不同种植季三塘生态治理工程处理农田退水效能分析

作者: 范亚骏 蔡颖 何成达 宋玉君 季俊杰

不同种植季三塘生态治理工程处理农田退水效能分析0

摘 要:基于生态拦截渠耦合三塘生态治理工程开展农田退水污染治理研究,重点考察不同种植季(水稻种植季、小麦种植季)的农田退水水质变化情况,通过对比化学需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)和总磷(Total Phosphorus,TP)、氨氮(NH3-N)等污染物迁移转化规律及去除特性,揭示影响生态治理工程出水水质的相关因素。研究结果表明:三塘生态治理工程水稻种植季的总体治理效果优于小麦种植季,其中水稻种植季农田退水COD、TP、NH3-N平均去除率为34.6%、46.1%、58.9%,小麦种植季农田退水COD、TP、NH3-N平均去除率为40.4%、42.6%、54.8%;水稻种植季三塘生态治理工程处理后出水水质接近Ⅳ类标准,主要超标因子为COD,而小麦种植季出水水质为V类或劣V类,主要超标因子为NH3-N。

关键词:种植季;生态拦截渠;三塘生态治理;农田退水;污染物去除

中图分类号:X52 文献标志码:B 文章编号:1674-7909-(2023)15-155-4

0 引言

随着我国农业和农村经济的快速发展,化肥、农药等农用化学品投入逐年增加,导致农业面源污染问题严重。相较于点源污染,面源污染具有随机、多源、面广等特点,控制农业面源污染成为解决我国水环境和农村用水问题的关键。农田退水排入河流、湖泊,会造成水体富营养化,成为农业面源污染的主要输出途径之一。诸多研究表明,农田退水中的氮、磷元素含量在不同程度上超过了地表水环境质量标准,但是对有关有机物的迁移转化规律研究较少,且缺乏对小麦种植季农田退水治理效果的对比分析[1-2]。

笔者选定江苏省扬州市某农田集中区为研究区。当地利用沟渠、芦苇滩地建设表流人工湿地,将污染物拦截和末端生态治理相结合,实现农田退水“蓄、净、排”的设计目标。当地采用“蓄、净、排”的创新技术体系,构建一种新型的“三级阶梯式”三塘生态治理工程:将自然降水和农业灌溉后形成的农田退水引入生态拦截渠,滞留1~3 d后引入三塘生态治理区,经充分停留后进入受纳水体。笔者通过考察不同种植季(水稻种植季、小麦种植季)农田退水生态治理工程的治理效果,探索效益高、造价低、可持续的农田退水生态治理方式。

1 试验材料与方法

1.1 样品采集方法

研究工程收集农田退水总面积约为9.3 hm2,农田退水生态治理工程占地约0.2 hm2。研究区土地利用方式包括农田、灌排沟渠、田埂道路、泵房和自然湿地5种类型。其中,农田占比约95.7%,灌排沟渠总长约520 m,自然湿地占地约1 390 m2,泵房占地约20 m2。研究区种植模式以“一稻一麦”轮作为主。

连续水质监测采样点在农田、生态治理工程中均有分布。其中,农田水质采样依托于22支农田退水采样管,主要分布于农田退水渠边。生态治理工程中有3个采样点分布于生态拦截渠,另有3个采样点分布于“三级阶梯式”三塘生态治理工程,1个采样点位于生态治理工程的出水口。对研究区共进行了12次水质采样,均为雨后采样。其中,水稻种植季采样7次,采集水样24个,采样时间为2021年9—10月和2022年6—9月;小麦种植季采样5次,采集水样45个,采样时间为2021年1—5月。

1.2 分析检测方法

化学需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)采用快速消解仪(TE-5102G)测定,氨氮(NH3-N)、总磷(Total phosphorus,TP)质量浓度采用纳氏试剂分光光度法和钼锑抗分光光度法测定,pH值用哈希便携式pH计(WTW pH/Oxi 340i)测定。根据各次采样检测结果,分析农田退水从农田到生态治理工程的污染物浓度和去除率等情况,并以《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的Ⅳ类水作为达标标准。

2 试验结果与分析

2.1 农田退水污染物变化

2.1.1 水稻种植季

由图1可知,水稻种植季农田退水pH值在6.84~7.81范围内波动,在10月呈现强碱性;COD质量浓度范围为21.32~74.2 mg/L,仅有8个样品低于Ⅳ类标准,即超标率(未达到Ⅳ类标准,下同)为66.67%,且7—8月水质恶化严重,出现了V类和劣V类水质;TP最高值为0.32 mg/L,最低值为0.02 mg/L,超标率仅为4.17%,且超过83%的样品可以满足Ⅲ类标准;NH3-N质量浓度与COD质量浓度变化趋势相似,2021年9—10月和2022年6月水质较好(最低值为0.34 mg/L),而2022年7—8月NH3-N质量浓度急剧上升(最高值可达到14.16 mg/L,超标率为20.83%),2022年9月NH3-N质量浓度呈现下降趋势,出水可满足Ⅲ类标准。该现象与廖伟[3]的研究结果相似,即受水稻栽培农事活动(如施肥时间)的影响,水稻种植季农田退水过程中TN的迁移速度高于TP。整体上,农田水样基本可以满足Ⅳ类水,且V类和劣V类水质主要出现在7—8月;从超标率上看,水稻种植季农田退水主要污染因子为COD。

2.1.2 小麦种植季

由图2可知,农田退水pH值在6.62~8.11范围内波动,且大部分时间段属于碱性水质;COD质量浓度最高值为84 mg/L,最低值18.6 mg/L,仅有10组样品水质低于Ⅳ类标准,超标率为77.78%;相比水稻种植季,TP质量浓度波动范围较大(0.04~1.11 mg/L),超标率为42.22%,当然仍有28%的样品可以满足Ⅲ类标准;NH3-N质量浓度为0.26~8.89 mg/L,且在同一个月内波动较大,超标率为65.91%。因此,整个小麦种植季农田退水的水质几乎为V类和劣V类,且COD、TP、NH3-N的超标率相对较高,3个指标均为主要污染因子。

2.2 生态治理过程污染物去除效果分析

2.2.1 水稻种植季

由图3可知,在水稻种植季,生态拦截渠中农田退水COD质量浓度在22.8~33.6 mg/L范围内波动,平均值为27.7 mg/L,经过三塘生态治理区后,出水COD质量浓度降为23.93 mg/L;经生态拦截渠、三塘生态治理区处理后,农田退水TP平均质量浓度分别降低至0.07、0.05 mg/L;生态拦截渠中农田退水NH3-N平均质量浓度为0.94 mg/L,随后经三塘生态治理区又得到进一步去除(如2022年7月,NH3-N质量浓度从3.28 mg/L降到0.33 mg/L),农田退水NH3-N平均质量浓度仅为0.62 mg/L;农田退水pH值在6.8~8.0范围内波动,受季节影响不大。很明显,受农田退水碳源不足的限制,TP很难通过生物除磷被进一步高效吸收,而氧气作为NH3-N硝化的主要限制因素,致使生物反硝化效果差。因此,强化农田退水过程深度脱氮除磷技术应用具有重要的价值[4]。

生态拦截渠整体出水水质为Ⅳ类,其中COD是主要的超标因子,而经三塘生态治理区后出水的TP、NH3-N质量浓度可达到Ⅲ类水质标准。通过计算去除率可知,COD平均去除率相对较低,仅为34.6%;TP平均去除率次之,为46.1%;NH3-N平均去除率最高,为58.9%。因此,在水稻种植季三塘生态治理对农田退水NH3-N的去除性能相对较好。

2.2.2 小麦种植季

由图4可知,生态拦截渠和三塘生态治理区pH值在7.0~8.0范围内波动,同样受季节影响不大;出水平均COD质量浓度从31.07 mg/L(生态拦截渠)降到25.54 mg/L(三塘生态治理区),主要借助水生植物对有机物的吸附、净化作用,其中沉水植物介导形成的微环境结构更为复杂,能够表现出较为稳定持续的水质净化潜力[5]。生态拦截渠中TP质量浓度在0.03~0.15 mg/L范围内波动,而在三塘生态治理区质量浓度降为0.05~0.09 mg/L;NH3-N质量浓度整体相对较高,在生态拦截渠、三塘生态治理区平均值高达2.21、1.36 mg/L,是主要的超标因子。

在小麦种植季,生态拦截渠、三塘生态治理区出水水质可达到Ⅳ类标准类,与水稻种植季相似,COD、TP、NH3-N平均去除率呈现上升趋势,分别为40.4%、42.6%、54.8%。尽管NH3-N去除率较高,但NH3-N质量浓度的超标导致整体水质降为V类或劣V类。

3 结论与讨论

在水稻种植季,农田水样基本可以达到Ⅳ类水,且V类和劣V类水质主要出现在7—8月;在小麦种植季,农田退水以V类和劣V类水质为主,经三塘生态治理工程处理的农田退水基本能达到Ⅳ类水质。三塘生态治理工程对农田退水主要污染物具有较好的去除效果,可作为一种易复制推广的农业面源污染治理方式。

参考文献:

[1]王沛芳,娄明月,钱进,等.农田退水净污湿地对污染物的净化效果及机理分析[J].水资源保护,2020(5):1-10.

[2]李蔚然,于小彭,郝鹏,等.水稻灌区农田退水氮磷污染现状研究[J].现代农业科技,2020(8):195-196.

[3]廖伟.南方典型水稻种植区氮、磷排放及迁移规律研究[J].江苏农业科学,2021(5):216-221.

[4]卢兴顺,丁晓宇,林岩,等.外加植物碳源强化人工湿地处理农田退水效能分析[J].环境工程学报,2022(5):1537-1548.

[5]LI Q,GU P,JI X,et al.Response of submerged macrophytes and periphyton biofilm to water flow in eutrophic environment:plant structural,physicochemical and microbial properties[J].Ecotoxicology and Environmental Safety,2020,189:1-8.

基金项目:江苏省环境工程技术有限公司自主立项科研项目“基于建筑废弃物资源化利用的湿地绿色基质产品研发与应用”(JSEP-GJ20220011-RE-ZL)。

作者简介:范亚骏(1990—),男,博士生,研究方向:农业水土资源高效利用与优化管理。

通信作者:季俊杰(1974—),男,硕士,讲师,研究方向:水污染控制。

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