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沟渠作为农业生态系统的重要组成,是农田灌溉、排涝、抗旱的重要保障,在调节气候、涵养水源、净化水质、保护生物多样性、维持区域生态平衡等方面发挥一定作用[1]。农田沟渠为农田水利的“毛细血管”,对广大农村地区的日常生产、生活及生态环境等方面具有深远影响[2-4]。但是,受年久失修、恶意侵占、肆意污染及无序硬化等人为因素及降水量减少、地下水位下降等气候环境因素的共同影响,当下已有相当一部分数量的沟渠干涸或临近干涸[2]。水道淤塞、水体污染更是普遍现象,长此以往,必然导致沟渠的环境效益及生态功能丧失殆尽[5],因此,沟渠生态修复治理迫在眉睫。
沟渠生态修复治理是河道生态修复治理的延伸。有关河流生态修复治理的研究最早可以追溯到1938年“近自然河溪治理”的河道治理理念。有研究[6]认为,在河道修复治理过程中要注意保持两岸景观风貌接近自然状态。1965年,研究人员[7]在莱茵河畔开展了生态护岸实验并取得了良好的效果,这可以被视为最早的河道生态修复实践。随后的数十年间,河道生态修复技术及相关实践工程在欧美及日本等国得到了快速发展[8]。
我国河道生态修复治理研究起步相对较晚,早期研究多集中在河流修复治理工程中的生态学问题。2002年,董哲仁等[9]的“生态水工学”认为,水力工程建设过程中要充分考虑环境影响。2010年以后,随着国家全面推进“中小河流治理”工作,我国河流生态修复治理研究迎来快速发展的“黄金期”[10]。学术界围绕河道生态修复技术、水体生态系统修复技术、生态护坡技术的研究开展得如火如荼[11]。但查阅相关资料[3, 12-13]发现,当前针对沟渠生态修复治理研究仍未能引起学术界足够重视,相关研究多以提出治理策略为主,包括平面蛇形渠道设计,多孔质驳岸设计、亲水驳岸设计等[14-15],实际工程案例鲜见报道。
本研究依托西安高新区庞光街道东干渠生态治理工程项目(以下简称东干渠生态治理项目),以微生物载体技术支撑的原位生态修复为主要治理思路,构建“底质改良+水质调控+生物滤坝+生物绳填料+微纳米曝气系统”治理体系,从项目概况、治理体系构建、运行效果3个方面,开展微生物载体技术在沟渠生态修复治理中的应用研究,旨在为同类项目建设施工提供参考。
基于微生物载体技术的沟渠生态修复治理体系的构建及工程应用
Construction and engineering application of canal ecological restoration and treatment based on microbial carrier technology
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摘要: 为探索微生物载体技术在沟渠生态修复治理中的应用效果,依托西安高新区东干渠生态治理项目,基于微生物载体技术支撑的原位生态修复治理思路,构建了“底质改良+水质调控+生物滤坝+生物绳填料+微纳米曝气系统”的治理体系,开展了东干渠生态修复治理工作。工程实践表明,该治理体系能够显著降低东干渠水体主要污染物质量浓度。COD去除率约为8.30%,NH3-N去除率约为61.24%,TP去除率约为57.77%。连续31 d水质指标监测结果显示,东干渠渠水主要水质指标满足《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中IV类水质标准要求。Pearson相关性分析结果表明,东干渠水体COD、NH3-N和TP质量浓度变化规律大致相似,这3项指标之间具有共变趋势。本研究结果可为同类沟渠生态修复治理中的实际应用提供参考。Abstract: In order to explore the application effect of microbial carrier technology in canal ecological restoration and treatment, the in-situ ecological restoration supported by microbial carrier technology was used in the ecological management project of Donggan canal, Xi'an High-Tech zone, the treatment system of “substrate improvement + water quality control + biological filter dam + biological rope filler + micro-nano aeration system” was built accordingly. The results of the project showed that the treatment system could significiantly reduce the concentration of main pollutants in water bodies of Donggan canal. The removal rates of COD, NH3-N and TP were about 8.30%, 61.24% and 57.77%, respectively. The water quality indicators monitoring results in 31 consecutive days showed that the main water quality indicators of Donggan canal water met the standard of category IV water quality, in Environmental Quality Standards for Surface Water (GB 3838-2002). The results of Pearson correlation analysis indicated that the mass concentrations of COD, NH3-N and TP presented a roughly similar pattern, and there was a co-variation trend among these three indexes. The results of this study can provide a reference for the practical application of similar canal ecological restoration and treatment.
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表 1 东干渠生态修复治理前水质监测数据
Table 1. Water quality monitoring data of Donggan canal before ecological restoration and treatment
监测日期 pH 溶解氧/
(mg·L−1)COD/
(mg·L−1)NH3-N/
(mg·L−1)TP(P)/
(mg·L−1)TN(N)/
(mg·L−1)水质类型 2021-07-01—31 8.36 4.31 43.5 1.637 0.632 1.702 劣V类 注:《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中IV类水限值为COD≤30 mg·L−1,NH3-N≤1.5 mg·L−1,TP≤0.3 mg·L−1,TN≤1.5 mg·L−1。 表 2 东干渠生态修复治理后主要水质指标监测数据
Table 2. Water quality index monitoring data of Donggan canal after ecological restoration and treatment
序号 日期 COD/
(mg·L−1)NH3-N/
(mg·L−1)TP/
(mg·L−1)水质
类型序号 日期 COD/
(mg·L−1)NH3-N/
(mg·L−1)TP/
(mg·L−1)水质
类型1 2021-11-17 15.2 0.032 0.285 Ⅳ类 17 2021-12-03 24.9 0.272 0.185 Ⅳ类 2 2021-11-18 14.8 0.066 0.226 Ⅳ类 18 2021-12-04 21.9 0.302 0.157 Ⅳ类 3 2021-11-19 24.8 0.314 0.144 Ⅳ类 19 2021-12-05 24.3 0.411 0.163 Ⅳ类 4 2021-11-20 25.8 0.293 0.155 Ⅳ类 20 2021-12-06 22.6 0.309 0.153 Ⅳ类 5 2021-11-21 22.9 0.431 0.212 Ⅳ类 21 2021-12-07 24.3 0.229 0.147 Ⅳ类 6 2021-11-22 23.1 0.422 0.239 Ⅳ类 22 2021-12-08 21.2 0.208 0.135 Ⅳ类 7 2021-11-23 26.8 0.321 0.224 Ⅳ类 23 2021-12-09 24.3 0.305 0.127 Ⅳ类 8 2021-11-24 22.7 0.351 0.185 Ⅳ类 24 2021-12-10 26.5 0.324 0.126 Ⅳ类 9 2021-11-25 24.3 0.410 0.132 Ⅳ类 25 2021-12-11 28.7 0.453 0.167 Ⅳ类 10 2021-11-26 22.2 0.293 0.155 Ⅳ类 26 2021-12-12 28.2 0.432 0.156 Ⅳ类 11 2021-11-27 24.8 0.301 0.147 Ⅳ类 27 2021-12-13 15.0 0.716 0.219 Ⅳ类 12 2021-11-28 22.9 0.265 0.133 Ⅳ类 28 2021-12-14 8.2 0.748 0.193 Ⅳ类 13 2021-11-29 23.2 0.335 0.141 Ⅳ类 29 2021-12-15 12.7 0.725 0.233 Ⅳ类 14 2021-11-30 25.3 0.291 0.134 Ⅳ类 30 2021-12-16 10.0 0.526 0.173 Ⅳ类 15 2021-12-01 26.3 0.335 0.121 Ⅳ类 31 2021-12-17 8.0 0.650 0.187 Ⅳ类 16 2021-12-02 22.7 0.441 0.208 Ⅳ类 注:《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中Ⅳ类水限值为COD≤30 mg·L−1,NH3-N≤1.5 mg·L−1,TP≤0.3 mg·L−1。 表 3 东干渠水体主要污染物质量浓度相关性分析
Table 3. Correlation analysis of major contaminants concentration in Donggan canal
序号 考察指标 Pearson积矩相关系数 COD NH3-N TP 1 COD 1 2 NH3-N 0.312* 1 3 TP 0.472** 0.821** 1 注:**P<0.01表示在0.01水平(双侧)上显著相关;* P <0.05表示在0.05水平(双侧)上显著相关。 -
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