山西運城農業水體污染特征分析與污染治理模式探討

葛紅林

摘 要：通過對山西省運城市主要農業灌溉水體中DO、ORP、NH3-N、PO43--P等黑臭指數的影響，以及新沉積物對農業上覆水中NH3-N、PO43--P的釋放特性進行研究，明確農業水體污染的特征，并制定污染治理策略，在消除歷史污染的同時，降低新污染的積累速度。

關鍵詞：農業灌溉水體；黑臭水體；底泥污染；溶解氧；氨氮

中圖分類號：X52 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）01–0-03

從農業生態環境方面分析，目前山西省既有工業污染，又有農區水污染，導致農產品質量安全受到嚴重威脅。根據山西省運城地區農業環境保護監測站2020年的數據：全省重度受污染耕地有800 km2，且以汾河流域太原、臨汾、運城為主要糧棉產區[1]。所以在山西省加大對農業水質的控制力度十分重要。據生態環境部統計，2020年年底，我國農業中的黑臭水體消除率已達98.20%[2]。黑臭水體主要是由于新產生的沉積物中富含有機污染物，經微生物分解腐化，耗損水中溶解氧，使得其處于厭氧狀態，并產生氨氮、硫化氫和硫醇等還原性氣體，硫化氫等還會與亞鐵、錳等離子發生化學反應，產生亞鐵等黑色物質，水體反復黑臭，導致前期治理效果難以持續。通過對運城地區主要農田灌溉用新形成的新生沉積物對上覆水中DO、ORP及其他黑臭指數的影響，分析了水體釋放NH3-N和PO43--P的特點，并從長期保持水質的觀點出發，提出了適宜的治理方案。

1 山西運城主要農業灌溉水體污染現狀

山西省運城市在古代被稱為“河東”，地處山西省最南端、黃土高原東南邊緣、汾河平原最為寬廣的地區；面積14 230 km?，作為歐亞大陸橋的重要組成部分，是我國“西部大開發”“中部崛起”的核心區域，在全國的區域發展格局中有著舉足輕重的作用[3]。然而，由于農用水的污染，運城水體富營養化現象嚴重，對居民的生活、生產造成了很大的影響。目前流域內的耕地平均化肥施用量已經從1979年的244.50 kg/hm2增加到了667.50 kg/hm2，遠遠超過發達國家為了防止化肥對水體的污染所制定的225 kg/hm2的安全限度。

2 山西運城農業灌溉水體底泥污染釋放特征研究

2.1 試驗材料

試驗用的底泥是A、B、C三條已經完成了黑臭治理的農業水體底泥，分別采樣于伍姓湖接納姚暹渠入口段、涑水河永濟韓陽鎮入黃口段，汾河河津蔡村鄉段。三條水體在處理時均已進行了沉積物的清理，以確保實驗所用的沉積物為初生沉積物，其水質指標具體如下：

2.2 試驗方法

實驗設備是4個高50 cm、直徑15 cm的有機玻璃圓柱形反應器。在實驗中，以1∶2的比例將沉積物和水混合，并設1組不含沉積物的空白對照組。對實驗裝置進行了避光處理，在沉積物試驗組進行了靜態試驗，在沉積物試驗中，利用虹吸式的方法，將脫水緩慢地注入盛放沉積物的容器，以防止由于水流的撞擊而引起DO的異常波動，并進行靜態測定[4]。

3 結果與分析

3.1 沉積物對農業水體黑臭的影響

結果顯示，在不含沉積物的對照組中，通過避光和密閉措施，防止藻類和微生物的光合作用，使得水體中的DO維持在4.0 mg/L左右，ORP在90 mV左右，無明顯變化。但是，在加入新的沉積物后，DO、ORP的含量明顯下降，A組的DO快速下降至大約1.5 mg/L，ORP僅為10 mV；B組將DO降到0.60 mg/L，C組將ORP降到-30 mV。3個實驗區上覆水的溶解氧、溶解氧含量都已經達到了嚴重的黑臭程度，B、C這2個實驗區在兩年以上的新沉積物處理下，其溶解氧、溶解氧含量的變化比A實驗區一年以上的更明顯。在厭氧環境中，有機物被微生物轉化成還原狀態，導致底泥具有較強的還原狀態，伴隨著厭氧脅迫的加劇，底泥中ORP降低[5]。因此，在三處水體的新生沉淀物加入上覆水后，在試驗前期，水中的DO和ORP會快速而大幅度地下降，并造成水體的嚴重黑臭。

3.2 新沉積物在農業水體富營養化中的作用

無機氮和總磷是判斷水體富營養化等級的重要指標，在沉積物中的氮磷主要以氨氮（NH3-N）和正磷酸鹽（PO43--P）的形式向上覆水體釋放，圖1和圖2展示了新生沉積物向水體釋放NH3-N和PO43--P的特征變化曲線。

從圖1和圖2可以看出，在空白試驗組原水中，NH3-N保持不變。在添加新沉積物后，3組實驗中NH3-N、PO43--P的含量都在一段時間內迅速升高，隨著試驗時間的增加，試驗結果有明顯的波動。其中，A組NH3-N濃度最高為3.6 mg/L，而PO43--P濃度最高為0.26 mg/L；B組中NH3-N最高為4.4 mg/L，PO43--P最高為0.36 mg/L；C組NH3-N濃度最高為5.6 mg/L，PO43--P濃度最高為0.44 mg/L。NH3-N和PO43--P濃度的劇烈波動，主要是由于沉積物對污染物起到了釋放和吸附的雙重作用，新沉積物會受到環境物理條件和微生態環境的影響，NH3-N和PO43--P處于一個動態平衡的狀態，最后表現出穩定的波動。

可以看出，3組試驗上覆水中的NH3-N濃度都達到了黑臭或輕微黑臭的程度，也就是說，新生沉積物引起的氨氮濃度超過黑臭極限的危險是比較低的。然而，在我國，TN和TP分別在2.0和0.2 mg/L以上時，已被認定為重度富營養。結果表明，在3個新的沉積物釋放實驗中，上覆水體均為重度富營養化。A、B和C等3個水體，在沉積物釋放較好的春季和夏季，容易由于氮和磷濃度過高而造成藍藻大量繁殖，并有暴發的危險。水華暴發后，不但會在水面上產生“藻體浮渣”，對水質產生不良影響，而且還會引起水生動植物死亡，對水生態環境產生極大的危害[6]；同時，大量藍藻死亡和腐化，也會造成水中溶氧量的減少，最后造成水中的黑色和臭味。

從全面分析中可以發現，DO和ORP的波動規律是一樣的，但與PO43--P的波動恰好相反，即DO和ORP的降低對PO43--P的釋放有利，而DO和ORP的升高對PO43--P的吸收更有利。這主要是因為在無溶氧和無硝酸鹽的厭氧環境下，沉積物中的多聚磷菌能在無溶氧和無硝酸鹽的情況下分解成PO43--P；在有氧或有硝酸鹽存在時，聚磷菌能降解PHB，并將PO43--P吸附到生物體內[7]。因此，DO、ORP對水環境中的磷有很大的影響。保持沉積物的好氧狀態，或者提高沉積物的ORP，可以有效地抑制PO43--P的釋放，進而控制水體富營養化。

4 山西運城農業灌溉水體污染治理模式探討

4.1 治理流程

針對山西運城農業灌溉水體污染的地域特點，以及農業灌溉水體黑臭問題，采用農業土壤中的粗、細礫石和人工填埋的生物填料作為過濾材料，通過對農業水環境的植被吸附、微生物代謝等過程，去除農業水中的有機質，提高農業水環境質量。同時，為了降低水中懸浮物濃度、農業污水堵塞的概率和生物填料顆粒的更換次數，在農業污水進水前端增加沉淀設備，具體工藝流程圖如圖3所示。

4.2 科學耕作防止化肥污染

施肥的重點是確定合適的氮肥用量。目前主要采用田間肥料試驗或土壤與植株測，但該實驗具有較大的空間變異性，對參數要求較高，且需要大量的野外實驗和土木實驗。對于我國作物生產而言，按面積計算氮肥施用量、損失量和產量，并在此基礎上確定地區的氮肥施用量比較合適[8]。

適時施肥，將作物的最大需肥峰和最大供肥峰相結合，充分發揮肥料的效用。在此基礎上，采取科學的施肥方式，堅持深施，并采取節灌等措施，降低氮的損失，提高施肥的科學性。深施對氨揮發和徑流損失有利，相關研究表明，在土壤深度8～10 cm范圍內，深施比表施的肥效高出1倍左右[9]。

4.3 末端治理和回收

控制徑流是治理氮素污染的一項重要措施。通過對水資源的優化管理，如在旱地上使用肥水結合技術，在稻田上使用節水灌溉技術，在坡耕地上使用保護性耕作等。構建農業灌溉溝渠系統，利用生態溝渠緊密聯系各個農業區域，根據土壤養分含量和作物種類的需肥規律和特征，對農業水分和養分展開綜合調控和一體化管理，實現以水促肥、水肥耦合，提高水、養分的利用效率。同時，水中的氮在經過農業排水溝渠運輸進入受納水體之前，在遷移轉化的過程中會被截留，從而減少進入水體的污染負荷。

5 結論

造成農業污水黑臭的原因是多方面的，因此，必須堅持系統性、合理性、科學性、經濟性的原則，并根據不同類型的農業廢水，采取相應的處理措施。降低排入農業污水內的DO、ORP、NH3-N、PO43--P等黑臭指數，從而對農業污水污染進行有效控制，解決農業污水的黑臭問題，消除劣V類水體，提高居民的生活質量。

參考文獻

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