農(nóng)村面源污染治理技術(shù)研究

近年來，中國的化肥消耗有所增加。2004年，中國的化肥消耗達到4677萬噸。我國耕地面積不到世界的1/10,氮肥和磷肥的使用量卻為世界的30%和26%,單位土地面積氮肥和磷肥施用量分別高出世界平均水平的2.05倍和1.86倍。我國化肥平均用量高達400kg·hm-2,太湖流域等集約化農(nóng)區(qū)高達600kg·hm-2以上,是發(fā)達國家化肥安全使用上限的2倍,遠遠超過發(fā)達國家為防止水體污染而設(shè)置的225kg·hm-2的安全標(biāo)準(zhǔn)。農(nóng)田流失的氮磷已成為水體富營養(yǎng)化的重要貢獻因子。據(jù)全國第一次污染源調(diào)查結(jié)果:農(nóng)業(yè)源污染物排放對水環(huán)境的影響較大,總氮、總磷排放分別為270.46萬t和28.47萬t,分別占排放總量的57.2%和67.4%。農(nóng)村面源污染因其排放路徑的隨機性、排放區(qū)域的廣泛性以及排放量大面廣等特征,其治理要取得實效,必須實施基于“源頭減量(Reduce)、過程阻斷(Retain)、養(yǎng)分再利用(Reuse)和生態(tài)修復(fù)(Restore)”這樣一種完整的技術(shù)體系鏈。源頭減量雖然能有效減少污染物的產(chǎn)生量,但不能完全控制污染的產(chǎn)生。這就要求在污染物向水體的遷移過程中實施生態(tài)攔截等技術(shù),增加污染物在陸地的停留時間和路線,對污染物中的氮磷養(yǎng)分進行回用,減少其向水體的遷移,從而最大程度地降低面源污染對水體環(huán)境的風(fēng)險。由此可見,在源頭控制技術(shù)的基礎(chǔ)上,進一步實施生態(tài)攔截技術(shù),盡量阻斷污染物輸移是農(nóng)村面源污染治理技術(shù)中不可或缺的一環(huán)。本文著重闡述氮磷面源污染物的生態(tài)攔截技術(shù),并根據(jù)其技術(shù)原理進行了分類概括,總結(jié)了技術(shù)的應(yīng)用效果及其適用范圍,以期為從事農(nóng)村面源污染治理的相關(guān)人員提供借鑒參考。1污染物生態(tài)捕獲技術(shù)1.1生態(tài)攔截型信息安全系統(tǒng)過程阻斷技術(shù)指在污染物向水體的遷移過程中,通過一些物理的、生物的以及工程的方法等對污染物進行攔截阻斷和強化凈化,延長其在陸域的停留時間,最大化減少其進入水體的污染物量。目前常用的技術(shù)有兩大類,一是農(nóng)田內(nèi)部的攔截;另一大類是污染物離開農(nóng)田后的攔截阻斷技術(shù)。生態(tài)攔截溝渠技術(shù)就是面源污染過程阻斷技術(shù)中的重要代表。該技術(shù)主要是通過對現(xiàn)有排水溝渠的生態(tài)改造和功能強化,或者額外建設(shè)生態(tài)工程,利用物理、化學(xué)和生物的聯(lián)合作用對污染物主要是氮磷進行強化凈化和深度處理,不僅能有效攔截、凈化農(nóng)田污染物,還能匯集處理農(nóng)村地表徑流以及農(nóng)村生活污水等,實現(xiàn)污染物中氮磷等的減量化排放或最大化去除。該技術(shù)具有不需額外占用耕地、資金投入少、農(nóng)民易于接受,又能高效阻控農(nóng)田氮磷養(yǎng)分流失等特點。生態(tài)攔截型溝渠系統(tǒng)(圖1),主要由工程部分和植物部分組成,溝渠采用帶孔的硬質(zhì)板材構(gòu)建而成,溝內(nèi)每隔一定距離設(shè)置一小型的攔截壩(高度10~20cm),也可放置一些多孔的攔截箱,攔截箱內(nèi)裝有能高效吸附氮磷的基質(zhì),溝底、溝壁以及攔截箱內(nèi)均可種植具備高效吸收氮磷的植物。通過工程和植物的有效組合,農(nóng)田排水中的氮磷通過植物吸收、基質(zhì)吸附、泥沙沉降以及流速減緩等而被有效去除。在太湖流域宜興市大浦鎮(zhèn)湯莊村的連續(xù)3年監(jiān)測表明,生態(tài)攔截型溝渠對稻田徑流排水中氮磷的平均去除率可達48.36%和40.53%。王巖等進一步比較了生態(tài)攔截溝渠、混凝土溝渠和土質(zhì)溝渠在不同進水濃度下對總氮、總磷的去除效果,再次證實了生態(tài)攔截溝渠對氮磷的攔截去除效果均顯著高于其他溝渠。在昆明滇池流域的應(yīng)用表明,生態(tài)溝渠對農(nóng)村復(fù)合污水(農(nóng)田徑流+生活污水+養(yǎng)殖廢水)中總氮和總磷的平均去除率分別為60%和64%。在珠江三角洲地區(qū)的應(yīng)用實踐表明,在原有排灌溝渠基礎(chǔ)上改建的生態(tài)溝渠,能在滿足原有排灌功能的前提下,對稻田排水徑流中固體懸浮物、總磷、總氮、化學(xué)需氧量、銨態(tài)氮、生化需氧量的去除效率分別達到71.7%、63.4%、49.9%、26.6%、14.5%。在太湖流域直湖港小流域的應(yīng)用表明,生態(tài)攔截溝渠對設(shè)施菜地夏季揭棚期徑流氮排放的平均攔截率為48%(圖2)。為了進一步增強生態(tài)溝渠對污染物的攔截凈化效果,Wu等提出了A2/O強化的生態(tài)攔截溝渠技術(shù)(其稱之為混合生物反應(yīng)器),即在生態(tài)溝渠前端增設(shè)了A2/O強化處理裝置,包括初沉池、厭氧池、溢流池、二沉池、厭氧流化床和好氧流化床6個單元,對面源廢水中總磷、總可溶磷、總氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的去除率可達81%、74%、82%、79%和86%。1.2面源污染物的去除效果人工濕地是20世紀70年代發(fā)展起來的新型污水處理和水環(huán)境修復(fù)技術(shù),為由土壤或人工填料(如碎石等)和生長其中的水生植物所組成的獨特的土壤-植物-微生物-動物生態(tài)系統(tǒng)。根據(jù)人工濕地內(nèi)水流方式的不同,一般可將人工濕地分為表面流人工濕地、潛流人工濕地和垂直流人工濕地。在我國太湖、滇池、洱海等許多湖泊面源污染控制中都采用過人工濕地工程技術(shù)。國內(nèi)外研究表明,隨著面源污水在濕地內(nèi)的流動,總氮和總磷等污染物的濃度逐漸下降。Beutel等研究結(jié)果顯示,人工濕地的沉降池單元和表面流濕地單元分別可去除農(nóng)田徑流中氮源污染物的21%和60%。Borin等發(fā)現(xiàn)盡管人工濕地系統(tǒng)可有效去除入水氮負荷的90%,但是仍有41~58kg·hm-2·a-1的氮污染物負荷流出濕地進入周邊水體。根據(jù)太湖地區(qū)苕溪流域浙江省杭州市余杭區(qū)徑山鎮(zhèn)西山村的面源污染發(fā)生規(guī)律,并結(jié)合該地區(qū)地形地貌特征,Sun等設(shè)計建造了由預(yù)處理池(PT)、水平潛流濕地(HSSFW)、水平表面流濕地(HSFW)與穩(wěn)定儲水池(ST)等4個處理單元構(gòu)成的濕地工程(面積0.56hm2)。運行結(jié)果表明,在觀測周期(1年)內(nèi),該人工濕地系統(tǒng)對總氮的去除率為37.4%~75.1%,平均去除率為57.3%,對總磷的去除率為62.0%~98.4%,平均去除率為76.3%,每年可以去除1278kgN和121kgP。Wu等利用240m2的人工濕地來處理14hm2混合農(nóng)區(qū)排放的污水,該污水先經(jīng)過生態(tài)溝渠進行預(yù)處理,連續(xù)1年半的運行效果監(jiān)測表明,人工濕地對總氮和總磷的平均去除率為38%和49%。1.3面源污水中的養(yǎng)分稻田具有雙重性的特點,作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng),需要大量肥料投入來確保高產(chǎn),保障我國糧食安全,從而導(dǎo)致部分氮磷流失,成為面源污染物的發(fā)生源;但是,稻田作為一個天然的人工濕地系統(tǒng),包含其周邊河流及溝渠在內(nèi)的水文單元,均可以被用來處理面源污水,作為面源氮磷和低污染水的匯流消納場所,起到“匯”的功能。在中國南方地區(qū),大面積分布的稻田有著較大的潛力可以挖掘,用于回收利用及消納面源污水中的氮磷營養(yǎng)元素。袁俊吉等通過模擬實驗研究了環(huán)境友好的稻田濕地系統(tǒng)對外源污水中氮的消納效果,發(fā)現(xiàn)稻田生態(tài)系統(tǒng)在1周內(nèi)就可顯著減控污水中的無機態(tài)氮。Nakasone等與Zhou和Hosomi在小區(qū)規(guī)模上開展了同類研究,結(jié)果表明季節(jié)性淹水飼料稻種植稻田對富營養(yǎng)化河水中氮的去除有著較高的效率。Li等發(fā)現(xiàn)采用農(nóng)村生活污水替代地表水灌溉稻田可在保證產(chǎn)量的同時高效除磷,去除效率高達75.2%~98.2%。但是,將高濃度污水直接引入稻田,不僅存在土壤肥力破壞和稻米重金屬超標(biāo)等安全隱患,而且很容易帶來病蟲害加重和水稻倒伏減產(chǎn)等次生問題。因此,Sun等在面源污染的稻田消納技術(shù)應(yīng)用過程中,重點強調(diào)了將稻田濕地與人工濕地在工程規(guī)模上進行耦聯(lián)應(yīng)用(圖3),既解決了人工濕地出水尾水氮磷含量較高問題,又避免了高濃度面源污水直接灌溉稻田所帶來的倒伏、病蟲害發(fā)生和重金屬超標(biāo)等生產(chǎn)問題及安全隱患。在該體系中,濕地化稻田消納處理氮磷的能力分別達93.2kgN·hm-2·a-1(其中稻季68.3kg·hm-2,麥季24.9kg·hm-2)和5.43kgP·hm-2·a-1(其中稻季4.37kg·hm-2,麥季1.06kg·hm-2),同時也不會帶來額外的稻田氧化亞氮排放和淋溶損失,具有十分顯著的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。1.4對污染物的去除生態(tài)丁型潛壩是借鑒水利工程中丁字壩的設(shè)計思路,結(jié)合生態(tài)浮床、人工濕地的基本原理而開發(fā)設(shè)計的(圖4),其主要設(shè)置在河道支浜承納污水的端頭,作為陸-水界面的交接斷面,對進入水體后的面源污染物進行有效攔截。該技術(shù)是在不影響河流泄洪等功能需求的情況下,通過河底丁型潛壩的設(shè)置,改變河流底部地形,從而在河水通過壩體與浮床間空隙進行流動時,影響水流方向中污染物的擴散和遷移路徑,增加污染物在丁型潛壩前的水力停留時間,利用丁型潛壩沸石基質(zhì)的吸附作用、離子交換作用等對污染物進行去除。同時,河底生境條件的改變,促進了實施區(qū)域水體內(nèi)微生物的增殖,提升了微生物的降解作用,能夠持續(xù)去除污染物;垂直于壩體框架浮床的設(shè)置,為實施區(qū)域的氧氣輸送提供了條件,浮床植物根系又促進了壩體范圍內(nèi)微生物的繁衍,植物生長過程中同時還吸收部分氮、磷等污染物,可持續(xù)攔截與凈化河流外源污染。在太湖流域直湖港小流域朱家浜的運行效果表明,生態(tài)丁型潛壩的設(shè)置使輸入污染物在擴散遷移方向上降解速率明顯加快,工程前污染物下降比例分別為CODMn19.2%、TN19.5%、NH3-N34.3%、TP39.4%,工程后污染物下降比例增加到CODMn51.0%、TN66.3%、NH3-N82.0%和TP53.0%;生態(tài)丁型潛壩兩側(cè)的污染物濃度差異顯著,TN、TP、銨態(tài)氮和CODMn最高可下降4.2、0.25、3.9mg·L-1和6.8mg·L-1,說明生態(tài)丁型潛壩系統(tǒng)的設(shè)置使污水排放對河流水質(zhì)的影響逐步縮小(圖5)。1.5前置庫生態(tài)工程20世紀50年代后期,前置庫就開始被作為流域面源污染控制的有效技術(shù)進行開發(fā)研究。前置庫技術(shù)是利用水庫的蓄水功能,將污水截留在水庫中,經(jīng)物理、生物作用強化凈化后,排入所要保護水體。前置庫這種因地制宜的水污染治理措施,對控制面源污染,減少湖泊外源有機污染負荷,特別是去除入湖地表徑流中的氮磷安全有效,在面源污染治理中發(fā)揮了巨大的作用。邊金鐘首次在于橋水庫庫前區(qū)堵截老河道口構(gòu)建一個面積近9km2,容積達2000萬~2500萬m3的大型前置庫,充分發(fā)揮其物理、生物、化學(xué)的綜合作用,延長流水在前置庫區(qū)的滯留時間,降低流速,均化流場,使入流水在前置庫區(qū)得到凈化,大量的泥沙及營養(yǎng)鹽截留在前置庫區(qū),從而使進入主庫的營養(yǎng)鹽含量大幅度降低,抑制主庫中藻類的過度繁殖,起到防治或減緩于橋水庫富營養(yǎng)化的作用。隨后,張永春等人提出了平原河網(wǎng)地區(qū)面源污染控制的前置庫生態(tài)工程的構(gòu)想,結(jié)合生態(tài)河道構(gòu)建技術(shù)、生物浮床凈化技術(shù)、生物操縱技術(shù)、生態(tài)透水壩構(gòu)建技術(shù)、前置庫運行調(diào)控技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù),開展了示范工程研究。工程實施后水質(zhì)和景觀得到明顯改善,污染負荷得到有效削減,無降雨和小降雨輸入期間,TN、TP、SS的平均去除率分別達到65.1%、45.3%、62.9%;強降雨時,降雨初期TN、TP、SS污染物去除率分別為70.5%、84.6%、90.9%。可見,前置庫對于面源污染為主的河網(wǎng)地區(qū)的污染控制,特別是暴雨季節(jié)的徑流凈化效果明顯,這為太湖地區(qū)及其他平原河網(wǎng)地區(qū)面源污染控制提供了技術(shù)依據(jù)和重要案例。另外,閻自申、楊文龍等人根據(jù)地理位置的不同、污染特點和水體特征,對前置庫技術(shù)與其他凈水技術(shù)的耦合進行了相關(guān)研究,如透水壩技術(shù)、生物強化技術(shù)、濕地技術(shù)和生態(tài)工程技術(shù),均取得一定的成效。1.6農(nóng)業(yè)面源污染控制緩沖帶是一類水土保持和面源污染控制的生物治理措施的總稱,被廣泛應(yīng)用于農(nóng)村面源污染物的過程阻斷、坡地水土流失控制和河(溝)道穩(wěn)定性保護等。所謂緩沖帶或緩沖區(qū),就是指永久性植被區(qū),寬度一般為5~100m,大多數(shù)位于水體附近,這種緩沖區(qū)降低了潛在污染物與接納水體之間的聯(lián)系,并且提供了一個阻止污染物輸入的生化和物理障礙帶。緩沖區(qū)的植被通常包括樹、草和濕地植物。恢復(fù)河岸森林植被帶能有效地截留來自農(nóng)田的養(yǎng)分和泥沙,地表徑流總N和總P顯著減少,從而在一定程度上控制農(nóng)業(yè)面源污染。如美國的植被過濾帶(Vegetatedfilterstrips)、新西蘭的水邊休閑地(Retirementofriparianzones)、英國的緩沖區(qū)(Bufferzones)等。張剛等人研發(fā)了太湖地區(qū)稻田面源污染控制的緩沖帶技術(shù),即在稻田內(nèi)部靠近排水口的周圍設(shè)置1m寬度的無肥緩沖區(qū),研究表明該技術(shù)能在保證緩沖區(qū)內(nèi)水稻正常產(chǎn)量的同時有效減少稻田向水體的氮磷排放。李偉等比較研究了不同緩沖帶寬度和緩沖帶植物對太湖地區(qū)菜地徑流排水?dāng)r截的效果,認為狗牙根比水稻、空心菜更適合作為緩沖帶植物,緩沖帶的最佳寬度為1.5m,菜地和緩沖帶面積之比為100∶11,對總氮和總磷的去除效果可達到56.1%和85.9%。生草覆蓋和生物籬技術(shù)是丘陵坡耕地中應(yīng)用較為廣泛且效果顯著的面源污染生態(tài)攔截技術(shù),其具有投資少、易操作和見效快等特點,在三峽庫區(qū)紫色土坡耕地的應(yīng)用結(jié)果表明,采用多年生牧草進行地表生草覆蓋能減少磷素流失54.3%;常規(guī)小麥-玉米模式增設(shè)香椿、紫花苜蓿植物籬技術(shù)可降低磷素流失53.9%和50.4%。此外,湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)院的熊桂云等人在坡地農(nóng)業(yè)面源污染控制方面提出了脫氮溝的技術(shù)思路,并進行了實施,也取得了良好的效果。尹澄清和毛戰(zhàn)坡等發(fā)展了人工多水塘系統(tǒng)來截留農(nóng)田徑流和面源污染物,在白洋淀的野外試驗結(jié)果表明,水陸交錯帶中的蘆葦群落能有效截留來自上游流域的污染物,有植被290m長的小溝對地表徑流總氮和總磷的截留率分別為42%和65%,4m蘆葦根區(qū)土壤對地下徑流總氮和總磷的截留率分別為64%和92%。2生態(tài)攔截技術(shù)組合應(yīng)用,以控制面源污染研究表明,現(xiàn)有的各種生態(tài)攔截技術(shù)均能有效攔截面源污染物的輸移,在農(nóng)業(yè)面源污染控制中發(fā)揮了重要的作用,但是各種技術(shù)的應(yīng)用也都存在其局限性。生態(tài)攔截溝渠技術(shù)不需要額外占用土地、投資少、易被農(nóng)民接受,已在全國范圍內(nèi)推廣應(yīng)用,在農(nóng)田面源污染控制中發(fā)揮了重要作用。但在實際應(yīng)用中生態(tài)溝渠對氮磷的攔截效果時空變異較大,如何高效配置溝渠植物及吸附基質(zhì)等來提高溝渠對暴雨徑流時的攔截效果,生態(tài)溝渠與農(nóng)田的適宜配置比例等仍有待于進一步研究。人工濕地技術(shù)具有氮磷去除能力強,處理效果相對穩(wěn)定,操作簡單,維護和運行費用低等優(yōu)點,但其需要額外占用大量土地,濕地植物如果不及時收獲處置存在著二次污染問題,冬季受低溫的影響處理效率低,容易產(chǎn)生淤積和飽和現(xiàn)象等。在我國人多地少的大環(huán)境下,特別是面源污染發(fā)生嚴重的地區(qū)往往又是經(jīng)濟發(fā)達地區(qū),限制了人工濕地處理技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用。我國稻田分布廣泛,可以充分挖掘稻田濕地的環(huán)境效應(yīng),對農(nóng)田徑流以及農(nóng)村低污染水進行有效攔截凈化,實現(xiàn)生產(chǎn)與環(huán)境的雙贏,但在實際應(yīng)用中需要注意防止可能帶來的土壤肥力破壞和稻米重金屬超標(biāo)問題。前置庫技術(shù)也存在著植被二次污染防治、不同季節(jié)水生植被交替和前置庫淤積等問題,在實際應(yīng)用中還應(yīng)考慮其凈化功能與河流行洪功能的高效有機協(xié)調(diào)問題。生態(tài)丁型潛壩攔截技術(shù)是近年來發(fā)展的新型河道生態(tài)攔截技術(shù),具備一次投資,基本零維護、處理效率高等特點,可有效攔截陸源污染物在河流支浜中的擴散,適用于承接生活污水及地表徑流的重污染農(nóng)村河道。緩沖帶技術(shù)同樣需要占用土地,在實際應(yīng)用中需要因地制宜,見縫插針,發(fā)揮其對污染的攔截凈化效果。此外,無論采用何種生態(tài)攔截技術(shù),都不能完全攔截去除掉所有污染物。為進一步加強面源污染攔截凈化效果,可多種技術(shù)組合應(yīng)用,如生態(tài)攔截溝渠末端配置人工濕地技術(shù),緩沖帶技術(shù)組合生態(tài)攔截溝渠技術(shù),人工濕地技術(shù)偶聯(lián)稻田消納技術(shù)等。同時與源頭減量技術(shù)、養(yǎng)分回用技術(shù)等有效串聯(lián),最終實現(xiàn)農(nóng)村面源污染的最大化去除。需要強調(diào)的是,任何一項技術(shù),要長期良好運行,需要起碼的常規(guī)維護,在生態(tài)攔截技術(shù)運行方面尤其如此。需要改變單純依賴技術(shù)的觀點,建立日常的維護機制,確保生態(tài)攔截技術(shù)的長期效果。今后,生態(tài)攔截技術(shù)方面還需要進一步加強基礎(chǔ)研究,提高單位面積的攔截效率,簡化技術(shù)操作程序。重點發(fā)展占地少、操作簡易、維護方便的生態(tài)攔截技術(shù),并編制相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范。3生態(tài)攔截技術(shù)(1)生態(tài)攔截是面源污染過程控制中不可或缺的一環(huán),現(xiàn)有的生態(tài)攔截技術(shù)在農(nóng)村面源污染治理中發(fā)揮了重要的作用。農(nóng)村面源污染因其排放路徑的隨機性、排放區(qū)域的廣泛性以及排放量大面廣等特征,即使在實施源頭控制后,仍然不可避免地有一部分污染物隨各排放途徑輸移,對下游