鄱阳湖平原区农村水塘水体原位修复技术应用效果分析*

刘方平 姜成名 苏 甜 时 红 廖 伟

(1.江西省灌溉试验中心站，江西 南昌 330201；2.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)

我国农村环境污染已超过工业和城市环境污染[1]。农业生产中农药、化肥等的不合理和过量使用，畜禽粪便等农业废物的任意排放，以及生活污水的直接排放，造成河流和水塘严重污染[2]。同时，底泥是自然水域的重要组成部分，适当条件下底泥中的污染物会释放出来，成为二次污染源，并且释放时间、途径和释放量具有不确定性[3]。农村水污染导致农村饮水困难，影响村民居住环境，严重威胁农民的身体健康，已成为污染治理的重点。

国内外学者对河湖污染修复方法进行了大量研究[4-5]，目前主要有物理、化学和生物3大类修复技术[6-9]。但物理和化学修复对生态环境的破坏较大。随着生物技术和生物科学的不断发展，生物修复已成为治理水污染的热点，具有广阔的市场前景[10-14]。

鄱阳湖平原区农村具有多水塘湿地系统，在农业发展中具有不可替代的作用和价值[15-16]。然而，当前我国主要研究方向集中在城市湖泊[17]和大中型湖库[18]，少有针对农村微小型水塘污染修复技术的研究。为此，通过选择鄱阳湖平原区农村水塘，进行原位修复模拟试验，以期得到不同修复方法下农村水塘水环境指标变化规律，提出适宜农村微小型水塘的原位修复技术。

表1 水塘湿地小区处理措施

1 材料与方法

1.1 试验场地

试验在江西省灌溉试验中心站试验研究基地开展。基地位于江西省鄱阳湖平原区，地处江西省南昌县向塘镇高田村，地理位置为东经116°、北纬28°26′，海拔22.0 m，区内为典型的亚热带湿润季风性气候。基地内现配有小型湿地小区，面积28.2 m2(4.7 m×6.0 m)，均为一体化钢筋混凝土结构，边壁厚度30 cm，以防止小区之间的渗水；各小区地表以下净深为80 cm，底部无衬砌。

将池中原有底泥挖除25 cm，将农村水塘取来的底泥覆上，并填平。试验用底泥取自鄱阳湖平原区某受污染农村水塘底泥，其营养成分指标具体为有机质22.88 g/kg、全氮1.36 g/kg、碱解氮214.84 mg/kg、有效磷181.29 mg/kg，pH=6.15。

1.2 试验处理设计

各处理详见表1。其中，池4湿地小区放养的底栖生物为三角帆蚌(Hyriopsiscumingii)，密度为18个/m3，平均质量约150 g/个。为避免三角帆蚌外壳携带的藻类对试验造成误差，三角帆蚌均事先用板刷刷除附生的藻类，然后放在自来水中漂洗1 d，后使用河水驯养3 d。选取鳙鱼、鲢鱼等滤食性鱼类，每池分别放养9、27条，每条质量200～300 g。挺水植物选取了花叶芦竹(Arundodonaxvar.versicolor)，在湿地小区周边1 m内种植4排(间距为20 cm)。各湿地所覆原水水深为50 cm；原水为农田排水，氨氮、TN、TP、COD分别为1.320、2.269、0.063 、52.73 mg/L，pH为6.80。

1.3 采样及测定方法

水样分两层采集，水面下10 cm的水样为上层水，距离底泥10 cm的水样为下层水。采用对角线5点采样法采集上、下层水样，立刻带回实验室放入冰箱中4 ℃保存待测。

水质指标pH、DO、浊度等在现场使用YSI多参数水质分析仪、哈希浊度仪进行原位测定，TN、氨氮、TP、COD等指标按照文献[19]检测。

1.4 数据处理

主要采用SPSS17.0、WPS2019等分析软件进行相关数据分析和图表绘制。

2 结果与讨论

2.1 水质指标变化规律

由图1可见，对照、覆沙处理、落干曝晒处理的浊度去除率总体上表现出相似的变化规律，呈现先降后升的趋势；生物联合调控处理浊度去除率呈不断上升的趋势，并在前3天快速上升，随后平缓上升。对照、覆沙处理、落干曝晒处理浊度去除率在前期均为负值，其中覆沙处理在第10天、落干曝晒处理在第13天、对照在第17天时才变为正值，其主要原因是试验开始时注水扰动底泥所致；生物联合调控处理浊度去除率始终为正值，这主要是因为池内种植湿地植物较茂盛，根系发达，对注水有一定缓冲作用，有效防止了注水时底泥的扰动，并对水中悬浮颗粒有一定的吸附作用。总体来说，不同处理浊度去除率均随时间的延长而上升，并均在第21天达到最高值，且生物联合调控处理(68.18%)>覆沙处理(49.09%)>落干曝晒处理(28.64%)>对照(24.09%)。

图1 不同湿地小区水体浊度去除率的变化Fig.1 Changes of turbidity removal rate in different water ponds

由图2可见，对照氨氮去除率先略升，第7天达到较高值(13.18%)，随后快速下降，第13天达到最低值(-56.59%)，说明其间有氨氮的释放，接着呈上升趋势，至第21天达到最高值(15.38%)。覆沙处理氨氮去除率总体呈缓慢上升的趋势，但第17天有个小幅下降，第19天达到最高值(44.70%)。落干曝晒处理氨氮去除率呈现波动变化趋势，前3天和第10天前后变化剧烈。生物联合调控处理氨氮去除率总体呈平缓上升趋势，前3天呈快速上升趋势，并在第21天达到最高值(92.64%)。各处理不同时期氨氮去除率均为正值(除对照外)，总体表现为生物联合调控处理>覆沙处理>落干曝晒处理>对照。

图2 不同湿地小区水体氨氮去除率的变化规律Fig.2 Changes of ammonia nitrogen removal rate in different water ponds

由图3可见，对照、覆沙处理、落干曝晒处理TN去除率总体上表现出相似的变化规律，呈现波动变化趋势。对照TN去除率先略上升，随后下降至第10天变为负值，至第19天转为正值，并略有上升，第21天仅为5.31%。覆沙处理和落干曝晒处理TN去除率均先呈快速上升趋势，分别达最高值52.33%和54.88%，随后总体降低。生物联合调控处理TN去除率总体呈平缓上升趋势，但在前3天呈快速上升趋势，并在第21天达到最高值(79.85%)。各处理不同时期TN去除率均为正值(除对照外)，总体表现出生物联合调控处理>落干曝晒处理>覆沙处理>对照。

图3 不同湿地小区水体TN去除率的变化Fig.3 Changes of TN removal rate in different water ponds

由图4可见，不同处理COD去除率总体呈现相似的变化规律，除落干曝晒处理在第7～10天有个下降过程外，其余时期均呈上升趋势。对照和覆沙处理COD去除率在前3天呈快速上升趋势，随后缓慢上升，到第21天达最高值，分别为87.23%和64.12%；落干曝晒处理和生物联合调控处理COD去除率均在前7天呈快速上升趋势，其后落干曝晒处理呈先降后升趋势，生物联合调控处理呈缓慢上升趋势，落干曝晒处理和生物联合调控处理均在第21天达到最高值，分别为92.22%和92.10%。COD去除率总体表现出生物联合调控处理>落干曝晒处理>对照>覆沙处理。

图4 不同湿地小区水体COD去除率的变化Fig.4 Changes of COD removal rate in different water ponds

由图5可见，对照、覆沙处理、落干曝晒处理TP去除率总体表现出相似的变化规律，呈现先降后升的趋势，均在第10或13天达到最低值，分别为-325.40%、-177.78%、-157.94%，整个取样监测阶段TP去除率均为负值，说明磷的释放特别明显。生物联合调控处理TP去除率呈先下降后缓慢上升的趋势，第3天达到最低值(-75.21%)，第13天转为正值，第21天达到最高值(66.13%)，整个过程是一个磷的释放和吸收转化净化并行的过程，前期表现为磷的释放占主导，后期以磷的吸收转化净化占主导。TP去除率总体表现为生物联合调控处理>覆沙处理>落干曝晒处理>对照。

图5 不同湿地小区水体TP去除率的变化Fig.5 Changes of TP removal rate in different water ponds

综上分析，生物联合调控处理对水质净化的效果总体最佳，浊度、氨氮、TN和COD去除率随时间延长总体呈上升趋势，并且均在前期有一个快速去除的过程，去除率最高值均在第21天，分别为68.18%、92.64%、79.85%和92.10%；TP去除率刚好相反，前期较快下降，后期缓慢上升。总体来说，生物联合调控处理对水体水质指标均有逐渐改善的趋势，这主要是因为湿地植物的生长会吸收底泥或水中的一部分营养成分，阻断底泥与水体的直接交换，抑制底泥中营养物质的释放[20-22]。覆沙处理对浊度、氨氮和TP均有较好的去除率，但对TN、COD去除率相对较低，其可能原因是覆沙处理能有效减少水下底泥的扰动，从而减少底泥的扬起，以及由此造成的底泥氨氮和TP的释放，但覆沙也会阻隔底泥中微生物在水体中的活动，并且细沙较底泥不利于微生物的附着栖息生长繁殖，从而降低微生物对COD的降解。落干曝晒处理对水体中TN和COD有较好的去除率，但水体中DO也快速地降低，其可能是落干曝晒期间，底泥中一些好氧微生物大量繁殖，待覆水后，短期内加速了水体中DO的消耗。

2.2 影响营养物质去除率变化的因子

为探明不同湿地处理营养物质去除率与相关因子的关系，主要对TN去除率与DO、pH、水温，TP去除率与DO、pH、水温、氮磷质量比(N/P)，COD去除率与氨氮、pH、水温日变差(ΔT)、碳氮质量比(C/N)、N/P进行相关性分析。结果见表2至表4。各因子对TN去除率的影响顺序：对照中水温>pH>DO；覆沙处理中水温>DO>pH；落干曝晒处理中DO>水温>pH；生物联合调控处理中DO>水温>pH。各因子对TP去除率的影响顺序：对照中N/P>pH>水温>DO；覆沙处理中N/P>水温>pH>DO；落干曝晒处理中水温>pH>N/P>DO；生物联合调控处理中DO>N/P>水温>pH。各因子对COD去除率的影响顺序：对照中C/N>ΔT>pH>N/P>氨氮；覆沙处理中氨氮>pH>C/N>ΔT>N/P；落干曝晒处理中C/N>pH>ΔT>氨氮>N/P；生物联合调控处理中C/N>氨氮>N/P>pH>ΔT。生物联合调控处理的TN去除率与DO呈显著负相关；对照的TN去除率与水温呈显著正相关；其他处理与各因子相关性不显著。生物联合调控处理的TP去除率与DO呈显著负相关、与N/P呈显著正相关；对照和覆沙处理的TP去除率均与N/P呈显著正相关；其他处理与各因子相关性不显著。生物联合调控处理的COD去除率与氨氮、C/N均呈显著负相关；对照、落干曝晒处理的COD去除率均与C/N呈显著负相关；其他处理与各因子相关性不显著。

表2 TN去除率与各因子相关性分析1)

表3 TP去除率与各因子相关性分析

表4 COD去除率与各因子相关性分析

3 结 语

(1) 生物联合调控处理对水质净化的效果总体最佳，浊度、氨氮、TN和COD去除率随时间延长总体呈上升趋势，最高值均出现在第21天，分别为68.18%、92.64%、79.85%和92.10%；TP去除率刚好相反，前期较快下降，后期缓慢上升。

(2) 生物联合调控处理的TN去除率与DO呈显著负相关；对照的TN去除率与水温呈显著正相关；其他处理与各因子相关性不显著。生物联合调控处理的TP去除率与DO呈显著负相关、与N/P呈显著正相关；对照、覆沙处理的TP去除率均与N/P呈显著正相关；其他处理与各因子相关性不显著。生物联合调控处理的COD去除率与氨氮、C/N均呈显著负相关；对照、落干曝晒处理的COD去除率均与C/N呈显著负相关；其他处理与各因子相关性不显著。

(3) 为提高农村水塘对水污染净化效果，可对农村水塘进行生物联合调控处理，合理控制C/N；对于底泥淤塞严重、营养盐含量高的水塘，可进行适当清淤，并在岸边淤泥较深处进行河沙覆盖；控制水体适宜的N/P；具有排水条件的水塘可选取雨水少的季节进行适当晒塘。