李生勇霍軼珍郭富強蘭海今曾利彬胡振曾祥

(1.河套學院，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)河套灌區(qū)灌溉排水工程技術(shù)研究中心，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000；4.內(nèi)蒙古巴彥淖爾市生態(tài)烏梁素海保護中心/巴彥淖爾市臨河黃河國家濕地公園管理中心，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000；5.內(nèi)蒙古阿爾格生命科學有限公司，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 011800；6.武漢湖振煜環(huán)境科技有限公司，湖北 武漢 430040；7.長江科學院，湖北 武漢 430010)

1 河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染是烏梁素海水環(huán)境變差的重要原因

烏梁素海是內(nèi)蒙古境內(nèi)的大型草原型淺水湖泊，具有蓄滯洪水、控制污染、改善環(huán)境、保護物種基因多樣性等功能。同時，烏梁素海也是河套灌區(qū)灌排系統(tǒng)的重要組成部分，是河套農(nóng)業(yè)灌區(qū)農(nóng)田排水容泄區(qū)，河套灌區(qū)90%以上的排水都通過排水系統(tǒng)進入烏梁素海，經(jīng)過凈化作用后排入黃河，對黃河水質(zhì)、水量有重要影響[1]。

河套灌區(qū)是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地之一，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)民為追求高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)不斷提高化肥和農(nóng)藥的使用量，而河套灌區(qū)作物田間灌水方法基本采用傳統(tǒng)的地面灌水技術(shù)，化肥利用率比較低，這就造成大量氮、磷等營養(yǎng)元素隨農(nóng)田灌溉過程的徑流進入農(nóng)田排水溝，而各級排水溝中含有的相當一部分的污染物以及營養(yǎng)鹽的水，基本沒有經(jīng)過凈化處理就直接排入烏梁素海。這樣的排水方式不僅造成氮、磷元素大量流失的經(jīng)濟損失，也使烏梁素海水體更加營養(yǎng)化，同時其鹽化、礦化和沼澤化的程度不斷加劇。這樣做的后果不但會直接影響烏梁素海湖泊濕地整體功能發(fā)揮，同時會影響到該區(qū)域范圍內(nèi)的糧食安全和黃河中下游的供水安全。

因此，要改善烏梁素海水環(huán)境，就需要綜合采用自然生態(tài)與人工強化的水環(huán)境治理技術(shù)，充分利用灌區(qū)現(xiàn)有的自然資源條件，選擇常用的人工濕地、生態(tài)排水溝、生態(tài)浮床、生物壩等水環(huán)境治理技術(shù)對農(nóng)田退水中的所富含的氮、磷等污染物進行利用、攔截、阻斷和降解等技術(shù)進行深度處理與再凈化，重新建立一個具備消納農(nóng)業(yè)面源污染物質(zhì)的健康生態(tài)系統(tǒng)，最終實現(xiàn)整個烏梁素海流域農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及功能從本質(zhì)上得到提高和優(yōu)化。

2 表面流人工濕地凈化在河套灌區(qū)的適用性

人工濕地、生態(tài)浮床、生物塘、生態(tài)排水溝等水環(huán)境治理技術(shù)基本都是遵循生態(tài)學原理，在保證水土、氣土交換和生態(tài)結(jié)構(gòu)不破壞前提下，在由水體-基質(zhì)-微生物-植物組成的復合生態(tài)系統(tǒng)，通過物理、化學和生物共同作用來實現(xiàn)污染物攔截凈化作用，各種技術(shù)各有適用條件，需要根據(jù)污染水體的特點、當?shù)貧夂驐l件和工程條件加以選擇。

人工濕地是模擬天然濕地建造而成的，由于人工濕地中水體滯留時間和儲水量可人為控制，可以充分發(fā)揮植物、微生物、基質(zhì)對污染物的吸收作用，在處理低濃度的氮、磷污染水體時具有較好的效果，是當前流域面源污染控制與治理的首選技術(shù)[2]。人工濕地有表面流人工濕地、水平潛流濕地、垂直流濕地以及移動濕地等多種類型，各種類型的人工濕地去除污染物的種類、去除效率、建設(shè)運行費用及適用條件都不同，在使用時需根據(jù)要處理的水體、所處地域氣候條件、地形地貌等特點，對植物、基質(zhì)和微生物加以選擇。

其中，表面流人工濕地主要通過植物根系和基質(zhì)的吸收、吸附以及生物膜的降解等過程有效處理污染物，植物生長能直接吸收水中的氮磷物質(zhì)，并通過分泌氧氣改善人工濕地的內(nèi)部條件，進而提高脫氮效果。表面流濕地系統(tǒng)的處理效果比自然濕地要好，投資及運行費用低，建造、運行和維護都比較簡單，但其水力負荷較小，需要使用面積相對較大才能取得對污染水體明顯的凈化效果[3]。

河套灌區(qū)地廣人稀，農(nóng)田排水溝旁側(cè)常有大量棄用的低洼地，由于土壤鹽堿化嚴重無法用作耕地，經(jīng)過簡單的地形改造后可形成表面流人工濕地，可以將各級排水溝中含有大量污染物、營養(yǎng)鹽的農(nóng)田排水引入旁側(cè)表面流人工濕地進行沉淀凈化，待農(nóng)田排水水質(zhì)得到有效提升后再通過排水溝進入烏梁素海。

人工濕地作為面源污染消減技術(shù)在工業(yè)污染物處理、深度脫氮、生態(tài)修復等方面已有大量的研究，然而針對農(nóng)田退水污染物攔截消減凈化效果的研究較少，尤其地處寒旱區(qū)的河套灌區(qū)關(guān)于人工濕地構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)及對農(nóng)田排水污染物凈化效果鮮少有研究。

因此，本文提出對河套灌區(qū)農(nóng)田旁側(cè)低洼地進行工程改造以形成人工濕地溝塘系統(tǒng)，并對人工濕地構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)開展研究，以期通過人工濕地與排水溝相結(jié)合對農(nóng)田退水中的氮、磷等污染物實現(xiàn)有效的攔截、阻斷和降解，最大程度地削減進入烏梁素海的污染物總量[7]。

3 人工表面流濕地構(gòu)建技術(shù)及農(nóng)田排水凈化效果影響因素分析

本研究中構(gòu)建的人工表面流濕地是模擬天然濕地系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，為了避免人工濕地內(nèi)注入的農(nóng)田排水發(fā)生滲漏，降低地下水被污染的風險，在開展人工濕地凈化農(nóng)田排水環(huán)境效應研究時，增加圍護防滲層，由于水生植物能夠改變水流方向，緩沖水體的流速，有利于污水的均勻分布，還能促進微生物的生長繁衍，所以，更有助于強化濕地對污染物的凈化。該濕地主要由圍護結(jié)構(gòu)及防滲層、人工基質(zhì)、水生植物、微生物等部分構(gòu)成。

3.1 人工濕地土方開挖及TPO防滲圍護結(jié)構(gòu)

為避免農(nóng)田排水引入人工濕地后發(fā)生滲漏，降低地下水被污染的風險，人工表面流濕地需要依據(jù)農(nóng)田排水溝旁低洼地的地形地貌進行土方的開挖整理，并采用TPO防水卷材作為圍護結(jié)構(gòu)防滲層。TPO防水卷材是以聚丙烯長絲無紡布為中間加強層與熱塑性聚烯烴共聚物經(jīng)壓延復合而成。兩膜一布(熱塑性聚烯烴共聚物加聚丙烯長絲無紡布加熱塑性聚烯烴共聚物)的獨特復合結(jié)構(gòu)，使得該產(chǎn)品對于人工濕地中植物根部系統(tǒng)的穿刺和破壞有著極強的抵御能力，其中，加強層聚丙烯長絲土工布是以道達爾聚丙烯樹脂為主要原材料，采用獨有的橢圓形針刺工藝，經(jīng)紡絲、牽伸、鋪網(wǎng)、等工藝流程制成。TPO防水卷材具有良好的力學性能、穩(wěn)定的化學性能和良好的耐久性，其抗拉強度和抗撕裂、抗穿刺強度都很高，具有堅固的結(jié)構(gòu)，能夠保證人工濕地防滲層質(zhì)量。而且TPO防水卷材的化學性能穩(wěn)定，對酸性和堿性溶液也具有良好的耐久性，不會發(fā)生生物降解，特別適合在地處季節(jié)性凍土地區(qū)、土壤鹽堿化嚴重的河套灌區(qū)使用，防滲圍護結(jié)構(gòu)保證了濕地底部及圍護結(jié)構(gòu)細部構(gòu)造不會因為水體浸泡、沖刷而垮塌，形成人工濕地儲水區(qū)域的封閉造型，如圖1所示。

圖1 人工濕地防滲圍護結(jié)構(gòu)

3.2 人工表面流濕地基質(zhì)選擇

基質(zhì)作為人工濕地的重要組成部分，需要通過沉淀、過濾和吸附完成對污染物的去除、降解作用，還要為微生物和植物提供適合的生存環(huán)境，基質(zhì)材料應該是環(huán)保綠色的，不包含有害物質(zhì)，不同的基質(zhì)會顯著影響人工濕地去除污染物的效果[4]。

基質(zhì)在人工濕地中是微生物附著的主要載體，因此作為基質(zhì)的材料要求接觸水體的比表面積要大，要具有較強的吸附能力，還需要經(jīng)常保持通透性，避免堵塞，因此顆粒基質(zhì)材料的級配也很重要。另外，為了保證基質(zhì)具有持續(xù)去除污染物的能力，有時還需要對其進行更換，因此基質(zhì)的選擇應盡量就地取材，在河套灌區(qū)容易獲得且價格便宜。

不同基質(zhì)對污染物去除過程和效果也不同，如對磷的去除主要靠吸附作用，對氮的去除則需要通過促進基質(zhì)表面的微生物生長，利用硝化和反硝化作用來間接達到脫氮的效果[2]，因此要利用基質(zhì)之間的互補性，將除磷效果較好的基質(zhì)和除氮效果較好的基質(zhì)組合使用，基質(zhì)之間產(chǎn)生的優(yōu)勢互補作用可以有效吸收農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中化肥、農(nóng)藥中的磷氮營養(yǎng)鹽、重金屬及其他有機污染物。

河套灌區(qū)可以應用于人工濕地的基質(zhì)填料有煤渣、砂子、碎石等，綜合考慮有效性、經(jīng)濟性、實用性，可考慮將土壤與其他基質(zhì)組合使用，如采用生物質(zhì)炭材料、膨潤土、火山巖等材料對人工濕地的土壤底質(zhì)進行配級，有效提升人工濕地凈化農(nóng)田排水的效果。

3.3 人工濕地植物及微生物選擇

植物選擇是人工濕地建設(shè)中的關(guān)鍵問題，對污染物去除效果起著至關(guān)重要的作用。植物可直接吸收農(nóng)田排水中可利用的營養(yǎng)物質(zhì)，同時還可以吸附重金屬和有毒有害物質(zhì)；植物可以為微生物吸附和生長提供較大的比表面積，為植物根區(qū)好氧微生物輸送氧氣；此外，植物能維持和增強基質(zhì)的水力傳輸性能。袁東海等[5]通過研究發(fā)現(xiàn)，濕地中種植石菖蒲、燈芯草和蝴蝶花時TN平均去除率分別為77.7%、71.2%和66.4%，而未種植植物的濕地系統(tǒng)的TN去除率僅為55.8%，相比未種植植物的濕地系統(tǒng)，種植植物的濕地系統(tǒng)具有更高的脫氮、除磷效果。但是不同的植物所起到的脫氮、除磷效果不同，因此需要選擇合適的濕地植物，尤其是在河套灌區(qū)特有的氣候、水文土壤條件下，需要篩選能夠存活且降解污染物效果良好的植物。

濕地植物選擇應保證不對當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境構(gòu)成威脅，具有生態(tài)安全性；濕地植物需要適應河套灌區(qū)的生長環(huán)境，對污水承受能力較強，而且抗凍、抗熱、抗病蟲害；濕地植物還需要具有很強的生命力和旺盛的生長勢，根系發(fā)達才能具備良好的去污效果，同時還應具備美觀和經(jīng)濟價值。

在河套灌區(qū)人工表面流濕地中選擇植物種類時首先要考慮沉水植物、挺水植物、浮葉植物的合理搭配，優(yōu)先考慮選擇當?shù)貎?yōu)勢作物窄葉香蒲、三棱蒲、蘆葦、水蔥、鳶尾、狐尾藻、黑藻、金魚藻等易于成活的水生植物[6]。

微生物也是人工濕地脫氮、除磷的重要因素，微生物通過新陳代謝來分解水中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，進行有機物的降解、氮化合物的脫氮作用和磷化合物的轉(zhuǎn)化等。植物根部表面及附近區(qū)域都是好氧區(qū)域，在該區(qū)域好氧微生物將廢水中大部分有機物質(zhì)分解為水和二氧化碳，硝化細菌硝化有機氮化合物，在離根區(qū)較遠的兼性區(qū)，反硝化細菌則將有機物降解，并將氮素分解成氮氣釋放至大氣中；對于廢水中的磷化合物，溶解性好的磷化合物直接被植物吸收，而溶解性差的磷化合物通過微生物溶解后才能被植物吸收利用。表面流人工濕地系統(tǒng)對有機物的去除主要是依賴植物、基質(zhì)和微生物共同作用的結(jié)果，其中微生物是濕地系統(tǒng)污水凈化的主要執(zhí)行者，其分解的污染物通常占整個系統(tǒng)污染物去除的70%左右。因此，人工濕地構(gòu)建中也應重視對河套灌區(qū)農(nóng)田排水凈化效果良好的微生物的選擇研究。此外，在微生物選擇方面，還需要考慮當?shù)氐臍夂驐l件，作為北方寒旱地區(qū)，到了秋季末期和整個冬季，微生物的活性大幅度降低，同時濕地內(nèi)的水會結(jié)冰，降解效果大幅度下降，第2年春季氣溫回升緩慢，微生物恢復也需要很長時間。

4 結(jié)語

本文根據(jù)河套灌區(qū)地理特點、主要的農(nóng)業(yè)面源污染產(chǎn)生、發(fā)生和發(fā)展的特征和烏梁素海水污染形成的成因，開展人工濕地溝塘系統(tǒng)在烏梁素海水環(huán)境治理中的應用研究，提出對河套灌區(qū)農(nóng)田排水溝旁側(cè)低洼地進行工程改造以形成人工濕地溝塘系統(tǒng)，并從物理、化學、生物等方面分析了人工濕地溝塘系統(tǒng)的作用機制及污染物去除影響因素，對人工濕地溝塘系統(tǒng)的地形重塑、物種配置和維護管理提出建議。

研究表明，人工濕地溝塘系統(tǒng)兼具農(nóng)田排水污染物質(zhì)的截留、植物和微生物的棲息、生態(tài)廊道等生態(tài)效益，可以有效削減農(nóng)田排水排入烏梁素海的污染物總量，減輕烏梁素海富營養(yǎng)化程度，從根本上改善烏梁素海水環(huán)境。