农业院校试验田和水产养殖基地面源污染的综合治理

罗晓峰,张永卓,刘广龙,周 闯

(1.华中农业大学校园建设与安全保卫部,湖北 武汉 430070;2.华中农业大学资源与环境学院,湖北 武汉430070;3.武汉水之国环保科技有限公司,湖北 武汉 430070)

农业面源污染是指在农业生产过程中产生的、未经合理处置的污染物对水体、土壤和大气及农产品造成的污染,主要包括化肥、农药污染和畜禽粪便污染等,其来源主要是农业生产过程中不合理使用而流失的农药和化肥、残留在耕地中的农用薄膜、处置不当的农业畜禽粪便、恶臭气体以及不科学的水产养殖等产生的水体污染物[1]。由于农业面源污染来源广泛,加之释放过程具有不确定性,导致其治理难度较大,进入水体后极易对受纳水体水质造成威胁[2]。

农业院校因实践教学、科研等需要,校内设立了农林试验田以及畜禽养殖、水产养殖等基地[3],如不对其进行合理处置,极易导致氮磷等营养物质通过地表径流、尾水排放等途径输入到自然水体,存在潜在的水环境污染风险[4-5]。因此,农业院校污染排放具有典型的农业面源污染特点。

“源头控制为主、过程阻控与末端治理相结合”是当前开展农业面源污染防控的主要途径[6]。面源污染治理模式是水土流失和氮磷流失控制的综合工程[7]。杨林章等[8]阐述了从全局防控农业面源污染的“源头减量(reduce)—过程阻断(retain)—养分再利用(reuse)—生态修复(restore) ”策略(简称“4R策略”);李家杰等[9]通过对龙景湖流域四大治理区域实施面源污染治理、污染水域修复等7项综合治理工程,其水质得到了显著改善;刘瑞霞等[10]针对河流生态缓冲带的农业面源污染阻控功能,梳理了河流生态缓冲带的研究进展;龚世飞等[11]研究表明,加大对农业生活区和规模化畜禽养殖基地的控制管理,构建植被缓冲带等减少水土流失措施,对有效防治丹江口核心水源区典型小流域的面源污染具有重要作用;杨辰等[12]通过对我国干热河谷地区农业面源污染进行分析,提出了种植业优化施肥技术、农药减量化技术、废弃物处理和利用技术等面源污染防治技术。

本文围绕某农业院校试验田和水产养殖基地面源污染,结合已有面源污染防治技术和水体污染综合治理思路,开展了“污染源控制+水生态修复+水动力系统构建”的综合治理实证研究,对于防治面源污染,提升水体水质,改善水域生态环境和景观效果具有重要意义。

1 水域概况与综合治理方案

1.1 水域概况

待治理水域位于某农业院校校内,东侧紧临城市湖泊,北侧临近3个水产养殖塘,南侧为水产养殖试验基地,西侧为全生态养殖试验塘、园林园艺试验基地、机电中心及学生宿舍等。待治理水域由1个水产养殖塘和3个自然水塘组成,由北向南依次编号为F-1号塘、1号塘、2号塘和3号塘,如图1所示,总面积约为18 050 m2(27 亩)。该3个自然水塘此前均已进行过清淤处理,平均水深约为1.5～2.0 m,底泥厚度约20～30 cm。已完成治理水域包含3个自然水塘,从北到南依次编号为4号塘、5号塘、6号塘,如图1所示,总面积约为18 150 m2。待治理水域及已完成治理水域水系之间流动性较差,连通条件有限,表现为纳污型死水,且待治理水域周边果园农田及水产养殖塘污染源缺乏控制,长期累积容易造成水体富营养化。

图1 水域布局图Fig.1 Layout diagram of water area

1.2 污染源分析

1.3 池塘水系综合治理方案

池塘水系综合治理坚持生态优先、总体规划、因地制宜、水系连通、多措并举、综合治理并坚持科学、集约、高效、实用的技术原则, 技术路线如图2所示。

图2 池塘水系综合治理技术路线Fig.2 Technical route of pond water system integrated control

通过引入多功能复合微生物菌剂,短期内可实现水体中污染物指标的大幅降低,提升待治理水体的水质;通过构建多级立体生物强化生态系统,引入微生物、植物和动物等多种生态修复措施,可长期有效削减面源污染物排入,稳固、还原、提升水体的自净能力,同时结合引水纳污排涝适度改造工程,可打造健康自然水环境,稳定水体水质,满足水系灌溉需求,达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅳ类水及以上水质标准,实现末端排放口水体水质达标的要求。

1.4 工程治理措施

池塘水系治理期为2020年10月至12月,总平面布置图如图3所示。根据水塘周边地形地势环境,在因地制宜、轻度改造的基本原则指导下,选用6号塘旁集水井作为末端排放口。池塘水系水流方向为F-1号塘→1号塘→2号塘→3号塘→4号塘→5号塘→6号塘→末端排放口,如图4所示。其中,黑色箭头线表示水系整体水流方向;黄色实线表示各塘之间已有连通位置;紫色实线表示已有排水渠位置;粉色虚线表示新建涵管位置。2021年1月至2022年10月为项目工程维护期,主要对已治理区域投加适量微生物菌剂以及对种植的水生植物进行适时收割。

图3 池塘水系综合治理工程总平面布置图Fig.3 General layout diagram of the pond water system integrated control engineering

图4 池塘水系连通及纳污引水示意图Fig.4 Schematic diagram of the pond water system connection and sewage diversion

1.4.1 微生物生态系统构建

针对一些成分复杂的水体,宜使用多种功能微生物构建修复系统,以克服单一功能微生物难以去除多种富营养成分的缺陷[16]。投加微生物菌剂种类、频次和用量主要依据水体水质(目前水体污染物主要以COD和TP为主)以及污染负荷总量来确定。池塘水系治理期内使用微生物菌剂包括BioEcosys P1 Plus控磷组合菌、BioEcosys F3 Plu先锋菌种、BioEcosys O1 Plus 除臭菌种、BioEcosys N1 Plus硝化细菌和BioEcosys S1 Plus底泥降解菌。所使用的微生物菌种均完成了动物试验,并经鉴定为环境安全友好型菌种。

1.4.2 水生植物生态系统构建

水生植物生态系统构建主要采取设置生态缓冲带(种植挺水植物)、种植沉水植物、设置生态浮岛、种植粉绿狐尾藻等措施。水生植物种植密度依据水体污染程度、水塘储水量、实地调研类似工程经验等因素综合考量。

由于挺水植物具有抗风力、耐污、去污、改善富营养化水体水质等功能,且其抗性大于其他水生植物,因此可以从岸边浅水区逐步推进种植挺水植物[17]。本文针对存在的农田和果园面源径流污染问题,在3个水塘西侧沿线布置滨水植物隔离带,以提高水体对外来污染物的缓冲和降解能力,同时为微生物提供附着生长条件,增强水体自净系统的稳定性;在南部待治理的1号、2号、3号塘四周沿线设计挺水植物带长约400 m,总面积约为400 m2;在北部待治理的F-1号塘四周设计挺水植物隔离带约为300 m,总面积约为300 m2。选用的挺水植物品种包括水生美人蕉、梭鱼草和水生鸢尾,种植密度为8丛/m2。

沉水植物作为水生环境的重要组成部分,具有修复效率高、单位成本低、生物量大和取材广泛等优点[18],沉水植物可通过其与浮游植物竞争光照和营养物质来净化富营养化水体[19]。在待治理的2号塘和3号塘种植沉水植物,选用的沉水植物包括苦草、马来眼子菜和黑藻,种植密度为40株/m2。

生态浮岛是基于无土栽培原理将水生植物栽种到水面浮岛上的技术,具有投资省、运行维护方便、景观效果好等优势[20]。生态浮岛主体由水面植物和水中悬挂型生态填料两部分构成,水面上种植的水生植物形成人工植物浮床,水中生态填料为微生物生长提供附着表面,植物与微生物协同作用,达到立体净水的效果。在待治理的F-1号塘设计生态浮岛系统2座,单座面积为40 m2,总面积为80 m2,并在F-1号塘种植浮叶植物,浮叶植物选用睡莲等,单座种植面积为10 m2,总计种植10座,总种植面积为100 m2,种植密度为1～2丛/m2;待治理的2号塘遗留有约200 m2(20 m*10 m)循环水养殖系统,围绕循环养殖系统布设生态浮岛系统,布设面积为50 m2,选用的浮岛水生植物种类主要为水生美人蕉、鸢尾和再力花,种植密度为8丛/m2。

粉绿狐尾藻是多年生沉水或浮水草本植物,具有适应性强、耐污染能力强和增长量快等优点,是污水生态处理和控制农业面源污染的重要植物[21-22]。在富营养化水体中种植粉绿狐尾藻,是一种较为理想的控藻方法[23]。在待治理的1号塘中部及北侧设计粉绿狐尾藻强化净化区域约为700 m2,主要用于强化去除F-1号塘排水及西侧果园径流排水中的污染物。同时在F-1号塘纳污进水口以及排水区域设计粉绿狐尾藻强化净化区域约为200 m2,对纳污口及排水口污染物进行深度去除,粉绿狐尾藻净化系统设计总面积约为900 m2,种植密度为200株/m2。粉绿狐尾藻净化区域用围网包围,同时适时进行耙捞收割,以防止过度蔓延。

1.4.3 水生动物生态系统构建

水生动物生态系统可以保护和发展植食性的浮游动物,抑制藻类的过度生长,利用浮游动物对浮游藻类的滤食作用,可以有效减除水体中的藻类,提高水体透明度[24]。在F-1号、1号、2号、3号塘投加水生动物,主要放养鱼类为鲢鱼、鳙鱼及鳜鱼,总计投放量约为36.1 kg,放养蚌类约为540 kg。具体投放量依据水塘储水量、实地调研类似工程经验等因素综合考量。水生动物投放规格和时间,如表1所示。

表1 水生动物投放规格和时间

1.4.4 曝气增氧系统构建

溶解氧(DO)是衡量水环境质量与生态系统健康的重要指标[25]。曝气即人工复氧,是采取手动或自动的方式向水体中补充空气或纯氧以增加水体中DO。曝气技术在提升黑臭水体自净能力方面发挥着重要的作用,对黑臭水体底泥微生物群落结构组成及细菌数量有显著的影响[26]。2号塘之前进行过循环养殖,现场水体遗留有面积约200 m2(20 m×10 m)循环水养殖系统,对遗留曝气系统进行检修维护,在短时大量进水极端条件下,适时开启曝气系统,短时增氧,以提高其去除污染物的能力。在1号、2号、3号塘各布置1台提水式曝气机,在F-1号塘布置2台提水式曝气机,短时间内快速提高水体中DO水平,增强水体系统氧化吸收有机污染物的能力,抑制底泥营养元素氮磷释放,防止水生态环境陷入“黑臭短路循环”;同时,提水曝气方式可以形成景观喷泉效果,达到美化景观的效果。为了保证极端情况下6号塘水体中DO水平,在6号塘布置了2台潜水式曝气机,曝气机功率为0.75 kW,增氧能力为0.3～0.5 kg O2/h。

2 研究结果与讨论

经过2020年10月至12月施工和初步治理,各塘水体水质和景观效果得到明显的改善(图5),通过水质检测发现水体主要水质指标均得到了明显提升,且均达到地表水Ⅳ类水水质标准。2021年1月至今,通过持续投放微生物菌种以及对种植的水生植物进行适时收割,水体水质完全达到了地表水Ⅳ类水水质标准,满足末端排放口水体水质排放要求。

图5 池塘水系综合整治前后实景图Fig.5 Real view of the pond water system before and after integrated control

2.1 水体中COD浓度监测结果与讨论

池塘水系综合治理前后水体中COD浓度的变化趋势,见图6。

图6 池塘水系综合治理前后水体中COD浓度变化趋势Fig.6 Trend of COD concentration changes in the pond water system before and after integrated control

由图6可知:在池塘水系治理之前,COD污染浓度最高的水塘为F-1号塘,其中COD浓度达到44.66 mg/L;在2020年11月项目工程施工中期阶段,F-1号塘和1号至6号塘水体已基本完成连通流动,受F-1号塘养殖污水的影响,后端的3号、4号和5号塘水体中均不同程度地出现COD浓度指标超标的情况;项目工程至2020年12月15日竣工完成,此时水系末端6号塘排放口COD浓度为12.02 mg/L,达到了地表水Ⅳ类标准;从2021年和2022年维护期数据来看,受前端F-1号塘存水的影响,1号塘和F-1号塘水体中COD浓度仍偏高,但随着后端塘连续多级的营养消耗,水体中COD浓度保持在稳定达标状态。

2.2 水体中氨氮浓度监测结果与讨论

池塘水系综合治理前后水体中氨氮浓度的变化趋势,见图7。

图7 池塘水系综合治理前后水体中氨氮浓度的变化趋势Fig.7 Trend of ammonia nitrogen concentration changes in the pond water system before and after integrated control

由图7可以看出:水体中氨氮浓度基本稳定在1 mg/L以下,工程竣工时末端排放口氨氮浓度为1.27 mg/L,达到了地表水Ⅳ类标准。部分池塘某些时刻水体中氨氮浓度指标超标,这主要是受雨季排水和地表径流污染的影响,但随着各级池塘的不断消纳,水体水质基本可以在短时间内迅速恢复,使得水体中氨氮浓度保持稳定达标。

2.3 水体中总磷浓度监测结果与讨论

池塘水系综合治理前后水体中总磷浓度的变化趋势,见图8。

图8 池塘水系综合治理前后水体中总磷浓度的变化趋势Fig.8 Trend of total phosphorus concentration changes in the pond water system before and after integrated control

由图8可以看出:在项目工程施工的中、后期阶段,随着水系各池塘的基本连通流动,受F1号塘养殖水的影响,水系多级后端池塘水体中TP浓度均出现超标的问题,其中TP最高浓度出现在4号塘,为0.384 mg/L;工程竣工时末端排放口TP浓度为0.098 mg/L,达到了地表水Ⅳ类标准。在项目工程竣工完成到后期维护阶段,水系前端F-1号和1号塘水体中TP浓度时常超标,但随着水系各级池塘的不断消纳,通过水生植物的不断吸收以及微生物的分解,水系后端池塘水体中TP浓度基本可以稳定在0.1 mg/L以下,达到末端排放口水质排放要求。

综合对水体中COD、氨氮和TP浓度检测结果的分析可知:工程治理结束初期,由于存量杂草清理控制、生态缓冲带有效阻隔、投放微生物菌剂等措施,能够在短期内有效控制受纳水体水质;项目工程治理维护期,由于水生动植物生态系统的综合作用,水体水质持续好转。

3 结 论

1) 通过实地调查和测算,分析了治理水域存在的农田果园地表径流和水产养殖等面源污染问题,综合水域特点和末端排放口水质排放要求,采用微生物技术、水生生物系统、曝气技术等综合治理措施,能够有效解决面源污染导致的水体富营养化等问题。

2) 在项目工程治理期,通过构建微生物生态系统、水生植物生态系统、水生动物生态系统、纳污引水连通系统、曝气增氧系统等,实现了削减面源污染物排入、增强水体的自净能力、提升水体水质等目标,工程竣工时末端排放口COD、氨氮和TP浓度为12.02、1.27、0.098 mg/L,均达到了地表水Ⅳ类水水质标准。

3) 在项目工程维护期,各池塘水体中COD、氨氮和TP浓度呈现波动状态,但随着水生态系统中各级池塘的不断消纳、水生动植物系统的强化作用,面源污染综合治理体系的治理效果逐渐显现,末端排放口水体中COD、氨氮和TP的浓度均达到地表水Ⅳ类水水质标准。