山西运城农业水体污染特征分析与污染治理模式探讨

葛红林

摘 要：通过对山西省运城市主要农业灌溉水体中DO、ORP、NH3-N、PO43--P等黑臭指数的影响，以及新沉积物对农业上覆水中NH3-N、PO43--P的释放特性进行研究，明确农业水体污染的特征，并制定污染治理策略，在消除历史污染的同时，降低新污染的积累速度。

关键词：农业灌溉水体；黑臭水体；底泥污染；溶解氧；氨氮

中图分类号：X52 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）01–0-03

从农业生态环境方面分析，目前山西省既有工业污染，又有农区水污染，导致农产品质量安全受到严重威胁。根据山西省运城地区农业环境保护监测站2020年的数据：全省重度受污染耕地有800 km2，且以汾河流域太原、临汾、运城为主要粮棉产区[1]。所以在山西省加大对农业水质的控制力度十分重要。据生态环境部统计，2020年年底，我国农业中的黑臭水体消除率已达98.20%[2]。黑臭水体主要是由于新产生的沉积物中富含有机污染物，经微生物分解腐化，耗损水中溶解氧，使得其处于厌氧状态，并产生氨氮、硫化氢和硫醇等还原性气体，硫化氢等还会与亚铁、锰等离子发生化学反应，产生亚铁等黑色物质，水体反复黑臭，导致前期治理效果难以持续。通过对运城地区主要农田灌溉用新形成的新生沉积物对上覆水中DO、ORP及其他黑臭指数的影响，分析了水体释放NH3-N和PO43--P的特点，并从长期保持水质的观点出发，提出了适宜的治理方案。

1 山西运城主要农业灌溉水体污染现状

山西省运城市在古代被称为“河东”，地处山西省最南端、黄土高原东南边缘、汾河平原最为宽广的地区；面积14 230 km?，作为欧亚大陆桥的重要组成部分，是我国“西部大开发”“中部崛起”的核心区域，在全国的区域发展格局中有着举足轻重的作用[3]。然而，由于农用水的污染，运城水体富营养化现象严重，对居民的生活、生产造成了很大的影响。目前流域内的耕地平均化肥施用量已经从1979年的244.50 kg/hm2增加到了667.50 kg/hm2，远远超过发达国家为了防止化肥对水体的污染所制定的225 kg/hm2的安全限度。

2 山西运城农业灌溉水体底泥污染释放特征研究

2.1 试验材料

试验用的底泥是A、B、C三条已经完成了黑臭治理的农业水体底泥，分别采样于伍姓湖接纳姚暹渠入口段、涑水河永济韩阳镇入黄口段，汾河河津蔡村乡段。三条水体在处理时均已进行了沉积物的清理，以确保实验所用的沉积物为初生沉积物，其水质指标具体如下：

2.2 试验方法

实验设备是4个高50 cm、直径15 cm的有机玻璃圆柱形反应器。在实验中，以1∶2的比例将沉积物和水混合，并设1组不含沉积物的空白对照组。对实验装置进行了避光处理，在沉积物试验组进行了静态试验，在沉积物试验中，利用虹吸式的方法，将脱水缓慢地注入盛放沉积物的容器，以防止由于水流的撞击而引起DO的异常波动，并进行静态测定[4]。

3 结果与分析

3.1 沉积物对农业水体黑臭的影响

结果显示，在不含沉积物的对照组中，通过避光和密闭措施，防止藻类和微生物的光合作用，使得水体中的DO维持在4.0 mg/L左右，ORP在90 mV左右，无明显变化。但是，在加入新的沉积物后，DO、ORP的含量明显下降，A组的DO快速下降至大约1.5 mg/L，ORP仅为10 mV；B组将DO降到0.60 mg/L，C组将ORP降到-30 mV。3个实验区上覆水的溶解氧、溶解氧含量都已经达到了严重的黑臭程度，B、C这2个实验区在兩年以上的新沉积物处理下，其溶解氧、溶解氧含量的变化比A实验区一年以上的更明显。在厌氧环境中，有机物被微生物转化成还原状态，导致底泥具有较强的还原状态，伴随着厌氧胁迫的加剧，底泥中ORP降低[5]。因此，在三处水体的新生沉淀物加入上覆水后，在试验前期，水中的DO和ORP会快速而大幅度地下降，并造成水体的严重黑臭。

3.2 新沉积物在农业水体富营养化中的作用

无机氮和总磷是判断水体富营养化等级的重要指标，在沉积物中的氮磷主要以氨氮（NH3-N）和正磷酸盐（PO43--P）的形式向上覆水体释放，图1和图2展示了新生沉积物向水体释放NH3-N和PO43--P的特征变化曲线。

从图1和图2可以看出，在空白试验组原水中，NH3-N保持不变。在添加新沉积物后，3组实验中NH3-N、PO43--P的含量都在一段时间内迅速升高，随着试验时间的增加，试验结果有明显的波动。其中，A组NH3-N浓度最高为3.6 mg/L，而PO43--P浓度最高为0.26 mg/L；B组中NH3-N最高为4.4 mg/L，PO43--P最高为0.36 mg/L；C组NH3-N浓度最高为5.6 mg/L，PO43--P浓度最高为0.44 mg/L。NH3-N和PO43--P浓度的剧烈波动，主要是由于沉积物对污染物起到了释放和吸附的双重作用，新沉积物会受到环境物理条件和微生态环境的影响，NH3-N和PO43--P处于一个动态平衡的状态，最后表现出稳定的波动。

可以看出，3组试验上覆水中的NH3-N浓度都达到了黑臭或轻微黑臭的程度，也就是说，新生沉积物引起的氨氮浓度超过黑臭极限的危险是比较低的。然而，在我国，TN和TP分别在2.0和0.2 mg/L以上时，已被认定为重度富营养。结果表明，在3个新的沉积物释放实验中，上覆水体均为重度富营养化。A、B和C等3个水体，在沉积物释放较好的春季和夏季，容易由于氮和磷浓度过高而造成蓝藻大量繁殖，并有暴发的危险。水华暴发后，不但会在水面上产生“藻体浮渣”，对水质产生不良影响，而且还会引起水生动植物死亡，对水生态环境产生极大的危害[6]；同时，大量蓝藻死亡和腐化，也会造成水中溶氧量的减少，最后造成水中的黑色和臭味。

从全面分析中可以发现，DO和ORP的波动规律是一样的，但与PO43--P的波动恰好相反，即DO和ORP的降低对PO43--P的释放有利，而DO和ORP的升高对PO43--P的吸收更有利。这主要是因为在无溶氧和无硝酸盐的厌氧环境下，沉积物中的多聚磷菌能在无溶氧和无硝酸盐的情况下分解成PO43--P；在有氧或有硝酸盐存在时，聚磷菌能降解PHB，并将PO43--P吸附到生物体内[7]。因此，DO、ORP对水环境中的磷有很大的影响。保持沉积物的好氧状态，或者提高沉积物的ORP，可以有效地抑制PO43--P的释放，进而控制水体富营养化。

4 山西运城农业灌溉水体污染治理模式探讨

4.1 治理流程

针对山西运城农业灌溉水体污染的地域特点，以及农业灌溉水体黑臭问题，采用农业土壤中的粗、细砾石和人工填埋的生物填料作为过滤材料，通过对农业水环境的植被吸附、微生物代谢等过程，去除农业水中的有机质，提高农业水环境质量。同时，为了降低水中悬浮物浓度、农业污水堵塞的概率和生物填料颗粒的更换次数，在农业污水进水前端增加沉淀设备，具体工艺流程图如图3所示。

4.2 科學耕作防止化肥污染

施肥的重点是确定合适的氮肥用量。目前主要采用田间肥料试验或土壤与植株测，但该实验具有较大的空间变异性，对参数要求较高，且需要大量的野外实验和土木实验。对于我国作物生产而言，按面积计算氮肥施用量、损失量和产量，并在此基础上确定地区的氮肥施用量比较合适[8]。

适时施肥，将作物的最大需肥峰和最大供肥峰相结合，充分发挥肥料的效用。在此基础上，采取科学的施肥方式，坚持深施，并采取节灌等措施，降低氮的损失，提高施肥的科学性。深施对氨挥发和径流损失有利，相关研究表明，在土壤深度8～10 cm范围内，深施比表施的肥效高出1倍左右[9]。

4.3 末端治理和回收

控制径流是治理氮素污染的一项重要措施。通过对水资源的优化管理，如在旱地上使用肥水结合技术，在稻田上使用节水灌溉技术，在坡耕地上使用保护性耕作等。构建农业灌溉沟渠系统，利用生态沟渠紧密联系各个农业区域，根据土壤养分含量和作物种类的需肥规律和特征，对农业水分和养分展开综合调控和一体化管理，实现以水促肥、水肥耦合，提高水、养分的利用效率。同时，水中的氮在经过农业排水沟渠运输进入受纳水体之前，在迁移转化的过程中会被截留，从而减少进入水体的污染负荷。

5 结论

造成农业污水黑臭的原因是多方面的，因此，必须坚持系统性、合理性、科学性、经济性的原则，并根据不同类型的农业废水，采取相应的处理措施。降低排入农业污水内的DO、ORP、NH3-N、PO43--P等黑臭指数，从而对农业污水污染进行有效控制，解决农业污水的黑臭问题，消除劣V类水体，提高居民的生活质量。

参考文献

[1] 黎广，占明飞，王伟，等.黑臭水体污染特征分析及综合治理方案设计研究[J].皮革制作与环保科技，2023，4（11）： 95-97.

[2] 韩东升.坚持“点线面”统筹融合：山西省大同市审计局开展忻州市水环境保护和水污染防治工作专项审计服务黄河流域生态环保[J].中国审计，2022（7）：30-31.

[3] 解园.《山西省汾河保护条例》出台[J].山西水利，2022（1）：15.

[4] 山西省人民政府办公厅关于印发我省2022—2023年水环境、空气质量再提升和土壤、地下水污染防治行动计划的通知[J].山西省人民政府公报，2022（12）：38.

[5] 尤小艳.山西运城盆地地下水污染现状及防治建议[J].华北自然资源，2019（5）：117-119.

[6] 郑全兴，赵学军.农村水环境污染分析及治理对策探讨[J].城镇供水，2020（5）：76-80，95.

[7] 殷文静，杨学亮.地下水污染防治在我国水体污染控制与治理中的措施分析[J].新型工业化，2021，11（11）：35-36，39.

[8] 刘涛，崔永正，李继霞.基于水污染视角的中国农业生态用水效率及其影响因素[J].水土保持研究，2021，28（5）： 301-307.

[9] 杨士荣，狄帆.基于模糊划分理论的山西省多层次水资源系统评价[J].水电能源科学，2020，38（12）：33-36.