農田面源污染全流程控制技術體系的構建及其應用

陳昌仁， 季俊杰， 邵光成， 馮 騫

(1.江蘇省水旱災害防御調度指揮中心， 江蘇 南京 210029； 2.江蘇省河道管理局， 江蘇 南京 210029； 3.河海大學 農業(yè)工程學院， 江蘇 南京 210098； 4.河海大學 環(huán)境學院， 江蘇 南京 210098)

近年來，隨著農業(yè)種植中大量使用化肥、農藥，農田面源污染問題正成為影響農村水環(huán)境質量改善的困難因素。目前，考慮到農田區(qū)域污染治理工作的特點，人工濕地、生態(tài)塘、生態(tài)溝渠等生態(tài)工程是農田面源污染控制中應用較多的技術[1-3]。這些技術和工程在農田面源污染治理中應用，取得了一定成效，降低了面源排水的污染負荷[4]，對區(qū)域環(huán)境質量改善提供了重要支撐。但研究也表明，農田面源灌排時段較為集中、生態(tài)工程處理負荷低、水肥資源循環(huán)利用有限等問題，也制約著農田面源污染控制技術水平的發(fā)展和技術能力的提升。特別是圍繞農田面源污染形成的“源頭—過程—末端”全流程，尚未形成體系完整、實施方便、效能優(yōu)良的農村面源污染控制耦合技術體系。

本文從農田面源污染在鄉(xiāng)村振興和生態(tài)文明建設戰(zhàn)略中的重要意義出發(fā)，圍繞農田面源污染物形成、輸送到排放的全過程，開展技術研究。針對稻田施肥期水肥流失問題，研發(fā)控制灌排技術；圍繞傳統(tǒng)溝渠污染凈化能力薄弱的難題，研發(fā)基于緩釋氧的新型功能材料，與水生植物配合，提升生態(tài)溝渠面源污染的過程截納效果；針對末端受納濕地/塘系統(tǒng)水力負荷低、凈化效果弱的問題，建立新型仿生增氧人工濕地技術，強化濕地自凈能力，并輸送清潔排水回用。通過“源頭—過程—末端”全流程的生物生態(tài)耦合集成技術體系的構建，實現(xiàn)農田區(qū)域面源污染高效削減，有效提升水資源的利用效率，為鄉(xiāng)村振興和農村區(qū)域生態(tài)文明建設保駕護航。

1 體系構建

農田排水是稻田氮磷進入受納水體的源頭，而農田排出的水體，經過溝渠輸送和末端塘/濕地系統(tǒng)的截納，既可以積蓄部分水量回用于農田，又可以有效削減部分氮磷營養(yǎng)物質[5]。本文提出的農田面源污染全流程控制技術體系，就是在面源產生、輸送到排出的全過程，通過各自的強化，形成耦合系統(tǒng)，達到面源污染負荷高效削減的目標。該技術體系由稻田控制灌排、溝渠生態(tài)化改造與功能強化、仿生增氧人工濕地建設3個技術單元耦合組成。

1.1 稻田控制灌排

在面源產生的源頭，主要圍繞稻田系統(tǒng)水肥使用優(yōu)化、灌排設施改造2個方面研發(fā)控制灌排技術。通過田埂加高(通常15～20 cm)適度增加淹水深度，在保障作物產量的基礎上，減少稻田排水次數(shù)與總量。此外，根據(jù)水稻需水、需肥特性，制定以水調肥、以水促肥的水肥調控模式，制定科學合理的水肥施用方案，從源頭減少氮磷營養(yǎng)流失量。

1.2 溝渠生態(tài)化改造與功能強化

針對目前常用生態(tài)溝渠多依靠植物凈化而污染降解能力不足的問題，一方面通過篩選凈污、耐淹能力強，養(yǎng)護簡便的植物組合，提高生態(tài)溝渠對面源排水的凈化效果；另一方面研發(fā)具有水體強化凈化能力的緩釋氧功能材料，鋪設于生態(tài)溝渠底部，強化生態(tài)溝渠功能。通過協(xié)同水生植物與功能材料，在面源排水輸送過程中進一步提升污染物的降解效果。

1.3 仿生增氧人工濕地建設

針對農村常見塘/濕地系統(tǒng)水力負荷低、自凈能力弱、氮磷截流效果受溫度季節(jié)影響大等難題，圍繞多介質功能填料定向研發(fā)、濕地潮汐流運行方式優(yōu)化、仿生增氧技術功能強化，建設多功能仿生增氧生態(tài)塘/人工濕地[6-7]。濕地中填充能夠強化微生物胞外電子傳遞的鐵碳或錳砂類多介質功能材料，同時加裝結構簡單、運維方便的管式仿生增氧裝備，在高速潮汐流運行方式下，對排放進入塘/濕地的面源排水進行最終凈化。通過上述3個方面的集成耦合，顯著提升塘/濕地系統(tǒng)的凈化效能。

“控制灌排—生態(tài)溝渠—仿生增氧人工濕地”面源污染全流程控制技術體系的組成和工作原理如圖1所示。稻田是面源污染的源頭凈化單元，生態(tài)溝渠是過程凈化單元，仿生增氧人工濕地則為末端處理單元，耦合形成集成體系[8-10]。相較于目前常用的單一方法面源污染控制系統(tǒng)來說，本文提出的集成系統(tǒng)組成簡單、改造方便、成本低廉、效果優(yōu)良。 生物生態(tài)技術的聯(lián)合作用， 有效提升了其環(huán)境適應能力，保障了面源污染物的凈化效果，具有較好的應用推廣前景。

2 在農田面源污染治理中的應用

為考察農田面源污染全流程控制技術體系應>用成效，課題組在南京市八卦洲街道PY農業(yè)園建設了示范工程，開展了技術應用。

圖1 “控制灌排—生態(tài)溝渠—仿生增氧人工濕地”體系

2.1 示范區(qū)域概況

示范區(qū)域位于南京市八卦洲街道PY農業(yè)園。八卦洲街道隸屬于江蘇省南京市棲霞區(qū)北部，與六合區(qū)、浦口區(qū)組成南京江北新區(qū)，面積56 km2，是長江中的第三大島，有“江中綠島”和“中國蘆蒿第一鄉(xiāng)”之稱。PY農業(yè)園區(qū)位于八卦洲東北角，北靠長江。園區(qū)面積約0.08 km2。園區(qū)主要由耕地區(qū)(果園、菜地)和休閑區(qū)(匯水塘)等部分組成。園區(qū)農業(yè)用水主要從躍進河支流引入，經耕地(菜地、果園)灌溉后，再通過園區(qū)排水溝渠進入園區(qū)匯水塘，進而經處理后回用。超出回用的部分由涵洞排入小江河。

2.2 建設運行狀況

示范工程針對PY農業(yè)園區(qū)的面源污染狀況，在耕地區(qū)域通過測土配方，實施了科學的氮磷控釋方案，同時加高了田埂高度約15 cm，減少耕地區(qū)外排水量的同時，削減氮磷污染負荷。在耕地區(qū)域的灌排溝渠段開展生態(tài)化改造和功能強化，通過在生態(tài)溝渠中搭配種植鳶尾、銅錢草、狐尾藻等挺水、浮水、沉水植物(3類植物配置密度均為4株/m2)，提升植物根系對污染物的吸附；在溝渠底部鋪砌約3 mm的緩釋氧功能材料基層，進一步提高溝渠水體中溶解氧質量濃度，與水生植物協(xié)同作用，在輸送過程凈化灌溉排水。在園區(qū)排水匯入的水塘，建設仿生增氧人工濕地，結合新型濕地功能材料應用，對園區(qū)灌溉排水進行末端強化處理，部分回用的同時，減少園區(qū)外排水量和污染負荷。

2.3 效果監(jiān)測與分析

為考察農田面源全流程控制技術體系的應用效果，在園區(qū)用水、排水通道上，依次設置了4處水質監(jiān)測斷面，通過定期監(jiān)測，獲得區(qū)域技術應用前后水質的變化情況。監(jiān)測指標主要包括：CODMn、NH3-N、TN、TP。水質指標的監(jiān)測均采用國標方法。

圖2(a)表明了示范工程建成前(2017年3—6月)的水質監(jiān)測結果。從圖2(a)中可以看出，示范工程建成前，4個監(jiān)測斷面CODMn在10～15 mg/L，NH3-N在5～10 mg/L，TN在12～20 mg/L，TP在0.2～1.2 mg/L。按照《地表水環(huán)境標準》(GB3838 — 2002)，采用單因子指標評價[6]，水體均屬于劣V類，主要超標因子為TN和TP。此外，隨著園區(qū)用水過程推進，排水中污染物質量濃度也逐漸增加。以2017年6月份的監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，4個斷面NH3-N距V類水的超標倍數(shù)分別為8.7倍、8.6倍、7.6倍、6.2倍。2017年7月示范工程建成后，監(jiān)測斷面的水質指標出現(xiàn)了明顯好轉(圖2(b))。與2017年6月的監(jiān)測值相比，4個斷面的CODMn、NH3-N、TN、TP均值分別為8.6 mg/L、6.29 mg/L、12.93 mg/L、0.72 mg/L，相比2017年6月，同比分別下降11.08%、9.33%、16.69%和11.38%。2017年8—10月，4個斷面的水質持續(xù)改善。至2017年10月時，4個斷面的CODMn、NH3-N、TN、TP均較2017年6月下降了28.93%、27.35%、31.69%和27.47%。園區(qū)外排水量，較示范工程實施前，也下降了約20%。

示范工程的監(jiān)測結果證實了 “控制灌排—生態(tài)溝渠—仿生增氧人工濕地”面源污染全流程控制技術體系，對農田面源污染具有良好的污染削減和減排效果，為技術推廣和應用提供了重要的支撐。

3 結 論

本研究在現(xiàn)有面源污染控制技術的基礎上，從“源頭—過程—末端”全流程出發(fā)，結合單項技術的研發(fā)和改進，依托耕地氮磷控釋、耕地蓄水增長、水生植物配合緩釋氧材料改造生態(tài)溝渠、濕地仿生增氧等一系列化學、生物、生態(tài)技術，構建了“控制灌排—生態(tài)溝渠—仿生增氧人工濕地”農田面源污染全流程控制技術體系。

圖2 2017年示范工程實施前后水質對比

該技術體系在南京某農業(yè)園區(qū)應用，削減了COD、氮、磷等污染物負荷20%以上，生態(tài)、環(huán)境效益顯著，展現(xiàn)出良好的應用推廣前景，為農業(yè)園區(qū)面源污染控制提供了重要技術支撐，為鄉(xiāng)村振興保駕護航。