韓楓 朱立志
摘要
草食畜牧業是我國目前乃至今后發展的重點,伴隨飼養比重的增加,畜禽糞便污染問題也隨之而來。為避免面源污染,維護良好的農業農村環境,提升我國生物質能源利用潛能,本文以牛羊糞便資源化利用為研究對象,選取甘肅省臨夏回族自治州臨夏縣和全國作為研究區域,對牛羊糞便資源化利用作出梳理,分別對作為農家肥(肥料化利用)和沼氣資源加以利用的潛能作出測算。以農業部發布的養殖業產排污系數和相關養分含量系數為基礎,將我國2013年牛、羊糞便的COD折算成相應的折標煤,將TN(氮)和TP(磷)折算成尿素、過磷酸鈣、磷酸二銨等常用肥料,對牛羊糞便資源化利用作了初步評估。2013年牛羊糞便可產生氮5 143 400 t,折合尿素11 181 300 t;產生磷733 600 t,折合過磷酸鈣12 018 300 t。全國牛類糞便COD排放量為118 183 200 t(奶牛30 310 700 t,肉牛65 912 000 t),羊糞便COD排放量為48 800 t,牛羊糞便共可產生沼氣資源53 713 900 m3,約38 351 700 kg標準煤。同時,以甘肅省臨夏縣作為對象,結合調研數據,得出2013年臨夏縣牛羊糞便COD產生量合計約48 145 269.74 kg,折算出沼氣標煤當量為28 176.82 t;含氮量為2 557.18 t,含磷量為256.40 t,折算成化肥相當于5 559.09 t尿素和4 200.48 t過磷酸鈣,或者1 050.12 t磷酸二銨和5.19 t尿素。因此,牛羊糞便資源化利用可以產生節本、增效、環保的疊加作用。政府要加大技術指導和財政扶持力度,尤其在貧困地區,要以畜禽糞便資源化利用推動當地脫貧進程,同時提升土壤質量,提高農產品產地安全保障。考慮到散戶比例較大,尤其在西部地區,建議盡快建立政府引導、合作社帶動的牛羊糞便收集利用機制。
關鍵詞糞便資源化利用;能源潛力;面源污染;氮磷養分系數;COD
中圖分類號S-9文獻標識碼A文章編號1002-2104(2015)06-0167-07doi:10.3969/j.issn.1002-2104.2015.06.023
牛羊等草食畜牧業是我國畜牧業發展的重點,隨著比重的增加,牛羊糞便污染問題成為擺在我們面前迫切需要解決的環境問題。同時,將牛羊糞便資源化利用,可以減少農業面源污染、節約化肥施用、增加生物質能源、提升耕地和農產品質量,從而增加農民收益、減少農戶經營成本、提高生態環境保護力度。當前,牛羊養殖是西部地區農戶提高收入的重要途徑。基于上述原因,本文以牛羊糞便資源化利用為研究對象,為全國特別是西部地區草食畜牧業健康發展提供有益的參考。
本文采取整體和局部,統計數據和調研數據相結合的方式進行多層次分析。統計數據來源于《國家統計年鑒》、《中國畜牧業統計年鑒》、《中國農業統計資料》和甘肅省臨夏縣統計年鑒,調查數據來源于甘肅省臨夏回族自治州臨夏縣三個行政村的調查問卷。臨夏縣是我國西部少數民族聚居區、國家級貧困縣,由于宗教信仰、文化傳統與生活習慣等原因,畜牧業以牛羊養殖為主。
1文獻綜述
畜禽糞便的資源化利用源于我國農業廢棄物資源化利用。孫振鈞、孫永明[1]認為,農村地區的廢棄物主要包括植物類廢棄物、動物類廢棄物、加工類廢棄物和生活垃圾等四大類。胡明秀[2]對農業廢棄物資源化利用的途徑作出歸納,分為獲取能量、制作肥料、生產飼料、生產工業及醫藥原料四類。其中,肥料制作主要包括堆肥、液體肥料、有機生物肥和有機復合肥。我國農戶對于農家肥的制作一般選用堆肥技術,甚至是直接還田,因為該方式是農戶最為便捷和易于操作的選擇。楊帆等[3]指出,我國規模化養殖場中,糞便資源主要以豬糞、牛糞、雞糞為主,其中,采用傳統堆漚方式處理糞肥的養殖場占養殖場總數的37.8%,在上述四種處理方式中,占據主要地位。
畜禽糞便易造成污染。庇古[4]以外部性理論對社會福利問題作出解讀,環境污染從本質上說,就是一種對社會福利的威脅,造成社會福利邊際效益的損失,而解決損失最為有效的手段就是通過庇古稅進行一種懲罰或者獎勵,實現私人邊際產品和社會邊際產品的均衡。因此外部性理論可以作為解決環境問題的有效理論支撐。由于農戶是理性經濟人,在進行決策時,不僅受到預期效益回報和成本付出的影響,也關心該類行為帶來的風險感知,因此對畜禽糞便的資源化利用,必須在符合農戶利益選擇的前提下進行。
目前,國內對農業廢棄物資源化利用研究主要集中在農業廢棄物的區域分布、環境對農業廢棄物的承載力、農業廢棄物資源化利用及技術效率等領域。高定等[5]運用聚類分析方法對我國各省份畜禽養殖污染風險作出評估,提倡農牧結合,種養平衡的良性生態產業鏈。羅建新等[6]對畜禽糞便資源的肥料化利用作出分析,評估了畜禽糞便作為資源使用的潛力和利用價值。韋佳培[7]以食用菌農戶為調查對象,考察了廢棄物循環利用的經濟價值。孫智君[8]基于農業廢棄物資源化利用的角度對農業循環經濟發展模式進行了探討,提出農作物秸稈資源化利用、畜禽糞便資源化利用和以沼氣為紐帶的三種循環經濟類型。
畜禽糞便作為生物質能源的發展潛力巨大,吳興利等[9]粗略估算,一個萬頭養豬場每年排放30 000 t糞尿,其中糞12 600 t,尿17 400 t,全年將向豬場周圍排放1 070 000 t氮(相當于375 t尿素)和31 t磷(相當于118 t過磷酸鈣),按最高水平施肥量來計算,也至少需要1 300-4 000公頃農田來消化。可見,畜禽糞便資源化處理具有環境和經濟雙重效益。許俊香等(2005)[10]測算,我國豬、牛、羊糞尿資源總量分別為1 292 017 000 t、1 548 537 000 t、147 135 000 t,糞尿回田比例分別為65%、30%、33%。糞尿磷資源作為有機肥還田的量為1 457 000 t,占糞尿總磷量的45.8%,進入環境的磷約為1 727 000 t,占糞尿磷資源總量的54.2%。
2牛羊糞便資源化利用的潛力分析
針對草食畜牧業比重的增加,牛羊糞便污染逐漸成為不可忽視的環境問題,本文從全國視角對牛羊糞便資源化利用作出測算與分析。牛羊糞便資源化利用的主要方式為:①肥料化利用,即以農家肥的方式部分代替化肥,減少化肥施用量;②能源化利用,即以沼氣方式加以利用,減少用電量和耗煤量等,同時也為農田提供沼肥。
2.1牛羊糞便肥料化利用分析
研究的基礎數據來源于2013年《中國畜牧業統計》和《中國農業統計資料》,據上述數據統計,2013年年末,全國牛存欄數為10 385.1萬頭,包括肉牛(6 838.6萬頭)和奶牛(1 441.0萬頭),其中甘肅省臨夏回族自治州臨夏縣年末存欄量為62 042頭。2013年年末,全國羊存欄數為29 036.3萬只,包括山羊和綿羊,其中甘肅省臨夏回族自治州臨夏縣年末存欄量為197 904只。
2.1.1牛羊糞便排泄系數
牛羊糞便的日排泄量與品種、體重、生理狀態、飼料組成和飼喂方式等相關,我國目前沒有統一的國家標準,通過查閱文獻,選用王方浩等(2006)[11]的統計和整理,確定牛羊糞便排泄系數見表1。
2.1.2牛羊糞便養分含量系數
養分系數同樣采用王方浩等人的分析,且牛羊糞便的養分含量系數以新鮮糞便為準,見表1。
農戶養殖牛一般為三類,役用牛、肉牛和奶牛,上述統計資料只給出年末共有存欄數,肉牛和奶牛的分別存欄數,對役用牛的存欄數沒有提及,因此,在后續牛類糞便資源量的測算中,將以年末共有存欄數減去肉牛和奶牛存欄數,粗略代替役用牛的年末存欄數。經估算得出2013年我國牛羊糞便產生量:牛糞便總量為1 018 781 700 t,折算含氮量3 575 900 t,含磷量為835 400 t。羊糞便量為252 615 800 t,折算含氮量為2 561 500 t,含磷量為545 600 t。根據G.X.Xing,X.Y.Yan(1999)[12]和許俊香的折算,我國牛羊糞便回田比例分別為30%和33%。推算出,2013年我國牛糞便還田量為305 634 500 t,牛糞便還田部分含氮、磷量分別為1 072 800 t和250 600 t;羊糞便還田量約為83 363 200 t,還田部分含氮、磷量分別為845 200 t和180 000 t。
確定牛羊糞便排泄物養分含量較為復雜,糞便合理利用可以緩解環境壓力,但過度施用同樣會產生污染。因此需要注意科學施用,遠距離的農家肥最好考慮加工成商品有機肥,以便長途運輸,防止不必要的污染。本文綜合彭里等(2004)[13],白明剛,馬長海(2010)[14],耿維等(2013)[15]對養分系數的梳理,并以2009年頒布的《畜禽養殖業源產排污系數手冊》(以下簡稱《手冊》)[16]為依據,再次對牛羊糞便中各主要養分總量作出測算。由于《手冊》對污染物系數的總結是針對我國六大不同片區,為避免六大片區的系數差異,本文對六大片區的養分系數進行簡單均值化處理,然后進行總量測算,見表2。
經估算,2013年年末,牛類糞便共產生氮4 915 500 t(奶牛糞便排氮量1 315 100 t,肉牛2 709 000 t),磷含量684 900 t(奶牛219 300 t,肉牛339 000 t),COD排量118 183 200 t(奶牛30 310 700 t,肉牛65 912 000 t)。羊糞便產生氮227 900 t,磷48 800 t,COD48 800 t。以《手冊》系數為依據的氮磷總量測算結果,與借用王方浩等人測算系數的測算結果存在較大差異,尤其以羊糞便氮磷含量差異最為明顯。可能原因在于,《手冊》中的系數是針對牛羊每日排放養分含量的測算,而參照王方浩等估算系數是以牛羊糞便年排放量和氮磷含量占比作為測算依據。本文認為以每日排放量為測算依據的估計系數能更加精確地測算養分含量,因此,本文將表2作為2013年全國牛羊糞便資源化利用的折算依據。
畜禽糞便中養分氮和磷是農用化肥的重要構成部分,如果將牛羊糞便制成有機肥可以減少化肥的使用,不僅為農戶節約成本,同時控制了化肥給土地帶來的污染。結合表2,2013年牛羊糞便可產生氮5 143 400 t,折合尿素11 181 300 t;產生磷733 600 t,折合過磷酸鈣12 018 300 t。
雖然牛羊糞便還田優勢良多,但耕地對畜禽糞便有一定的負荷極限,單位耕地面積上畜禽糞便氮、磷營養元素的負荷反應了畜禽糞便對耕地土壤的污染風險。朱兆良[17]研究表明,大面積化肥施氮量應該控制在150-180 kg/hm2,超過這一水平就會引起環境污染,2003年,我國單位面積耕地負荷的畜禽糞便純氮養分平均值是107 kg/hm2(歐盟限量標準為170 kg/hm2)[18],以歐盟標準衡量,我國畜禽糞便利用對耕地尚未造成沉重負荷與負面影響。同時,過量的磷通過土壤淋洗而進入地表徑流造成水體的富營養化[19]。土壤的糞便年施磷(P2O5)量不能超過80 kg/hm2。
2.2牛羊糞便沼氣化利用分析
COD是畜禽糞便產生沼氣的主要來源。根據表2中COD養分含量的排放系數,結合2013年統計數據,得知牛類糞便COD排量為118 183 200 t(奶牛30 310 700 t,肉牛65 912 000 t)。羊糞便COD排放量為48 800 t。計算公式如下:
E=Q·W·G(3)
式中:E為畜禽糞便沼氣產生能力, m3;Q為COD產生量,t;W為COD去除率,W=80%;G為產沼氣系數,0.538 m3/kg。2013年牛羊糞便共可產生沼氣資源為53 713 900 m3,約38 351 700 kg標準煤。牛羊糞便通過沼氣進行能源化利用,沼渣沼液還是高效有機肥,也就是說,沼氣項目不僅不會影響牛羊糞便中的養分,還可以提高牛羊糞便肥料化利用效率。
通過上述測算得知,牛羊糞便資源化利用在全國范圍內具有十分明顯的潛力和資源價值。
3實證:臨夏縣牛羊糞便資源化利用效益
3.1調研地點
臨夏縣位于甘肅省臨夏回族自治州西南部,黃河南岸,縣境東西寬53.1公里,南北長59.85 km,總面積1 212.4 km2,海拔1 735 m-4 636 m之間,地處溫帶半濕潤區和高寒濕潤區的過渡帶,屬于溫帶半濕潤氣候,氣候因素隨海拔高度變化十分明顯。年均日照時數為2 030.5 h,日照率為52%。此次調研的馬角嶺村、沙塄溝村和新農村都位于山陰地區,光照時數不強,氣溫較低。選取該地作為分析對象,原因在于,首先該地為少數民族聚居區,由于宗教信仰原因,養殖牲畜結構較為簡單,以牛、羊為主。其次,當地人均耕地較少,農戶多喜外出務工經商等,偏好使用化肥,有機肥的推廣使用對該地生態環境保護具有重要意義。再次,當地林木資源、水資源豐富,為避免畜禽糞便的不當處理,對農業環境造成大范圍的面源污染。
據臨夏縣國民經濟統計資料,截至2013年年末,臨夏縣下轄19個鄉(包括移民區)共施用化肥15 150.29 t,未列出化肥折純量和具體使用肥料的種類。臨夏縣2013年人均純收入為3 637元,共施化肥量為151 502 900 t,牛年末存欄數為62 042頭,羊年末存欄數為197 904只。此次調研的三個行政村共140戶,基本調研信息見表3,其中,調研村落人均化肥支出是481.38元,主要使用氮磷鉀三種肥料。
3.2臨夏縣牛羊糞便可利用潛力估算
新農村,馬角嶺村和沙塄溝村農戶養殖牛的數量較少,每戶養殖均數分別為1.6頭、2.6頭、1.1頭。羊的養殖量明顯多于養牛量,三個村落的養殖均值(以每戶計數)分別為3.3、6.5、6.8只,根據上述數據可以測算三個村落每戶農戶可以還田的有機肥均值,進而與當前化肥使用相比較,為農戶生產成本的節約作出測算。
估算方法與全國范圍內的測算方法基本一致,但因為調研區屬于我國西北地區,折算系數將采用我國09年頒布的《手冊》作為重要依據。《手冊》中所公布的排污系數將我國細分為六大片區,可以大大提高測算西北地區的糞便資源量及排污量的精準度。西北地區牛羊糞便排污系數詳見表4[23]。調研區沒有農戶飼養奶牛,因此,對牛糞便資源量、各種排污量的估算將以役用牛和肉牛的平均值作為估算基礎。
對2013年臨夏縣全縣和所屬三個調研地點的牛羊糞便資源作出估算(見表5)。
統計數據表明,2013年年末,全縣戶均可使用牛類糞便資源為6.00 t,羊類糞便資源為0.89 t,均低于調研數據,且存在較大差距。原因在于,首先,統計數據的農業戶數是根據從事農業人口數百分比進行的估算,與實際有一定的差距,是造成誤差的一個重要原因。其次,調研地點的選取主要是以少數民族聚居的村落,而整個臨夏縣屬于漢族和少數民族混居情況,少數民族聚居區由于飲食習慣、宗教信仰等原因,存在比漢族養殖更多牛羊的可能,這也是造成誤差的原因之一。為了對整個西部地區使用牛羊畜禽糞便資源作出更好的建議和預測,本文將調研數據和統計數據相結合,以期給出更合理的測算與推斷。
3.3牛羊糞便資源化利用的環境及經濟效應分析
截至2013年,臨夏縣農戶共使用化肥15 150.29 t,戶均使用化肥215 kg。調研數據顯示,三個村落農戶戶均化肥花費為448.6元,農戶使用化肥情況調查顯示,一個擁有4-5畝播種面積的農戶約使用100 kg尿素,50 kg二銨,50 kg磷肥,共計化肥400元。該統計數據所得與調研數據誤差較小,可以用于農戶的成本測算。
臨夏地區農戶人均耕地較少,調研結果顯示(見表5),當地有機肥使用比例只占到全部肥料使用量的28%-30%,即(以每戶每年使用215 kg化肥為計數基礎)每戶每年約使用92 kg農家肥。調研地戶均可用牛羊糞便資源分別為11.6 t和1.75 t,即使以30%的還田率計算,也應該遠超過目前農戶所使用的農家肥量。可見,如果將當地牛羊糞便充分合理利用不僅可以減少化肥的使用,確保當地生態環境的安全良好,同時帶動當地農戶利用科技減少生產成本。
3.3.1臨夏縣牛羊糞氮磷環境負荷與污染評估
畜禽糞便利用在我國農村主要以還田方式進行,少數農戶會選擇參與沼氣工程,將畜禽糞便沼氣化處理利用。農地是畜禽糞便較好的負載場所,但農田對畜禽糞便的消化能力也有一定的限度。單位面積耕地土壤能夠吸收的氮磷負荷反應了畜禽糞便對于土壤的污染風險程度。畜禽糞便含氮、磷的環境負荷為
畜禽糞便氮磷含量/耕地面積之比。
衡量標準采用歐盟標準平行風險評估,TN(氮)的最大施用量為170 kg/hm2,P最大施用量采用Oenema等(2004)[20]推薦的35 kg/hm2。研究表明,含氮量當超過170這個極限值時會帶來硝酸鹽的淋洗。
截至2013年末,臨夏縣共有耕地面積372 753.5畝,折合24 850.2 hm2,牛羊糞便合計含氮量2 557 182 kg,合計含磷量為256 397.8 kg。畜禽糞便含氮(磷)的環境負荷分別為102.9 kg/hm2和10.31 kg/hm2,兩者均在標準之內,因此,臨夏縣的牛羊糞便可以以還田的方式充分利用。
3.3.2臨夏縣牛羊糞便資源化利用的經濟效益
2013年臨夏縣牛羊糞便COD產生量合計約48 145 269.74 kg,根據沼氣密度(1.22 kg/m3),沼氣的折標煤系數(0.714 kgcoale/m3)[21],折算出沼氣的標煤當量為28 176 821.8 kg(28 176.82 t)。調研三個村的農戶在燃煤方面的花銷分別為新農村戶均1 828元,馬角嶺村1 776元,沙塄溝村1 646元,臨夏縣農村用煤均價為1 000元/t,每戶約用煤1.75 t,如果將牛羊糞便沼氣能源加以利用,全縣70 507戶農戶每戶將節省22%的燃煤費用約220元。
據上述估算得出臨夏縣全縣牛羊糞便可估算含氮養分為2 557.18 t,含磷量為256.40 t,由于畜禽糞便含氮磷的環境負荷都處在安全可控風險之內,因而,該地區適合大力推廣農家肥,如果將現有的氮磷養分折算成化肥計,相當于5 559.09 t尿素和4 200.48 t過磷酸鈣(國標算法:含氮量/0.46;含磷量/(0.14·0.436));或者1 050.12 t磷酸二銨(國標算法:含磷量/(0.56·0.436)和5.19 t尿素 (含氮量—磷酸二銨折算量·0.16)/0.46)。調研得知,當地農戶對尿素需求量較大,尿素、磷酸二銨、磷肥的比例約為2∶1∶1,但磷酸二銨的價格遠高于磷肥和尿素。假若采用第一種折算方法,與當年全縣使用的15 150.29 t化肥相比,糞便資源化利用后可得到有效利用的尿素約占全縣化肥施用量的1/3,完全可以承擔得起全縣尿素的使用量。如果采用第二種折算方法,可以獲得較少量的尿素和磷酸二銨,但是因為磷酸二銨價位較高,同樣為農戶節省了化肥成本。
以一個擁有4-5畝農田的農戶使用化肥為基準,在目前農家肥使用比例為30%的前提下,化肥年花費約400元,尿素市場價為180元/100 kg,磷肥價格約為180元/50 kg,磷酸二銨價約為40元/50 kg。使用化肥比例為尿素:磷酸二銨:磷肥=2∶1∶1,如果將農戶的有機肥使用比例提高到50%-60%,根據上述估算結果,該農戶每年可節約花費成本為115-172元。
4結論與建議
據上述全國范圍內牛羊糞便資源化利用潛力分析, 2013年牛羊糞便共可產生沼氣資源為53 713 900 m3,約為38 351 700 kg標準煤;可產生氮5 143 400 t,折合尿素11 181 300 t;產生磷733 600 t,折合過磷酸鈣12 018 300 t。牛羊糞便的合理利用可為國家能源節約和化肥節約帶來長遠效應,是一項節本增效和低碳環保工程。因此,國家應加大對牛羊糞便資源化利用的重視程度,促進牛羊糞便能源化和肥料化合理開發與利用,特別是在草食畜牧業比重較大的西部貧困地區,牛羊糞便資源化利用可以有效增加當地農牧民的收入。
通過測算得知,臨夏地區的牛羊糞便可以充分利用,如果均衡施用,不但不會給當地農田增加環境負荷與不良影響,同時可以減少農戶農業經營成本(如沼氣代替柴薪,農家肥代替部分化肥)。盡管西部貧困地區目前牛羊糞便污染問題還不突出,但如果長期處理不當,仍會給當地帶來環境風險,造成面源污染加劇等問題。解決此類問題的辦法就是將畜禽糞便肥料化合理利用。同時,推動農村地區的沼氣工程建設,可以緩解目前柴薪使用頻繁與燃煤消耗大的問題,減少農戶能源支出負擔。據地方政府統計,2012年臨夏縣規模養殖戶牛羊糞便的利用率僅在60%左右,散戶養殖農戶還遠遠不及這個利用率,兩者可利用空間增幅較大。未來西部地區應加快通過有機肥和沼氣工程對牛羊糞便的資源化利用步伐。
在牛羊糞便肥料化和能源化利用方面,政府要加大技術指導和財政扶持力度,尤其在貧困地區,要以畜禽糞便資源化利用推動當地脫貧進程,同時提升土壤質量,提高農產品產地安全保障。考慮到散戶比例較大,尤其在西部地區,建議盡快建立政府引導、合作社帶動的牛羊糞便收集機制。
(編輯:尹建中)
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AbstractPlanteating animal husbandry is the key field at present and in the future in our country,for the develspment of breeding,livestock and poultry excrement pollution was followed, To avoid unnecessary nonpoint pollution maintaining a good agricultural enuronment and enhance the utilization of biogas energy of china,this paper tries to find the clues from this perspective.In this paper,the courntryaide and Linxia county which located in the Linxia hui autonomous prefecture in Gansu province were selected as the study cases. Through the analysis of manwre utilization, farm manure (fertilizer utilization) and potential utilization of brogas energy were calculated respectively.To reasonably assess the potential utilization of cattle and sheep manure, this study adapted the essence of previous articles, basing on the nutrient content coefficient and research outcomes officially released by Agriculture Ministry of China in 2009, measured and calculated the potentialities of manure around China in 2013. Besides, converted standard coal, fertilizer (such as urea superphosphate, diammonium phosphate )were also calculated by the capacity of COD, TN(nitrogen),TP (P) rooted in the manure. Meanwhile, Linxia region was proved as the case study, which stands for the typical poverty county in the northwest of China. In Linxia region, the total amount of COD capacity from cattle and sheep manure was 48 145 269.74 kg, which can converted into biogas coal equivalent 28 176.82 t. The total amount of TN and TP was 2 557.18 t and 256.40 t respectively, which can be converted into equivalent fertilizer of urea(about 5 559.09 t )and superphosphate( about 4 200.48 t), or equivalent diammonium phosphate and urea of 1 050.12 t and 5.19 t respectively. Study results show that, reasonable manure utilization will bring about fmitful effects wich cost saving,benetificial availability and friendly environment. the govemment should exert its strength on technological guidance and fmancial supports,especially in the poverty areas.Poverty alleviation should also be propelled by the use of potential manure utilization, which not just improve the soil quality but also enhance the security of agricultural producing areas. Considering the facts of local counties with high proportion of retailing farmers, that is more serious in west China,the cattle and sheep excrement collection mechanism driving by government guidance and cooperatives should be established.
Key wordsutilization of manure; potential capacity; diffused pollution; nutrient coefficient of TN and TP; COD