農(nóng)業(yè)面源污染的現(xiàn)狀及處理方法

1、農(nóng)業(yè)面源污染的現(xiàn)狀及處理方法1農(nóng)田尾水1.1農(nóng)田退水的現(xiàn)狀世界人口的快速增長，導(dǎo)致人們對糧食的剛性需求與日俱增。通過多施化肥來提高產(chǎn)量和收益已成為絕大多數(shù)農(nóng)民的定式思維和習(xí)慣。為了提高糧食單產(chǎn)，化肥、農(nóng)藥施用量逐年增加，但利用率卻較低，未被利用的化肥和農(nóng)藥隨地表徑流、農(nóng)田排水等流入地表水環(huán)境引起面源污染問題。較之工業(yè)源污染實施清潔生產(chǎn)得到有效治理，過量施肥導(dǎo)致的農(nóng)田面源污染已成為水體污染最大的污染源，農(nóng)業(yè)面源污染不僅影響水體質(zhì)量，而且也阻礙農(nóng)業(yè)持續(xù)、健康地發(fā)展，成為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要解決的熱點和難點問題。面源污染與點源污染是相對的。農(nóng)業(yè)面源污染是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的溶解性或非溶解性的污染物

2、，如泥沙、化肥、農(nóng)藥等，在降水或灌溉過程中，通過地表徑流、農(nóng)田排水等方式流入受納水體而造成的面源污染。氮、磷是農(nóng)業(yè)面源污染引起水體富營養(yǎng)化的主要限制性因子。據(jù)美國環(huán)保局調(diào)查，農(nóng)業(yè)面源污染是導(dǎo)致美國40%的河流和湖泊水質(zhì)不合格的主要污染源。在瑞典，農(nóng)業(yè)源占流域中氮的來源的60%87%。在荷蘭，農(nóng)業(yè)面源污染的總氮、總磷分別占流域污染總量的60%和40%50%。相比之下，我國作為化肥的生產(chǎn)和應(yīng)用大國，氮肥的使用居世界之首，農(nóng)業(yè)面源污染問題亦不容樂觀。據(jù)估計，在我國水體污染中，來自農(nóng)業(yè)源的氮占到了水體污染的81%，磷占到93%。而農(nóng)田生產(chǎn)中，又以水稻生產(chǎn)中不合理田間肥水管理方式導(dǎo)致的營養(yǎng)流失較大，其中

3、氮肥的損失達(dá)30%70%。我國水稻種植面積占總耕地面積的26.18%，種植區(qū)域廣泛；而大面積的水稻種植區(qū)主要分布在秦嶺黃河以南，占到70.19%。因此，由稻田直滲、側(cè)滲、地表徑流（含人工排水）等方式所帶來的水體污染不可忽視。有研究表明，南方太湖流域稻季氮素環(huán)境排放總量與施氮量之間呈顯著正相關(guān)，約占總施氮量的30%，其中徑流和滲漏分別占到排放總量的25%和18%。而寧夏引黃灌區(qū)作為我國西北內(nèi)陸大型人工灌區(qū)，有大小排水溝200 多條，水稻生產(chǎn)上的大水大肥方式導(dǎo)致氮肥隨農(nóng)田溝渠退水流失進(jìn)入黃河達(dá)到20%65%；灌溉期排水溝水質(zhì)總體為重度污染，劣吁類水質(zhì)占70.0%。 1.2農(nóng)田尾水的特點農(nóng)村面源污染

4、具有排放年內(nèi)變化量較大、路徑隨機(jī)、排放區(qū)域廣泛等特征，同時，其產(chǎn)流、匯流具有較大的空間異質(zhì)性，對區(qū)域內(nèi)河道、水塘等水體的水環(huán)境質(zhì)量影響較為嚴(yán)重，以太湖流域的直湖港為例，2007年全年水體中的總氮（TN）和總磷（TP）濃度分別平均高達(dá)8.98 mg·L-1 和0.35 mg·L-1，其主要支流的龍延河近直湖港段，2009 年下半年至2010 年上半年分別平均達(dá)7.57 mg·L-1 和0.28 mg·L-1。據(jù)統(tǒng)計，農(nóng)村面源污染是造成直湖港流域水質(zhì)惡化的主要因素，其中的總氮和總磷排放量分別占到總排放量的56.8%和65.6%。同時由于不合理的開發(fā)利用等原因

5、，造成水系堵塞、淤積，更加劇了水體水質(zhì)的惡化。農(nóng)田退水中氮和磷元素含量較高，是導(dǎo)致接受其水體富營養(yǎng)化的主要因素之一。農(nóng)田退水的氮、磷污染特征主要表現(xiàn)在4個方面：一是農(nóng)田溝渠退水氮、磷污染發(fā)生與水稻整個生長季同步，且與田間施肥和灌溉時間保持高度一致。二是農(nóng)田退水中氮、磷濃度指標(biāo)不同程度地超過了地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到中度污染、甚至重度污染水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。三是農(nóng)田溝渠退水中氮、磷輸出主要形態(tài)是氨氮、硝氮和可溶性磷酸鹽；灌溉和降雨時，農(nóng)田溝渠退水中氮、磷遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律相似，氨氮、總氮、可溶性磷和總磷均沿程和隨時間呈指數(shù)遞減變化，硝態(tài)氮呈二次多項式曲線變化。四是絕大多數(shù)農(nóng)田退水并沒有因其富集氮、磷養(yǎng)分回灌農(nóng)田

6、，而是自由排放流入地勢低洼或下游的池塘、湖泊或河流，成為下游水體的污染源。農(nóng)田退水中的氮、磷是湖泊、河流水質(zhì)退化的主要貢獻(xiàn)者。1.3農(nóng)田尾水的處理狀況據(jù)調(diào)查，我國設(shè)市城市污水處理率已經(jīng)從2006年的55.7%上升到2013年的99.1%，接近飽和；縣城污水處理率從13.6 %上升至82.6 %，相比之下，長期以來對農(nóng)村面源污染重視不夠、投入很少，導(dǎo)致農(nóng)田面源污染已成為水體污染最大的污染源。據(jù)全國環(huán)境統(tǒng)計公報(2015)顯示，2015年農(nóng)業(yè)源化學(xué)需氧量排放量高達(dá)1068.6萬噸，占比全國廢水中化學(xué)需氧量排放總量的48.06 %；農(nóng)業(yè)源氨氮排放量高達(dá)72.6萬噸，占比全國廢水中氨氮排放總量的31.

7、6 %。因此，農(nóng)村農(nóng)田退水的治理將是我國下階段污水處理的“主戰(zhàn)場”。導(dǎo)致我國農(nóng)田退水處理困難的原因主要有：1）我國是農(nóng)業(yè)大國，但是生產(chǎn)技術(shù)相對落后，粗狂型的生產(chǎn)模式浪費了大量的化肥農(nóng)藥；2）我國現(xiàn)行家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制的土地政策，導(dǎo)致難以實現(xiàn)有效統(tǒng)一的管理；3）長期以來，我國把主要精力放在工業(yè)廢水和城鎮(zhèn)生活污水的治理上，對農(nóng)田退水的危害意識不足，導(dǎo)致了農(nóng)業(yè)面源污染問題日益嚴(yán)重，成為了湖泊、河流水質(zhì)退化的主要污染源。2農(nóng)田退水處理技術(shù)農(nóng)田退水中所含氮、磷污染物將沿著溝渠流向區(qū)域低位的湖泊或河流，是小流域中湖泊或河流水體污染的源。因此，在農(nóng)田退水進(jìn)入湖泊或河流之前，高效去除農(nóng)田退水中過量的氮、磷營養(yǎng)

8、物質(zhì)成為確保湖泊和河流良好水質(zhì)的關(guān)鍵。國際上，受污染水體的修復(fù)方法通常有物理、化學(xué)和生物-生態(tài)法3種。從應(yīng)用趨勢和綜合環(huán)境效益角度，生物-生態(tài)方法是水體環(huán)境修復(fù)中最應(yīng)推崇的舉措之一。近年來，應(yīng)用于處理農(nóng)田尾水的工程性措施主要有生態(tài)溝渠技術(shù)、生態(tài)浮床技術(shù)、穩(wěn)定塘處理技術(shù)、生態(tài)濾池技術(shù)、水生植物塘與人工濕地技術(shù)等。2.1生態(tài)溝渠技術(shù)生態(tài)溝渠是在農(nóng)田系統(tǒng)中構(gòu)建成一定的溝渠，是農(nóng)田非點源污染排放物和收納水體之間的過渡帶，在溝渠中配置多種植物，并在溝渠中設(shè)置輔助性工程設(shè)施，如透水壩、攔截壩等，對溝渠水體中氮、磷等污染物質(zhì)進(jìn)行攔截和吸附，其中包括溝渠基質(zhì)吸附、植物吸收、底泥吸附，以及溝渠輔助物所產(chǎn)生的減緩

9、流速和沉降泥沙等，從而達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。植物是生態(tài)攔截溝渠塘的重要組成部分，可通過人工種植和自然演替的方式形成。因此，植物的篩選成為生態(tài)溝渠構(gòu)建中最重要的環(huán)節(jié)，應(yīng)篩選根系發(fā)達(dá)、凈化效果好、生長適應(yīng)能力強、無休眠或短休眠期、經(jīng)濟(jì)價值與景觀效果好的植物，其目的在于增加生物多樣性，適應(yīng)本地環(huán)境，延長使用壽命，提高脫氮除磷的效果。生態(tài)溝渠的顯著優(yōu)點是農(nóng)田退水在排水過程中得到一定程度的凈化，為后續(xù)的人工濕地系統(tǒng)減輕了處理負(fù)荷，有效的提高了處理效果。在工程中還可以充分利用現(xiàn)有的部分農(nóng)田土質(zhì)排水溝渠，引入生態(tài)護(hù)坡和水生植物，實現(xiàn)改造，可以節(jié)省部分資金。其缺點是由于排水在其中的流速較緩，因此其占地面積較硬質(zhì)

10、排水溝渠大，受地區(qū)氣候條件的限制，春夏時節(jié)需要種植植物，秋冬季節(jié)需要對植物進(jìn)行收割處置。 2.2生態(tài)浮床技術(shù)生態(tài)浮床技術(shù)是運用無土栽培的原理，采用現(xiàn)代農(nóng)藝和生態(tài)工程措施，將陸生或水生植物移栽到水面的一種水體污染治理技術(shù)，其原理是通過植物吸收、吸附、微生物降解等作用，達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。該技術(shù)具有投資少、見效快、管理方便等優(yōu)點，是一種行之有效的水體原位生態(tài)修復(fù)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于富營養(yǎng)化的河道、水塘、湖泊等水體。生態(tài)浮床技術(shù)不僅能降低污染物濃度，同時也對浮游植物群落產(chǎn)生積極影響，研究表明3種生態(tài)浮床覆蓋率下水體中的浮游植物群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和生物多樣性指數(shù)均顯著高于空白對照組，其中，26%覆蓋率比39%

11、覆蓋率水體中的浮游植物生物多樣性指數(shù)要高，群落結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，隨后是13%覆蓋率處理。傳統(tǒng)的生態(tài)浮床技術(shù)除注重凈化效率外，更多考慮景觀需求，投入成本無法得到補償，因此，結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實際需要，栽培適宜的經(jīng)濟(jì)作物，不僅可以實現(xiàn)對水質(zhì)的改善，同時還可以通過收獲水稻，產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益，補償了一部分污染治理的投資成本。因此，在對農(nóng)村面源污染及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用當(dāng)?shù)啬墚a(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的植物構(gòu)建生態(tài)浮床，改善水體水質(zhì)、修復(fù)水體生態(tài)，達(dá)到因地制宜、節(jié)省投資的目的。需要說明的是，生態(tài)浮床只能作為農(nóng)村水環(huán)境生態(tài)修復(fù)中的一種“強化”技術(shù)，可以在短期內(nèi)實現(xiàn)改善水質(zhì)的修復(fù)目的，但并不是永久性的技術(shù)手段，而要

12、持續(xù)穩(wěn)定水質(zhì)、促進(jìn)水生態(tài)系統(tǒng)的良性發(fā)展，則需要利用構(gòu)建長效的技術(shù)體系。 2.3生態(tài)濾池技術(shù)生態(tài)濾池（MEEF）是利用水生微生物和人工填料上的生物膜形成的模仿自然生態(tài)系統(tǒng)來進(jìn)行污水凈化的一種水處理技術(shù)，污水中的顆粒物主要通過人工填料進(jìn)行過濾，生物膜與微生物主要負(fù)責(zé)污水中的可溶性污染物。這種生態(tài)濾池污水處理技術(shù)實際上是模仿天然的生態(tài)系統(tǒng)，利用各種生態(tài)關(guān)系來進(jìn)行水中污染物的處理和凈化，是一個半自然生態(tài)系統(tǒng)。作為農(nóng)田尾水處理終端，生態(tài)濾池的滲濾介質(zhì)可以對尾水進(jìn)流產(chǎn)生滯流作用，為隨后的水分蒸騰提供時間，平均可減少33%的徑流量，其截流作用對于水量控制的貢獻(xiàn)最為突出。在生態(tài)濾池中，植被對于保持水流容量起到

13、重要作用，因為作物根系的生長和衰老可用于對抗?jié)B濾系統(tǒng)介質(zhì)的壓縮與堵塞，絕大部分懸浮固體和重金屬污染物可以被有效去除。相對而言，N和P的去除隨著生生態(tài)濾池設(shè)計結(jié)構(gòu)的變化差異較大，現(xiàn)階段研究也著重對有利于去除N、P污染的系統(tǒng)重構(gòu)進(jìn)行。在Bratieres等人的研究中，上覆植被種類、滲透深度、滲透介質(zhì)、滲透面積、進(jìn)流污染濃度作為測試因素，被整合成125種測試組合分別接受最優(yōu)化測試，結(jié)果表明植被選擇對于N的去除至關(guān)重要，添加有機(jī)質(zhì)對P的去除效率有很大提升。 2.4穩(wěn)定塘處理技術(shù)穩(wěn)定塘是一種經(jīng)過人工適當(dāng)修整后設(shè)圍堤和防滲層，主要通過微生物降解、沉降、轉(zhuǎn)化、截濾等作用去除污染物。其有效水深在1-2m，由于

14、藻類光合作用放氧和水表面的大氣復(fù)氧而形成一個上部好氧區(qū)（距水面0.6m），而塘子底部較深形成了一個底部厭氧區(qū)，而在兩者之間形成一個兼性區(qū)。這樣就形成了一個厭氧-缺氧-好氧的一個體系，可以實現(xiàn)同步脫氮除磷。有機(jī)物的去除一般包括沉淀和絮凝、厭氧微生物的作用、好氧微生物的作用、浮游生物的作用和水生植物的作用，氮在穩(wěn)定塘內(nèi)的去除，主要是通過生物同化吸收轉(zhuǎn)化為自身有機(jī)氮、氨氮的吹脫作用、形成生物沉淀以及硝化/反硝化等幾種途徑，磷元素去除涉及有機(jī)磷在微生物作用下分解氧化，菌藻及其他生物吸收無機(jī)磷合成新細(xì)胞，以及可溶性磷與不可溶性磷之間的轉(zhuǎn)化等多種機(jī)制的共同作用。其對NH4+-N的去除易受環(huán)境溫度、pH等因

15、素影響，表現(xiàn)為溫度和pH 較高時，硝化/反硝化以及NH4+-N的揮發(fā)作用是TN 的主要去除機(jī)制，若在冬季低溫時，NH4+-N揮發(fā)作用則會受到抑制。穩(wěn)定塘對P的去除主要是水生植物吸收和底泥對P的吸附/ 解吸等多種機(jī)制的共同作用。缺點是占地面積大、水力停留時間長、散發(fā)臭味、處理效果不穩(wěn)定等。穩(wěn)定塘同時具有調(diào)蓄作用，因排水干渠來水包含了降雨形成的流量變化很大的地表徑流，若不進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，將影響水質(zhì)凈化效果，甚至?xí)μ幚碓O(shè)施安全造成危害。因此，建設(shè)穩(wěn)定塘凈化調(diào)蓄系統(tǒng)，可以起到水量調(diào)蓄和水質(zhì)凈化的雙重作用。2.5人工濕地處理技術(shù)人工濕地處理系統(tǒng)是利用人工介質(zhì)、植物、微生物的物理、化學(xué)、生物三重協(xié)同作用對污水進(jìn)行處理的一種技術(shù)。絕大多數(shù)人工濕地由四部分組成：（1）土壤、砂、礫石等透水性基質(zhì)；（2）蘆葦、香蒲等適于在飽和水和厭氧基質(zhì)中生長的植物；（3）微生物種群；（4）在基質(zhì)表面流動的水體。人工濕地利用基質(zhì)的土壤吸附作用、微生物的生物降解作用以及植物的吸收作用，來實現(xiàn)污水的高效凈化、無害化與資源化。濕地凈化污染物的機(jī)理比較復(fù)雜，其主要凈化機(jī)理除植物對懸浮性污染物的過濾吸附及吸收作用外，植物根系附近的微生物對有機(jī)物及氮磷營養(yǎng)物的去除起到了關(guān)鍵作用。特別在脫氮上，蘆葦具有通過莖稈向根系供氧的能力，可在根系附近形成脫氮所必備的好氧和缺氧區(qū)域，促進(jìn)濕地生態(tài)系統(tǒng)