組合式氮磷攔截技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)面源污染綜合治理

何 凡，劉 軍，周 婷，林宇迪，張榮炳，賈洪柏*

1.安吉國(guó)千環(huán)境科技有限公司，浙江湖州 313300；2.湖州市農(nóng)業(yè)農(nóng)村生態(tài)與能源中心，浙江湖州 313300；3.安吉縣人民政府靈峰街道辦事處，浙江湖州 313300

農(nóng)田氮磷元素的徑流損失是指農(nóng)田表層土壤中的氮磷元素在降雨、灌溉作用下遷出土體進(jìn)入徑流的過(guò)程，是農(nóng)田面源污染的重要途徑之一，也是導(dǎo)致農(nóng)田周邊受納水體富營(yíng)養(yǎng)化的直接原因[1-3]。徑流損失受降雨、地勢(shì)地形、土壤狀況等環(huán)境因素，以及肥料種類、施肥方法、作物品種等種植及管理因素的影響。其中，降雨是影響農(nóng)田氮磷元素流失的核心因素[4]。近年來(lái)，生態(tài)溝渠、人工濕地、生態(tài)塘和攔截壩等氮磷攔截技術(shù)被證明對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染具有良好的處理效果[5-9]，可有效截留污染物，降低氮磷入河。

為推進(jìn)農(nóng)業(yè)面源污染治理工作，《浙江省深化“五水共治”碧水行動(dòng)計(jì)劃（2021—2025年）》中明確：到2025年，建成高質(zhì)量農(nóng)田氮磷生態(tài)攔截溝渠300條，浙江省省內(nèi)農(nóng)業(yè)面源污染的治理任重而道遠(yuǎn)。以浙江省湖州市某國(guó)家級(jí)旅游區(qū)內(nèi)地塊為例，采用生態(tài)溝渠+植草溝+生態(tài)浸沒(méi)島+雨水花園等組合式氮磷攔截技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染進(jìn)行綜合治理。對(duì)本項(xiàng)目農(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)狀、技術(shù)路線、工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行效果等內(nèi)容展開(kāi)系統(tǒng)介紹，研究組合式氮磷攔截技術(shù)的實(shí)施效果，以期為其他類似農(nóng)業(yè)面源污染治理的設(shè)計(jì)和實(shí)施提供參考。

1 工程概況及技術(shù)路線

1.1 工程概況

本項(xiàng)目位于湖州市某國(guó)家級(jí)旅游區(qū)劉靈路兩側(cè)，屬于太湖西苕溪流域典型農(nóng)田生產(chǎn)基地，年平均溫度為22.4℃，年平均降水量為1 423.4 mm，4—10月為豐水期，11月—翌年3月為枯水期。劉靈路東側(cè)農(nóng)田總面積為20.15 hm2，主要種植種類以糧油作物為主，部分為藍(lán)莓嫩株大棚，還有少量菜地。每季平均施氮量為440 kg/hm2，施磷量為256 kg/hm2，施肥方式以撒施為主，灌溉方式以溝灌、畦灌為主，部分為噴灌，一般每年種植兩季。西側(cè)農(nóng)田包含農(nóng)業(yè)示范區(qū)域，未來(lái)將在二期配套開(kāi)展面源污染整治工作，初步涉及農(nóng)田總面積3.65 hm2，區(qū)域內(nèi)土質(zhì)為水稻土和黃壤土。地塊每季平均施氮量為495 kg/hm2，施磷量為288 kg/hm2，施肥方式以撒施為主，灌溉方式以溝灌、畦灌為主，部分為噴灌。東西兩側(cè)地塊農(nóng)田規(guī)劃齊整，由降雨產(chǎn)生的農(nóng)田氮、磷元素徑流損失是造成該區(qū)域農(nóng)田面源污染的主要途徑，該地塊每年氮素徑流損失量為1259 kg，磷素徑流損失量為367 kg。

治理前農(nóng)田排水系統(tǒng)包括畦間土溝、田間次溝渠、主排水溝渠以及地塊內(nèi)天然河流。次溝渠為砼質(zhì)薄板溝渠，主溝渠為鋼砼質(zhì)厚板溝渠。農(nóng)田排水不經(jīng)任何有效處理，直接由各地塊農(nóng)渠集中到主排水渠和自然河道后排出區(qū)域，該地塊農(nóng)田匯水見(jiàn)圖1。氮、磷通過(guò)徑流流失量過(guò)大，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，進(jìn)而影響受納水體西苕溪水質(zhì)。

圖1 項(xiàng)目地農(nóng)田匯水示意圖

1.2 技術(shù)路線

根據(jù)該區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)狀及投資運(yùn)行成本等因素，以因地制宜、實(shí)用高效、維護(hù)便捷為原則，通過(guò)改造原有溝渠和新增構(gòu)筑物，構(gòu)建生態(tài)溝渠+植草溝+生態(tài)浸沒(méi)島+雨水花園等組合式氮磷攔截設(shè)施，對(duì)該區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染進(jìn)行削減。工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 農(nóng)業(yè)面源污染處理工藝流程

2 主要技術(shù)及構(gòu)筑設(shè)施

2.1 生態(tài)溝渠

對(duì)劉靈路東側(cè)農(nóng)田灌溉溝渠進(jìn)行改造，因其兼具泄洪作用，因此在加深拓寬滿足防洪需求的基礎(chǔ)上，在溝渠底部鋪設(shè)生態(tài)陶粒、生態(tài)多孔介質(zhì)和卵石，可將農(nóng)業(yè)面源徑流中的氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行富集，通過(guò)多孔材料中的嗜磷嗜氮菌進(jìn)行消耗。在溝渠兩側(cè)鋪設(shè)植草磚，其上種植低矮且對(duì)氮磷有高效吸附作用的植物，進(jìn)一步凈化水質(zhì)。

將原有農(nóng)田灌溉溝渠改造為生態(tài)溝渠，總長(zhǎng)為1 100 m，工程部分主要包括渠體、布水設(shè)施、功能性填料、輔助性攔截設(shè)施構(gòu)造等，生物部分主要包括填料表面微生物培養(yǎng)和植物的篩選、種植。生態(tài)溝渠主體材料由生態(tài)多孔介質(zhì)、卵石和MBBR載體過(guò)濾箱構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。以50 m為1個(gè)單元，每個(gè)單元由一道MBBR載體過(guò)濾箱與填料區(qū)組成。過(guò)濾箱基礎(chǔ)采用C25素混凝土澆筑，箱體為不銹鋼材質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)，使水流與載體充分接觸。填料區(qū)由卵石和生態(tài)多孔介質(zhì)組成。生態(tài)多孔介質(zhì)尺寸為190 mm×190 mm×115 mm，多孔介質(zhì)開(kāi)孔位于長(zhǎng)邊，大小孔均勻分布，位于下層，共鋪設(shè)兩層，其孔洞朝上，厚度為230 mm。卵石層厚度為150 mm，鵝卵石規(guī)格為2～12 cm，表面光滑圓潤(rùn)，無(wú)風(fēng)化剝落層和裂紋。

圖3 生態(tài)溝渠縱剖面圖

2.2 植草溝

對(duì)劉靈路西側(cè)農(nóng)田灌溉溝渠進(jìn)行改造，因其無(wú)須承擔(dān)泄洪，將其改造為水力停留時(shí)間較長(zhǎng)的植草溝，總長(zhǎng)1 100 m。通過(guò)內(nèi)部填充的多孔材料和其上種植的植物對(duì)收集到的農(nóng)田徑流進(jìn)行充分接觸、吸收和凈化。

植草溝由生態(tài)多孔介質(zhì)、卵石、生態(tài)功能填料、生態(tài)植物養(yǎng)料層和植物構(gòu)成。在植草溝前端的田間次溝渠每間隔50 m布置一座沉泥井，沉泥室高0.5 m，防止泥沙過(guò)多堵塞植草溝內(nèi)水體流通渠道。植草溝開(kāi)挖邊坡比為1:0.25，底部與兩端邊坡采用多孔介質(zhì)材料作為基礎(chǔ)和護(hù)坡材料，鋪設(shè)厚度為115 mm。卵石作為墊層，鋪設(shè)厚度為300 mm，生態(tài)功能填料鋪設(shè)厚度為300 mm，頂部鋪設(shè)生態(tài)植物養(yǎng)料層，鋪設(shè)厚度為150 mm，其上種植具有吸附氮磷污染物并兼具觀賞性的四季常綠植物，如金森女貞、旱傘和香根草等。

2.3 生態(tài)浸沒(méi)島

對(duì)該地塊西南方向攜有一定量外源污染的上游客水，新建生態(tài)浸沒(méi)島350 m2，前端設(shè)計(jì)導(dǎo)流壩，后端設(shè)計(jì)跌水壩，中間形成一個(gè)天然的“水質(zhì)凈化處理池”，可減緩水流速度，促進(jìn)流水?dāng)y帶顆粒物質(zhì)的沉淀，有利于吸收和攔截來(lái)水污染物和渠底滲出養(yǎng)分，從而達(dá)到水體凈化的目的，同時(shí)起到景觀營(yíng)造的作用。

生態(tài)浸沒(méi)島從下至上依次由卵石、多孔介質(zhì)填料、生態(tài)飄帶和挺水植物構(gòu)成。對(duì)生態(tài)浸沒(méi)島兩邊護(hù)岸進(jìn)行修整，邊坡坡比為1:0.3，采用施打松木樁用以穩(wěn)固邊坡，松木樁直徑≥150 mm。生態(tài)浸沒(méi)島基礎(chǔ)采用素土夯實(shí)，現(xiàn)場(chǎng)原狀土經(jīng)人工或機(jī)械夯實(shí)，壓實(shí)密度≥0.87。卵石墊層厚度為150 mm，卵石尺寸規(guī)格為2～12 cm，表面光滑圓潤(rùn)，無(wú)風(fēng)化剝落層和裂紋。多孔介質(zhì)材料共鋪設(shè)兩層，開(kāi)孔朝向迎水方向。生態(tài)飄帶通過(guò)塑料扎帶穿過(guò)多孔介質(zhì)材料孔洞，與其捆綁固定，生態(tài)飄帶在水中豎起高度與設(shè)計(jì)常水位高度基本一致，其厚度為5 mm，單位水面生物飄帶用量為0.5 m2/m2。在靠近岸邊兩側(cè)種植挺水植物，植物品種選擇上以精致、開(kāi)花、整潔為原則，工程實(shí)際應(yīng)用以再力花為主，水蔥和菖蒲作為點(diǎn)綴。

2.4 雨水花園

結(jié)合劉靈路兩側(cè)地形，在生態(tài)溝渠、植草溝和生態(tài)浸沒(méi)島匯水后的自然河道區(qū)域建設(shè)雨水花園550 m2，構(gòu)建生物強(qiáng)化降解功能區(qū)，通過(guò)濕生植物和多孔材料等綜合作用使農(nóng)田徑流中氮磷污染物得到深度凈化，隨后排入受納水體西苕溪。

雨水花園由多孔介質(zhì)材料區(qū)塊、沉水植物區(qū)塊、挺水植物區(qū)塊和跌水區(qū)構(gòu)成。雨水花園底部滿鋪生態(tài)多孔介質(zhì)，其孔洞朝上，沉水植物和挺水植物種植于孔洞中，并用卵石覆蓋，充分發(fā)揮填料—植物相結(jié)合對(duì)污染物的高效吸附降解優(yōu)勢(shì)，提高雨水花園的處理效率。設(shè)計(jì)沉水植物覆蓋率為60%～80%，本項(xiàng)目選擇以矮生苦草（半常綠）為主，以輪葉黑藻和伊樂(lè)藻為輔。挺水植物以香蒲為優(yōu)勢(shì)種，慈姑為次優(yōu)勢(shì)種，兩岸挺水植物種植區(qū)寬度各4 m。雨水花園出水口處設(shè)置多級(jí)跌水區(qū)，使內(nèi)部常水位保持在1.2 m左右。

3 治理效果

本項(xiàng)目于2021年9月通過(guò)竣工驗(yàn)收，至今已順利運(yùn)行1年，期間定期對(duì)各構(gòu)筑設(shè)施進(jìn)、出水水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。分析在枯水期和豐水期各構(gòu)筑設(shè)施對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的削減效果。水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 枯水期與豐水期各構(gòu)筑設(shè)施進(jìn)、出水水質(zhì)mg/L

本項(xiàng)目根據(jù)項(xiàng)目地的水文特點(diǎn)，4—10月為豐水期，期間生態(tài)溝渠對(duì)COD、氨氮、總磷的削減貢獻(xiàn)率分別為23.39%、62.82%、48.21%；植草溝對(duì)COD、氨氮、總磷的削減貢獻(xiàn)率分別為28.4%、63.82%、42.86%；生態(tài)浸沒(méi)島對(duì)COD、氨氮、總磷的削減貢獻(xiàn)率分別為27.78%、64.85%、43.18%。根據(jù)工藝路線，三類處理設(shè)施出水匯集進(jìn)入雨水花園，其對(duì)COD、氨氮、總磷的削減貢獻(xiàn)率分別為45.59%、77.03%、56.10%。上述氮磷攔截組合工藝對(duì)上述污染物的累積去除率分別為60.04%、91.69%、75.84%。最終出水氨氮、COD指標(biāo)均可達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）的Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，總磷指標(biāo)可達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）的Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

在11月—翌年3月的枯水期，生態(tài)溝渠對(duì)COD、氨氮、總磷的削減貢獻(xiàn)率分別為14.42%、54.55%、39.06%，植草溝對(duì)COD、氨氮、總磷的削減貢獻(xiàn)率分別為17.54%、53.12%、38.71%，生態(tài)浸沒(méi)島對(duì)COD、氨氮、總磷的削減貢獻(xiàn)率分別為19.17%、51.40%、37.29%，雨水花園對(duì)COD、氨氮、總磷的削減貢獻(xiàn)率分別為43.10%、64.05%、33.26%。上述工藝組合污染物的累積去除率分別為52.78%、83.14%、72.43%。最終出水氨氮、總磷、COD等主要指標(biāo)均可達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)比兩個(gè)時(shí)期的水質(zhì)數(shù)據(jù)，枯水期因降水量少和降水頻次低，農(nóng)田中氮磷污染物經(jīng)地表徑流沖刷，其進(jìn)水濃度普遍比豐水期高?？菟谝话阍谇锒荆捎谏鷳B(tài)系統(tǒng)中微生物活性和植物吸附能力下降導(dǎo)致降解氮磷污染物效率降低，但枯水期出水水質(zhì)仍能達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明該組合工藝在冬季仍能穩(wěn)定運(yùn)行。

本項(xiàng)目實(shí)施后每年可減少氮素流失1 131 kg，減少磷素流失176 kg，減少COD排放8 350 kg，有效解決了區(qū)域內(nèi)氮磷流失問(wèn)題，使受納水體西苕溪水質(zhì)得到改善。由于該地塊位于國(guó)家級(jí)旅游區(qū)內(nèi)，本項(xiàng)目在解決農(nóng)業(yè)面源污染的同時(shí)，著重考慮提升地塊周圍生態(tài)環(huán)境和景觀效益，將生態(tài)農(nóng)業(yè)、生態(tài)旅游相結(jié)合，形成綠色、環(huán)保的特色文化。

4 結(jié)束語(yǔ)

本工程順利實(shí)施并高效運(yùn)行一年，表明生態(tài)溝渠+植草溝+生態(tài)浸沒(méi)島+雨水花園等組合式氮磷攔截技術(shù)對(duì)農(nóng)田氮、磷元素徑流流失有良好的改善作用。通過(guò)對(duì)原有農(nóng)業(yè)灌溉溝渠進(jìn)行改造，利用生態(tài)多孔介質(zhì)、生物飄帶、功能性MBBR載體等多孔材料的高效吸附降解特性和沉水植物、挺水植物、草本植物等植物作用對(duì)區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)面源污染中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行攔截、吸附、凈化?？菟诤拓S水期的出水主要指標(biāo)均能達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，有效保護(hù)了受納水體的水質(zhì)安全。構(gòu)筑設(shè)施不另外占用土地，無(wú)動(dòng)力設(shè)備，運(yùn)行維護(hù)操作便捷，可為浙江省及周邊區(qū)域的農(nóng)業(yè)面源污染治理提供借鑒。