多元生態技術下的鄉村澇池水質保障研究

唐志立,王云中,胡 濱,付飛熊

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

0 引言

澇池是我國北方地區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家肥使用,澇池使用率高,澇池水質較好。隨著我國經濟和城市化進展的飛速發展,農村人口銳減,澇池也逐漸被廢棄。一般澇池水位較淺,是一個封閉的系統,具有水環境容量小、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,致使澇池水質不斷惡化。據相關研究表明,關中地區實施整治的1 500多座澇池中,由于種種原因,已有 78.2%的澇池出現不同程度的水體黑臭現象[1]。

1 澇池水體修復研究現狀

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,澇池數量銳減。當雨季來臨時,雨水得不到收集利用,污水在地面肆意橫流,嚴重危害了地下水以及農田的安全,加重了農村的面源污染,十分影響著村民的身心健康。楊雲舒[3]等在陜西省長武塬區調查發現,該地區澇池消失嚴重,消失澇池數量占澇池總量的75%。蘇媛等[4]在陜西省楊凌示范區選取了8個具有典型代表性的澇池并進行水質分析發現,所有澇池水質均超過地表V類水標準,大部分水體污染嚴重,水體污染物以N類污染最為嚴重。肖程洲[5]在對關中地區的18個澇池的水質分析中表明,大部分澇池水體TN、TP、COD含量超標十分嚴重,其中NO3-N濃度超V類水標準約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,有不少學者針對澇池做了研究,但大多數都聚焦于澇池的建造設計、歷史演變特征及其流域典型灌木植被生態參數的研究[3],針對澇池水質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治理,澇池的水體的修復治理關注度低,缺乏廣泛全面的調查研究以及較為成熟的治理體系以及技術措施。目前,國內外針對封閉水體采用的修復技術主要有三類[8]:(1)化學方法,如加入化學藥劑殺藻、加入鐵鹽促進磷的沉淀、加入石灰脫氮等;(2)物理方法,如疏挖底泥、機械除藻、引水沖淤等;(3)生物—生態方法,主要指投加微生物制劑抑藻、放養控藻型生物、構建水生植被及物理生態工程。而澇池因其地理位置分散,再加上各地村民生活習慣差異,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的理論以及成熟的治理技術。因此,開展澇池水質凈化研究刻不容緩。

2 技術與方法

2.1 研究區概況

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]。該澇池水質惡劣,水體黑臭,大量藻類滋生,進水口被大量垃圾填埋,從源頭上就已經造成了污染。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,導致水體嚴重缺氧。據村民介紹,澇池已被荒廢多年,因為無人看管,導致周遭環境惡化。

2.2 構建多元生態技術

根據劉家塬村澇池現狀,通過利用人工濕地技術、噴淋加氧技術或生態噴泉技術、水體構筑物過流加氧技術、水體大循環技術等多元生態技術對該澇池進行生態改造。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,水在經過濕地過程中,其中大量的有機物以及N、P等物質能被人工濕地所處理,處理后的水在經過水體構筑物形成跌水回到澇池從而增加其溶解氧量。水體大循環顧名思義就是指通過增設循環水泵等方法來增加水體的循環量,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到增加水體底部溶解氧含量。也就是在澇池周邊底部設多出取水頭,然后通過人工生態噴泉從中心噴出,從而達到水體循環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)六個指標對澇池水質進行評價,各個指標測量方法參照《地表水環境質量標準》GB3838-2002中介紹的方法執行[10]。通過將實驗組與對照組測定的結果進行對比來評價多元生態技術在凈化澇池水質方面的效果。

3 結果與分析

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濃度要遠高于實驗組COD濃度,在2022年6月29日,兩組差值高達189 mg/L。經過多元生態技術改造后的實驗組在多數時間里,其COD濃度低于40 mg/L,達到了《地表水環境質量標準》中的V類水質標準,在半數時間里,其COD濃度低于20 mg/L,達到了《地表水環境質量標準》中的III類水質標準。反觀未采取措施的對照組,最高時COD濃度高度230 mg/L,在多數時間里,其COD濃度均遠高于《地表水環境質量標準》中的V類水質標準。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濃度要遠高于實驗組,在2022年3月1日,兩組差值高達57.4 mg/L。經過多元生態技術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,達到了《地表水環境質量標準》中的V類水質標準,在2022年7月后,其BOD5濃度低于4 mg/L,達到了《地表水環境質量標準》中的III類水質標準。反觀未采取措施的對照組,最高時BOD5濃度達到了66.3 mg/L,在采樣期間,79%的時間里,其BOD5濃度均高于10 mg/L,遠高于《地表水環境質量標準》中的V類水質標準。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濃度要遠高于實驗組TN濃度,在2022年3月1日,兩組差值高達9.8 mg/L。經過多元生態技術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,達到了《地表水環境質量標準》中的V類水質標準,且總體趨勢平穩。反觀未采取措施的對照組,最高時TN濃度達到了13.7 mg/L,在采樣期間,其TN濃度均高于2 mg/L,無任何時間段達到了《地表水環境質量標準》中的V類水質標準。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濃度要遠高于實驗組TP濃度,在2022年6月29日,兩組差值高達0.77 mg/L。經過多元生態技術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,達到了《地表水環境質量標準》中的V類水質標準,且總體趨勢平穩。反觀未采取措施的對照組,最高時TP濃度達到了0.93 mg/L,在采樣期86%的時間中,其TP濃度均高于0.2 mg/L,大部分無法達到《地表水環境質量標準》中的V類水質標準。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高于實驗組葉綠素濃度,在2022年6月16日,兩組差值高達494 ug/L。葉綠素含量能夠很好的反應水體中藻類的含量,從而得出水體富營養化情況,從表5可以看出,對照組水體富營養化情況十分嚴重,而經過多元生態技術改造后的實驗組,水體富營養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,達到了《地表水環境質量標準》中的I類水質標準,且總體趨勢平穩。實驗組在經過多元生態技術改造后,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 結語

從上述數據可以得出,在經過多元生態技術改造后,實驗組水質得到明顯改造,在大部分時間里,其絕大多數水質指標可以達到《地表水環境質量標準》中的V類水質標準,部分時間段可以達到《地表水環境質量標準》中的III類水質標準。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。

通過建設潛流型人工濕地,利用生態方法去除水體中的有機物質以及N、P等物質。相較于其他方法,該方法更加環保經濟,更加簡單并且能夠長期實現水體自凈。通過采用水體構筑物流加氧技術、噴淋加氧技術以及水體大循環技術,使原本的死水活了起來,使得水體在不需要補水等措施的前提下實現了流動,增加了水體的溶解氧含量,加強了水體自凈能力,同時這三種技術的運用為當地提供了稀缺的生態景觀功能,在改善水質的同時滿足了村民的文化需求,十分具有推廣意義。