以新型功能材料為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)面源污染治理研究

周婷　何凡　賈洪柏　陳升　林宇迪

摘要 為了開(kāi)發(fā)農(nóng)業(yè)面源污染水質(zhì)提升新技術(shù)，本研究以生態(tài)多孔介質(zhì)、生態(tài)飄帶等新功能材料為基礎(chǔ)，結(jié)合試驗(yàn)地的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了生態(tài)植草溝、氮磷攔截溝渠、雨水花園等技術(shù)，并進(jìn)行了應(yīng)用。結(jié)果表明，COD的消減率達(dá)47%～56%，氨氮消減率達(dá)58%～72%，TP消減率達(dá)51%～75%，TN消減率達(dá)45%～51%，水質(zhì)提升效果明顯。本研究成果可以為農(nóng)業(yè)面源污染治理提供新的解決方案。

關(guān)鍵詞 農(nóng)業(yè)面源污染；功能材料；生態(tài)植草溝；氮磷攔截溝；雨水花園

中圖分類號(hào) X522? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 1007-7731（2023）07-0153-04

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，城鄉(xiāng)差距越來(lái)越小，城鄉(xiāng)融合和城鎮(zhèn)化進(jìn)程越來(lái)越明顯[1]，鄉(xiāng)村主體經(jīng)濟(jì)發(fā)展轉(zhuǎn)型及環(huán)境建設(shè)是當(dāng)前和今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)國(guó)家和地方政府關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題[2]。農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展以及創(chuàng)造宜居的環(huán)境是衡量鄉(xiāng)村可持續(xù)發(fā)展的重要依據(jù)之一。過(guò)去一段時(shí)間在發(fā)展城市經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，“重城輕鄉(xiāng)”的環(huán)境污染治理造成我國(guó)農(nóng)村地區(qū)污染加劇、類型復(fù)雜，使養(yǎng)殖污染、生活污染與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等面源污染共存，同時(shí)由于管理不到位，一些外源性污染持續(xù)向農(nóng)村轉(zhuǎn)移[3-4]。面源污染是相對(duì)于排污點(diǎn)集中、排污途徑明確的點(diǎn)源污染而言的，其具有面積大、污染物濃度低等特點(diǎn)，農(nóng)村區(qū)域主要以農(nóng)業(yè)面源污染為主。

1 農(nóng)業(yè)面源污染概況

不合理的耕作方式和過(guò)量施肥是造成營(yíng)養(yǎng)成分損失和農(nóng)業(yè)面源污染的主要原因之一[5]。過(guò)量的氮磷營(yíng)養(yǎng)成分、農(nóng)藥等污染物進(jìn)入受納水體引起水體污染，其次還包括少量無(wú)組織排放的農(nóng)村生活污水、養(yǎng)殖廢水等以及農(nóng)業(yè)廢棄物、畜禽糞便污染物，它們隨雨水地表徑流產(chǎn)生的污染最終匯入主要河流或水庫(kù)。全國(guó)污染源普查結(jié)果顯示，種植業(yè)、畜禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)是總氮、總磷和COD的主要來(lái)源，其排放量分別為2.705×10⁶、2.847×10⁵、1.324×10⁷t，占排放總量的57.2%、67.4%和43.7%[6-7]。當(dāng)前，農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)各大流域所造成的水環(huán)境問(wèn)題日益突顯[8]。中國(guó)三大淡水湖（巢湖、滇池和太湖）中，來(lái)自農(nóng)村面源的總氮（TN）、總磷（TP）和COD分別達(dá)到了60%～70%、50%～60%和30%～40%[9]。從總量來(lái)看，根據(jù)《第二次全國(guó)污染普查公報(bào)》，2017年全國(guó)農(nóng)業(yè)源水污染物TN、TP、COD排放量分別達(dá)到141.49×10⁴、21.20×10⁴和1 067.13×10⁴t，占全國(guó)水污染物排放總量的46.52%、67.21%和49.8%[10]，與第一次調(diào)查相比污染物有所增加。

目前，農(nóng)業(yè)面源污染的治理普遍采用的方法是圍繞個(gè)別“點(diǎn)”開(kāi)展防治，雖然可以在一定程度上降低農(nóng)業(yè)面源污染總量，但治理方案缺乏整體性、系統(tǒng)性等[11]。農(nóng)業(yè)面源污染治理任務(wù)緊迫并存在較大困難，需要強(qiáng)化資金投入，加強(qiáng)政府各部門合作，并利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)進(jìn)行綜合治理。農(nóng)業(yè)面源污染治理需要政府、農(nóng)業(yè)社會(huì)化服務(wù)機(jī)構(gòu)和農(nóng)戶共同合作，從多方面建立全面的、系統(tǒng)性的農(nóng)業(yè)面源污染治理體系[12]。

2 試驗(yàn)地概況

本研究實(shí)施地點(diǎn)位于浙江省安吉縣靈峰國(guó)家旅游度假區(qū)，直接涉及的農(nóng)田面積約53.4 hm²，以種植糧油作物，如油菜、水稻為主，部分為藍(lán)莓嫩株大棚及少量菜地。排水主溝渠為鋼砼質(zhì)厚板溝渠，也是排澇溝渠，日常水流量約1 000 m3/d，暴雨時(shí)會(huì)出現(xiàn)滿渠淹沒(méi)道路情況；次溝渠為砼質(zhì)薄板溝渠；另在農(nóng)戶房屋與農(nóng)田之間有一條自然溝渠，水流量約為2 000 m3/d。經(jīng)水質(zhì)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：主溝渠氨氮和總氮為地表Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，其他指標(biāo)為Ⅲ～Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)；次溝渠內(nèi)現(xiàn)有水質(zhì)為地表劣Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)；自然溝渠水質(zhì)呈劣Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，其主要由部分農(nóng)村生活污水和養(yǎng)殖廢水排入所致。污染源入水口氨氮最高達(dá)到6.65 mg/L，為項(xiàng)目驗(yàn)收（地表IV類水）標(biāo)準(zhǔn)的4.43倍；總磷為1.63 mg/L，為項(xiàng)目驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的5.43倍。

根據(jù)實(shí)地檢測(cè)、勘驗(yàn)，試驗(yàn)的技術(shù)難點(diǎn)包括：①主溝渠兩側(cè)，一側(cè)為道路，一側(cè)為耕地紅線，用地面積極少；②水量水質(zhì)變化大，對(duì)系統(tǒng)的沖擊大，一旦有暴雨，會(huì)對(duì)系統(tǒng)有一定的破壞性；③處理面域廣，對(duì)處理設(shè)施的保養(yǎng)管護(hù)要求高，適應(yīng)性、耐用性必須符合要求。

3 方案設(shè)計(jì)及核心材料

考慮到本項(xiàng)目位于國(guó)家旅游度假區(qū)，本項(xiàng)目將從農(nóng)田氮磷攔截、洪峰延遲及減少地表徑流、上游污水處理、農(nóng)村污水處理及景觀設(shè)計(jì)5個(gè)方面綜合考慮，技術(shù)路線如圖1所示。

3.1 主要的技術(shù)設(shè)計(jì)

生態(tài)植草溝主要設(shè)置在農(nóng)田邊緣，內(nèi)部填充卵石、生態(tài)陶粒、生態(tài)多孔介質(zhì)等功能性填料，上部浮種植土，表面種植功能性植物。通過(guò)集水井將農(nóng)田初雨地表徑流沉淀后收集至生態(tài)植草溝，經(jīng)功能性填料吸附及其表面的功能性微生物進(jìn)行消減，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)提升。

氮磷攔截溝渠：主要是對(duì)主溝渠（排澇溝渠）進(jìn)行改造，全長(zhǎng)1 100 m，在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行加寬加深擴(kuò)充，解決排澇問(wèn)題；底部添加有功能性填料和生態(tài)多孔介質(zhì)，表面鋪設(shè)卵石。中間設(shè)置氮磷攔截箱，內(nèi)部填充掛膜硝化細(xì)菌的功能性載體。溝渠最底部容氧低，形成缺氧區(qū)域，上層多孔介質(zhì)內(nèi)水流較快，形成好氧區(qū)；功能性填料則是溝渠中的“微生物發(fā)生器”。溝渠2次鋪設(shè)植草磚，實(shí)現(xiàn)固土和景觀提升作用。

雨水花園設(shè)計(jì)：在自然溝渠內(nèi)設(shè)置100 m的雨水花園，內(nèi)部布置有人工生態(tài)飄帶和生態(tài)多孔介質(zhì)以及挺水植物、松木樁護(hù)岸等。結(jié)合微孔曝氣系統(tǒng)，達(dá)到對(duì)匯入的農(nóng)村生活污水和養(yǎng)殖廢水的處理。

3.2 核心材料

3.2.1 生態(tài)多孔介質(zhì)。由安吉國(guó)千環(huán)境研科技有限公司研發(fā)的生態(tài)多孔介質(zhì)以天然成分為主要原料，同時(shí)添加有促進(jìn)微生物生長(zhǎng)及代謝的營(yíng)養(yǎng)元素，含有植物需要的微量元素，通過(guò)特殊工藝制作而成。其優(yōu)點(diǎn)如下：①優(yōu)異的吸氮聚磷功能；②促進(jìn)微生物生長(zhǎng)和代謝的功能，提高對(duì)污染物分解能力；③不間斷滲出植物生長(zhǎng)必須的微量元素，促進(jìn)植物生長(zhǎng)；④產(chǎn)品空隙度高達(dá)30%以上，便于微生物和微型動(dòng)物吸附；中空式結(jié)構(gòu)為河道微型動(dòng)物和高等動(dòng)物提供棲息地，也為魚(yú)類提供產(chǎn)卵魚(yú)巢，提高水體的生物多樣性。

3.2.2 MBBR功能性載體。由安吉國(guó)千環(huán)境研科技有限公司研發(fā)的MBBR功能性載體以聚氨酯為主體架構(gòu)，負(fù)載特殊的功能性粉末材料，通過(guò)改性處理，可大大提高其機(jī)械抗磨損性能和耐紫外性能，能夠?qū)μ囟ǖ奈廴疚锍煞诌M(jìn)行吸附，形成利于功能性微生物生化作用的高濃度污染物富集區(qū)，提高生化效率。

3.2.3 生物飄帶。由安吉國(guó)千環(huán)境研科技有限公司研發(fā)的生物飄帶采用超級(jí)編織技術(shù)—兩面、兩段型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，添加功能性無(wú)機(jī)粉末，同時(shí)具有巨大的活性生物接觸表面，能夠富集特定的污染物和功能性微生物，提高污水處理效率。

4 實(shí)施效果

本項(xiàng)目建設(shè)完成后，通過(guò)對(duì)改造的主溝渠上下游、雨水花園上下游和總的出水口的水質(zhì)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)（2021年11月至2022年4月），結(jié)果表明：主溝渠和雨水花園的進(jìn)水水質(zhì)為地表Ⅴ類甚至劣Ⅴ類水，總出水口平均水質(zhì)除了總氮外達(dá)到了地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)；其中，COD的消減率達(dá)47%～56%，氨氮消減率達(dá)58%～72%，TP消減率達(dá)51%～75%，TN消減率達(dá)45%～51%，水質(zhì)提升效果明顯（見(jiàn)表1）。

通過(guò)本項(xiàng)工程改造，原來(lái)荒草叢生、水質(zhì)惡臭的溝渠變成了水質(zhì)清澈、排洪能力增強(qiáng)，兼具景觀的功能性溝渠。項(xiàng)目運(yùn)行6個(gè)月后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，河道內(nèi)魚(yú)類增多，氮磷攔截溝渠內(nèi)發(fā)現(xiàn)小型河蝦，說(shuō)明通過(guò)此項(xiàng)目的實(shí)施提高了河道內(nèi)的生物多樣性，可進(jìn)一步加快河道污染物通過(guò)生物鏈的轉(zhuǎn)移，使水質(zhì)得到提升。

5 討論與結(jié)論

農(nóng)業(yè)面源污染是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)性過(guò)程，要實(shí)現(xiàn)面源污染的治理就必須建立完善的治理體系，查找農(nóng)業(yè)面源污染的防治要點(diǎn)和關(guān)鍵源識(shí)別。要達(dá)到農(nóng)業(yè)面源污染治理的最佳效果，就要從氮、磷元素在水環(huán)境中的生物化學(xué)循環(huán)過(guò)程、減排管理措施、政策宣傳和末端治理修復(fù)技術(shù)等方面著手[13]。農(nóng)業(yè)面源污染防控技術(shù)的配置集成，是構(gòu)建農(nóng)業(yè)面源污染的最佳治理措施。從目前實(shí)際實(shí)施過(guò)程來(lái)看，全國(guó)各地方以控制氮磷輸入水體的措施為主，主要是科學(xué)施肥，減少化肥和農(nóng)藥使用量，從源頭較少氮磷的輸入[14-17]；對(duì)農(nóng)作物秸稈、農(nóng)業(yè)廢棄物等進(jìn)行有效處理[18-19]，提高農(nóng)民的環(huán)保意識(shí)等，少數(shù)進(jìn)行農(nóng)村生活污水和養(yǎng)殖廢水的處理后排放，對(duì)于農(nóng)業(yè)面源污染的末端治理還沒(méi)有成熟的技術(shù)。為了全面系統(tǒng)地治理農(nóng)業(yè)面源污染，末端農(nóng)業(yè)面源污染的水體治理也十分重要，從而實(shí)現(xiàn)從源頭解決水流域的污染匯入問(wèn)題。

以本研究的技術(shù)和產(chǎn)品為基礎(chǔ)，利用綜合處理措施，能夠有效地實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)面源污染的水質(zhì)提升，使源頭水由地表Ⅴ類甚至劣Ⅴ類水，最終在出水口穩(wěn)定達(dá)到地表Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。本研究成果可以為農(nóng)業(yè)面源污染治理提供新的解決方案，也為其他地區(qū)的農(nóng)業(yè)面源污染治理提供借鑒。

6 參考文獻(xiàn)

[1] 張英男，龍花樓，馬歷，等.城鄉(xiāng)關(guān)系研究進(jìn)展及其對(duì)鄉(xiāng)村振興的啟示[J].地理研究，2019，38（3）：578-594.

[2] 龍花樓，鄒健.我國(guó)快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程中的鄉(xiāng)村轉(zhuǎn)型發(fā)展[J].蘇州大學(xué)學(xué)報(bào)（哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版），2011，32（4）：97-100.

[3] 王曉君，吳敬學(xué)，蔣和平.中國(guó)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境質(zhì)量動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)[J].自然資源學(xué)報(bào)，2017，32（5）：864-876.

[4] 張英男，龍花樓.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)型及其環(huán)境效應(yīng)的研究進(jìn)展與展望[J].自然資源學(xué)報(bào)，2022，37（7）：1691-1706.

[5] 趙順娟，李正祥.洱海流域農(nóng)業(yè)面源污染的控制[J].云南農(nóng)業(yè)，2020（4）：54-57.

[6] 武淑霞，劉宏斌，劉申，等.農(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)狀及防控技術(shù)[J].中國(guó)工程科學(xué)，2018，20（5）：23-30.

[7] 楊林章，吳永紅.農(nóng)業(yè)面源污染防控與水環(huán)境保護(hù)[J].中國(guó)科學(xué)院院刊，2018，33（2）：168-176.

[8] 朱奎峰.巢湖流域農(nóng)業(yè)面源污染綜合治理模式的探索與實(shí)踐[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2019，25（18）：134-135.

[9] 蔣鴻昆，高海鷹，張奇.農(nóng)業(yè)面源污染最佳管理措施（BMPs）在我國(guó)的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展，2006，23（4）：64-67.

[10] 生態(tài)環(huán)境部，國(guó)家統(tǒng)計(jì)局農(nóng)業(yè)部.第二次全國(guó)污染源普查公報(bào)[EB/OL]. [2020-06-29].http：www.gov.cn/xinwen/2020-06/10/content_5518391.htm.

[11] 胡心亮，夏品華，胡繼偉，等.農(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)狀及防治對(duì)策[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（6）：211-215.

[12] 姜譯涵，馬千蕙，孫兆明.我國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染總體態(tài)勢(shì)及治理建議[J].合作經(jīng)濟(jì)與科技，2022（18）：25-27.

[13] 吳昊平，秦紅杰，賀斌，等.基于碳中和的農(nóng)業(yè)面源污染治理模式發(fā)展態(tài)勢(shì)芻議[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2022，31（9）：1919-1926.

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[14] 徐慶坤，李躍瓊，楊蘭芳，等.高氮水溶肥在結(jié)球生菜上的肥效試驗(yàn)[J].云南農(nóng)業(yè)，2022（8）：69-71.

[15] 陶小龍，徐磊，夏磊，等.農(nóng)業(yè)面源污染中農(nóng)田氮污染對(duì)水體的危害及防治措施[J].農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究，2022，12（6）：161-163.

[16] 馮琳，張婉婷，張鈞珂，等.三峽庫(kù)區(qū)面源污染的時(shí)空特征及EKC分析[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2022，42（7）：3325-3333.

[17] 符才杰.小流域農(nóng)業(yè)面污染現(xiàn)狀及污染源治理措施[J].清洗世界，2022，38（6）：111-113.

[18] 陳云超，唐開(kāi)華.澄江市農(nóng)業(yè)面源污染成因分析及解決措施[J].云南農(nóng)業(yè)，2021（5）：38-40.

[19] 翟艷瓊.加強(qiáng)農(nóng)業(yè)面源污染綜合治理的有益嘗試[J].云南農(nóng)業(yè)，2019（3）：47-48.

（責(zé)編：張宏民）