CN112239272A - 一种农村水塘水环境生态综合治理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种农村水塘水环境生态综合治理方法，属于水环境治理领域。本发明通过优化农村水塘几何尺寸、水力学参数，并引入太阳能泵水循环系统，以一定流量进行水塘水间歇内循环流动；同时，在水塘适宜水深引入沉水植物+挺水植物，并放养滤食性鱼类+底栖蚌类。本发明的方法经济长效、效果稳定，具有显著的经济、社会和生态环境效益。

Description

一种农村水塘水环境生态综合治理方法
技术领域
本发明属于水环境治理领域，具体地涉及一种农村水塘水环境生态综合治理方法。
背景技术
农村水塘广泛分布于我国东部和南部地区，是一种特殊的湿地，能够显著地降低径流速度、贮存降水及暴雨径流，其所蓄积的水资源在灌溉期回灌农田，得以循环利用，长期承担着蓄水灌溉、渔业养殖等功能，甚至还是不少农村生活及卫生用水的水源，在我国农村农业发展过程中具有不可替代的作用和价值，是我国存在3000多年的典型农业水利工程。同时，农村水塘系统还是农业排水、农村生活污水、农村分散式畜禽养殖废水、露天垃圾淋溶液等生产生活废水受纳水体，承担着纳污、截留等作用，是农村生态环境自我净化能力的集中体现。然而，在农业发展、城镇化建设过程中，由于缺乏对农村水塘系统在水环境过程与功能维持方面的深入研究，原有的农村自然水体被大量侵占，水塘被建筑垃圾等杂物和淤泥填平，导致农村水系支离破碎，沟塘淤塞严重，蓄洪抗旱功能发挥不充分，水体自净能力差、截污功能大大减弱，不仅对村民生活造成一定影响，而且对农村小流域水环境造成恶劣影响。
目前，相关的修复和处理技术也有很多，如原位覆盖技术、生物修复技术、水网连通技术和生物调控技术等。
原位覆盖技术主要是通过在污染底泥表面铺放一层或多层清洁的覆盖物，使污染底泥与上层水体隔离，从而阻止沉积物中营养盐向水体的迁移。近年来，国内外采用的常见原位覆盖技术有投加除藻剂、絮凝沉淀(也叫底泥封闭技术)、重金属的化学固定等；通过向底泥施入化学修复剂与污染物发生化学反应，从而使污染物易降解或毒性降低；投加混凝剂后，水体中磷的浓度下降，有利于抑制藻类生长，使水体透明度增加，水质得到改善。但是，在加入化学物质后，水底发生化学反应，会对底栖生物有较大影响；同时，藻类受到抑制，使得沉水植物等往往会因为透明度增加，光照条件改善而向深水区域发展，引发新的生态问题；另外，由于需要投加化学品，公众可能难以接受。生物修复技术是利用培育的植物或培养、接种的微生物的生命活动，对底泥中的污染物进行转移、转化及降解，从而达到修复底泥的目的。但是，生物修复技术短期效果明显，容易受到外界条件变化的影响，并且其效果季节性差异较大。
国内外有关生物调控技术主要集中在单一生物调控技术方面，主要对其生态功能、操纵效果以及作用机理方面进行了研究。但是，有关生物联合调控方面的研究为数不多，并且，目前仍停留在效果研究阶段，有关机理探究方面的研究更是少之又少。
水网连通是通过修建或者改造利用已经存在的闸、站、引水渠等实现水体与水体在地理范围上的连通；其投入成本较大，后期运行调度管理复杂，在农村水塘众多、经济相对落后、从事环境修复的专业人员较少的农村地区难以得到大范围应用。
发明内容
为了解决上述技术问题，在充分考虑农村经济欠发达情况的基础上，针对农村受污染水体缺乏相应的受损生态系统修复与重建实用技术的现状，为促进我国南方地区村镇经济社会发展、改善农村人居环境、指导地方城乡规划、促进美丽乡村建设开展，发明人针对农村水塘，开展了经济可行的生态综合治理技术模式研发，取得了较好成效，从而完成本发明。
本发明采取的技术方案如下：
一种水塘水环境生态综合治理方法，包括以下步骤：
S1，设置水塘尺寸长宽比为3:1～5:1，水深25～35cm，水力停留时间8-12h，进、出水口布置为水流沿长边方向，在塘的一边中间进水、另一边中间出水(简称中进中出)的布置方式，塘边0-30cm浅水区采用间隔15-25cm种上湿地植物。
S2，建立水塘水间歇内循环系统，每3天内循环一次，每次时长3.5-4.5h。
S3，在水塘中放养滤食性鱼类、投放滤食性底栖蚌类，并种植沉水植物。
在本发明的一些实施方案中，步骤S1中，设置水塘尺寸长宽比为4:1。
在本发明的另一些实施方案中，步骤S1中，设置水深30cm。
在本发明的又一些实施方案中，步骤S1中，设置水力停留时间10h。
在本发明的又一些实施方案中，在塘边浅水区采用间隔20cm种上湿地植物。
在本发明的一些实施方案中，步骤S1中，所述湿地植物为水葱。
在本发明的一些实施方案中，步骤S2中，利用太阳能泵建立水塘水内循环系统：在水塘进出水口采用水管连接，利用太阳能泵作为动力，实现水塘水的间歇内循环流动。水体的流动性可以表征一个水生态系统的健康性，同时对防止富营养化的形成起到重要的作用。流速作为指示水生生态系统健康的重要指标，对于藻类的繁殖与分布以及营养盐都有着重要的作用。
水力停留时间直接影响流速。水流越快，悬浮藻类生长和形成水华越困难。浮游藻类生物量的改变，影响以其为食的浮游动物生物量，进而影响食物链上的其他生物种群数量，使水体生态系统结构和其它生物群落发生明显变化。
在本发明的一些实施方案中，在步骤S3中，所述滤食性底栖蚌类为三角帆蚌，其投放量为3ind./m3；所述滤食性鱼类为鳙鱼和鲢鱼，鳙鲢鱼的投放量为1ind./m3，鳙鱼和鲢鱼放养比例为1:4。底栖蚌类作为一种耐污性强、滤食效率高的滤食性底栖生物，在治理富营养化水体方面具有巨大的应用价值。在水体中投放底栖蚌类，在一定程度上可引起浮游动物群落结构趋小型化，间接减弱微型藻类在生存空间、能源方面的竞争压力，从而导致微型和总浮游植物生物量的增加。因此，同时放养滤食性鱼类，并控制适宜放养密度，从而达到有效控制藻类大量繁殖，又不过度消耗大型浮游动物生物量。滤食性鱼类在水体生态系统中的“上行效应”和“下行效应”作用对水体水质具有重要影响。一方面，它能够直接滤食水体中的浮游动、植物，改变水体中浮游生物群落结构；另一方面，它还能通过消化吸收、排泄、扰动底泥等生命活动改变水体营养状况。放养滤食性鱼类如鳙鲢鱼更适于用来控制个体较大的藻类生物量。
在本发明的一些实施方案中，所述沉水植物为金鱼藻，其种植覆盖率为30％。沉水植物是水体生态系统中不可或缺的重要组成部分，对浮游生物群落和营养循环过程具有显著影响。种植沉水植物能够有效降低水体中营养盐含量，促进水体从浊态到清水态的转变与长期维持。但是，藻类和沉水植物的死亡分解可能造成水体中NH4 +-N浓度升高，因而在实际应用过程中也必须充分考虑季节和水生植物生命规律等因素，净化效果好和耐污能力强的多年生水生植物应该优先选为先锋种。种植沉水植物可有效降低浮游生物生物量，在去除水体中磷酸盐负荷更为有效，这对生物调控富营养化水体十分重要。
在本发明中，多种生物调控技术相联合可强化富营养化水体修复效果。
本发明的有益效果
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
通过“水塘几何尺寸和水力学参数优化+水塘水间歇内循环流动+生物联合调控”组合模式应用农村水塘水环境治理中，可以有效改善水质，提高农村水塘水环境容量和水环境人口承载能力；并且能够产生鱼类和三角帆蚌直接经济效益。因此，本发明技术经济长效、效果稳定，具有显著的经济、社会和生态环境效益。
在实际应用中进行测定，在春夏季，单位容积(103m3)水环境容量较自然状况下TN增加22.51％，氨氮增加118.78％，TP增加73.29％，COD增加13.81％；在秋冬季，TN增加957.36％，氨氮增加60.96％，TP增加90.94％，COD增加35.87％。同时，可提高水塘水环境承担能力；其中，在春夏季，单位容积(103m3)水塘水环境人口承载量较自然状况下TN可增加22.99％，氨氮可增加119.75％，TP可增加100.00％，COD可增加14.28％；在秋冬季，TN可增加875.00％，氨氮可增加60.29％，TP可增加93.33％，COD可增加36.36％。
附图说明
图1示出了本发明实际应用的场景。
图2示出了本发明实际应用的另一场景。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。
实施例
以下例子在此用于示范本发明的优选实施方案。本领域内的技术人员会明白，下述例子中披露的技术，代表发明人发现的可以用于实施本发明的技术，因此，可以视为实施本发明的优选方案。但是本领域内的技术人员根据本说明书应该明白，这里所公开的特定实施例可以做很多修改，仍然能得到相同的或者类似的结果，而非背离本发明的精神或范围。
除非另有定义，所有在此使用的技术和科学的术语，和本发明所属领域内的技术人员所通常理解的意思相同，在此公开引用及他们引用的材料都将以引用的方式被并入。
那些本领域内的技术人员将意识到，或者通过常规试验就能了解许多这里所描述的发明的特定实施方案的许多等同技术。这些等同将被包含在权利要求书中。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的仪器设备，如无特殊说明，均为实验室常规仪器设备；下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为自常规生化试剂商店购买得到的。
实施例1水塘几何尺寸和水力学参数优化
农村水塘是南方农村常见的水体之一，也是表面流湿地的一种，它可以有效减缓径流速度、储存雨水，有效控制氮磷等面源污染的输出。
表面流湿地的设计参数通常分为两种，即几何尺寸参数和水力学参数。
几何参数包括表面积、长宽比、水深、植物间距(浅水区种植)等，水力学参数包括水力停留时间、入流量、水力负荷等，这些参数相互之间存在密切联系，在设计时需要综合考虑。水力性能和净化效果是水塘湿地两个最重要的评价性能指标。水力停留时间是计算各水力指标的基础，在湿地水力性能分析中具有决定性的作用。
发明人通过设置长宽比、水深、植物间距等几何参数和水力停留时间、进出水口布置等水力学参数组合，进行水塘水力性能和净化效果的研究。
结果表明，水塘湿地的设计参数与水力性能指标之间有一定的相关性，并且水力性能指标之间普遍存在着极显著相关。长宽比、水深、植物间距和水力停留时间是影响水塘湿地水力性能的最主要因素，尤其以长宽比的影响最为明显；长宽比、水深、植物间距、水力停留时间、进出水口布置和植物种类对TN去除率有着显著的影响(P﹤0.05)，对TP去除率也有着一定的影响(P﹤0.1)。同时，水塘湿地的设计参数与净化效果指标之间存在着正相关性，长宽比、水深、植物间距是影响TN浓度削减的最主要因素，长宽比、水深、植物间距和水力停留时间是影响TP和TSS浓度削减的最主要因素。由此可见，无论是对水力性能指标还是净化效果指标，长宽比、水深、植物间距和水力停留时间都是湿地性能发挥的最主要影响因素。
综合水力性能指标的分析，发明人研究表明，实现表面流人工湿地水力性能最佳的设计参数组合为：
参数 长宽比 水深(cm) 水力停留时间(h) 植物种类 植物间距(cm) 进出水口布置
数值 8：1 30.0 10.0 香蒲 20.0 中进中出
对于表面流人工湿地净化效果而言，湿地设计参数的最佳组合为：
参数 长宽比 水深(cm) 水力停留时间(h) 植物种类 植物间距(cm) 进出水口布置
数值 4：1 30.0 10.0 水葱 20.0 中进中出
相比于水力性能来说，水塘湿地净化能力的优异才是湿地设计的最终目的。因此，综合考虑水力性能和净化效果的的试验结果，本发明采取最佳的水塘湿地设计参数组合为：
参数 长宽比 水深(cm) 水力停留时间(h) 植物种类 植物间距(cm) 进出水口布置
数值 4：1 30.0 10.0 水葱 20.0 中进中出
实施例2水塘水间歇循环流动
本实施例中，发明人以流速和间歇循环作为研究对象，探索水塘水内循环系统在不同流速和间歇循环方式，对水塘水质、水环境容量和浮游动物群落的变化影响，以得出最优的流速和间歇循环组合条件。
发明人发现，水塘水内循环系统以较低的流速循环，能够更高效的去除污水中的污染物，其主要原因是较低的流速导致较长的水力停留时间，更有利于塘渠循环系统中污染物的沉降与吸附。较长的水力停留时间可以为微生物和水生植物提供一个更好的生态环境，因此可以得到TN更高的去除率、浮游动物物种数和多样性指数。
间歇循环模式可以减少底质中氮磷的释放，水生植物通过底泥固定、促进沉降和阻止底泥再悬浮，加强微生物的能力和活性，从而提高其对TN和TP的去除效率，更有效的修复水体。实验结果证实：水塘水内循环系统以3.6L/h的流速间歇4h循环，更有利于修复农村受污染的水体。
为实现水塘水间歇内循环，发明人通过选用太阳能泵(流量是70L/min，功率180W，扬程6-8米，电压12V，口径25mm)，实现水塘水的间歇循环流动。在水塘进出水口处采用水管连接，每3天分别对水塘中水进行历时4h的内循环一次。
实施例3生物联合调控修复技术
生物联合调控修复技术是多方位的综合污染治理模式，主要根据生态学原理，在充分利用水体中生物群落结构特点和生态功能的基础上，实现对各类污染物从源头、过程以及终端资源化再生利用，达到在恢复农村水体生态服务功能的同时，创造出经济价值、美学价值和社会环境效益。
发明人通过放养滤食性鱼类鲢鳙、投放滤食性底栖蚌类三角帆蚌和种植沉水植物金鱼藻三种单一生物调控技术以及三种技术联合应用对富营养化水体的修复效果，分析评价单一生物调控技术和联合调控技术(三角帆蚌：3ind./m3；鳙、鲢鱼：1ind./m3；金鱼藻：覆盖率30％)在去除营养盐和控制藻类生物量方面的效果，提出效果最佳的生物调控修复技术。
通过统计学分析水体中的TP，PO4 3--P，TN，NH4 +-N，COD，Chl.a等水质参数的变化情况，最终发现生物联合调控措施对水体中各水质指标均有显著影响(P<0.001)。
发明人还发现，在水体中投放底栖蚌类，在一定程度上引起浮游动物群落结构趋小型化，间接减弱了微型藻类在生存空间、能源方面的竞争压力，从而导致微型和总浮游植物生物量的增加。因此，在利用投放河蚌生物修复技术调控富营养化水体时，合理选择既能有效控制藻类大量繁殖，又不过度消耗大型浮游动物生物量的放养密度也是十分必要的。为此，发明人设计了一种不仅能够利用底栖动物河蚌和游泳型动物鳙鲢鱼去控制水体中的浮游藻类，而且还能通过种植沉水植物削减水体中营养盐的“立体式”生物联合调控技术。首先，沉水植物的种植使得浮游动物、底栖蚌类和滤食性鱼类在同一生境下共存成为可能。浮游动物、河蚌和鳙鲢鱼的滤食选择性有所不同，而他们之间相互耦合能够进一步强化对过度繁殖浮游藻类生物量的控制效果。再者，沉水植被重建技术能够减少因放养河蚌和鳙鲢鱼而引起的营养盐再生等负面效果，而反过来滤食性生物的投放也可以通过提高水体透明度来促进沉水植被修复。对比不同调控技术修复效果发现，实施单一生物调控技术处理组在一定程度上都会在某些方面效果不太理想。然而，在联合调控实验组中，这些不足之处在一定程度上得到了弥补。一方面，水体中NH4 +-N含量的去除率得到了提高。这可能因为杂食性河蚌和鳙鲢鱼对水体中腐殖质的滤食作用间接减少了因沉水植物或藻类的死亡分解引起的NH4 +-N释放。另一方面，种植沉水植物的实验组为浮游动物提供了躲藏河蚌或鲢鱼捕食作用的空间，导致甲壳类浮游动物的生物量较高。因而，在浮游动物、河蚌以及鳙鲢鱼的联合捕食作用下，进一步强化了对微型浮游植物以及总浮游植物生物量的控制效果。
结果表明，生物联合调控技术在修复富营养化水体方面比单一技术更为有效。在食物链甚至食物网层次上更加综合、全面地生物调控技术在提高水体的自净能力和自我稳定性方面更为有效。因此，在设计生物联合调控技术修复某一个富营养化水体时，不应该是几种单一修复技术的简单叠加，而应是不同技术之间的相互补种和耦合。同时，为了确保处理效果更为理想，所选取的密度、生物量也都与自然条件下或其他研究中的密度阈值一致甚至更高。
实施例4水塘几何尺寸和水力学参数优化+水塘水间歇内循环流动+生物联合调控
综合实施例1-3，发明人将“水塘几何尺寸和水力学参数优化+水塘水间歇内循环流动+生物联合调控”进行组合，应用到水塘水环境治理中(如图1和图2所示)，取得了较好的减污效果，TN、NH4 +-N、TP浓度变化总体上均呈下降趋势；其中，TN在前7d浓度快速下降，之后浓度呈缓慢下降，最大去除率达97％；NH4 +-N浓度秋冬季在10d内呈现快速下降，春夏季在19d内均在下降，之后呈缓慢下降，秋冬季最大去除率达92％，春夏季最大去除率达79％；TP浓度在7d内快速下降，随后缓慢下降，秋冬季最大去除率达94％，春夏季最大去除率达95％。COD秋冬季前5d内有小幅度上升，其后快速下降，至22d后缓慢下降，春夏季在13d内快速下降，随后有小幅度上升，22d后缓慢下降，秋冬季最大去除率达69％，春夏季最大去除率达75％。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种农村水塘水环境生态综合治理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，设置水塘尺寸长宽比为3:1~5:1，水深25~35cm，水力停留时间8-12h，进、出水口布置为水流沿长边方向，在水塘的一边中间进水、另一边中间出水的布置方式，塘边0-30cm的浅水区采用间隔15-25cm种上湿地植物；
S2，建立水塘水间歇内循环系统，每3天内循环一次，每次时长3.5-4.5h；
S3，在水塘中放养滤食性鱼类、投放滤食性底栖蚌类，并种植沉水植物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述湿地植物为水葱。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，在水塘进出水口采用水管连接，利用太阳能泵作为动力，实现水塘水的间歇内循环流动。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S3中，所述滤食性鱼类为鳙鱼和鲢鱼。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述鳙鱼和鲢鱼的投放量为1ind./m3，鳙鱼和鲢鱼投放比例为1:4。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S3中，所述滤食性底栖蚌类为三角帆蚌。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述三角帆蚌的投放量为3ind./m3。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉水植物为金鱼藻。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述金鱼藻的种植覆盖率为30%。
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