ISSAPGPR技術在農業面源污染水體修復中的應用研究

左繼超 莫明浩 聶小飛 王嘉 涂安國

關鍵詞：農業面源污染；水土流失；水體修復；ISSA PGPR；末端治理

前言

農業面源污染是分布最為廣泛且重要的污染來源之一，大量肥料施用導致土壤氮、磷污染物等盈余并以侵蝕、滲漏等途徑損失，對水體質量和生態系統造成嚴重威脅。農業面源污染治理難度較大，相應的治理技術效果有限。探究安全、快速、有效的污水治理技術手段來降低農業面源污染對水體環境造成的污染尤為重要。尤其對于長期集中承接大量農業坡面來水的溝渠、水塘等水域面積小、流動性差的水體，源頭消減和過程阻控技術對污染物攔截效果有限，應重點突出微生物原位生態修復等末端治理關鍵生物技術。

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修復技術，通過酶選擇性激活水環境中的土著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、有機質以降低水體中的富營養物質；通過建立高效的生態食物鏈，實現對水生態系統的原位修復和提升。ISSAPGPR技術在消除河湖黑臭、景觀水修復等環境水體修復方面均有良好的效果，但對于情況更為復雜的農業面源污染水體，尚未有探索應用研究。

紅壤坡地是中國重要的土地資源，但不合理的開發利用往往會帶來較為嚴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象，布設ISSA PGPR修復系統，并開展污染河道原位凈化試驗，定位監測ISSA PGPR技術對面源污染水體主要污染物的凈化效果，探究IS-SA PGPR技術在農業面源污染水體修復的適用性，為農業面源污染水體的末端治理提供技術支持和數據支撐。

1材料與方法

1.1試驗區概況

研究在江西省九江市德安縣的燕溝小流域進行。該區域屬亞熱帶季風區，多年平均降雨量為1469mm。小流域位于中國紅壤的中心區域，土壤侵蝕類型以水力侵蝕為主。土壤類型為第四紀紅壤，土壤pH值5.0，有機質1.55%，總氮0.08%，總磷0.07%。試驗水體選擇在小流域范圍內的江西水土保持生態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，水體流動性差，2020年8-10月，坡面徑流排水進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，水體存在一定富營養化風險；由于水質較差，藻類大量繁殖，導致水體缺氧，沉水植物出現大面積死亡現象。

1.2試驗布設

試驗河段全長約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ISSA PGPR技術裝備，定點在不同時間段進行采樣和水質監測，為期1年。ISSA PGPR技術裝備中初次添加生物修復劑量為20kg，隨著修復進行，水質情況改善后（3個月后），每次添加生物修復劑量逐次減少，為每次1～5kg，每月1次。根據湖體的特點和設備布設位置，在設備循環出水口位置不同距離設置6個采樣點位，如圖1所示，采樣點位1設置在設備出水口處、點位2位于點位1的下游，距離設備出水口10米、點位3位于點位1的下游，距離設備出水口20米、點位4位于點位1的上游，距離設備出水口10米、點位5位于點位1的上游，距離設備出水口20米、點位6為湖體上游集水區入水口，距離設備出水口100米。分別于設備安裝運行前和運行過程中進行采樣，共采集8次。

1.3樣品采集與分析

ISSA PGPR設備布設后，在其完工運行過程中的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，分別在設備修復后的出水口上游和下游選取不同監測點位進行水質監測，水質檢測指標為總氮（TN）、總磷（TP）、化學需氧量（COD.r）、五日生化需氧量（BODs）。上下游的監測點位距離設備出水口20 m等距各選取2個，并在湖體上游集水區入水口選取一個監測點位，同時，在設備安裝前的2020年8月25日和2020年10月10日多點采集了水樣作為水體修復前的對照。

在距表層水深0.3m處采集水樣，立即帶回實驗室分析測試。pH、化學需氧量（COD.r）測定按照GB3838-2002地表水環境質量標準方法，總磷測定按照GB 11893-89鉬酸銨分光光度法，總氮測定按照GB11894-1989堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，化學需氧量測定按照GB 11914-89重鉻酸鉀法，五日生化需氧量采用稀釋與接種法測定（GB 7488-87）。

1.4數據處理與分析

試驗數據取3個重復樣品的平均值，數據分析與作圖采用Microsoft Excel 2010和Origin2019處理。

2結果與討論

2.1水質指標變化情況

2.1.1pH變化

pH值是重要的化學和生態因子，天然水體pH值范圍在6.5～8.5之間。ISSA PGPR技術布設前、后各采樣點位pH值變化情況如圖2所示，各監測點水體pH變化幅度在5.60～6.60。其中，在ISSAPGPR技術修復前，2次監測的水體pH平均值為6. 40，而在設備運行后，水體pH值則逐漸降低。從整個動態監測結果來看，pH值呈現下降趨勢，這可能是由于隨著水體生態修復技術的應用，水體富營養化程度降低，藻類生長繁殖受到抑制，藻類光合作用消耗的C02減少，同時有機物分解生成C02，導致pH有所降低。

2.1.2水體總氮、總磷變化情況

如圖3所示，水體總氮的波動范圍是0.21～15.33mg/L。在ISSA PGPR技術修復前，2次監測的水體總氮平均值為3.40mg/L，設備運行后，水體總氮濃度逐漸降低，且穩定在相對較低水平（0.39～1.03mg/L）。其中采樣點6中總氮濃度由修復前的11.97mg/L顯著降低到修復穩定后的1.33mg/L。采樣點位1（設備出水口處）、2、3總氮濃度平均值分別為0.27、0.29、0.39mg/L，小于采樣點位4、5的0. 41、0.53mg/L，說明距離設備出水口越近，總氮修復效果越好，下游修復效果好于上游。

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

2.1.3化學需氧量（COD.r）和五日生化需氧量（BODs）變化情況

化學需氧量（COD.r）和五日生化需氧量（BODs）是檢測水體受有機物污染程度的重要指標。如圖4所示，各采樣點位CODrr濃度均隨修復時間延長而逐漸減小，其中采樣點位6中COD濃度在未修復前最高，平均為35.00mg/L，經過ISSA PGPR技術修復后，濃度逐漸下降至15.66mg/L，降低了55.3%。其他采樣點位修復前COD.r平均濃度范圍為24.01～25.57mg/L，經過ISSA PGPR技術修復后，各采樣點位COD.r濃度逐漸下降，修復后期濃度降低至5.31～13.20mg/L。

與COD濃度變化趨勢一致，水體中BODs同樣隨修復時間延長而逐漸減小，濃度的波動范圍為2.23～18.67mg/L。水體BODs濃度平均值由修復前的12.19mg/L逐漸降低至修復后的4.38mg/L。且BODs/COD.r比值由修復前的0.49逐漸下降至修復后的0.41，說明修復過程中水體中可被微生物降解的有機物逐漸下降，原位激活的水體微生物發揮作用，已降解了大部分可降解的有機物。

2.2污染物去除效果

以集水區入水口采樣點位6為對照，計算ISSAPGPR技術運行過程中不同時期對各個采樣點位污染物的消減率。如表1所示，運行初期對采樣點位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%；運行穩定期，對各點位的消減率分別為60.20%、54.39%、42.83%、43.66%和34.51%。ISSA PGPR對各點位總磷、CODcr、BODs等污染物濃度消減率的規律與總氮規律基本一致，運行初期對各個點位總磷、COD、BODs的平均去除率分別為93.22%、44.92%、41.57%；而運行穩定期則有所降低。

距離ISSA PGPR設備出水口越近，對總氮、總磷、COD。和BODs的修復效果越好，且位于設備出水口下游的修復效果好于上游，這是因為水體中PGPR經過水流從外部水體環境進入到生態修復系統內部進行激活后，更容易隨水體流動方向向下游輸入；對于設備出水口上游方向，修復效果略小于下游，本技術對上游50～100m范圍的水體仍有一定修復效果。ISSA PGPR技術更適用于對較為寬闊、且有一定流速的污染水體進行修復，而針對狹長水體的修復，根據修復有效控制范圍需要多個設備多級修復。

2.3綜合污染指數評價

如表2所示綜合污染指數法評價結果可以看出，ISSA PGPR技術修復前，水體水質處于中、輕度污染狀況，經過修復后，水質逐漸轉好，達到較好的水平。通過單因子指數和綜合污染指數法對修復前后的水質情況進行評價，均表明經ISSA PGPR技術修復后，水體污染程度明顯降低，水質等級得到提升。

3結論

經過ISSA PGPR原位生態修復技術修復后，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90.84%、93.22%、44.92%、41.57%；該技術對水體上游50～100m范圍的水體仍有一定修復效果，對下游的有效修復控制范圍更加廣泛。對于水土流失引起的面源污染嚴重地區，尤其是南方紅壤坡地集中種植區域，長期集中承接大量農業坡面來水的溝渠、水塘等水域面積小、流動性差的水體，可引入ISSA PGPR原位生態修復技術實施有效修復，以提升水體自凈能力，提高生物多樣性，建立穩定而完整的生態系統。該技術是一種安全、快速、有效、健康的污水治理技術，可用于農業面源污染水體修復，值得推廣應用。