松花壩水源區(qū)建立池塘系統(tǒng)對農(nóng)村污水的凈化效果

松花壩水源區(qū)建立池塘系統(tǒng)對農(nóng)村污水的凈化效果

農(nóng)村生活的廢水已成為污染的重要來源。農(nóng)村生活污水量少、分散、且無排污管網(wǎng)的特點(diǎn),決定了其采用工程治理的不可能性。預(yù)計(jì)到2010年,我國村鎮(zhèn)生活污水排放量將達(dá)到270億t,直接排放的農(nóng)村生活污水對日益嚴(yán)重的水環(huán)境污染和水體富營養(yǎng)化起到了推波助瀾的作用,這在水體污染嚴(yán)重和人口密集的農(nóng)村地區(qū)表現(xiàn)得更為明顯;因此,農(nóng)村生活污水的處理已經(jīng)成為控制面源污染中不可忽視的問題。人工濕地是通過模擬自然濕地的結(jié)構(gòu)和功能,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(jì)與建造的濕地。濕地在污水處理和面源污染治理中應(yīng)用非常廣泛,濕地中的池塘系統(tǒng)在污染防治中也起著一定的積極作用。近年來,許多研究人員對池塘系統(tǒng)在城市及旅游區(qū)的污染控制、農(nóng)村生活污水處理、源頭農(nóng)業(yè)區(qū)磷的吸附以及控制農(nóng)業(yè)面源污染等方面有一定的研究。然而,從目前的池塘系統(tǒng)運(yùn)行效果來看,在面源污染的應(yīng)用中仍然存在一定的不足,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:1)在池塘系統(tǒng)選擇上,大部分采用了模擬系統(tǒng),而對近自然的村落生態(tài)池塘系統(tǒng)研究的較少;2)在植物配置上均進(jìn)行了一定的選擇,這與各種植物自然生長的池塘系統(tǒng)有較大的差別;3)針對農(nóng)業(yè)面源污染的研究較多,對農(nóng)村生活污水導(dǎo)致的面源污染方面的研究較少;4)冬季由于植物體死亡腐爛而引起池塘系統(tǒng)水質(zhì)波動(dòng)。筆者針對以前研究中進(jìn)行模擬研究而導(dǎo)致與實(shí)際應(yīng)用中有所差別的問題,利用近自然狀態(tài)的池塘系統(tǒng)(不刻意進(jìn)行植物配置)對農(nóng)村生活污水進(jìn)行處理。目前人工模擬一般只針對某一固定流量進(jìn)行研究,導(dǎo)致凈化效果與實(shí)際應(yīng)用中不同流量情況下的凈化效果不同,筆者在試驗(yàn)中不控制進(jìn)水流量,根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤暝诓煌瑫r(shí)間進(jìn)行采樣,從而避免了這一問題。筆者在迤者村修建截排水溝將生活污水引進(jìn)池塘系統(tǒng),利用近自然的池塘系統(tǒng)對生活污水進(jìn)行凈化處理,以期為松華壩庫區(qū)農(nóng)村面源污染的控制提供理論依據(jù)和實(shí)踐參考。1東南角罪犯養(yǎng)殖現(xiàn)狀試驗(yàn)地設(shè)置在嵩明縣滇源鎮(zhèn)迤者村,位于松華壩水源區(qū)最大的河流牧羊河邊。松華壩水源保護(hù)區(qū)是我國第1個(gè)飲用水源保護(hù)區(qū),是昆明最重要的飲用水源地,也是滇池水體交換的重要水源,1981年經(jīng)云南省政府批準(zhǔn)建立。松華壩水源保護(hù)區(qū)徑流總面積593km2,水庫總庫容達(dá)2.19億m3,每年向昆明供水1.2億m3,占昆明總供水量的50%以上。迤者村位于嵩明縣滇源鎮(zhèn)西南部,E102°48′20″～102°48′35″,N25°14′33″～25°14′40″,呈不規(guī)則三角形,南北距離約0.22km,東西距離0.47km,面積5.17hm2,有111戶人家,420人,平均海拔2010m,年均降雨量976mm。2007年初,在迤者村修建了較為完善的排水系統(tǒng),并修建水渠將池塘系統(tǒng)與村子排水系統(tǒng)相連,池塘面積800m2,庫容約200m3。池塘系統(tǒng)內(nèi)植物主要為千屈菜(LythrumsalicariaLinn)、稗草(Echinochloacrusgalli(L.)Beauv)、水芹(Oenanthejavanica(Blume)DC.)、茭白(Zizaniaaquatica)、空心蓮子草(Alternantheraphiloxeroides)等,植物蓋度80%。迤者村池塘系統(tǒng)平面布置如圖1所示。2學(xué)習(xí)方法2.1濕地取水頻率安排取樣點(diǎn)分進(jìn)口位置、中間位置和出口位置3個(gè),中間位置位于2個(gè)池塘連接處。根據(jù)當(dāng)?shù)匚鬯欧虐才湃∷l率,具體方法如下:旱季由于排污量較少,在濕地內(nèi)就完全蒸發(fā),濕地出口水流較小,有時(shí)甚至無水流,因此,取樣頻次較少,平均3個(gè)月1次;雨季期間,當(dāng)降雨量大于10mm,且有徑流產(chǎn)生時(shí)取樣,如果連續(xù)降雨則每1～2周取樣1次,平均每個(gè)月大約取樣3次。2.2試劑光度法總氮:過硫酸鉀氧化—紫外分光光度法;總磷:鉬銻抗分光光度法;銨態(tài)氮:納氏試劑光度法;硝態(tài)氮:酚二磺酸比色法。采用SPSS11.5統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。2.3監(jiān)測方法為了探明池塘系統(tǒng)對農(nóng)村污水的凈化效果,從2007年至2008年9月,在松華壩水源區(qū)進(jìn)行了為期1年多的定點(diǎn)監(jiān)測。3結(jié)果和分析3.1池塘系統(tǒng)的氮浪費(fèi)和轉(zhuǎn)化3.1.1堿土壤銨氮的輸入速度不同污水輸入濃度下池塘系統(tǒng)對銨氮的去除效果監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1,可以看出:池塘系統(tǒng)對銨氮的去除率最大值可達(dá)到88.35%。在雨季,由于銨氮的輸入量大,去除率相對較低,最小為2007-08-12的9.06%,本次取樣時(shí)污染物的輸入速度也最大,為345.70mg/s;而在旱季,由于水流較小,水中的銨氮含量也低,凈化效果很明顯,2007-10-12、2008-01-13、2008-05-18這3次水樣的銨氮去除率都超過80%,這3次取水時(shí)污染物的輸入量也相對較小;單位面積池塘對銨氮的凈化速率在0.09～3.78g/(m2·d)之間。當(dāng)池塘面積一定時(shí),池塘系統(tǒng)對銨氮的凈化效果與銨氮的輸入速度呈負(fù)指數(shù)相關(guān)。通過SPSS分析,F值為120.65,sig.=0.000,R2為0.91?？梢钥闯?銨氮的凈化效果與銨氮的輸入速率存在高度顯著的指數(shù)關(guān)系。3.1.2硝態(tài)氮的測定一般認(rèn)為,濕地系統(tǒng)對硝態(tài)氮的去除主要包括植物吸收和反硝化作用,厭氧條件下,反硝化是去除硝態(tài)氮的主要途徑。從14次取樣分析的結(jié)果(表2)來看,在農(nóng)村生活污水中,硝態(tài)氮的含量較低(0.15mg/L),最大為2007-07-21的0.15mg/L,而旱季取的3次水樣硝態(tài)氮含量均為0。由于池塘系統(tǒng)內(nèi)部的硝化和反硝化作用此消彼長,硝態(tài)氮始終維持在一定水平內(nèi),凈化效果較銨氮和總磷差。目前沒有對銨氮的硝化作用進(jìn)行測定,還不能確定單位面積濕地對硝態(tài)氮的凈化速度。3.1.3總氮輸入速率從前面分析可以看出,農(nóng)村生活污水中銨氮含量較硝態(tài)氮高,池塘對總氮的去除效果主要決定于銨氮。與銨氮一樣,池塘對總氮的去除效果與總氮的輸入速率存在顯著的指數(shù)關(guān)系,F值為232.60,sig.=0.000,R2為0.951?？偟妮斎胨俾试叫?凈化效果就越好,最大為2007-10-12的79.28%,旱季的3次水樣分析結(jié)果均超過70%?？偟斎胨俾试酱?池塘對總氮的去除效果就越差,最小值為2007-08-12的8.24%,它的總氮輸入速率在所有數(shù)據(jù)中也最大,為427.94mg/s。池塘對總氮的單位面積凈化速度最大可達(dá)4.2g/(m2·d)(表3),池塘系統(tǒng)對總氮的日去除量最大可達(dá)3360g。由于雨季和旱季植物的種類以及生長速度有一定的差異,因此,在旱季,池塘對總氮單位面積凈化速率比雨季小,最小為0.09g/(m2·d)。3.2污染物輸入速率不同的總磷輸入速率下池塘系統(tǒng)對總磷的去除效果見表4,可以明顯看出,經(jīng)過池塘的過濾和吸收后,生活污水中磷的去除效果較為明顯,最大可以達(dá)到86.49%,其凈化效果與污染物的輸入速率存在顯著的線性關(guān)系,F值為135.45,sig.=0.000,R2為0.919。池塘單位面積對磷的去除速率在0.01～1.06g/(m2·d)之間,與國內(nèi)的相關(guān)研究結(jié)果接近。池塘對污染物單位面積去除速率隨污染物的輸入速率的增加而增大,但污染物的輸入速率達(dá)到一定值后,池塘對污染物單位面積去除速率反而會(huì)隨污染物輸入速率的增加而減少,其原因可能與池塘本身的環(huán)境容量有關(guān),另外,因進(jìn)水流量較大時(shí)段多集中在雨季,也可能與前一次降雨的影響有關(guān)。4污水中總氮、總氮的去除1)在農(nóng)村生活污水中,由于總氮中銨氮的含量較高,因此,總氮的去除效果主要取決于銨氮。銨氮去除率主要受總氮輸入速率的影響,輸入速度越快,銨氮去除率越低。由于受到池塘內(nèi)土壤本身含氮量的影響,總氮的去除率一般只能達(dá)到80%。2)濕地系統(tǒng)對面源污染物的去除率與污染物的輸入速率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。污染物的輸入速度越小,則凈化效果越好,面源污染物去除率就越高;污染物的輸入速度越大,則凈化效果越差,面源污染物去除率就越低。這主要是因?yàn)槲鬯妮斎胨俣扔绊懳鬯跐竦貎?nèi)的停留時(shí)間,從而影響到凈化效率。一般來說,生活污水中總氮含量為20～85mg/L,但監(jiān)測到的數(shù)據(jù)最大值為8.51mg/L,其原因是當(dāng)?shù)厝诵藿艘恍├?牲畜糞便都集中堆放到村外,來水中主要是生活污水,從而導(dǎo)致了污水中總氮含量不高。在一般的濕地中,秋冬季植物死亡,大量的植株殘?bào)w分解,不但起不到凈化的效果,反而會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)變差;而本人工池塘中,由于當(dāng)?shù)卮迕窠?jīng)常將植物割走用做喂豬或養(yǎng)牛的飼料,避免了冬季植物枯死帶來的水質(zhì)惡化的后果。并且,該地冬季較為暖和,池塘內(nèi)仍然有大量植物生長,因此,冬季池塘對生活污水凈化效率為一年中最高。氮的去除主要是通過微生物的硝化、反硝化作用和植物的吸收來完成的,在其他相關(guān)研究中,池塘和濕地系統(tǒng)對總氮的去除率可以達(dá)到70.4%,本研究中,最大值為79.28%,最小值為8.24%,這是由于總氮的輸入速度不一樣造成的。水中的氮,特別是生活污水中的氮主要以銨氮形式存在,池塘系統(tǒng)對氮的去除主要表現(xiàn)在銨氮的去除上,而銨氮轉(zhuǎn)化的途徑主要包括硝化和反硝化作用、銨氮揮發(fā)、植物的吸收和吸附、銨氮的沉淀。本研究中,對銨氮的去除率最高為88.35%,銨氮去除率較高,這與銨氮的輸入速度有關(guān)。而污水中的硝