溫室中農村廢水再生滴灌過程中污染物的時空變化規律

裴 亮， 麥榮幸， 孫莉英， 栗清亞

(1.中國科學院 地理科學與資源研究所 陸地水循環及地表過程重點實驗室， 北京100101；2.中國科學院大學， 北京 100049)

1 研究背景

農村廢水再生滴灌模式是采用滴灌方式將經過處理的污水用于灌溉的現代灌溉模式，是當前節水和環保研究的熱點[1-2]，很多的國內外學者在這方面已經做了大量的相關研究[3-9]，關于再生水灌溉條件下污染物在土壤-滲漏系統中的遷移轉化取得了很多的研究成果[4-7、9]。農村再生水滴灌的灌溉頻率、灌溉時間、灌溉水量與地面灌溉等傳統灌溉方式不同，土壤水分和溶質在土壤-滲漏系統中的分布與遷移也不相同。另外，再生水中含有大量的有害污染物，會隨著再生水進入到土壤、作物體內和地下水中，對作物生長、周圍環境及人體健康產生很大的影響[10]。因此，有必要對污染物隨再生水在土壤中的分布運移規律進行深入研究[11]。當前的農村再生水灌溉研究大多為地面灌溉條件下污染物在土壤表層的分布和遷移，對滴灌模式的研究很少，研究內容多為重金屬在作物根系層的分布以及對作物根系的影響，也很少涉及污染物在深層土壤和深層滲漏水中的分布和對地下水的影響[12-13]。因此，需要對滴灌條件下污染物在土壤-滲漏系統中的分布運移特征進行詳細研究。筆者等在農村廢水再生滴灌方面進行了很多研究，主要集中在養分對作物產量和品質的影響、養分運移、養分脅迫等方面，對廢水中各類污染物在土壤-滲漏系統中的分布運移情況還沒有開展過相關研究[14-17]。本研究是在前期研究的基礎上，采用土壤過濾系統處理后的農村廢水進行滴灌，分析灌溉后土壤-滲漏系統中化學需氧量CODCr、生化需氧量BOD5、全氮TN、氨氮NH3—N和全磷TP的時空變化規律，為制定高效綠色的再生水灌溉制度、防治農業面源污染以及預防人體健康風險提供科學依據。

2 試驗部分

2.1 試驗地概況

研究區位于湖北省十堰市茅箭區南部山區，全年太陽輻射量為106.6 kcal/cm2，年平均日照時數1 655～1 958 h；年平均降雨量為800 mm以上，主要集中在6-8月。研究區的最低氣溫為-13.2 ℃，最高氣溫為41 ℃，常年平均氣溫為15.3 ℃。本研究試驗在大棚中開展，采用自然溫度。試驗地土壤類型主要為沙壤土，土壤容重為1.52～1.73 g/cm3，地下潛水水位埋深為1.5～2 m。

2.2 試驗布置

文獻[14-17]中有類似實驗設計，試驗在2015-2016年進行。試驗區作物耕作方式為壟作方式，壟肩寬80 cm，兩壟中心間距180 cm，壟高15 cm。每壟種植兩行作物，在兩行作物中間埋設一條滴頭間距20 cm、滴頭流量2.7 L/h的滴灌帶。在作物種植前，試驗區每畝施復合肥10 kg。該試驗采用農村廢水再生處理后的再生水為原水，原水水質和分析方法見表1。根據不同作物滴灌灌溉制度制定灌溉計劃[18-19]，在試驗區滴頭正下方20 cm深度處埋設一組負壓計，當負壓計指示的土壤基質勢低于-25 kPa時進行灌溉，每次灌水量為5 mm。灌水后第3、6、9、12、15d用土鉆對土壤進行采樣，分別在3個滴灌點下土壤垂直方向0、50、100、150 cm處取樣，在試驗場邊緣選擇3個點水平方向0、50、100、150 cm取10 cm深度處土壤樣。同時，采用深層滲漏采集裝置在每個滴灌點1.5 m深度處進行滲漏水的采集。為了便于比較，土壤濃度采用同樣體積淋洗液濃度表示。

表1 原水水質及分析方法

3 結果與分析

3.1 不同季節污染物在土壤中的截留情況

土壤1.5 m深度處深層滲漏水中污染物的濃度隨季節發生變化，具體濃度數值見表2。由表2可知，1.5 m深度處深層滲漏水中CODCr、BOD5、TN、NH3—N和TP的濃度隨季節的變化趨勢較為一致，不同季節土壤深層滲漏水中污染物濃度由高到低依次為：夏季>秋季>春季>冬季。采用農村廢水進行滴灌，CODCr在夏季和秋季的平均土壤截留率均為88%左右，截留率最高；冬季為77%左右，截留率最低；CODCr的土壤截留效果在季節間變化較小。BOD5在夏季的平均土壤截留率在88%以上，冬季為85%左右，季節間土壤截留效果差異較小。TN在夏季的平均土壤截留率為75%左右，但冬季的截留率低于70%，季節間土壤截留效果差異較大，整體的土壤截留率低于CODCr和BOD5。NH3—N、TP在土壤-滲漏系統中的截留率在季節間也有一定變化差異，NH3—N、TP在夏季的平均土壤截留率分別為63%和78%左右，截留率最高；NH3—N、TP在春季和秋季的土壤截留率分別在50%和60%以上；冬季的土壤截留率最低，NH3—N在冬季的土壤截留率為45%左右。

表2不同季節深層滲漏水中各污染物的平均濃度 mg/L

季節CODCrBOD5TNNH3—NTP2015年夏季4.765.334.123.210.512015年秋季3.475.023.812.330.432015年冬季2.514.412.101.710.292016年春季3.984.993.122.570.42

3.2 污染物在土壤垂直方向的沿程變化規律

3.2.1 CODCr和BOD5在土壤垂直方向的沿程變化規律 試驗期間，各污染物在土壤垂向上的濃度分布在不同月份間的變化趨勢基本一致，本文以7月份的實測數據結果為例進行分析。表3和表4分別為CODCr和BOD5在土壤垂向上各深度處的濃度分布。從表3中可以看出，再生水中CODCr濃度有一定的波動，但波動幅度較??；已知在夏季CODCr的平均土壤截留率為88%左右，土壤1.5m深度處滲漏水中CODCr濃度穩定在4.9 mg/L以下，滿足污水綜合一級排放標準(GB 20426-2006)。CODCr在土壤-滲漏系統前端(0～50 cm)的截留效果較明顯，大約55%的CODCr被有效截留在土壤-滲漏系統的前1/3段。這是因為在滴灌條件下，水分在土壤中的分布主要集中在土壤表層和根系層中，再加上土壤和作物根系對CODCr的吸附性能較強，使得多數的CODCr被截留至上表層土壤中。同樣，由表4可知，再生水中BOD5濃度有一定的波動，波動幅度較小；由于在夏季BOD5的平均土壤截留率在88%以上，土壤1.5 m深度處滲漏水中BOD5濃度穩定在5.8 mg/L以下，滿足污水綜合一級排放標準。BOD5在土壤-滲漏系統0～100 cm深度內的截留效果較明顯，大約45%的BOD5被截留在土壤-滲漏系統的前1/3段，75%左右的BOD5被截留在土壤-滲漏系統的前2/3段。

3.2.2 TN在土壤垂直方向的沿程變化規律 土壤中TN與CODCr及BOD5的垂直沿程變化規律相似，具體濃度數值見表5。再生水中TN在土壤-滲漏系統的前1/3段截留效果比較顯著，截留率高達50%。在灌溉水入滲前期，水分入滲速度快，隨著入滲深度的增加，入滲速度迅速減小，TN在土壤中的運移速度也隨深度增加迅速減小。TN在土壤中的分布隨著深度增加呈現遞減的情況，遞減速率隨著深度增加逐漸減小。土壤1.5 m深度處滲漏水中的TN濃度穩定在4.6 mg/L以下，水質達到污水綜合排放標準。

表3土壤垂直方向不同取樣點CODCr的濃度 mg/L

土壤深度/cm取樣日期/(月-日)07-0607-0907-1207-1507-18026.525.926.125.423.95012.311.313.112.010.81005.25.46.15.76.11504.94.824.64.63.8

表4土壤垂直方向不同取樣點BOD5的濃度mg/L

土壤深度/cm取樣日期/(月-日)07-0607-0907-1207-1507-18027.828.124.325.827.25016.318.414.313.712.910010.59.911.410.17.31505.85.75.74.34.8

表5土壤垂直方向不同取樣點全氮(TN)的濃度 mg/L

土壤深度/cm取樣日期/(月-日)07-0607-0907-1207-1507-18018.217.316.616.716.2508.68.99.110.38.91006.36.45.86.46.21504.34.64.24.44.1

3.2.3 NH3—N和TP在土壤垂直方向的沿程變化規律 土壤中NH3—N和全磷(TP)濃度沿垂直方向的變化情況見表6和7。土壤1.5 m深度處滲漏水中NH3—N濃度低于3.5 mg/L，滿足污水綜合一級排放標準。NH3—N在土壤中的含量沿垂直方向從上到下依次遞減，大約35%的NH3—N被截留在土壤-滲漏系統的前1/3段；在50～150 cm土壤深度范圍內，NH3—N的濃度降低幅度較小。再生水中TP濃度的波動幅度較大，但在夏季土壤截留效果較為顯著，土壤中TP濃度沿垂直方向從上到下逐漸降低，在土壤-滲漏系統中TP濃度降低的幅度較為均勻，各土層穩定在25%左右。這可能是因為土壤對TP的吸附能力有限，各深度土層對TP的吸附速率相近，當TP濃度較大時，上層土壤和下層土壤對TP的吸附量相差不大。土壤1.5 m深度處滲漏水中TP濃度低于0.6 mg/L，滿足污水綜合二級排放標準。

表6土壤垂直方向不同取樣點NH3—N的濃度 mg/L

土壤深度/cm取樣日期/(月-日)07-0607-0907-1207-1507-18016.211.99.38.89.3508.98.57.27.36.71004.85.14.74.73.81503.33.53.12.42.2

表7土壤垂直方向不同取樣點全磷(TP)的濃度 mg/L

土壤深度/cm取樣日期/(月-日)07-0607-0907-1207-1507-1801.83.22.32.73.0501.11.41.71.61.91000.80.90.60.81.01500.60.40.50.30.3

從以上對各污染物在土壤垂直方向上的變化分析可知，雖然再生水中各類污染物濃度不相同，但其垂直變化規律相似，各污染物的含量沿垂直方向從上到下逐漸減?。怀薚P之外，其他污染物在土壤-滲漏系統前端(0～50 cm)的截留效果最好，中端(50～100 cm)的截留效果次之，后端(100～150 cm)的截留效果最差。這可能是因為相對于其他污染物土壤對TP的吸附能力較弱，當TP濃度較高時，各土層對TP的吸附量相近。在各類污染物中，土壤-滲漏系統對CODCr和BOD5的截留率最高，其次是TN和TP，NH3—N的截留率最低。土壤-滲漏系統對污染物截留率的高低主要取決于土壤對污染物的吸附能力，吸附能力越強，截留率越高。

3.3 污染物在灌溉區邊緣水平方向的沿程變化規律

滴灌區邊緣水平方向不同距離各污染物濃度見表8。從表8看出，滴灌試驗區外邊緣水平方向0～150 cm、深度10 cm處的土壤中各污染物濃度隨水平距離增加而減小。在滴灌條件下，土壤水分在水平方向上水力梯度較小，且水平距離越大，水力梯度越小；土壤水分在水平方向上的擴散距離較短。而污染物主要隨著水分在土壤中進行遷移，在0～50 cm水平距離內，污染物遷移速度較快，污染物濃度較高；在50～100 cm內，污染物遷移速度慢，污染物濃度較低；在150 cm處，運移至此的灌溉水分極少，大部分的污染物已被截留在0～100 cm內，污染物濃度極低。

表8滴灌區邊緣水平方向不同距離各污染物濃度 mg/L

水平距離/cmCODCrBOD5TNNH3—NTP026.227.318.912.13.35010.912.89.26.21.61005.25.14.12.10.41502.71.31.40.90.2

注：各水平距離測點均在土壤深度10 cm處。

4 結 論

(1)不同季節土壤1.5 m深度處深層滲漏水中污染物濃度由高到低依次為：夏季>秋季>春季>冬季。

(2)在1.5 m深度處深層滲漏水中，CODCr、BOD5、TN、NH3—N和TP的最高截留率分別達到76.3%～88.1%、84.2%～89.2%、69.3%～76.8%、57.3%～63.1%和69.8%～78.6%；污染物濃度隨深度降低；在滴灌區域外邊緣，沿著水流的水平方向，各污染物衰減率逐漸增大。

(3)采用農村廢水再生滴灌，深層滲漏水中養分物質TN、TP的濃度較低，調節再生廢水濃度，可以控制污染物流入深層地下水，從而防止面源污染。