华东地区农村水库型水源地水质安全保障模式及应用
中图分类号：TV697.3文献标志码：A文章编号：
1672-1683（2015）001-0042-05
The mode of water safety guarantee of reservoir water source and its application in East China
KOU Hai-qun
（Xinjian County Environmental Monitoring Station，Nanchang 330100，China）
Abstract：The agricultural nonpoint pollution has threatened the water quality protection of headwater in reservoir.To protect the water quality of water source，it is important to control nonpoint pollution in the protection zone of headwater area of a reservoir at present.In the paper，the main problems of water source are diagnosed，the proposed protection target of Reservoir Water Source is to deal with water quality change of nitrogen and phosphorus removal from non-point source pollution.The Mode of Water Safety Guarantee of Reservoir Water Source is determined.The aerobic -anoxic-biochemical and articifial wetland combined process，process removal of ecological ditches purification technology and a complex pre-dam systems，have realized that the removal of the total pollutant could up to more than 40%，respectively.The total removal rates of SS，TN，NH3-N and TP and COD were more than 90%，the pollution load entered into water source，could effectively cut into，the quality of water source had been significantly improved.At the same time，the species and coverage of water source plants were increased，abundant biodiversity，enhanced the structural stability of riverbanks.Biological breeding，habitat，feeding environment have become better and better，which provide a scientific basis for the water safety protection of water source.
Key words：water source of reservoir；water safety；guarantee mode；engineering demonstration ；water quality improvement
饮水安全是当前我国环境保护的首要任务。随着工业化、城镇化进程的不断加快，水资源开发利用强度不断加大，地表水体污染日益严重，地表水源地水质安全现状堪忧，农村饮水困难和饮水不安全问题尤为突出。目前，我国农村饮水不安全人口大约为3亿人，其中饮用水水质不达标人口占56.2%，存在缺水问题（水量、方便程度和保证率不达标）人口比重达到438%，农村饮水安全是确保全国饮水安全的重中之重[1-3]。
随着社会和经济的快速发展，农村集中式供水源地成为农村供水的主要方式，特别是在经济发达地区，湖库在农村集中供水水源中占重要地位，是农村供水水源的发展方向[4]。但是，我国南方河网地区水环境污染和水生态破坏的趋势仍没有得到有效遏制，使得农村地表水源地面临严峻的威胁，华东河网地区水资源总量较为丰富，但区域经济快速发展与农村饮用水源保护冲突现象明显，缘于水质型缺水的水源地严峻形势已经成为影响区域生态安全和可持续发展能力的重要限制因子，因此，水源地水质安全保障正在被视为确保农村生活饮用水安全的首要环节[5-7]。 目前，农村面源污染主要体现在初期来水，污染物浓度高，负荷大，需要净化处理，而后期来水水量较大，污染程度低可直接排放进入水源地，加之我国农村地表水源地水质安全保障普遍存在重视程度低[8-10]，因此针对水库型水源地的保护模式研究，系统保护方案和工程少、技术集成应用不足等突出问题，对水源地面源污染防控更是缺少针对面源突发性、间歇性、多途径等特征的系统技术手段，难以满足污染防控新形势的要求[11-13]，致使农村饮用水源地保护效果不甚理想。因地制宜地研发低成本、高效率、易操作的水源地污染防控技术体系成为解决农村饮水安全技术的主要发展方向[14-15]。因此本研究以农村水库型水源地为研究对象，从水源地综合调查入手，全面摸清农村水库型水源地自然特征和污染来源，诊断各类水源地存在的主要问题，提出水库型水源地水质安全保障模式。结合某农村水库型水源地区域污染物联控工程示范，为农村水源地污染问题提供了管理模式和污染防控技术示范。
1农村水库型水源地水质安全保障模式
我国农村饮用水源类型将其大致分为两类：地表水源和地下水源，地表水源主要包括湖泊、水库、河流等；地下水源包括浅层地下水、深层地下水、泉水和裂隙水等。在缺水地区，降水也可以蓄积起来作为饮用水。
1.1水库型水源地问题识别
水库型水源地水位变化小，流速缓慢，库区面积较大，污染源分散，来源途径广泛，主要为周边农村生活污染、稻田排水和其他面源污染，面源污染主要表现为初期来水污染浓度高，负荷大，需强化净化；后期来水水量大，污染较轻，可直接排放进入水源地，面源水质梯度变化。污染特征因子主要为COD、TN和TP，因此水库型水源地安全防护以面源为主水质呈梯度变化的脱氮除磷为目标。
1.2水库型水源地水质安全保障模式
农村水库型水源地防控系统构建，从小流域和区域着手，沿着径流汇集的过程进行面源污染控制，掌握面源污染产生过程的规律是控制关键。在明确降雨径流污染物的性质和来源、迁移转化量、污染物输出特征和影响主要因子等问题前提下，消减降雨径流污染量，减小对受纳水体的影响，构建污染物削减系统，以预防为前提、减量为辅助、处理是关键理念为指导，以径流污染的形成过程进行逐级控制技术为途径，以层层削减城市降雨径流污染量和结合空间地貌和生态、景观和谐为目标，形成因地制宜的农村水库型水源地防控系统构建模式I-T-G（Idea-Technology-Goal），见图1。“源-迁移-汇逐级控制”的起始在源，即在源区尽可能减少污染物的积聚，对于积聚的污染物尽可能消减，减少径流可携带污染物的量，限制其进入迁移和输出。生活污水分散处理、畜禽固废物、农业废弃物资源化处理，采用增加入渗技术，如土壤改良、入渗、绿化等来完成，暂时把雨水滞留起来，错开径流峰值，待洪峰过后，再把径流导入前置库进行处理。“源-迁移-汇逐级控制”的主要途径在于迁移控制，步步拦截、处处设防、环环净化，利用平原河网地区废置、荒芜的塘池、河沟、洼地。建立泥沙拦截系统、沉降系统、生态河道、生态库塘；生态立体浮床、固定微生物、生态库塘、高密度生物群落。对径流的滞缓、下渗、存储，增加径流输出的空间路线长度，来达到延缓污染径流输出的时间和减少负荷，另一方面拦截、沉降、吸附、沉淀等作用把污染物存贮、去除、净化在迁移系统中。“源-迁移-汇逐级控制”的最后关卡在于汇控制，是末端控制，其重点在于径流的存贮滞留，利用塘系统、湿地和前置库等生态过程来净化污染物。
图1农村水库型水源地安全保障模式
1.3农村水库型水源地水质安全保障工艺流程
目前农村地表饮用水源地主要受到农村生活污水污染及农田面源径流污染的威胁，农田面源径流污染季节性变化明显，施肥季节和雨季污染流失量大，旱季条件下污染流失量较小。农村生活污水主要为冲厕排水、盥洗排水及厨房杂排水，基本不含有重金属等有毒物质，其重要污染物氮、磷等为植物所必备的养分；目前广大农村化肥过量施用，投入强度大，氮肥的利用率仅为30%～35%，磷肥为10%～20%，雨时受地表径流冲刷，旱时灌溉后排水，均携带有大量的营养物质，释放氮和磷为主要污染形式[11-12]，因此在合理收集污染来水，实现养分循环利用回灌农田，同时能有效处理剩余养分，使得进入水源地前强化净化。技术解决方案，包含生活污水无害化收集处理系统（厌氧-缺氧-好氧及人工湿地组合工艺）、面源流失养分循环利用系统、低污染水强化净化系统，其中生活污水无害化收集处理系统由厌氧过滤墙和好氧过滤墙组成，面源流失养分循环利用系统由浅水氧化塘和前置库组成；所述的厌氧过滤、缺氧和好氧过滤墙均填充煤渣、陶粒滤料；所述的浅水氧化塘水深05 m左右，作为莲藕、茭白、水芹、茨菰等水生经济作物生长区；前置库水深大于05 m，包括挺水植物、浮叶植物、漂浮植物、沉水植物、水生动物，特别筛选了冬季的水生植物种群，实现南方地区冬季植物的去污功效；所述的低污染水强化净化系统为现状水塘和沟渠的升级改造，种植不同水生植物，特别是冬季耐寒植物的筛选，设置人工强化净化填料，保障南方地区冬季低温条件下生态处理的效果。农村生活污水通过管网或者沟渠依次进入厌氧过滤墙和好氧过滤墙，好氧过滤墙出水与农田排水混合依次进入浅水氧化塘和前置库，作为水生农作物用水和农田灌溉用水以实现氮磷资源的循环利用，前置库出水进入低污染水强化净化系统进一步净化后排入水源地，工艺流程，见图2。
图2农村水库型水源地安全保障流程
2农村水库型水源地水质安全保障模式应用
2.1生活污水处理系统
好氧-缺氧-生化强化及人工湿地组合工艺先处理高浓度污染水、再低浓度排放的方式，好氧段过滤墙，过滤墙内为大孔径滤料，以利于空气传质，滤料表面种植根系发达，输氧能力强的水生植物，充氧方式为配水渠跌水充氧进行碳氧化、硝化作用，有机物及氨氮在此单元被大部分去除，部分磷通过过滤吸附和植物系吸收被去除。缺氧段过滤墙内填充缓释碳源和小孔径的组合滤料，表面不种植植物，构建缺氧-厌氧环境，以利兼氧-厌氧微生物生长，进行反硝化脱氮，生物强化净化过滤墙内填充利于植物生长的大孔径滤料，表面种植去污能力强的植物，进一步吸收去除好氧段过滤、缺氧过滤出水中尚未被去除的氮、磷物质。人工湿地采用芦苇碎石床复合垂直流人工湿地系统，采用水泵抽水送至给水渠，在污水进入湿地布水系统之前通过流量计控制流入污水量。上行池填料表面具有集水管路，将处理后的水收集排走。复合垂直流系统是由两个池子组合而成，中间用隔板隔开，底部相通，底部开口为1 m×02 m。填料采用碎石，直径为3～5 mm，填料在进入湿地之前用自来水反复清洗，以免带入污染物质影响试验。下行池填料厚度为85 cm，上行池填料厚度为75 cm，下行池比上行池的填料厚10 cm，这10 cm填料层在湿地内部造成了一个水头差，为水体流动提供动力。试验装置从三月初移栽入芦苇并开始运行，每平方米种植14棵芦苇，经过一段时间后芦苇全部成活，并且长势旺盛，由原先的芦苇根长成2 m多高的芦苇，每平方米芦苇有35多株。水力停留时间的设定根据理论计算公式HRT=nV/Q得到。式中，n为碎石填料孔隙率；V为湿地床填料体积；Q为进入湿地的水量。碎石填料的孔隙率为042，水力停留时间（HRT）为24 h时，表面水力负荷（Q）为065 m3/d。 好氧-缺氧-生化强化对COD、NH3-N、TN和TP去除效果见图3，农村生活污水和农田地表径流排水中COD浓度在35 mg /L至67 mg/L之间，平均值为50 mg/L，出水COD浓度平均值为18 mg/L，平均去除率64%，主要是好氧段的碳氧化菌和缺氧段反硝化菌主要发挥了COD去除作用。进水NH3-N浓度在8 mg/L至10 mg/L之间，平均值为9 mg/L，出水NH3-N浓度平均值为12 mg/L，平均去除率87，主要是好氧段硝化菌的硝化作用去除。进水TN浓度在8 mg/L至11 mg/L之间，平均值为9 mg/L，出水TN浓度平均值为46 mg/L，平均去除率49%，缺氧段出水TN降幅达到了45 mg/L，是TN去除的主要工艺单元。进水TP浓度在05 mg/L至06 mg/L，平均值为050 mg/L，出水平均值为008 mg/L，达Ⅲ类水标准，平均去除率达到84%，主要滤料截留吸附作用、植物吸收、微生物同化作用及化学作用等，见图3和图4。
图3好氧-缺氧-生化强化对COD、NH3-N和TN去除效果
图4好氧-缺氧-生化强化对TP去除效果
设定三组水力负荷，分别为055、065和075 mm/d，研究了组合湿地对经过好氧-缺氧-生化强化处理的面源排水的去除效果，在不同的水力负荷下，分析其出水水质变化，证实本技术在处理面源污染方面的效果，污染物进水和出水浓度如表1所示，对进水污染物的去除率见图5。由结果可知，人工湿地对污染物质有一定的去除效果，但COD、TN、TP、NH3-N的去除效率变化较大，去除效率的范围在100%～35%、46%～752%、38%～457%、3%～33%之间。污染指标在不同水力负荷条件下的去除率各有不同，TP去除率随着水力负荷的增加而减少，NH3-N去除率随着水力负荷的增加而增加，TN则呈两头低、中间高的变化趋势，而COD则呈两头高、中间低的变化趋势。随运行时间增加，湿地对COD、TN的去除率逐步提高，对TP的去除率则呈现下降的趋势（图5）。分析认为这是由于随着运行时间增加，芦苇生长旺盛，促使其根部好氧微生物数量增加，活性得到提高，有机物的去除率也得到提高；反硝化细菌的生长逐步稳定，使得湿地内部反硝化过程趋于稳定，湿地除氮效率得到提高；由于植物对磷的吸收、填料对磷的吸附作用是有限的，当达到一定的平衡状态后，磷的去除效果就稳定甚至降低了。发现利用芦苇碎石床湿地处理低浓度面源来水时，
表1人工湿地的去除污染物效果
组别平均进水/（mg?L-1）平均出水/（mg?L-1）平均去除率（%）
COD181233
TN4.63.426
NH3-N1.20.9025
TP0.080.0625
图5人工湿地的去除污染物效果
COD的去除
比较稳定且去除率较高，但是氮磷的去除效果不是很好，需要进一步改进以加强湿地的脱氮除磷效果。
2.2生态沟渠过程削减系统
农田低浓度面源污水，利用现有的农田沟渠，充分利用现有的农田沟渠空间，沿水流方向依次设有经济型水生植物带，可有效削减氮、磷含量，降低运行维护成本，沿程沟渠净化示范工程长度45 km，宽度2～35 m。非降雨日，居民用水形成的污水通过沟渠排出。排放时间主要集中在一日三餐前后几小时，具有排放时间集中，排放量大，水质浓度高等特点，雨季进入沟渠分成沟渠前端进水和中间农田排水，估算雨季沟渠两侧农田进入沟渠径流量，对生态沟渠进行分段采样，进行水质分析进水平均SS、TN、NH3-N、TP和COD分别为56 mg/L、12 mg/L、24 mg/L、06 mg/L和32 mg/L，见表2。沟渠作为自然生态系统中的一部分，本身具有土壤净化功能，沟渠中水生植物，植物根系周围的微厌一好氧环境为反硝化脱氮提供必要条件，有效的削减了污染物质，经过改造的生态沟渠较传统沟渠，净化效果有明显提高，SS、TN、NH3-N、TP和COD平均削减率分别为60%、47%、35%、49%和45%，沟渠出水水质明显好转，同时由于受沟渠进水浓度影响较由于雨季时，不同的降雨强度及同一次降雨不同的时间径流污水浓度差异很大，对污染物去除效果也有一些差异。
表2雨季沟渠排水污染物参数值
mg/L
项目平均值最大（小）值标准差
NH3-N2.45.2（0.6）2.5
TN1218（4.5）6.1
TP0.61.2（0.05）0.6
COD3241（18）6.4
SS5682（32）7.8
2.3低污染水强化净化系统
低污染水强化净化系统主要以氧化塘为主前置库为构建核心。氧化塘系统充分发挥土壤-植物-微生物系统的土壤渗滤、植物根际及系统内微生物等的净化能力，利用深度和植物进行调节，实现不同水深的串联，营造不同优势菌群的区域，为各自发挥降解作用提供条件[16]。利用农村废弃塘进行改造，通过对塘体深度和植物生长的控制构建浅水和深水区域的氧化塘，既能营造景观又能净化污染，主要对农田尾水和沟渠来水进行净化。浅水塘深度为03～08 m，构建以挺水植物为主，主要包括再力花，鸢尾和芦苇，浮叶植物为野生菱角。深水塘深度为20～32 m，塘边浅水区以挺水植物为主，然后是浮叶植物为野生菱角，野慈姑和睡莲，深水区主要是自然生长的菹草和苦草。前置库的物理沉降区是对悬浮物质去除的重要单元，它主要是通过减缓流速，延长水力停留时间来促进水中泥沙及营养盐的沉降。因此沉降区内的沉积泥沙需要定期清淤，以维持沉降区的沉淀功能。前置库主要包括以下4部分：物理沉降区，植物净化区，生物净化区，强化净化区，形成一个削减面源，减少入库污染负荷量的前置库系统，库区面积约为87万m2，挺水植物区设计水深08 m，面积6 800 m2，深水植物区设计水深为15 m，面积为13万m2；生物净化区采用水生动物和底栖生物系统，面积为26万m2；强化净化区布置人工填料和浮岛，面积约为1 000 m2，通过对低污染净化系统的进出断面水质分析，由表3可知，高锰酸盐指数、总氮、总磷、氨氮和固体悬浮物平均去除率分别达到了46%、43%、48%、41%和66%，系统自投入运行后，原水水质提高明显，特别是暴雨季节的径流净化效果明显。该工程结合了当地特有的地形，针对农村集中式水源地面源污染量大面广、突发性、多途径的特点，因地制宜，逐步削减，高效控制，有效解决了面源污染大流量和高污染等问题，对减少水库外源有机污染负荷，工程投入运行后主要污染物去除效果明显，原水水质明显提高，特别是暴雨径流净化效果明显。 表3低污染强化净化系统主要污染物平均去除率
污染物名称平均进水浓度/（mg?L-1）平均出水浓度/（mg?L-1）平均去除率（%）
高锰酸盐指数13746
TN4.12.343
TP0.420.2248
NH3-N1.701.041
SS782666
2.4水库水源地水质安全保障系统综合评价
以华东某水库上游地区流域为示范区，以水质改善为目的，集成示范工程成套技术，开展农村生活污水治理、面源污染综合治理、生态修复等示范工程建设，本示范紧扣“水质改善为主”的思想，实现示范区主要污染源排放量削减85%以上目标，构建了农村水库型水源地防控系统构建并示范，工程稳定运行以来，库区及周边污染源大幅度减少，高锰酸盐指数、总磷、氨氮、总氮等主要水质指标呈逐年好转趋势，主要污染物指标去除率90%以上，见表4，消除水库第三季度出现Ⅳ类水体的现象，库区水质得到明显改善。该水库水源地防控示范树立了由局部改善到整体改善，自然恢复与人工恢复相结合，工程治理与非工程治理相结合，促进了水源地保护生态工程的良性循环。在示范区内建立了挺水植物、浮叶植物和沉水植物群丛，水生植物的多样性指数（Shannon-Wiener index）达到26，指数分级属于良，植物覆盖度达到40%～55%，说明示范区内有较高的水生植物多样性水平，
表4水库示范区实施前后水质对比
mg/L
项目高锰酸盐指数氨氮总氮总磷
示范工程实施前水质30～95（73）0.3～1.9（1.5）1.5～4.8（3.2）0.3～0.7（0.5）
示范工程实施后水质15～38（10）0.2～0.9（0.2）1.2～1.8（0.3）0.08～0.12（0.03）
污染物总去除率（%）96909294
生态系统的净化能力和稳定性得到一定提高，环境效益初步体现，取得了显著效果。
3结论
根据农村水库性水源地的主要问题，提出以处理面源为主的脱氮除磷目标，构建了水库型水源地水质安全保障模式，通过农村生活污水生态防护多级过滤墙无害化处理，过程削减的生态沟渠沿程净化和低污染水强化净化集成示范，有效削减了进入水源地污染负荷，污染物总去除率达到了90%以上，水源地水质得到显著改善，基本保持在Ⅲ类水质。
