鄱阳湖平原区农村水环境治理工程示范及应用

廖 伟,邓海龙,谢亨旺,刘方平,徐 涛

(江西省灌溉试验中心站 江西省农业高效节水与面源污染防治重点实验室,江西 南昌 330201)

当前,我国一些地方水资源短缺、水污染严重、水生态退化等问题日益凸显,特别是广大农村地区水生态环境逐步恶化。据2014年农业资料统计及农业部关于印发《到2020年化肥使用量零增长行动方案》和《到2020年农药使用量零增长行动方案》的通知,我国种植业化肥、农药的依赖性从1980年的25%左右增长到了现在的80%以上,并且化肥、农药的使用量逐年增长。2013年我国的化肥使用量已经达到了5912万t,分别是1985、1995、2005年的3.3、1.6、1.2倍。2010年国家环保部、农业部和统计局联合发布的《第一次全国污染源普查公报》显示,我国农业污染源总氮、总磷的贡献率分别高达57.2%和67.4%。蒋鸿昆等研究指出,农业面源污染对巢湖、滇池、太湖的全氮和全磷负荷分别为60%～70%和50%～60%[1]。颜晓元等研究得出2010年面源污染对长江流域、黄河流域及珠江流域总氮负荷的贡献分别达到了58%、67%和51%[2]。张利平等指出水稻种植业用水量占农业总用水量的65%以上,水稻种植业的氮、磷排放量贡献率高于其他种植业[3-4]。2015年监测数据表明，鄱阳湖平原区农业面源污染氨氮比重达到63.9%,湖库型水源中农业面源污染、农村生活污染氨氮比重分别为37.3%和30.5%,农业面源污染已经成为农村地区水环境恶化的主要因子[5-6]。2012年住建部发布的《中国城镇排水与污水处理状况公报》显示,我国60余万个行政村,对生活污水进行处理的仅占6.7%[7]。大量的农田排水及农村生活污水直接排入沟渠、河道,设备损坏严重的农村排水系统对这些污染物的去除效率极其低下,污染物区域性聚集、农村污水的直接排放造成农村水环境的严重污染,从而导致农村饮水安全问题。《2015年国家环境状况公报》指出我国地下水水质为优良级的监测点比例仅为9.1%,较差级的监测点比例为42.5%,极差级的监测点比例为18.8%[8]。

排水生态沟-塘堰湿地系统在设计好断面形式、沟体坡度和护坡类型的排水沟中种植优化筛选的湿地植被,并在适当的位置加设控水设施,增加生态沟水体水位和停留时间,通过植株根系吸收水体氮磷、土壤微生物降解、土壤吸附等途径对农田排水污染物进行第一步降解,再充分利用水塘改造的湿地系统对农田排水进行进一步降解,从而达到减少氮、磷等营养元素流入下游水体的目的[9-12]。人工湿地系统是利用耐水植株、土壤微生物和基质填料等协同作用取得污水净化效果的一种生态治污工艺；生活污水首先在沉积池经过物理沉淀,先后通过植株根系对氮磷的吸收、土壤微生物对有机质的降解，以及基质填料的吸附等作用达到排放标准[13-14]。

目前有关农业面源污染控制、利用人工湿地系统处理农村生活污水、农村门塘综合利用等单项技术研究已有很多报道,但将多个技术集合应用于一个村庄,形成一个系统的示范区,特别是在鄱阳湖流域平原区,这方面的研究报道较少。我们利用间歇灌溉技术提高田间水肥利用效率,减少排水和施肥量；结合沟渠和蓄水塘构成排水生态沟、塘堰湿地,控制农田面源污染;利用集成水路的人工湿地系统处理农村生活污水。这些技术的综合利用较好地解决了农村水环境问题,对水生态文明村的建设有着很好的实践意义。

1 材料与方法

1.1 示范区概况

试验示范区位于江西省南昌市向塘镇高田村委礼坊自然村,为鄱阳湖环湖平原地区。本区域属亚热带湿润性季风气候,多年平均气温为17.5 ℃,1月平均气温5.0 ℃,7月平均气温29.5 ℃,年极端最高气温为40.6 ℃,年极端最低气温为-9.3 ℃,多年平均无霜期为279 d；年均日照时数为1972 h,多年平均降雨量为1747 mm,蒸发量为1139 mm。土壤以冲积性黄泥土为主,其基础理化性质见表1。

表1 试验示范区土壤的基础理化性质

农业面源污染生态修复技术示范区于2016年3月进行改造,根据农田水肥高效利用、排水沟生态拦截、塘堰湿地净化处理、充分利用生态系统对氮磷去除的思路，对原有的农村水塘、排水沟根据设计参数清淤扩容、边坡整治后,安装远程控制水闸、自计水位计,种植优选的湿地植物。改造后塘A的面积为1095 m2，塘B的面积为1329 m2，塘C的面积为3361 m2，沟AB长45 m，沟BC长150 m,其中沟BC末端安装了水闸，塘C为村庄门塘。改造实景如图1所示。该区水稻种植面积73.4 hm2,水域面积为6.6 hm2,房屋面积为3.7 hm2。

人工湿地示范区采用了地表雨污水沟和地下污水暗管相结合的管网收集系统,将污水收集到收集井,再通过水泵提升进入人工湿地净化,避免了农村生活污水及雨水冲刷直接排入农村水系。人工湿地总占地面积200 m2，其中湿地池体占地160 m2,设计日处理能力40 t/d,日均运行处理能力8～15 t/d。该系统于2013年10月建成验收,经过2014年调试与湿地植被筛选试验,确定采用美人蕉、旱伞草+西伯利亚鸢尾组合为人工湿地种植植被(图2)。

1.2 试验方法与试验设计

1.2.1 监测点布置与取样 农业面源污染生态修复技术示范区从南到北分别有塘A、生态沟AB段、塘B、生态沟BC段和塘C,在进出口设置6个断面(如图3)。取样点在每个断面布置1条水样垂线,在垂线水面1/3处取样,每个水样500 mL。取样时间为2017年1～12月,每月中旬取样1次。

如图4所示，在人工湿地系统收集井、排放口分别设置点1、点2取样点,其中收集井取样点在人工湿地系统进水处，排放口取样点位于人工湿地净化出水处。将收集井中的水样混匀后在中心垂线1/3处取样；排放口在人工湿地排水15～20 min后取样；取样体积均为1000 mL。取样监测时间为2015年4～8月,待人工湿地系统运行稳定后每周取样1次。

1.2.2 样品测定 水样总氮、总磷、CODCr、氨氮、总悬浮物等指标的测定均按照相关国家标准方法,每个样品测试2次,取平均值。其中总氮测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法,总磷测定采用过硫酸钾消解钼酸铵分光光度法,氨氮测定采用纳氏试剂法,CODCr测定采用重铬酸钾法,总悬浮物测定采用总量法。

2 结果与分析

2.1 农业面源污染生态修复技术示范区效果

2.1.1 示范区氮磷的沿程变化情况 不同月份的分析结果(如图5)显示,断面1的总氮最高浓度为16.8 mg/L,最低浓度为1.01 mg/L,全年平均浓度为5.41 mg/L;总磷最高浓度为2.61 mg/L,最低浓度为0.17 mg/L,全年平均浓度为0.69 mg/L。断面6的总氮最高浓度为8.13 mg/L,最低浓度为0.86 mg/L,全年平均浓度为2.51 mg/L;总磷最高浓度为1.91 mg/L,最低浓度为0.04 mg/L,全年平均浓度为0.33 mg/L。从采样时间来看,水质总氮、总磷浓度在1月、2月、12月较高,个别远高于年平均值,说明冬季塘堰湿地及生态沟污染水平偏高。从采样断面顺序看,总氮、总磷浓度总体上呈现从上游到下游、沿水流方向逐渐减低的趋势,说明塘堰湿地及生态沟对农田径流中氮、磷有较明显的拦截净化作用。这主要是由于该示范区农田灌溉用水主要来源于渠道,而每年11月至来年2月为非灌溉时间,示范区生态沟、塘堰湿地水位较低,水源补给量少,造成水质恶化。

图1 农业面源污染生态修复技术示范区沟塘改造前后对比

图2 人工湿地系统示范工程

图3 农业面源污染生态修复技术示范区监测断面

2.1.2 示范区氮磷去除效果分析 由表2可以看出,塘A、塘B、塘C对总氮的去除率分别为17.53%、16.27%、7.74%,对总磷的去除率分别为24.16%、26.55%、-15.76%。塘C对总氮、总磷的去除率低于塘A、塘B的,特别是总磷浓度反而增加了,这主要是因为塘C为村门塘,承接部分未进入收集管道的生活污水和散养家禽排放的氮磷。生态沟AB、生态沟BC对总氮的去除率分别为5.16%、23.07%,对总磷的去除率分别为18.94%、7.90%。沟AB对总氮的去除率低于沟BC,主要是由于沟AB的长度短于沟BC,而且沟BC末端有水闸控制,使该沟水停留时间变长,对总氮去除效果变好。沟AB对总磷的去除率高于沟BC,主要是由于沟AB流速快,颗粒态磷易在沟BC末端沉积,加上沟BC段靠近村庄,沟两边种植了小面积的菜地,经常受到村民给菜地灌水的扰动,使得底泥中磷释放到水质中,导致总磷去除效果偏低。

图4 人工湿地系统示范区剖面设计图表2 塘堰湿地、排水生态沟对总氮总磷的去除效果

地点总氮年均进口浓度/(mg/L)年均出口浓度/(mg/L)年均去除率/%总磷年均进口浓度/(mg/L)年均出口浓度/(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(门塘)2.722.517.740.290.33-15.76沟AB4.464.235.160.520.4218.94沟BC3.542.7223.070.310.297.90

图5 示范区监测断面总氮总磷浓度沿程年平均值、最大值、最小值的变化

2.2 人工湿地示范区实施效果

2.2.1 不同进水量人工湿地系统的运行效果 为了保证大量雨水进入收集池从而能及时对它们进行处理,通过调节提升池水泵来控制农村生活污水的进水量,研究了水力负荷分别为15、20、25 t/d时人工湿地系统的运行净化效果。由表3可知：人工湿地系统对农村生活污水CODCr的去除率在75%以上,农村生活污水经处理后出水CODCr浓度范围在18.0～29.7 mg/L;人工湿地系统对农村生活污水TN的去除率在65%以上,农村生活污水经处理后TN浓度范围在3.6～4.4 mg/L;人工湿地系统对农村生活污水TP的去除率在75%以上,农村生活污水经处理后TP浓度范围在0.21～0.49 mg/L。该示范工程的应用效果表明该人工湿地系统具有不同水力负荷处理的能力。

2.2.2 不同污染程度进水人工湿地系统的运行效果 为了模拟大量雨水进入收集池造成污染物浓度下降的情况,在进水量为12 t/d的条件下,将收集的农村生活污水与池塘水分别按照配比1∶ 0(高浓度农村生活污水)、1∶ 1(低浓度农村生活污水)混合，然后排放进入人工湿地系统,研究了人工湿地系统对不同浓度农村生活污水的去除净化效果。结果如图6所示，人工湿地系统对农村生活污水CODCr的去除率由高浓度配比的81.4%降低到低浓度配比的71.5%;对TN的去除率由高浓度配比的68.0%降低到低浓度配比的51.1%;对TP的去除率由高浓度配比的86.7%降低到低浓度配比的78.2%；其出水水质均符合相关标准，表明该人工湿地系统具有对不同浓度农村生活污水进行处理的能力。

表3 人工湿地系统对不同处理量农村生活污水主要指标的去除率

图6 人工湿地系统对不同浓度农村生活污水主要指标的去除率

3 结论

本研究结果表明：改造后排水生态沟对水质总氮、总磷的年平均去除率分别在5.16%～23.07%、7.90%～18.94%；塘堰湿地系统对水质总氮、总磷的平均去除率分别在16.27%～17.55%、20.16%～26.55%；生态沟对水质的净化效果低于塘堰湿地的净化效果;人工湿地系统对农村生活污水CODCr的平均去除率在71.50%～82.35%，对总氮的平均去除率在51.11%～69.11%，对总磷的平均去除率在76.51%～90.18%,且出水水质均符合相关标准。