農業院校試驗田和水產養殖基地面源污染的綜合治理

羅曉峰,張永卓,劉廣龍,周 闖

(1.華中農業大學校園建設與安全保衛部,湖北 武漢 430070;2.華中農業大學資源與環境學院,湖北 武漢430070;3.武漢水之國環?？萍加邢薰?湖北 武漢 430070)

農業面源污染是指在農業生產過程中產生的、未經合理處置的污染物對水體、土壤和大氣及農產品造成的污染,主要包括化肥、農藥污染和畜禽糞便污染等,其來源主要是農業生產過程中不合理使用而流失的農藥和化肥、殘留在耕地中的農用薄膜、處置不當的農業畜禽糞便、惡臭氣體以及不科學的水產養殖等產生的水體污染物[1]。由于農業面源污染來源廣泛,加之釋放過程具有不確定性,導致其治理難度較大,進入水體后極易對受納水體水質造成威脅[2]。

農業院校因實踐教學、科研等需要,校內設立了農林試驗田以及畜禽養殖、水產養殖等基地[3],如不對其進行合理處置,極易導致氮磷等營養物質通過地表徑流、尾水排放等途徑輸入到自然水體,存在潛在的水環境污染風險[4-5]。因此,農業院校污染排放具有典型的農業面源污染特點。

“源頭控制為主、過程阻控與末端治理相結合”是當前開展農業面源污染防控的主要途徑[6]。面源污染治理模式是水土流失和氮磷流失控制的綜合工程[7]。楊林章等[8]闡述了從全局防控農業面源污染的“源頭減量(reduce)—過程阻斷(retain)—養分再利用(reuse)—生態修復(restore) ”策略(簡稱“4R策略”);李家杰等[9]通過對龍景湖流域四大治理區域實施面源污染治理、污染水域修復等7項綜合治理工程,其水質得到了顯著改善;劉瑞霞等[10]針對河流生態緩沖帶的農業面源污染阻控功能,梳理了河流生態緩沖帶的研究進展;龔世飛等[11]研究表明,加大對農業生活區和規?；笄蒺B殖基地的控制管理,構建植被緩沖帶等減少水土流失措施,對有效防治丹江口核心水源區典型小流域的面源污染具有重要作用;楊辰等[12]通過對我國干熱河谷地區農業面源污染進行分析,提出了種植業優化施肥技術、農藥減量化技術、廢棄物處理和利用技術等面源污染防治技術。

本文圍繞某農業院校試驗田和水產養殖基地面源污染,結合已有面源污染防治技術和水體污染綜合治理思路,開展了“污染源控制+水生態修復+水動力系統構建”的綜合治理實證研究,對于防治面源污染,提升水體水質,改善水域生態環境和景觀效果具有重要意義。

1 水域概況與綜合治理方案

1.1 水域概況

待治理水域位于某農業院校校內,東側緊臨城市湖泊,北側臨近3個水產養殖塘,南側為水產養殖試驗基地,西側為全生態養殖試驗塘、園林園藝試驗基地、機電中心及學生宿舍等。待治理水域由1個水產養殖塘和3個自然水塘組成,由北向南依次編號為F-1號塘、1號塘、2號塘和3號塘,如圖1所示,總面積約為18 050 m2(27 畝)。該3個自然水塘此前均已進行過清淤處理,平均水深約為1.5～2.0 m,底泥厚度約20～30 cm。已完成治理水域包含3個自然水塘,從北到南依次編號為4號塘、5號塘、6號塘,如圖1所示,總面積約為18 150 m2。待治理水域及已完成治理水域水系之間流動性較差,連通條件有限,表現為納污型死水,且待治理水域周邊果園農田及水產養殖塘污染源缺乏控制,長期累積容易造成水體富營養化。

圖1 水域布局圖Fig.1 Layout diagram of water area

1.2 污染源分析

1.3 池塘水系綜合治理方案

池塘水系綜合治理堅持生態優先、總體規劃、因地制宜、水系連通、多措并舉、綜合治理并堅持科學、集約、高效、實用的技術原則, 技術路線如圖2所示。

圖2 池塘水系綜合治理技術路線Fig.2 Technical route of pond water system integrated control

通過引入多功能復合微生物菌劑,短期內可實現水體中污染物指標的大幅降低,提升待治理水體的水質;通過構建多級立體生物強化生態系統,引入微生物、植物和動物等多種生態修復措施,可長期有效削減面源污染物排入,穩固、還原、提升水體的自凈能力,同時結合引水納污排澇適度改造工程,可打造健康自然水環境,穩定水體水質,滿足水系灌溉需求,達到《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅳ類水及以上水質標準,實現末端排放口水體水質達標的要求。

1.4 工程治理措施

池塘水系治理期為2020年10月至12月,總平面布置圖如圖3所示。根據水塘周邊地形地勢環境,在因地制宜、輕度改造的基本原則指導下,選用6號塘旁集水井作為末端排放口。池塘水系水流方向為F-1號塘→1號塘→2號塘→3號塘→4號塘→5號塘→6號塘→末端排放口,如圖4所示。其中,黑色箭頭線表示水系整體水流方向;黃色實線表示各塘之間已有連通位置;紫色實線表示已有排水渠位置;粉色虛線表示新建涵管位置。2021年1月至2022年10月為項目工程維護期,主要對已治理區域投加適量微生物菌劑以及對種植的水生植物進行適時收割。

圖3 池塘水系綜合治理工程總平面布置圖Fig.3 General layout diagram of the pond water system integrated control engineering

圖4 池塘水系連通及納污引水示意圖Fig.4 Schematic diagram of the pond water system connection and sewage diversion

1.4.1 微生物生態系統構建

針對一些成分復雜的水體,宜使用多種功能微生物構建修復系統,以克服單一功能微生物難以去除多種富營養成分的缺陷[16]。投加微生物菌劑種類、頻次和用量主要依據水體水質(目前水體污染物主要以COD和TP為主)以及污染負荷總量來確定。池塘水系治理期內使用微生物菌劑包括BioEcosys P1 Plus控磷組合菌、BioEcosys F3 Plu先鋒菌種、BioEcosys O1 Plus 除臭菌種、BioEcosys N1 Plus硝化細菌和BioEcosys S1 Plus底泥降解菌。所使用的微生物菌種均完成了動物試驗,并經鑒定為環境安全友好型菌種。

1.4.2 水生植物生態系統構建

水生植物生態系統構建主要采取設置生態緩沖帶(種植挺水植物)、種植沉水植物、設置生態浮島、種植粉綠狐尾藻等措施。水生植物種植密度依據水體污染程度、水塘儲水量、實地調研類似工程經驗等因素綜合考量。

由于挺水植物具有抗風力、耐污、去污、改善富營養化水體水質等功能,且其抗性大于其他水生植物,因此可以從岸邊淺水區逐步推進種植挺水植物[17]。本文針對存在的農田和果園面源徑流污染問題,在3個水塘西側沿線布置濱水植物隔離帶,以提高水體對外來污染物的緩沖和降解能力,同時為微生物提供附著生長條件,增強水體自凈系統的穩定性;在南部待治理的1號、2號、3號塘四周沿線設計挺水植物帶長約400 m,總面積約為400 m2;在北部待治理的F-1號塘四周設計挺水植物隔離帶約為300 m,總面積約為300 m2。選用的挺水植物品種包括水生美人蕉、梭魚草和水生鳶尾,種植密度為8叢/m2。

沉水植物作為水生環境的重要組成部分,具有修復效率高、單位成本低、生物量大和取材廣泛等優點[18],沉水植物可通過其與浮游植物競爭光照和營養物質來凈化富營養化水體[19]。在待治理的2號塘和3號塘種植沉水植物,選用的沉水植物包括苦草、馬來眼子菜和黑藻,種植密度為40株/m2。

生態浮島是基于無土栽培原理將水生植物栽種到水面浮島上的技術,具有投資省、運行維護方便、景觀效果好等優勢[20]。生態浮島主體由水面植物和水中懸掛型生態填料兩部分構成,水面上種植的水生植物形成人工植物浮床,水中生態填料為微生物生長提供附著表面,植物與微生物協同作用,達到立體凈水的效果。在待治理的F-1號塘設計生態浮島系統2座,單座面積為40 m2,總面積為80 m2,并在F-1號塘種植浮葉植物,浮葉植物選用睡蓮等,單座種植面積為10 m2,總計種植10座,總種植面積為100 m2,種植密度為1～2叢/m2;待治理的2號塘遺留有約200 m2(20 m*10 m)循環水養殖系統,圍繞循環養殖系統布設生態浮島系統,布設面積為50 m2,選用的浮島水生植物種類主要為水生美人蕉、鳶尾和再力花,種植密度為8叢/m2。

粉綠狐尾藻是多年生沉水或浮水草本植物,具有適應性強、耐污染能力強和增長量快等優點,是污水生態處理和控制農業面源污染的重要植物[21-22]。在富營養化水體中種植粉綠狐尾藻,是一種較為理想的控藻方法[23]。在待治理的1號塘中部及北側設計粉綠狐尾藻強化凈化區域約為700 m2,主要用于強化去除F-1號塘排水及西側果園徑流排水中的污染物。同時在F-1號塘納污進水口以及排水區域設計粉綠狐尾藻強化凈化區域約為200 m2,對納污口及排水口污染物進行深度去除,粉綠狐尾藻凈化系統設計總面積約為900 m2,種植密度為200株/m2。粉綠狐尾藻凈化區域用圍網包圍,同時適時進行耙撈收割,以防止過度蔓延。

1.4.3 水生動物生態系統構建

水生動物生態系統可以保護和發展植食性的浮游動物,抑制藻類的過度生長,利用浮游動物對浮游藻類的濾食作用,可以有效減除水體中的藻類,提高水體透明度[24]。在F-1號、1號、2號、3號塘投加水生動物,主要放養魚類為鰱魚、鳙魚及鱖魚,總計投放量約為36.1 kg,放養蚌類約為540 kg。具體投放量依據水塘儲水量、實地調研類似工程經驗等因素綜合考量。水生動物投放規格和時間,如表1所示。

表1 水生動物投放規格和時間

1.4.4 曝氣增氧系統構建

溶解氧(DO)是衡量水環境質量與生態系統健康的重要指標[25]。曝氣即人工復氧,是采取手動或自動的方式向水體中補充空氣或純氧以增加水體中DO。曝氣技術在提升黑臭水體自凈能力方面發揮著重要的作用,對黑臭水體底泥微生物群落結構組成及細菌數量有顯著的影響[26]。2號塘之前進行過循環養殖,現場水體遺留有面積約200 m2(20 m×10 m)循環水養殖系統,對遺留曝氣系統進行檢修維護,在短時大量進水極端條件下,適時開啟曝氣系統,短時增氧,以提高其去除污染物的能力。在1號、2號、3號塘各布置1臺提水式曝氣機,在F-1號塘布置2臺提水式曝氣機,短時間內快速提高水體中DO水平,增強水體系統氧化吸收有機污染物的能力,抑制底泥營養元素氮磷釋放,防止水生態環境陷入“黑臭短路循環”;同時,提水曝氣方式可以形成景觀噴泉效果,達到美化景觀的效果。為了保證極端情況下6號塘水體中DO水平,在6號塘布置了2臺潛水式曝氣機,曝氣機功率為0.75 kW,增氧能力為0.3～0.5 kg O2/h。

2 研究結果與討論

經過2020年10月至12月施工和初步治理,各塘水體水質和景觀效果得到明顯的改善(圖5),通過水質檢測發現水體主要水質指標均得到了明顯提升,且均達到地表水Ⅳ類水水質標準。2021年1月至今,通過持續投放微生物菌種以及對種植的水生植物進行適時收割,水體水質完全達到了地表水Ⅳ類水水質標準,滿足末端排放口水體水質排放要求。

圖5 池塘水系綜合整治前后實景圖Fig.5 Real view of the pond water system before and after integrated control

2.1 水體中COD濃度監測結果與討論

池塘水系綜合治理前后水體中COD濃度的變化趨勢,見圖6。

圖6 池塘水系綜合治理前后水體中COD濃度變化趨勢Fig.6 Trend of COD concentration changes in the pond water system before and after integrated control

由圖6可知:在池塘水系治理之前,COD污染濃度最高的水塘為F-1號塘,其中COD濃度達到44.66 mg/L;在2020年11月項目工程施工中期階段,F-1號塘和1號至6號塘水體已基本完成連通流動,受F-1號塘養殖污水的影響,后端的3號、4號和5號塘水體中均不同程度地出現COD濃度指標超標的情況;項目工程至2020年12月15日竣工完成,此時水系末端6號塘排放口COD濃度為12.02 mg/L,達到了地表水Ⅳ類標準;從2021年和2022年維護期數據來看,受前端F-1號塘存水的影響,1號塘和F-1號塘水體中COD濃度仍偏高,但隨著后端塘連續多級的營養消耗,水體中COD濃度保持在穩定達標狀態。

2.2 水體中氨氮濃度監測結果與討論

池塘水系綜合治理前后水體中氨氮濃度的變化趨勢,見圖7。

圖7 池塘水系綜合治理前后水體中氨氮濃度的變化趨勢Fig.7 Trend of ammonia nitrogen concentration changes in the pond water system before and after integrated control

由圖7可以看出:水體中氨氮濃度基本穩定在1 mg/L以下,工程竣工時末端排放口氨氮濃度為1.27 mg/L,達到了地表水Ⅳ類標準。部分池塘某些時刻水體中氨氮濃度指標超標,這主要是受雨季排水和地表徑流污染的影響,但隨著各級池塘的不斷消納,水體水質基本可以在短時間內迅速恢復,使得水體中氨氮濃度保持穩定達標。

2.3 水體中總磷濃度監測結果與討論

池塘水系綜合治理前后水體中總磷濃度的變化趨勢,見圖8。

圖8 池塘水系綜合治理前后水體中總磷濃度的變化趨勢Fig.8 Trend of total phosphorus concentration changes in the pond water system before and after integrated control

由圖8可以看出:在項目工程施工的中、后期階段,隨著水系各池塘的基本連通流動,受F1號塘養殖水的影響,水系多級后端池塘水體中TP濃度均出現超標的問題,其中TP最高濃度出現在4號塘,為0.384 mg/L;工程竣工時末端排放口TP濃度為0.098 mg/L,達到了地表水Ⅳ類標準。在項目工程竣工完成到后期維護階段,水系前端F-1號和1號塘水體中TP濃度時常超標,但隨著水系各級池塘的不斷消納,通過水生植物的不斷吸收以及微生物的分解,水系后端池塘水體中TP濃度基本可以穩定在0.1 mg/L以下,達到末端排放口水質排放要求。

綜合對水體中COD、氨氮和TP濃度檢測結果的分析可知:工程治理結束初期,由于存量雜草清理控制、生態緩沖帶有效阻隔、投放微生物菌劑等措施,能夠在短期內有效控制受納水體水質;項目工程治理維護期,由于水生動植物生態系統的綜合作用,水體水質持續好轉。

3 結 論

1) 通過實地調查和測算,分析了治理水域存在的農田果園地表徑流和水產養殖等面源污染問題,綜合水域特點和末端排放口水質排放要求,采用微生物技術、水生生物系統、曝氣技術等綜合治理措施,能夠有效解決面源污染導致的水體富營養化等問題。

2) 在項目工程治理期,通過構建微生物生態系統、水生植物生態系統、水生動物生態系統、納污引水連通系統、曝氣增氧系統等,實現了削減面源污染物排入、增強水體的自凈能力、提升水體水質等目標,工程竣工時末端排放口COD、氨氮和TP濃度為12.02、1.27、0.098 mg/L,均達到了地表水Ⅳ類水水質標準。

3) 在項目工程維護期,各池塘水體中COD、氨氮和TP濃度呈現波動狀態,但隨著水生態系統中各級池塘的不斷消納、水生動植物系統的強化作用,面源污染綜合治理體系的治理效果逐漸顯現,末端排放口水體中COD、氨氮和TP的濃度均達到地表水Ⅳ類水水質標準。