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农村地区分散式废水(包括生活污水、养殖废水和沼液)排放量巨大,面源污染情况严重。农村经济基础较薄弱,较难投入巨额资金建造污水处理厂。这些分散式废水是含有丰富的养分离子及活性物质的水溶液,符合农业科学施肥中提倡的水肥一体化技术的应用。以处理后的废水进行农业灌溉利用,具有造价低、运行稳定、管理容易、净化效率高、不影响地面生产等优点。构建农村废水土地灌溉处理系统的相关研究也逐渐增多,但是系统稳定运行需要确定的设计参数,灌溉制度、预处理设计、土壤渗滤性和水力负荷关系、时空差异性等的研究资料还较缺乏,土壤-植物-微生物综合体系提升土地处理分散式废水的工作仍需继续开展以确保土地灌溉利用及农业生产长期稳定运行。
本着污水就地处理,养分循环利用的原则,本研究构建了分散式废水土地灌溉处理利用系统,系统由本研究团队自行设计、构建、运行、维持、维护和更新。本试验基本确定土地灌溉利用处理系统运行的水力负荷和灌溉制度等内容,对土地灌溉利用处理系统的布水和排水系统进行优化设计,并监测了该系统运行对土壤、植物、地下水等的影响。
研究结果表明,废水灌溉量在500~760mm之间时,经过该土地灌溉处理系统,出水平均pH为7.13~7.31,出水悬浮物(SS)符合国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)二级标准,去除率达90%以上,去除效果很好。水力滞留时间为24h时,系统出水污染物浓度比较稳定,是比较优化的滞留时间。60cm土层深度即系统排水部分所在位置的出水情况较好,达到了GB18918-2002中的一级标准。系统总氮(TN)平均去除率为75%~89%,达到GB18918-2002一级排放标准;总磷(TP)去除率在79%~99%之间,出水TP浓度比较低,达到GB18918-2002一级A类标准;出水总有机碳(TOC)浓度为6~15 mg·L-1,去除率在49%~77%之间;污水化学需氧量(COD)去除率在85%以上,浓度范围是7~31 mg·L-1,达到GB18918-2002一级A类标准。
园林地污水灌溉处理利用系统对地下水水质无明显影响,对地下水环境安全未构成威胁。系统运行期间植物生长良好。硝态氮在试验区耕作层有明显积累,污水灌溉系统对土壤其他性状无显著影响。本试验中改进的园林地灌溉处理系统每t污水处理费用略高于传统慢速渗滤处理工艺,但是该系统投资成本最小,操作容易,比较适合应用和推广,该系统中废水水分利用率在80%以上,仅在长三角地区园林地中可增效约15亿,具有重要经济、环境和社会效益。
沼液(养殖废水)土地利用系统运行期间TN、TP、COD及NH4+-N浓度大幅度降低,但是因为沼液及养殖废水浓度偏大的缘故,出水浓度也相对较大。同时,系统出水量不大,不会造成二次污染。沼液灌溉于葡萄园地后对土壤基本理化性质产生了不同程度影响。另外,安装有地下排水管道的情况下,能提高矿质元素迁移流动,减少水力滞留时间,电导率差异显著降低。除速效钾、全磷外,有机质、全氮、和速效磷均为种植黑麦草的处理显著高于其他处理。进行沼液灌溉于葡萄园地对土壤微生物C、N不会造成显著影响,灌溉区地面间作黑麦草或地下安装排水管道时能显著性提高土壤微生物C、N含量。沼液园林地消解利用能提高土壤微生物量碳与土壤有机碳比率,但未达到显著性水平。沼液在园林地消解利用中,只进行沼液灌溉的处理区土壤蔗糖酶活性略微下降,其他试验区土壤蔗糖酶含量较对照区显著性提高。试验区土壤脲酶也较对照区提高了数倍以上。土壤酸性磷酸酶和过氧化氢酶在该试验研究中未表现出较大变化。因此,在适当的消解灌溉量下,沼液对园林地土壤微生物和酶活性不会造成负面影响,沼液应用于园林地中进行消解利用安全可行。该试验仅为短期效应,沼液园林地消解利用处理对作物品质、土壤肥力和农业生产环境的影响有待在后续长期定位研究中继续进行。
另外,在本试验基地实验条件下,通过对系统氮素来源(包括大气沉降、灌溉带入、施肥)及去向(作物吸收、氮素淋失、气态损失、土体截留、径流损失)的分析可得出园林地主要氮输入输出处于可回收状态,回收率在90%以上。另外,系统里面土壤有机氮矿化及农田氮生物地球化学循环的空间变异性等会带来一些系统误差,该试验系统里面未加考虑。氮素发生盈余也可能通过其他一些方式损失或固定。