多元生态技术下的乡村涝池水质保障研究

唐志立,王云中,胡 滨,付飞熊

(1.陕西省水工程勘察规划研究院,陕西 西安 710003;2.西安建筑科技大学,陕西 西安 710055)

0 引言

涝池是我国北方地区为存蓄雨水而修建的一种小型的水土保持工程,其特征与南方“塘”相似,距今已有其余年历史。在早期,村民常将涝池底泥作为农家肥使用,涝池使用率高,涝池水质较好。随着我国经济和城市化进展的飞速发展,农村人口锐减,涝池也逐渐被废弃。一般涝池水位较浅,是一个封闭的系统,具有水环境容量小、自净能力差等特点,涝池水体很容易受到污染,再加上缺乏管理,致使涝池水质不断恶化。据相关研究表明,关中地区实施整治的1 500多座涝池中,由于种种原因,已有 78.2%的涝池出现不同程度的水体黑臭现象[1]。

1 涝池水体修复研究现状

目前,许多涝池被废弃,大量的涝池被垃圾杂物填埋,水体黑臭、蚊蝇滋生,耿乃立[2]在研究中表明涝池的蓄水、防洪、排涝等功能在逐步消失,涝池数量锐减。当雨季来临时,雨水得不到收集利用,污水在地面肆意横流,严重危害了地下水以及农田的安全,加重了农村的面源污染,十分影响着村民的身心健康。杨雲舒[3]等在陕西省长武塬区调查发现,该地区涝池消失严重,消失涝池数量占涝池总量的75%。苏媛等[4]在陕西省杨凌示范区选取了8个具有典型代表性的涝池并进行水质分析发现,所有涝池水质均超过地表V类水标准,大部分水体污染严重,水体污染物以N类污染最为严重。肖程洲[5]在对关中地区的18个涝池的水质分析中表明,大部分涝池水体TN、TP、COD含量超标十分严重,其中NO3-N浓度超V类水标准约4倍,TP超15倍,COD超4倍,其污染来源主要是生活污水排放及垃圾堆放。

近年来,有不少学者针对涝池做了研究,但大多数都聚焦于涝池的建造设计、历史演变特征及其流域典型灌木植被生态参数的研究[3],针对涝池水质保持及净化等方面的研究依然较少。相较于湖泊、水库等大型水体的修复治理,涝池的水体的修复治理关注度低,缺乏广泛全面的调查研究以及较为成熟的治理体系以及技术措施。目前,国内外针对封闭水体采用的修复技术主要有三类[8]:(1)化学方法,如加入化学药剂杀藻、加入铁盐促进磷的沉淀、加入石灰脱氮等;(2)物理方法,如疏挖底泥、机械除藻、引水冲淤等;(3)生物—生态方法,主要指投加微生物制剂抑藻、放养控藻型生物、构建水生植被及物理生态工程。而涝池因其地理位置分散,再加上各地村民生活习惯差异,致使其污染源以及受污染程度均存在较大的差异,截止目前依然缺乏一套系统的理论以及成熟的治理技术。因此,开展涝池水质净化研究刻不容缓。

2 技术与方法

2.1 研究区概况

本研究选址位于陕西省刘家塬村,该涝池容积1 840 m3,深度3 m,水深1.5 m,属于综合性涝池[9]。该涝池水质恶劣,水体黑臭,大量藻类滋生,进水口被大量垃圾填埋,从源头上就已经造成了污染。许多村民将生活污水排放至涝池中,涝池表面形成了油膜,隔绝了水体与空气,导致水体严重缺氧。据村民介绍,涝池已被荒废多年,因为无人看管,导致周遭环境恶化。

2.2 构建多元生态技术

根据刘家塬村涝池现状,通过利用人工湿地技术、喷淋加氧技术或生态喷泉技术、水体构筑物过流加氧技术、水体大循环技术等多元生态技术对该涝池进行生态改造。在涝池旁2 m处修建小型潜流型人工湿地,通过将涝池水引入潜流型人工湿地,水在经过湿地过程中,其中大量的有机物以及N、P等物质能被人工湿地所处理,处理后的水在经过水体构筑物形成跌水回到涝池从而增加其溶解氧量。水体大循环顾名思义就是指通过增设循环水泵等方法来增加水体的循环量,或者使本来不流动的死水流动起来,增加大水体扰动量,从而使水体底部缺氧水与上部富氧水相混合来达到增加水体底部溶解氧含量。也就是在涝池周边底部设多出取水头,然后通过人工生态喷泉从中心喷出,从而达到水体循环和喷淋加氧的双重作用。

2.3 研究方法

本研究过程中,以改造完成后的刘家塬村涝池为实验组,增加距刘家塬村1 km的宋家村涝池作为对照组。本研究选取化学需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、总氮(TN)、总磷(TP)、叶绿素、溶解氧(DO)六个指标对涝池水质进行评价,各个指标测量方法参照《地表水环境质量标准》GB3838-2002中介绍的方法执行[10]。通过将实验组与对照组测定的结果进行对比来评价多元生态技术在净化涝池水质方面的效果。

3 结果与分析

3.1 COD

实验组与对照组COD含量变化如表1所示。从表1不难看出,对照组COD浓度要远高于实验组COD浓度,在2022年6月29日,两组差值高达189 mg/L。经过多元生态技术改造后的实验组在多数时间里,其COD浓度低于40 mg/L,达到了《地表水环境质量标准》中的V类水质标准,在半数时间里,其COD浓度低于20 mg/L,达到了《地表水环境质量标准》中的III类水质标准。反观未采取措施的对照组,最高时COD浓度高度230 mg/L,在多数时间里,其COD浓度均远高于《地表水环境质量标准》中的V类水质标准。采样期实验组平均浓度为25.93 mg/L,采样期对照组平均浓度为75.79 mg/L。

表1 COD含量变化 mg/L

3.2 BOD5

实验组实验组与对照组BOD5含量变化如表2所示。由表2可以看出,对照组BOD5浓度要远高于实验组,在2022年3月1日,两组差值高达57.4 mg/L。经过多元生态技术改造后的实验组除在2022年5月16日,其余时间BOD5浓度低于10 mg/L,达到了《地表水环境质量标准》中的V类水质标准,在2022年7月后,其BOD5浓度低于4 mg/L,达到了《地表水环境质量标准》中的III类水质标准。反观未采取措施的对照组,最高时BOD5浓度达到了66.3 mg/L,在采样期间,79%的时间里,其BOD5浓度均高于10 mg/L,远高于《地表水环境质量标准》中的V类水质标准。采样期实验组平均浓度为6.25 mg/L,采样期对照组平均浓度为23.54 mg/L。

表2 BOD5含量变化 mg/L

3.3 总氮(TN)

实验组与对照组TN含量变化如表3所示。由表3可以看出,对照组TN浓度要远高于实验组TN浓度,在2022年3月1日,两组差值高达9.8 mg/L。经过多元生态技术改造后的实验组除在采样期79%的时间中,其TN浓度低于2 mg/L,达到了《地表水环境质量标准》中的V类水质标准,且总体趋势平稳。反观未采取措施的对照组,最高时TN浓度达到了13.7 mg/L,在采样期间,其TN浓度均高于2 mg/L,无任何时间段达到了《地表水环境质量标准》中的V类水质标准。采样期实验组平均浓度为1.90 mg/L,采样期对照组平均浓度为4.11 mg/L。

表3 总氮(TN)含量变化 mg/L

3.4 总磷(TP)

实验组与对照组TP含量变化如表4所示。由表4可以看出,对照组TP浓度要远高于实验组TP浓度,在2022年6月29日,两组差值高达0.77 mg/L。经过多元生态技术改造后的实验组除在采样期86%的时间中,其TP浓度低于0.2 mg/L,达到了《地表水环境质量标准》中的V类水质标准,且总体趋势平稳。反观未采取措施的对照组,最高时TP浓度达到了0.93 mg/L,在采样期86%的时间中,其TP浓度均高于0.2 mg/L,大部分无法达到《地表水环境质量标准》中的V类水质标准。采样期实验组平均浓度为0.16 mg/L,采样期对照组平均浓度为0.37 mg/L。

表4 总磷(TP)含量变化 mg/L

3.5 叶绿素

实验组与对照组叶绿素含量变化如表5所示。由表5可以看出,对照组叶绿素浓度要远高于实验组叶绿素浓度,在2022年6月16日,两组差值高达494 ug/L。叶绿素含量能够很好的反应水体中藻类的含量,从而得出水体富营养化情况,从表5可以看出,对照组水体富营养化情况十分严重,而经过多元生态技术改造后的实验组,水体富营养化情况得到了极大的改善。采样期实验组平均浓度为50.29 ug/L,采样期对照组平均浓度为219.21 ug/L。

表5 叶绿素含量变化 ug/L

3.6 溶解氧(DO)

实验组与对照组DO含量变化如表6所示。由表6可以看出,实验组与对照组的DO浓度均高于7.5 mg/L,达到了《地表水环境质量标准》中的I类水质标准,且总体趋势平稳。实验组在经过多元生态技术改造后,使得其含氧量增加,有利于水体自净。采样期实验组平均浓度为12.44 mg/L,采样期对照组平均浓度为11.38 mg/L。

表6 溶解氧(DO) mg/L

4 结语

从上述数据可以得出,在经过多元生态技术改造后,实验组水质得到明显改造,在大部分时间里,其绝大多数水质指标可以达到《地表水环境质量标准》中的V类水质标准,部分时间段可以达到《地表水环境质量标准》中的III类水质标准。与对照组相比,COD平均去除率为34.21%,BOD5平均去除率为26.55%,TN平均去除率为46.23%,TP平均去除率为43.24%,叶绿素平均去除率为22.94%,实验组DO平均浓度比对照组高了1.06 mg/L。

通过建设潜流型人工湿地,利用生态方法去除水体中的有机物质以及N、P等物质。相较于其他方法,该方法更加环保经济,更加简单并且能够长期实现水体自净。通过采用水体构筑物流加氧技术、喷淋加氧技术以及水体大循环技术,使原本的死水活了起来,使得水体在不需要补水等措施的前提下实现了流动,增加了水体的溶解氧含量,加强了水体自净能力,同时这三种技术的运用为当地提供了稀缺的生态景观功能,在改善水质的同时满足了村民的文化需求,十分具有推广意义。