國內面源污染末端控制技術研究進展

(青島理工大學環境與市政工程學院 山東 青島 266033)

國內面源污染末端控制技術研究進展

孟凡靜湯金龍畢學軍張大磊

(青島理工大學環境與市政工程學院山東青島266033)

面源污染已成為水體污染的主要途徑，是引起地表水氮、磷營養化的主要因素。本文介紹了我國面源污染主要末端控制技術(人工濕地，透水壩、前置庫、緩沖帶、生物溝)的研究進展。

面源污染；末端控制技術

前言

面源污染是相對于點源污染而言的。點源污染主要指工業生產過程中與部分城市生活中產生的污染物，這種污染形式具有排污點位集中、污染范圍呈局部性等特征。面源污染一般理解為分散的污染源造成的污染，農業面污染源的污染物主要是土壤中的農業投入品(化肥、農藥等)，在降雨或灌溉過程中，經地表徑流、農田排水、地下滲漏等途徑進入水體，造成水體污染。目前，面源污染這一環境污染問題我國已經十分突出，迫切地需要有效減少及控制面源污染的手段[1-3]。而末端控制技術是在污染物的遷移轉化過程中對污染源進行控制的一種有效手段。目前，國內對面源污染的末端控制技術主要包括以下方式。

一、人工濕地

人工濕地是人建造和管理控制、工程化的濕地，是20世紀70年代發展起來的一種污水處理技術。與傳統的二級生化處理相比，人工濕地具有氮、磷去除能力強；處理效果好；操作簡單；維護和運行費用低等優點。人工濕地分為平面流濕地、水平潛流濕地和垂直流濕地三種方式。

平面流人工濕地是污水在濕地基質表面漫流，水面暴露于空氣中，氧通過水面擴散補給。這種人工濕地通常由一個或者幾個池體或渠道組成，池體或渠道間設隔墻分隔，有時底部亦鋪設防水材料(如HDPE膜等)以防止污水下滲以保護地下水。池中一般填有土壤、沙、煤渣或者其它基質材料，供水生植物固定根系。表面流水位較淺、水流緩慢，通常以水平流的流態流經各個處理單元[4]。水平潛流人工濕地是污水在填料層表面下，從一端水平流過填料層，充分利用了填料表面生長的生物膜和豐富的植物根系，處理效果受氣候影響小，保濕性好。垂直流濕地是污水從濕地表面縱向流向填料床的底部，床體處于不飽和狀態，氧料可通過大氣擴散和植物傳輸進入人工濕地系統。在控制面源污染過程中，在一些水體污染治理中往往是兩種或者是三種人工濕地聯合使用。范志鋒等利用復合型人工濕地系統凈化處理農業面源污染,研究了濕地系統對營養物質、重金屬的去除效果。結果表明,在低污染負荷的運 行情況下,濕地系統對總氮、氨氮、硝態氮、亞硝態氮的去除率分別為44.11 % 、18.90 %、52.86 % 和 73.32 % ; 對總磷、高錳酸鹽指數和葉綠素a的去除率為49.46 %、16.77 %和75.82%。經濕地系統處理后,出水水質完全達到溫室蔬菜灌溉水環境質量標準的要求[5]。人工濕地在設計運行時占地比較大，易受惡劣天氣影響，處理效率受生長作物生長狀況影響大。但其應用近年來還是很廣泛的，在太湖，滇池，巢湖的治理中都有應用。李躍勛等在滇池濱湖區建立了表面流人工濕地系統，對該區域內的面源污水處理進行了研究。研究表明：該系統年削減入湖污染物COD、TN、TP負荷達7860、650和20kg，對污水中COD、NH4+-N、TN、TP的去除率分別為15.57%、56.76%、40.37%和35.64%[6]。

二、透水壩

透水壩是基于人工濕地原理和快速滲濾機理而開發的非點源控制新技術[7]，它針對平原河網地區河網密集、 水力坡降小的地形特點以及農業非點源污染的時空不均勻性，用礫石或碎石在河道中的適當位置人工壘筑壩體，利用壩前河道的容積貯存一次或多次降雨的徑流，通過壩體的可控滲流來調節壩體的過流量。同時抬高上游水位為下游的處理單元提供“水頭”。由于徑流在壩體內具有一定的停留時間，所以通過壩體表面種植的植物及“根區”(植物根系及根系附近的微生物形成的微環境)的共同作用，能夠降解徑流中的氮、磷等營養物質[8]。透水壩與人工濕地是基于相同凈化原理的不同技術，具有其自身的特點:①攔蓄徑流、節省提升能耗、適宜于平原河網地區的無動力生態修復; ②構筑壩體材料的粒徑較大、水力特性較好、降低了堵塞的風險和管理的難度。田猛等為了控制太湖流域農村面源污染，結合人工濕地原理和快速滲濾機理，開發了透水壩技術并進行了運行試驗，試驗研究表明：透水壩的TN、TP去除率分別為 15.59 % 和 23.44 %，且出水水質達到可以達到要求[9]。

三、前置庫

前置庫是一種相對較小的，水滯留時間為幾天的小水庫。它們通常緊靠大的水質需要改善的主體水庫。這種本質的改善是在前置庫中一系列物理化學和生物化學過程的結果。在前庫中軋移營養物質的第一步是從溶解的到顆粒狀的生物化學轉變(主要是通過浮游植物)。第二步是浮游植物和其它顆粒物質在主 要水庫入口的淺水部分或前置庫中沉降。沉降過程為自然沉淀或為絮凝所加強。在入流水體中大多發生正磷酸鹽的化學凝聚和吸附，但在前置庫中，特別在p H值為6.0-8.0范圍內，藻類對正磷酸鹽的提取比化學或物理化學過程耍且要得多。目前，前置庫在我國控制面源污染中有不少應用實例，江蘇省溧陽市塘馬水庫水源地水質安全保障工程中前置庫技術得到應用。太湖流域面源污染控制中前置庫技術也得到應用這種因地制宜的水污染治理措施。前置庫對于控制面源污染，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N和P，具有廣泛的應用前景。

四、緩沖帶

緩沖帶是指利用永久性植被攔截污染物或有害物質的條帶狀、受保護的土地，在流域內建立緩沖濕地、緩沖草地和緩沖林地有機結合的綜合系統。它能有效的截流各種鹽分如氮、磷等，可明顯改善流域水質。黃沈發等在上海東風港進行實驗研究，研究表明，結果表明,濱岸緩沖帶能有效截留徑流水中的懸浮物質和降解滲流水中的氮、磷營養物質[10]。陳金林等通過林帶對太湖地區農業非點源污染控制效應的研究,認為農田與溝渠間的緩沖林帶有利于截留和凈化土壤徑流中的 N、P等物質[11]。緩沖帶的凈化效果受植被和坡度的影響顯著。吉國強等對高羊茅、紫穗槐、檉柳3種植被不同配置方式緩沖帶對徑流水中固體顆粒懸浮物的凈化效果進行了研究。結果表明：草本緩沖帶對懸浮物的凈化效果明顯，可凈化83%的懸浮物[12]。

五、自然溝塘系統與生態溝

自然溝塘系統是利用自然溝塘的凈化能力來控制面源污染，通過其中的土壤吸附、植物吸收、生物降解等一系列自然凈化機制，可降低進入河流等地表水中的氮、磷污染物的含量。與人工濕地的其他控制技術相比具有很大的優勢。在田間，溝塘往往是農地排水匯入河、湖地表水體的通道，能夠有效截留降雨徑流，并且作為天然濕地系統而具有良好的水質凈化能力。夏霆等做了相關的試驗研究，研究結果表明：自然溝塘能有效實現對有機農業非點源污染的削減，溝塘水體中TN、TP降解變化符合指數消減規律；與TP相比，溝塘對水體對TN 的削減效果更為明顯，TN 的削減率可達到64.61%遠高于TP的33.66%的消減率，同時，溝塘能有效截留有機農業非點源污染中的降雨沖刷物[13]。

生態溝是由開挖溝渠回填介質和植物組成的暴雨徑流處理系統，可以是細長的溝渠，也可以做成滯留池塘，一般有水平流向和垂直流向2種形式水平流向的生物溝主要通過物理化學或者生物作用去除污染物;垂直流向的生物溝一般包括植被過濾介質以及底部的穿孔管，處理后的徑流由穿孔管收集并排放[14]。生物溝技術對懸浮物及重金屬具有較高的去除效率[15]。生物溝技術簡單高效、成本低廉，具有很大的應用前景。生物溝對氮的去除波動性較大，這表明系統具有較好的硝化效果，但僅靠植物吸收去除氮還難滿足要求，如何提高生物溝對溶解性污染物的去除率有必要關注[16]。

六、結論

面源污染不同于點源污染，面源污染因為其獨有的特性治理起來比較復雜，面源污染末端治理技術在我國仍在應用研究階段。面源污染形勢還是很嚴峻，太湖、巢湖、滇池等一系列水體然在被污染，末端控制技術有所成效但是在控制效果上仍有所欠缺，一些水體水質還在進一步惡化，例如人工濕地技術在處理生活污水是效果很是明顯，可以媲美二級生物處理效果，但是在控制面源污染的過程中處理效果沒有達到期望值，這和面源污染的特點有直接關系，如污水流量的不確定性及時間的隨機性，如何提高面源污染末端控制技術的效率是目前重要的任務。

[1]楊林章,馮彥房,施衛明,等.我國農業面源污染治理技術研究進展[J].中國生態農業學報，2013，2(1)：96-101

[2]吳永紅,胡正義,楊林章.農業面源污染控制工程的“減源-攔截-修復”(3R)理論與實踐[J].農業工程學報，2011，27(5)：1-6

[3]BU Hongmei,MENG Wei,ZHANG Yuan.Nitrogen pollution and source identification in the Haicheng River basin in Northeast China[J].Sci Total Environ,2011,409:3394-3402

[4]徐光來,徐曉華.人工濕地污水處理技術的應用初探[J].云南地理環境研究，2006，1 8(3):44 - 48.

[5]范志峰,李平.復合型人工濕地系統在農業面源污染水處理上的應用[J].上海海洋大學學報，2010,19(2)：259-264

[6]李躍勛,徐曉,洪昌海,等.表面流人工濕地在滇池湖濱區面源污染[J].農業環境科學學報,2009，28(10)：2155-2160

[7]崔理華,朱文珍,湯連茂,等.城市污水人工土快濾床水生植物復合處理系統[J].中國環境科學，2000，20(5)：432- 435

[8]李貴寶,周懷東,尹澄清.濕地植物及其根孔在非點源污染治理中的展望[J].中國水利，2003，4(5)：5 1- 52

[9]田猛,張永春.用于控制太湖流域農村面源污染的透水壩技術試驗研究[J].環境科學學報，2006，26(10)：1665- 1670

[10]黃沈發,吳建強,唐浩,等.濱岸緩沖帶對面源污染物的凈化效果研究[J].水科學進展，2008，5(1)：722-727

[11]陳金林,潘根興,張愛國,等.林帶對太湖地區農業非點源污染的控制[J].山西農業科學，2002，2(12)：10-13

孟凡靜(1991.10-)，女，漢族，山東臨沂人，大學本科，單位青島理工大學，研究方向污水處理理論與技術；湯金龍(1991.10-)，男，漢族，湖北京山人，大學本科，青島理工大學，研究方向固體廢物處理；畢學軍(1969.03-)，男，漢族，遼寧，教授，博士研究生，青島理工大學，研究方向廢水處理理論與技術；張大磊，男，漢族，山東煙臺人，副教授，博士，青島理工大學，研究方向固體廢物處理與處置。

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