為了模擬大量雨水進入收集池造成污染物濃度下降的情況,在進水量為12 t/d的條件下,將收集的農村生活污水與池塘水分別按照配比1∶ 0(高濃度農村生活污水)、1∶ 1(低濃度農村生活污水)混合，然后排放進入人工濕地系統,研究了人工濕地系統對不同濃度農村生活污水的去除凈化效果。結果如圖6所示，人工濕地系統對農村生活污水CODCr的去除率由高濃度配比的81.4%降低到低濃度配比的71.5%;對TN的去除率由高濃度配比的68.0%降低到低濃度配比的51.1%;對TP的去除率由高濃度配比的86.7%降低到低濃度配比的78.2%；其出水水質均符合相關標準，表明該人工濕地系統具有對不同濃度農村生活污水進行處理的能力。

表3 人工濕地系統對不同處理量農村生活污水主要指標的去除率

圖6 人工濕地系統對不同濃度農村生活污水主要指標的去除率

3 結論

本研究結果表明：改造后排水生態溝對水質總氮、總磷的年平均去除率分別在5.16%～23.07%、7.90%～18.94%；塘堰濕地系統對水質總氮、總磷的平均去除率分別在16.27%～17.55%、20.16%～26.55%；生態溝對水質的凈化效果低于塘堰濕地的凈化效果;人工濕地系統對農村生活污水CODCr的平均去除率在71.50%～82.35%，對總氮的平均去除率在51.11%～69.11%，對總磷的平均去除率在76.51%～90.18%,且出水水質均符合相關標準。