不同種植季三塘生態治理工程處理農田退水效能分析

范亞駿 蔡 穎 何成達 宋玉君 季俊杰

1.揚州大學環境科學與工程學院，江蘇 揚州 225127；2.江蘇省環境工程技術有限公司，江蘇 南京 210000；3.江蘇美景時代環保科技有限公司，江蘇 揚州 225100

0 引言

隨著我國農業和農村經濟的快速發展，化肥、農藥等農用化學品投入逐年增加，導致農業面源污染問題嚴重。相較于點源污染，面源污染具有隨機、多源、面廣等特點，控制農業面源污染成為解決我國水環境和農村用水問題的關鍵。農田退水排入河流、湖泊，會造成水體富營養化，成為農業面源污染的主要輸出途徑之一。諸多研究表明，農田退水中的氮、磷元素含量在不同程度上超過了地表水環境質量標準，但是對有關有機物的遷移轉化規律研究較少，且缺乏對小麥種植季農田退水治理效果的對比分析［1-2］。

筆者選定江蘇省揚州市某農田集中區為研究區。當地利用溝渠、蘆葦灘地建設表流人工濕地，將污染物攔截和末端生態治理相結合，實現農田退水“蓄、凈、排”的設計目標。當地采用“蓄、凈、排”的創新技術體系，構建一種新型的“三級階梯式”三塘生態治理工程：將自然降水和農業灌溉后形成的農田退水引入生態攔截渠，滯留1～3 d后引入三塘生態治理區，經充分停留后進入受納水體。筆者通過考察不同種植季（水稻種植季、小麥種植季）農田退水生態治理工程的治理效果，探索效益高、造價低、可持續的農田退水生態治理方式。

1 試驗材料與方法

1.1 樣品采集方法

研究工程收集農田退水總面積約為9.3 hm2，農田退水生態治理工程占地約0.2 hm2。研究區土地利用方式包括農田、灌排溝渠、田埂道路、泵房和自然濕地5 種類型。其中，農田占比約95.7%，灌排溝渠總長約520 m，自然濕地占地約1 390 m2，泵房占地約20 m2。研究區種植模式以“一稻一麥”輪作為主。

連續水質監測采樣點在農田、生態治理工程中均有分布。其中，農田水質采樣依托于22 支農田退水采樣管，主要分布于農田退水渠邊。生態治理工程中有3個采樣點分布于生態攔截渠，另有3個采樣點分布于“三級階梯式”三塘生態治理工程，1 個采樣點位于生態治理工程的出水口。對研究區共進行了12 次水質采樣，均為雨后采樣。其中，水稻種植季采樣7 次，采集水樣24 個，采樣時間為2021 年9—10 月和2022 年6—9 月；小麥種植季采樣5 次，采集水樣45 個，采樣時間為2021年1—5月。

1.2 分析檢測方法

化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）采用快速消解儀（TE-5102G）測定，氨氮（NH3-N）、總磷（Total phosphorus，TP）質量濃度采用納氏試劑分光光度法和鉬銻抗分光光度法測定，pH值用哈希便攜式pH計（WTW pH/Oxi 340i）測定。根據各次采樣檢測結果，分析農田退水從農田到生態治理工程的污染物濃度和去除率等情況，并以《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）中的Ⅳ類水作為達標標準。

2 試驗結果與分析

2.1 農田退水污染物變化

2.1.1 水稻種植季

由圖1 可知，水稻種植季農田退水pH 值在6.84～7.81 范圍內波動，在10 月呈現強堿性；COD 質量濃度范圍為21.32～74.2 mg/L，僅有8 個樣品低于Ⅳ類標準，即超標率（未達到Ⅳ類標準，下同）為66.67%，且7—8 月水質惡化嚴重，出現了V 類和劣V 類水質；TP最高值為0.32 mg/L，最低值為0.02 mg/L，超標率僅為4.17%，且超過83%的樣品可以滿足Ⅲ類標準；NH3-N質量濃度與COD 質量濃度變化趨勢相似，2021 年9—10月和2022年6月水質較好（最低值為0.34 mg/L），而2022 年7—8 月NH3-N 質量濃度急劇上升（最高值可達到14.16 mg/L，超標率為20.83%），2022 年9 月NH3-N 質量濃度呈現下降趨勢，出水可滿足Ⅲ類標準。該現象與廖偉［3］的研究結果相似，即受水稻栽培農事活動（如施肥時間）的影響，水稻種植季農田退水過程中TN 的遷移速度高于TP。整體上，農田水樣基本可以滿足Ⅳ類水，且V 類和劣V 類水質主要出現在7—8月；從超標率上看，水稻種植季農田退水主要污染因子為COD。

圖1 水稻種植季不同采樣時間點的污染物質量濃度

2.1.2 小麥種植季

由圖2 可知，農田退水pH 值在6.62～8.11 范圍內波動，且大部分時間段屬于堿性水質；COD 質量濃度最高值為84 mg/L，最低值18.6 mg/L，僅有10 組樣品水質低于Ⅳ類標準，超標率為77.78%；相比水稻種植季，TP 質量濃度波動范圍較大（0.04～1.11 mg/L），超標率為42.22%，當然仍有28%的樣品可以滿足Ⅲ類標準；NH3-N 質量濃度為0.26～8.89 mg/L，且在同一個月內波動較大，超標率為65.91%。因此，整個小麥種植季農田退水的水質幾乎為V 類和劣V 類，且COD、TP、NH3-N的超標率相對較高，3個指標均為主要污染因子。

圖2 小麥種植季不同采樣時間點的污染物質量濃度

2.2 生態治理過程污染物去除效果分析

2.2.1 水稻種植季

由圖3 可知，在水稻種植季，生態攔截渠中農田退水COD 質量濃度在22.8～33.6 mg/L 范圍內波動，平均值為27.7 mg/L，經過三塘生態治理區后，出水COD質量濃度降為23.93 mg/L；經生態攔截渠、三塘生態治理區處理后，農田退水TP 平均質量濃度分別降低至0.07、0.05 mg/L；生態攔截渠中農田退水NH3-N 平均質量濃度為0.94 mg/L，隨后經三塘生態治理區又得到進一步去除（如2022 年7 月，NH3-N 質量濃度從3.28 mg/L 降到0.33 mg/L），農田退水NH3-N 平均質量濃度僅為0.62 mg/L；農田退水pH值在6.8～8.0范圍內波動，受季節影響不大。很明顯，受農田退水碳源不足的限制，TP 很難通過生物除磷被進一步高效吸收，而氧氣作為NH3-N 硝化的主要限制因素，致使生物反硝化效果差。因此，強化農田退水過程深度脫氮除磷技術應用具有重要的價值［4］。

圖3 水稻種植季不同采樣時間點的污染物演變規律

生態攔截渠整體出水水質為Ⅳ類，其中COD是主要的超標因子，而經三塘生態治理區后出水的TP、NH3-N 質量濃度可達到Ⅲ類水質標準。通過計算去除率可知，COD 平均去除率相對較低，僅為34.6%；TP平均去除率次之，為46.1%；NH3-N 平均去除率最高，為58.9%。因此，在水稻種植季三塘生態治理對農田退水NH3-N的去除性能相對較好。

2.2.2 小麥種植季

由圖4可知，生態攔截渠和三塘生態治理區pH值在7.0～8.0范圍內波動，同樣受季節影響不大；出水平均COD質量濃度從31.07 mg/L（生態攔截渠）降到25.54 mg/L（三塘生態治理區），主要借助水生植物對有機物的吸附、凈化作用，其中沉水植物介導形成的微環境結構更為復雜，能夠表現出較為穩定持續的水質凈化潛力［5］。生態攔截渠中TP 質量濃度在0.03～0.15 mg/L范圍內波動，而在三塘生態治理區質量濃度降為0.05～0.09 mg/L；NH3-N質量濃度整體相對較高，在生態攔截渠、三塘生態治理區平均值高達2.21、1.36 mg/L，是主要的超標因子。

圖4 小麥種植季不同采樣時間點的污染物演變規律

在小麥種植季，生態攔截渠、三塘生態治理區出水水質可達到Ⅳ類標準類，與水稻種植季相似，COD、TP、NH3-N 平均去除率呈現上升趨勢，分別為40.4%、42.6%、54.8%。盡管NH3-N 去除率較高，但NH3-N 質量濃度的超標導致整體水質降為V類或劣V類。

3 結論與討論

在水稻種植季，農田水樣基本可以達到Ⅳ類水，且V 類和劣V 類水質主要出現在7—8 月；在小麥種植季，農田退水以V類和劣V類水質為主，經三塘生態治理工程處理的農田退水基本能達到Ⅳ類水質。三塘生態治理工程對農田退水主要污染物具有較好的去除效果，可作為一種易復制推廣的農業面源污染治理方式。