復(fù)合治理模式對農(nóng)田徑流中氮磷的調(diào)控

1、復(fù)合治理模式對農(nóng)田徑流中氮磷的調(diào)控         10-12-21 09:22:00     作者：潘敏    編輯：studa20摘要:介紹了非點源污染研究的發(fā)展過程及氮、磷在農(nóng)田徑流中的危害,提出對非點源污染河流采取復(fù)合式的治理方式,利用溝渠、生化塘和人工濕地三者相互結(jié)合,形成一個線-點-面的治理模式,有效去除非點源河流污水中的氮磷元素。對這種復(fù)合系統(tǒng)中各種植物如何影響氮磷吸收進(jìn)行綜述,建立非點源治理的綜合管理系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞:復(fù)合

2、治理;模式;農(nóng)田徑流;氮磷;調(diào)控 我國是一個農(nóng)業(yè)大國,隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展,農(nóng)藥、化肥等化學(xué)物品的使用量越來越大,這也成為土壤中、河流中氮、磷的主要來源。隨著點源污染控制到達(dá)一定水平之后,非點源污染也成為了環(huán)境污染的一個主要因素,多年來人類的不斷開墾造林造成水土流失嚴(yán)重,是非點源污染中氮、磷的一個重要原因。其中非點源污染的來源十分廣泛,包括地表徑流污染、大氣干濕沉降、水土流失以及河流底泥的二次污染等。農(nóng)田徑流非點源污染物氮、磷遷移轉(zhuǎn)化的主要載體是雨水以及所形成的徑流,動力因素是降雨以及地表徑流的沖刷作用1。因此,對非點源污染中的氮、磷采用復(fù)合治理措施具有重要的意義。 1非點源污染研究發(fā)展過程

3、 從20世紀(jì)70年代初開始,非點源污染發(fā)展經(jīng)歷了3個重要的階段:第一階段為20世紀(jì)80年代之前,在污染源調(diào)查、非點源特性分析、非點源污染對水質(zhì)的影響分析等方面取得了大量的成果;第二階段為20世紀(jì)80年代初至90年代初,這一時期非點源污染問題進(jìn)一步得到重視,以非點源污染為主題的國際會議和各種專著大量出現(xiàn);第三階段為20世紀(jì)90年代初至今,對現(xiàn)有的非點源污染治理模式進(jìn)一步完善,幫助預(yù)測非點源污染的程度并對水域管理措施進(jìn)行評價。同時,將傳統(tǒng)的治理模式、專家意見以及現(xiàn)代高科技探測數(shù)據(jù)結(jié)合,從而使現(xiàn)有的治理模式更加完善2。 2氮磷在農(nóng)田徑流中的危害 人類活動導(dǎo)致水體加速富營養(yǎng)化是現(xiàn)在水污染治理的一個難題

4、,而農(nóng)業(yè)中的非點源氮磷污染與水體富營養(yǎng)化存在著不可分割的關(guān)系。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中廣泛存在的氮磷元素投入過量會導(dǎo)致土壤中氮磷含量超標(biāo),并通過水土流失以及地面徑流、雨水沖刷的作用下排入附近河流或者海域,引起水土氮磷元素富集。水體的富營養(yǎng)化會導(dǎo)致某些特征藻類(主要是藍(lán)藻、綠藻等)異常繁殖,致使水體溶解氧含量降低,水生生物隨之大量生長,水味變得腥臭難聞。目前,定義富營養(yǎng)化一般采用的指標(biāo)是:水體中氮含量超過0.20.3 mg/kg,生化需氧量大于10 mg/kg,磷含量大于0.010.02 mg/kg,pH值79的淡水中細(xì)菌總數(shù)超過10萬個/mL,表征藻類數(shù)量的葉綠素a含量大于10 g/L。農(nóng)田徑流中過量的

5、磷一方面來自外來的小部分工業(yè)廢水和生活污水;另一方面還有其內(nèi)源作用,即水體中的底泥在還原狀態(tài)下會釋放磷酸鹽,從而增加磷的含量,特別是在一些因硝酸鹽引起的富營養(yǎng)化的池塘或湖泊中,由于農(nóng)業(yè)徑流污水的排入使之更加復(fù)雜化,使該系統(tǒng)迅速惡化,即使停止加入磷酸鹽,問題也不會解決。這是因為多年來在底部沉積了大量的富含磷酸鹽的沉淀物,它由于不溶性的鐵鹽保護(hù)層作用通常不會參與混合。但是,當(dāng)?shù)讓铀趿康投幱谶€原狀態(tài)時(通常在夏季分層時出現(xiàn)),保護(hù)層消失,從而使磷酸鹽釋放入水中所致。另外,農(nóng)田徑流挾帶的大量氨氮和硝酸鹽氮進(jìn)入水體后,改變了其中原有的氮平衡,促進(jìn)某些適應(yīng)新條件的藻類種屬迅速增殖。含有尿素、氨氮為主

6、要氮形態(tài)的生活污水和人畜糞便,排入水體后會使正常的氮循環(huán)變成“短路循環(huán)”,即尿素和氨氮的大量排入,破壞了正常的氮、磷比例,并且導(dǎo)致在這一水域生存的浮游植物群落完全改變。因此,要防止水體的富營養(yǎng)化,最關(guān)鍵的是對農(nóng)田徑流中氮磷的非點源污染來源加以控制。 3復(fù)合治理模式 生態(tài)技術(shù)是解決非點源氮磷污染的重要手段,其中控制降雨徑流污染的措施包括了緩沖林帶、溝渠系統(tǒng)、生化塘及人工濕地系統(tǒng)等。復(fù)合治理模式主要是把溝渠系統(tǒng)、生化塘以及人工濕地系統(tǒng)相結(jié)合,形成一個線-點-面的復(fù)雜、綜合的治理系統(tǒng)。并且在其中種植大量的沉水植物和挺水植物,對吸收污染的農(nóng)田徑流中存在的氮磷更有效果。采用復(fù)合式的非點源治理比單一的模式

7、更有效,對河流中的非點源污染吸收更加完全3。 3.1溝渠系統(tǒng)(線) 溝渠既是農(nóng)業(yè)非點源污染物的最初匯聚地,又是河流和湖泊營養(yǎng)鹽的輸出源,其排灌能力對生態(tài)系統(tǒng)以及整個生態(tài)環(huán)境有重要影響,針對在溝渠系統(tǒng)中種植植物對氮磷的吸收是復(fù)合治理的重要前提。對氮磷有較好的攔截減速作用,并且能通過其中的植物吸收初步減少農(nóng)田徑流中的氮磷含量。農(nóng)田徑流中氮素的遷移速度與溝渠面積有關(guān),小的河流增加水源與河水中沉淀物的接觸和交換的機會,為提高反硝化作用提供線性的作物區(qū)域和適宜的土壤。植草明渠對可溶態(tài)的磷有較好的吸收,土壤的侵蝕導(dǎo)致了顆粒態(tài)磷的流失,增加植被覆蓋率可以減少顆粒態(tài)磷的流失量,減少溶解態(tài)磷累積量的負(fù)荷4-6。

8、農(nóng)田被縱橫交錯的溝渠濕地所分割,一般認(rèn)為是位于道路兩旁或者農(nóng)田間用于排水(泄洪)或者灌溉的水道,是人類滿足生產(chǎn)、生活安全保障等需要而人工挖掘的過水通道。在溝渠的入口裝上滲透的裝置是降低進(jìn)入溝渠中氮、磷的有效方法,即在溝渠中填滿木片或其他有機物作為“生物反應(yīng)器”,能夠減少進(jìn)入溝渠前的氮、磷含量,河邊以及其他緩沖地帶也有一定的減緩作用,因此緩沖帶要有一定的寬度。 在溝渠中種植蘆葦、茭草等植物對非點源污染中的氮磷元素吸收較為明顯,這2種挺水植物中蘆葦植株高度大概是茭草的2倍,根系都十分發(fā)達(dá),但是植物吸收氮、磷只有莖葉部分。茭草地上部分對氮磷的吸收能力比較高,但是因為茭草矮小,總的去除能力比蘆葦?shù)?。?/p>

9、草以及蘆葦在生長過程對氮的吸收較大,對磷的吸收量較小,相比之下,茭草對磷有很好的吸收效果,因此可以采取間作種植或者雙季種植的方式。但是每年11月之后,蘆葦和茭草植株地上部分死亡,開始分解,并向水中釋放有機質(zhì),造成冬季有機質(zhì)對水體的嚴(yán)重污染。因此,水生植物應(yīng)在11月前盡快收割,以防止殘株分解對水體的污染。在這2種大型挺水植物收割之后,既去除了有機質(zhì)的污染,又促進(jìn)了有機質(zhì)和氮磷的轉(zhuǎn)化7。 植物吸收是溝渠吸收的一個重要機制,因此在溝渠中種植茭白、茭草等吸收氮、磷能力強的經(jīng)濟(jì)作物既保證了農(nóng)田徑流中非點源氮磷的轉(zhuǎn)化,又能增加農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入,刺激農(nóng)民對植物的自覺收獲。 3.2生化塘系統(tǒng)(點) 生化塘系統(tǒng)是

10、利用農(nóng)田徑流出水口處湖內(nèi)或者池塘內(nèi)的污染底泥,在不破壞表層物理結(jié)構(gòu)的情況下,在底泥上種植可以適應(yīng)性生長的沉水植物及挺水植物,根據(jù)其生長情況可以看出這2類植物對農(nóng)田徑流中非點源氮磷元素的吸收都有很好的效應(yīng),增強了富營養(yǎng)化水體的凈化能力,改善水質(zhì),是農(nóng)田徑流治理的重要措施,主要在復(fù)合模式中起到沉淀池的作用。 水生高等植物(特別是沉水植物和挺水植物)的恢復(fù)與重建是農(nóng)田徑流得以改善與穩(wěn)定的關(guān)鍵,沉水植物通過有效增加空間生態(tài)位、提供避難場所,抑制生物性和非生物性懸浮物,改善水下的光照和溶解氧條件,能緩沖營養(yǎng)循環(huán)速度和增加水體的穩(wěn)定性,有效地提高水環(huán)境的質(zhì)量。沿岸的水生植物以挺水植物為主,分水生植物和濕生

11、植物2種。可以短期地儲存氮磷等水體中的營養(yǎng)和物質(zhì),凈化水中的污染物,抑制低等藻類的生長和促進(jìn)水中其他水生生物的代謝。      10-12-21 09:22:00     作者：潘敏    編輯：studa20復(fù)合治理模式是采用多種水生植物組合對水體凈化,這樣的效果要比單種水生植物好,這種植物的組合方式對非點源的氮磷吸收尤為突出,因為不同的水生植物的凈化優(yōu)勢不同,有的可以高效地吸收氮,有的卻能更好地富集磷;每種植物在不同的時期的生長速率及代謝功能各不相同,因此導(dǎo)致植物生長的不

12、同時期對氮、磷的吸收也有變化。合理栽種具有不同空間結(jié)構(gòu)的水生植物,可以增強和穩(wěn)定河流污染的凈化效果。 沉水植物主要有苦草、黑藻、狐尾藻、馬來眼子菜、金魚藻等;挺水植物可以選擇蘆葦、香蒲、鳶尾、石龍芮等,這些植物不但對河流中的氮磷有一定的吸收作用,而且具有一定的經(jīng)濟(jì)價值,可以降低污水處理成本。由于沉水植物根系的吸收以及在沉水植物根系周圍形成的微生物生態(tài)系統(tǒng)作用,使間隙水中氮、磷的濃度在種植的時間內(nèi)明顯降低。沉水植物在春夏兩季對總磷的去除效果最明顯,其中以金魚藻的去除效果最好,30 d以后在春夏兩季的去除率分別達(dá)到91.75%和92.44%。而且金魚藻是喜氮植物,可以耐受較高的無機氮,對水體中總氮

13、的去除有較好的效果,還有較強的克藻作用,可以分泌出抑制藻類生長的物質(zhì),在非點源農(nóng)田徑流中種植金魚藻是不錯的選擇,而在周圍濕地中種植挺水植物如蘆葦、香蒲等可以相輔相成,促進(jìn)水體中氮、磷的去除8。挺水植物中的蘆葦對氮的吸收能力最強,隨著凈化時間的延長,水體中氮的濃度下降最快;對磷的去除能力也較好。采取復(fù)合治理模式結(jié)合種植沉水植物和挺水植物,不但起到沉淀池的作用,還進(jìn)一步對氮磷更好地吸收。另外,在生化塘中構(gòu)建水生植物群落的同時,還要考慮到植物的生長季相、植物的水平空間配置、植物的垂直空間配置等3個方面?；旌现参飵У奶幚硇Ч?、各項指標(biāo)的去除率都要比單一的植物帶處理效果好,通過根部吸收氮源、磷源以及有機

14、污染物用于其自身生長,且有助于降低非點源氮磷污染物的濃度,恢復(fù)污染河流的生態(tài)功能。 3.3人工濕地系統(tǒng)(面) 夏漢平認(rèn)為,人工濕地是指通過模擬天然濕地的結(jié)構(gòu)與功能,選擇一定的地理位置與地形,根據(jù)人們的需要人為設(shè)計與建造的濕地。濕地植物是人工濕地的一個重要組成部分,植物不僅可以提高濕地系統(tǒng)對非點源氮磷的去除作用,同時還可以綠化土地,同時達(dá)到污水處理與生態(tài)建設(shè)的目的。不同種類植物對氮磷的去除效果存在區(qū)別,因此要根據(jù)人工濕地的地理位置、建造目的、氣候狀況選擇適合的植物,保證水中氮磷的有效去除9-13。 在人工濕地的污水處理系統(tǒng)中,可利用的水生植物主要有3個基本方式,即挺水植物系統(tǒng)、漂浮植物系統(tǒng)和沉水

15、植物系統(tǒng)。目前,在人工濕地植物選擇時常使用的植物有蘆葦、鳶尾、慈菇、美人蕉、水蔥、香蒲、菖蒲等,要根據(jù)當(dāng)?shù)氐匦蔚仍蜻m當(dāng)選擇水生植物種類。一般有以下選擇:一是選擇根系比較發(fā)達(dá)、抗凍、抗病蟲能力較強的水生植物;二是選擇生長量較小的植物,可以減少植物體后續(xù)處理上的許多麻煩;三是選擇有美化景觀的植物;四是選擇的植物要有一定的經(jīng)濟(jì)效益;五是適應(yīng)性強,生長季節(jié)長。而且種植的范圍以及密度也會對制度和非點源河流氮磷元素的去除有一定的影響。 在人工濕地中,氮的去除大部分是通過硝化、反硝化反應(yīng),少部分是通過植物吸收,植物根系周圍存在近根系的好氧區(qū)與遠(yuǎn)根系的厭氧區(qū)的交替環(huán)境,則有利于硝化、反硝化反應(yīng)去除氮。對磷的

16、去除主要是基質(zhì)的固磷作用以及植物與微生物除磷,污水與人工濕地系統(tǒng)接觸的時間越長,越有利于植物對磷的吸收和填料磷的有效吸附和沉淀,但是停留時間過長不利于磷細(xì)菌的代謝,使系統(tǒng)除磷效率受到影響。人工濕地系統(tǒng)對氮磷的去除能力是通過植物、微生物和填料的協(xié)同作用相互加強的。 菖蒲、香蒲在人工濕地中對非點源農(nóng)田徑流中氮磷的去除效果最為明顯,可以較好地凈化富營養(yǎng)化水體,抑制富營養(yǎng)化水體浮游植物生長,同時也能保持清潔水體水質(zhì)。一方面是植物本身對氮磷的有效吸收,即通過植物根系微生態(tài)環(huán)境吸附,經(jīng)過異化及同化作用得以去除;同時,植物根系對氧的傳遞釋放,使污染物被微生物吸收,并且通過硝化、反硝化、積累、降解、絡(luò)合、吸附

17、等作用而顯著增加去除率。另外,菖蒲作為一種觀賞性較強的挺水植物,對藻類化感作用強,經(jīng)濟(jì)價值高,在富營養(yǎng)化水體修復(fù)及觀賞水體水質(zhì)保持中有較好的應(yīng)用。 4結(jié)語 復(fù)合治理措施對農(nóng)田徑流非點源氮磷的治理充分發(fā)揮了溝渠系統(tǒng)、生化塘和人工濕地三者相結(jié)合的優(yōu)勢,提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和出水的水質(zhì),線-點-面的復(fù)合處理方式,溝渠的攔截能夠初步凈化,減少了生化塘對污染物的負(fù)擔(dān),而生化塘系統(tǒng)的儲存凈化功能可以降低人工濕地處理的污染物負(fù)荷率,有效地防止人工濕地的堵塞,提高除污能力;人工濕地的緩沖容量大,利用物種共生、物質(zhì)循環(huán)再生原理,遵循結(jié)構(gòu)與功能相關(guān)原則,可以有效促進(jìn)廢水中污染物良性循環(huán),充分發(fā)揮資源的生產(chǎn)潛力,

18、得到污水處理與資源優(yōu)化的最佳效益。 目前,在點源污染得到有效控制的同時,改善非點源污染也應(yīng)該加大力度,發(fā)展城鄉(xiāng)河流污染控制,采用復(fù)合式的治理方法能夠更加有效。因此,建立城鄉(xiāng)非點源河流管理體制是對生態(tài)環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的一個重要保證。 5參考文獻(xiàn) 1 徐曉輝,齊苑儒,陳會萍.城市非點源污染研究進(jìn)展J.電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(9):49-53. 2 肖羽,鄒敏,王赟峰.水環(huán)境的非點源污染模型及控制J.長江工程技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2009,26(3):1-4. 3 李貴寶,尹澄清,單寶慶.非點源污染控制與管理研究的概況與展望J.農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù),2001,20(3):190-191. 4 王為東,王大力,尹澄清,等.蘆葦型濕地生態(tài)系統(tǒng)的潛水水質(zhì)狀態(tài)研究J.生態(tài)學(xué)報,2001,6(24):919-925. 5 包先明,丁卓麗,祝朋飛,等.不同沉水植物在太湖污染底泥上適應(yīng)性生長過程及水體氮