農(nóng)業(yè)院校試驗(yàn)田和水產(chǎn)養(yǎng)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(nóng)業(yè)大學(xué)校園建設(shè)與安全保衛(wèi)部,湖北 武漢 430070;2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢430070;3.武漢水之國(guó)環(huán)保科技有限公司,湖北 武漢 430070)

農(nóng)業(yè)面源污染是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的、未經(jīng)合理處置的污染物對(duì)水體、土壤和大氣及農(nóng)產(chǎn)品造成的污染,主要包括化肥、農(nóng)藥污染和畜禽糞便污染等,其來(lái)源主要是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中不合理使用而流失的農(nóng)藥和化肥、殘留在耕地中的農(nóng)用薄膜、處置不當(dāng)?shù)霓r(nóng)業(yè)畜禽糞便、惡臭氣體以及不科學(xué)的水產(chǎn)養(yǎng)殖等產(chǎn)生的水體污染物[1]。由于農(nóng)業(yè)面源污染來(lái)源廣泛,加之釋放過(guò)程具有不確定性,導(dǎo)致其治理難度較大,進(jìn)入水體后極易對(duì)受納水體水質(zhì)造成威脅[2]。

農(nóng)業(yè)院校因?qū)嵺`教學(xué)、科研等需要,校內(nèi)設(shè)立了農(nóng)林試驗(yàn)田以及畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖等基地[3],如不對(duì)其進(jìn)行合理處置,極易導(dǎo)致氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過(guò)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(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)[4-5]。因此,農(nóng)業(yè)院校污染排放具有典型的農(nóng)業(yè)面源污染特點(diǎn)。

“源頭控制為主、過(guò)程阻控與末端治理相結(jié)合”是當(dāng)前開(kāi)展農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)面源污染的“源頭減量(reduce)—過(guò)程阻斷(retain)—養(yǎng)分再利用(reuse)—生態(tài)修復(fù)(restore) ”策略(簡(jiǎn)稱“4R策略”);李家杰等[9]通過(guò)對(duì)龍景湖流域四大治理區(qū)域?qū)嵤┟嬖次廴局卫怼⑽廴舅蛐迯?fù)等7項(xiàng)綜合治理工程,其水質(zhì)得到了顯著改善;劉瑞霞等[10]針對(duì)河流生態(tài)緩沖帶的農(nóng)業(yè)面源污染阻控功能,梳理了河流生態(tài)緩沖帶的研究進(jìn)展;龔世飛等[11]研究表明,加大對(duì)農(nóng)業(yè)生活區(qū)和規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖基地的控制管理,構(gòu)建植被緩沖帶等減少水土流失措施,對(duì)有效防治丹江口核心水源區(qū)典型小流域的面源污染具有重要作用;楊辰等[12]通過(guò)對(duì)我國(guó)干熱河谷地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染進(jìn)行分析,提出了種植業(yè)優(yōu)化施肥技術(shù)、農(nóng)藥減量化技術(shù)、廢棄物處理和利用技術(shù)等面源污染防治技術(shù)。

本文圍繞某農(nóng)業(yè)院校試驗(yàn)田和水產(chǎn)養(yǎng)殖基地面源污染,結(jié)合已有面源污染防治技術(shù)和水體污染綜合治理思路,開(kāi)展了“污染源控制+水生態(tài)修復(fù)+水動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)建”的綜合治理實(shí)證研究,對(duì)于防治面源污染,提升水體水質(zhì),改善水域生態(tài)環(huán)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(nóng)業(yè)院校校內(nèi),東側(cè)緊臨城市湖泊,北側(cè)臨近3個(gè)水產(chǎn)養(yǎng)殖塘,南側(cè)為水產(chǎn)養(yǎng)殖試驗(yàn)基地,西側(cè)為全生態(tài)養(yǎng)殖試驗(yàn)塘、園林園藝試驗(yàn)基地、機(jī)電中心及學(xué)生宿舍等。待治理水域由1個(gè)水產(chǎn)養(yǎng)殖塘和3個(gè)自然水塘組成,由北向南依次編號(hào)為F-1號(hào)塘、1號(hào)塘、2號(hào)塘和3號(hào)塘,如圖1所示,總面積約為18 050 m2(27 畝)。該3個(gè)自然水塘此前均已進(jìn)行過(guò)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(gè)自然水塘,從北到南依次編號(hào)為4號(hào)塘、5號(hào)塘、6號(hào)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(dòng)性較差,連通條件有限,表現(xiàn)為納污型死水,且待治理水域周邊果園農(nóng)田及水產(chǎn)養(yǎng)殖塘污染源缺乏控制,長(zhǎng)期累積容易造成水體富營(yíng)養(yǎng)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(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、總體規(guī)劃、因地制宜、水系連通、多措并舉、綜合治理并堅(jiān)持科學(xué)、集約、高效、實(shí)用的技術(shù)原則, 技術(shù)路線如圖2所示。

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

通過(guò)引入多功能復(fù)合微生物菌劑,短期內(nèi)可實(shí)現(xiàn)水體中污染物指標(biāo)的大幅降低,提升待治理水體的水質(zhì);通過(guò)構(gòu)建多級(jí)立體生物強(qiáng)化生態(tài)系統(tǒng),引入微生物、植物和動(dòng)物等多種生態(tài)修復(fù)措施,可長(zhǎng)期有效削減面源污染物排入,穩(wěn)固、還原、提升水體的自凈能力,同時(shí)結(jié)合引水納污排澇適度改造工程,可打造健康自然水環(huán)境,穩(wěn)定水體水質(zhì),滿足水系灌溉需求,達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅳ類水及以上水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)末端排放口水體水質(zhì)達(dá)標(biāo)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(jù)水塘周邊地形地勢(shì)環(huán)境,在因地制宜、輕度改造的基本原則指導(dǎo)下,選用6號(hào)塘旁集水井作為末端排放口。池塘水系水流方向?yàn)镕-1號(hào)塘→1號(hào)塘→2號(hào)塘→3號(hào)塘→4號(hào)塘→5號(hào)塘→6號(hào)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(shí)線表示各塘之間已有連通位置;紫色實(shí)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(xiàng)目工程維護(hù)期,主要對(duì)已治理區(qū)域投加適量微生物菌劑以及對(duì)種植的水生植物進(jìn)行適時(shí)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(tài)系統(tǒng)構(gòu)建

針對(duì)一些成分復(fù)雜的水體,宜使用多種功能微生物構(gòu)建修復(fù)系統(tǒng),以克服單一功能微生物難以去除多種富營(yíng)養(yǎng)成分的缺陷[16]。投加微生物菌劑種類、頻次和用量主要依據(jù)水體水質(zhì)(目前水體污染物主要以COD和TP為主)以及污染負(fù)荷總量來(lái)確定。池塘水系治理期內(nèi)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(xì)菌和BioEcosys S1 Plus底泥降解菌。所使用的微生物菌種均完成了動(dòng)物試驗(yàn),并經(jīng)鑒定為環(huán)境安全友好型菌種。

1.4.2 水生植物生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建

水生植物生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建主要采取設(shè)置生態(tài)緩沖帶(種植挺水植物)、種植沉水植物、設(shè)置生態(tài)浮島、種植粉綠狐尾藻等措施。水生植物種植密度依據(jù)水體污染程度、水塘儲(chǔ)水量、實(shí)地調(diào)研類似工程經(jīng)驗(yàn)等因素綜合考量。

由于挺水植物具有抗風(fēng)力、耐污、去污、改善富營(yíng)養(yǎng)化水體水質(zhì)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(qū)逐步推進(jìn)種植挺水植物[17]。本文針對(duì)存在的農(nóng)田和果園面源徑流污染問(wèn)題,在3個(gè)水塘西側(cè)沿線布置濱水植物隔離帶,以提高水體對(duì)外來(lái)污染物的緩沖和降解能力,同時(shí)為微生物提供附著生長(zhǎng)條件,增強(qiáng)水體自凈系統(tǒng)的穩(wěn)定性;在南部待治理的1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)塘四周沿線設(shè)計(jì)挺水植物帶長(zhǎng)約400 m,總面積約為400 m2;在北部待治理的F-1號(hào)塘四周設(shè)計(jì)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(yú)草和水生鳶尾,種植密度為8叢/m2。

沉水植物作為水生環(huán)境的重要組成部分,具有修復(fù)效率高、單位成本低、生物量大和取材廣泛等優(yōu)點(diǎn)[18],沉水植物可通過(guò)其與浮游植物競(jìng)爭(zhēng)光照和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體[19]。在待治理的2號(hào)塘和3號(hào)塘種植沉水植物,選用的沉水植物包括苦草、馬來(lái)眼子菜和黑藻,種植密度為40株/m2。

生態(tài)浮島是基于無(wú)土栽培原理將水生植物栽種到水面浮島上的技術(shù),具有投資省、運(yùn)行維護(hù)方便、景觀效果好等優(yōu)勢(shì)[20]。生態(tài)浮島主體由水面植物和水中懸掛型生態(tài)填料兩部分構(gòu)成,水面上種植的水生植物形成人工植物浮床,水中生態(tài)填料為微生物生長(zhǎng)提供附著表面,植物與微生物協(xié)同作用,達(dá)到立體凈水的效果。在待治理的F-1號(hào)塘設(shè)計(jì)生態(tài)浮島系統(tǒng)2座,單座面積為40 m2,總面積為80 m2,并在F-1號(hào)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(jì)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(hào)塘遺留有約200 m2(20 m*10 m)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng),圍繞循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)布設(shè)生態(tài)浮島系統(tǒng),布設(shè)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(yīng)性強(qiáng)、耐污染能力強(qiáng)和增長(zhǎng)量快等優(yōu)點(diǎn),是污水生態(tài)處理和控制農(nóng)業(yè)面源污染的重要植物[21-22]。在富營(yíng)養(yǎng)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(hào)塘中部及北側(cè)設(shè)計(jì)粉綠狐尾藻強(qiáng)化凈化區(qū)域約為700 m2,主要用于強(qiáng)化去除F-1號(hào)塘排水及西側(cè)果園徑流排水中的污染物。同時(shí)在F-1號(hào)塘納污進(jìn)水口以及排水區(qū)域設(shè)計(jì)粉綠狐尾藻強(qiáng)化凈化區(qū)域約為200 m2,對(duì)納污口及排水口污染物進(jìn)行深度去除,粉綠狐尾藻凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)總面積約為900 m2,種植密度為200株/m2。粉綠狐尾藻凈化區(qū)域用圍網(wǎng)包圍,同時(shí)適時(shí)進(jìn)行耙撈收割,以防止過(guò)度蔓延。

1.4.3 水生動(dòng)物生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建

水生動(dòng)物生態(tài)系統(tǒng)可以保護(hù)和發(fā)展植食性的浮游動(dòng)物,抑制藻類的過(guò)度生長(zhǎng),利用浮游動(dòng)物對(duì)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(hào)、1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)塘投加水生動(dòng)物,主要放養(yǎng)魚(yú)類為鰱魚(yú)、鳙魚(yú)及鱖魚(yú),總計(jì)投放量約為36.1 kg,放養(yǎng)蚌類約為540 kg。具體投放量依據(jù)水塘儲(chǔ)水量、實(shí)地調(diào)研類似工程經(jīng)驗(yàn)等因素綜合考量。水生動(dòng)物投放規(guī)格和時(shí)間,如表1所示。

表1 水生動(dòng)物投放規(guī)格和時(shí)間

1.4.4 曝氣增氧系統(tǒng)構(gòu)建

溶解氧(DO)是衡量水環(huán)境質(zhì)量與生態(tài)系統(tǒng)健康的重要指標(biāo)[25]。曝氣即人工復(fù)氧,是采取手動(dòng)或自動(dòng)的方式向水體中補(bǔ)充空氣或純氧以增加水體中DO。曝氣技術(shù)在提升黑臭水體自凈能力方面發(fā)揮著重要的作用,對(duì)黑臭水體底泥微生物群落結(jié)構(gòu)組成及細(xì)菌數(shù)量有顯著的影響[26]。2號(hào)塘之前進(jìn)行過(guò)循環(huán)養(yǎng)殖,現(xiàn)場(chǎng)水體遺留有面積約200 m2(20 m×10 m)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng),對(duì)遺留曝氣系統(tǒng)進(jìn)行檢修維護(hù),在短時(shí)大量進(jìn)水極端條件下,適時(shí)開(kāi)啟曝氣系統(tǒng),短時(shí)增氧,以提高其去除污染物的能力。在1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)塘各布置1臺(tái)提水式曝氣機(jī),在F-1號(hào)塘布置2臺(tái)提水式曝氣機(jī),短時(shí)間內(nèi)快速提高水體中DO水平,增強(qiáng)水體系統(tǒng)氧化吸收有機(jī)污染物的能力,抑制底泥營(yíng)養(yǎng)元素氮磷釋放,防止水生態(tài)環(huán)境陷入“黑臭短路循環(huán)”;同時(shí),提水曝氣方式可以形成景觀噴泉效果,達(dá)到美化景觀的效果。為了保證極端情況下6號(hào)塘水體中DO水平,在6號(hào)塘布置了2臺(tái)潛水式曝氣機(jī),曝氣機(jī)功率為0.75 kW,增氧能力為0.3～0.5 kg O2/h。

2 研究結(jié)果與討論

經(jīng)過(guò)2020年10月至12月施工和初步治理,各塘水體水質(zhì)和景觀效果得到明顯的改善(圖5),通過(guò)水質(zhì)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)水體主要水質(zhì)指標(biāo)均得到了明顯提升,且均達(dá)到地表水Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。2021年1月至今,通過(guò)持續(xù)投放微生物菌種以及對(duì)種植的水生植物進(jìn)行適時(shí)收割,水體水質(zhì)完全達(dá)到了地表水Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),滿足末端排放口水體水質(zhì)排放要求。

圖5 池塘水系綜合整治前后實(shí)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(jiān)測(cè)結(jié)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(shì),見(jiàn)圖6。

圖6 池塘水系綜合治理前后水體中COD濃度變化趨勢(shì)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(hào)塘,其中COD濃度達(dá)到44.66 mg/L;在2020年11月項(xiàng)目工程施工中期階段,F-1號(hào)塘和1號(hào)至6號(hào)塘水體已基本完成連通流動(dòng),受F-1號(hào)塘養(yǎng)殖污水的影響,后端的3號(hào)、4號(hào)和5號(hào)塘水體中均不同程度地出現(xiàn)COD濃度指標(biāo)超標(biāo)的情況;項(xiàng)目工程至2020年12月15日竣工完成,此時(shí)水系末端6號(hào)塘排放口COD濃度為12.02 mg/L,達(dá)到了地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn);從2021年和2022年維護(hù)期數(shù)據(jù)來(lái)看,受前端F-1號(hào)塘存水的影響,1號(hào)塘和F-1號(hào)塘水體中COD濃度仍偏高,但隨著后端塘連續(xù)多級(jí)的營(yíng)養(yǎng)消耗,水體中COD濃度保持在穩(wěn)定達(dá)標(biāo)狀態(tài)。

2.2 水體中氨氮濃度監(jiān)測(cè)結(jié)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(shì),見(jiàn)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(shì)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(wěn)定在1 mg/L以下,工程竣工時(shí)末端排放口氨氮濃度為1.27 mg/L,達(dá)到了地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。部分池塘某些時(shí)刻水體中氨氮濃度指標(biāo)超標(biāo),這主要是受雨季排水和地表徑流污染的影響,但隨著各級(jí)池塘的不斷消納,水體水質(zhì)基本可以在短時(shí)間內(nèi)迅速恢復(fù),使得水體中氨氮濃度保持穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

2.3 水體中總磷濃度監(jiān)測(cè)結(jié)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(shì),見(jiàn)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(shì)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(xiàng)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(dòng),受F1號(hào)塘養(yǎng)殖水的影響,水系多級(jí)后端池塘水體中TP濃度均出現(xiàn)超標(biāo)的問(wèn)題,其中TP最高濃度出現(xiàn)在4號(hào)塘,為0.384 mg/L;工程竣工時(shí)末端排放口TP濃度為0.098 mg/L,達(dá)到了地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。在項(xiàng)目工程竣工完成到后期維護(hù)階段,水系前端F-1號(hào)和1號(hào)塘水體中TP濃度時(shí)常超標(biāo),但隨著水系各級(jí)池塘的不斷消納,通過(guò)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(wěn)定在0.1 mg/L以下,達(dá)到末端排放口水質(zhì)排放要求。

綜合對(duì)水體中COD、氨氮和TP濃度檢測(cè)結(jié)果的分析可知:工程治理結(jié)束初期,由于存量雜草清理控制、生態(tài)緩沖帶有效阻隔、投放微生物菌劑等措施,能夠在短期內(nèi)有效控制受納水體水質(zhì);項(xiàng)目工程治理維護(hù)期,由于水生動(dòng)植物生態(tài)系統(tǒng)的綜合作用,水體水質(zhì)持續(xù)好轉(zhuǎn)。

3 結(jié) 論

1) 通過(guò)實(shí)地調(diào)查和測(cè)算,分析了治理水域存在的農(nóng)田果園地表徑流和水產(chǎn)養(yǎng)殖等面源污染問(wèn)題,綜合水域特點(diǎn)和末端排放口水質(zhì)排放要求,采用微生物技術(shù)、水生生物系統(tǒng)、曝氣技術(shù)等綜合治理措施,能夠有效解決面源污染導(dǎo)致的水體富營(yíng)養(yǎng)化等問(wèn)題。

2) 在項(xiàng)目工程治理期,通過(guò)構(gòu)建微生物生態(tài)系統(tǒng)、水生植物生態(tài)系統(tǒng)、水生動(dòng)物生態(tài)系統(tǒng)、納污引水連通系統(tǒng)、曝氣增氧系統(tǒng)等,實(shí)現(xiàn)了削減面源污染物排入、增強(qiáng)水體的自凈能力、提升水體水質(zhì)等目標(biāo),工程竣工時(shí)末端排放口COD、氨氮和TP濃度為12.02、1.27、0.098 mg/L,均達(dá)到了地表水Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

3) 在項(xiàng)目工程維護(hù)期,各池塘水體中COD、氨氮和TP濃度呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài),但隨著水生態(tài)系統(tǒng)中各級(jí)池塘的不斷消納、水生動(dòng)植物系統(tǒng)的強(qiáng)化作用,面源污染綜合治理體系的治理效果逐漸顯現(xiàn),末端排放口水體中COD、氨氮和TP的濃度均達(dá)到地表水Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。