以新型功能材料為基礎的農業面源污染治理研究

周婷　何凡　賈洪柏　陳升　林宇迪

摘要 為了開發農業面源污染水質提升新技術，本研究以生態多孔介質、生態飄帶等新功能材料為基礎，結合試驗地的實際情況，設計了生態植草溝、氮磷攔截溝渠、雨水花園等技術，并進行了應用。結果表明，COD的消減率達47%～56%，氨氮消減率達58%～72%，TP消減率達51%～75%，TN消減率達45%～51%，水質提升效果明顯。本研究成果可以為農業面源污染治理提供新的解決方案。

關鍵詞 農業面源污染；功能材料；生態植草溝；氮磷攔截溝；雨水花園

中圖分類號 X522? ?文獻標識碼 A

文章編號 1007-7731（2023）07-0153-04

隨著我國經濟社會的快速發展，人們的生活水平不斷提高，城鄉差距越來越小，城鄉融合和城鎮化進程越來越明顯[1]，鄉村主體經濟發展轉型及環境建設是當前和今后很長一段時間內國家和地方政府關注的重點問題[2]。農業產業與生態環境的協調發展以及創造宜居的環境是衡量鄉村可持續發展的重要依據之一。過去一段時間在發展城市經濟的同時，“重城輕鄉”的環境污染治理造成我國農村地區污染加劇、類型復雜，使養殖污染、生活污染與農業生產等面源污染共存，同時由于管理不到位，一些外源性污染持續向農村轉移[3-4]。面源污染是相對于排污點集中、排污途徑明確的點源污染而言的，其具有面積大、污染物濃度低等特點，農村區域主要以農業面源污染為主。

1 農業面源污染概況

不合理的耕作方式和過量施肥是造成營養成分損失和農業面源污染的主要原因之一[5]。過量的氮磷營養成分、農藥等污染物進入受納水體引起水體污染，其次還包括少量無組織排放的農村生活污水、養殖廢水等以及農業廢棄物、畜禽糞便污染物，它們隨雨水地表徑流產生的污染最終匯入主要河流或水庫。全國污染源普查結果顯示，種植業、畜禽和水產養殖業是總氮、總磷和COD的主要來源，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]。當前，農業面源污染對各大流域所造成的水環境問題日益突顯[8]。中國三大淡水湖（巢湖、滇池和太湖）中，來自農村面源的總氮（TN）、總磷（TP）和COD分別達到了60%～70%、50%～60%和30%～40%[9]。從總量來看，根據《第二次全國污染普查公報》，2017年全國農業源水污染物TN、TP、COD排放量分別達到141.49×10⁴、21.20×10⁴和1 067.13×10⁴t，占全國水污染物排放總量的46.52%、67.21%和49.8%[10]，與第一次調查相比污染物有所增加。

目前，農業面源污染的治理普遍采用的方法是圍繞個別“點”開展防治，雖然可以在一定程度上降低農業面源污染總量，但治理方案缺乏整體性、系統性等[11]。農業面源污染治理任務緊迫并存在較大困難，需要強化資金投入，加強政府各部門合作，并利用先進的科學技術進行綜合治理。農業面源污染治理需要政府、農業社會化服務機構和農戶共同合作，從多方面建立全面的、系統性的農業面源污染治理體系[12]。

2 試驗地概況

本研究實施地點位于浙江省安吉縣靈峰國家旅游度假區，直接涉及的農田面積約53.4 hm²，以種植糧油作物，如油菜、水稻為主，部分為藍莓嫩株大棚及少量菜地。排水主溝渠為鋼砼質厚板溝渠，也是排澇溝渠，日常水流量約1 000 m3/d，暴雨時會出現滿渠淹沒道路情況；次溝渠為砼質薄板溝渠；另在農戶房屋與農田之間有一條自然溝渠，水流量約為2 000 m3/d。經水質檢測發現：主溝渠氨氮和總氮為地表Ⅴ類水標準，其他指標為Ⅲ～Ⅳ類水標準；次溝渠內現有水質為地表劣Ⅴ類水標準；自然溝渠水質呈劣Ⅴ類水標準，其主要由部分農村生活污水和養殖廢水排入所致。污染源入水口氨氮最高達到6.65 mg/L，為項目驗收（地表IV類水）標準的4.43倍；總磷為1.63 mg/L，為項目驗收標準的5.43倍。

根據實地檢測、勘驗，試驗的技術難點包括：①主溝渠兩側，一側為道路，一側為耕地紅線，用地面積極少；②水量水質變化大，對系統的沖擊大，一旦有暴雨，會對系統有一定的破壞性；③處理面域廣，對處理設施的保養管護要求高，適應性、耐用性必須符合要求。

3 方案設計及核心材料

考慮到本項目位于國家旅游度假區，本項目將從農田氮磷攔截、洪峰延遲及減少地表徑流、上游污水處理、農村污水處理及景觀設計5個方面綜合考慮，技術路線如圖1所示。

3.1 主要的技術設計

生態植草溝主要設置在農田邊緣，內部填充卵石、生態陶粒、生態多孔介質等功能性填料，上部浮種植土，表面種植功能性植物。通過集水井將農田初雨地表徑流沉淀后收集至生態植草溝，經功能性填料吸附及其表面的功能性微生物進行消減，實現水質提升。

氮磷攔截溝渠：主要是對主溝渠（排澇溝渠）進行改造，全長1 100 m，在原有的基礎上進行加寬加深擴充，解決排澇問題；底部添加有功能性填料和生態多孔介質，表面鋪設卵石。中間設置氮磷攔截箱，內部填充掛膜硝化細菌的功能性載體。溝渠最底部容氧低，形成缺氧區域，上層多孔介質內水流較快，形成好氧區；功能性填料則是溝渠中的“微生物發生器”。溝渠2次鋪設植草磚，實現固土和景觀提升作用。

雨水花園設計：在自然溝渠內設置100 m的雨水花園，內部布置有人工生態飄帶和生態多孔介質以及挺水植物、松木樁護岸等。結合微孔曝氣系統，達到對匯入的農村生活污水和養殖廢水的處理。

3.2 核心材料

3.2.1 生態多孔介質。由安吉國千環境研科技有限公司研發的生態多孔介質以天然成分為主要原料，同時添加有促進微生物生長及代謝的營養元素，含有植物需要的微量元素，通過特殊工藝制作而成。其優點如下：①優異的吸氮聚磷功能；②促進微生物生長和代謝的功能，提高對污染物分解能力；③不間斷滲出植物生長必須的微量元素，促進植物生長；④產品空隙度高達30%以上，便于微生物和微型動物吸附；中空式結構為河道微型動物和高等動物提供棲息地，也為魚類提供產卵魚巢，提高水體的生物多樣性。

3.2.2 MBBR功能性載體。由安吉國千環境研科技有限公司研發的MBBR功能性載體以聚氨酯為主體架構，負載特殊的功能性粉末材料，通過改性處理，可大大提高其機械抗磨損性能和耐紫外性能，能夠對特定的污染物成分進行吸附，形成利于功能性微生物生化作用的高濃度污染物富集區，提高生化效率。

3.2.3 生物飄帶。由安吉國千環境研科技有限公司研發的生物飄帶采用超級編織技術—兩面、兩段型結構設計，添加功能性無機粉末，同時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 實施效果

本項目建設完成后，通過對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進行連續監測（2021年11月至2022年4月），結果表明：主溝渠和雨水花園的進水水質為地表Ⅴ類甚至劣Ⅴ類水，總出水口平均水質除了總氮外達到了地表Ⅲ類水標準；其中，COD的消減率達47%～56%，氨氮消減率達58%～72%，TP消減率達51%～75%，TN消減率達45%～51%，水質提升效果明顯（見表1）。

通過本項工程改造，原來荒草叢生、水質惡臭的溝渠變成了水質清澈、排洪能力增強，兼具景觀的功能性溝渠。項目運行6個月后調查發現，河道內魚類增多，氮磷攔截溝渠內發現小型河蝦，說明通過此項目的實施提高了河道內的生物多樣性，可進一步加快河道污染物通過生物鏈的轉移，使水質得到提升。

5 討論與結論

農業面源污染是一個復雜的系統性過程，要實現面源污染的治理就必須建立完善的治理體系，查找農業面源污染的防治要點和關鍵源識別。要達到農業面源污染治理的最佳效果，就要從氮、磷元素在水環境中的生物化學循環過程、減排管理措施、政策宣傳和末端治理修復技術等方面著手[13]。農業面源污染防控技術的配置集成，是構建農業面源污染的最佳治理措施。從目前實際實施過程來看，全國各地方以控制氮磷輸入水體的措施為主，主要是科學施肥，減少化肥和農藥使用量，從源頭較少氮磷的輸入[14-17]；對農作物秸稈、農業廢棄物等進行有效處理[18-19]，提高農民的環保意識等，少數進行農村生活污水和養殖廢水的處理后排放，對于農業面源污染的末端治理還沒有成熟的技術。為了全面系統地治理農業面源污染，末端農業面源污染的水體治理也十分重要，從而實現從源頭解決水流域的污染匯入問題。

以本研究的技術和產品為基礎，利用綜合處理措施，能夠有效地實現農業面源污染的水質提升，使源頭水由地表Ⅴ類甚至劣Ⅴ類水，最終在出水口穩定達到地表Ⅳ類水標準。本研究成果可以為農業面源污染治理提供新的解決方案，也為其他地區的農業面源污染治理提供借鑒。

6 參考文獻

[1] 張英男，龍花樓，馬歷，等.城鄉關系研究進展及其對鄉村振興的啟示[J].地理研究，2019，38（3）：578-594.

[2] 龍花樓，鄒健.我國快速城鎮化進程中的鄉村轉型發展[J].蘇州大學學報（哲學社會科學版），2011，32（4）：97-100.

[3] 王曉君，吳敬學，蔣和平.中國農村生態環境質量動態評價及未來發展趨勢預測[J].自然資源學報，2017，32（5）：864-876.

[4] 張英男，龍花樓.農業生產轉型及其環境效應的研究進展與展望[J].自然資源學報，2022，37（7）：1691-1706.

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

[6] 武淑霞，劉宏斌，劉申，等.農業面源污染現狀及防控技術[J].中國工程科學，2018，20（5）：23-30.

[7] 楊林章，吳永紅.農業面源污染防控與水環境保護[J].中國科學院院刊，2018，33（2）：168-176.

[8] 朱奎峰.巢湖流域農業面源污染綜合治理模式的探索與實踐[J].安徽農學通報，2019，25（18）：134-135.

[9] 蔣鴻昆，高海鷹，張奇.農業面源污染最佳管理措施（BMPs）在我國的應用[J].農業環境與發展，2006，23（4）：64-67.

[10] 生態環境部，國家統計局農業部.第二次全國污染源普查公報[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.農業面源污染現狀及防治對策[J].貴州農業科學，2011，39（6）：211-215.

[12] 姜譯涵，馬千蕙，孫兆明.我國農業面源污染總體態勢及治理建議[J].合作經濟與科技，2022（18）：25-27.

[13] 吳昊平，秦紅杰，賀斌，等.基于碳中和的農業面源污染治理模式發展態勢芻議[J]. 生態環境學報，2022，31（9）：1919-1926.

（上接155頁）

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

[15] 陶小龍，徐磊，夏磊，等.農業面源污染中農田氮污染對水體的危害及防治措施[J].農業災害研究，2022，12（6）：161-163.

[16] 馮琳，張婉婷，張鈞珂，等.三峽庫區面源污染的時空特征及EKC分析[J].中國環境科學，2022，42（7）：3325-3333.

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

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

[19] 翟艷瓊.加強農業面源污染綜合治理的有益嘗試[J].云南農業，2019（3）：47-48.

（責編：張宏民）