农村面源污染生态景观工程技术研究

周 科

(华北水利水电大学，郑州 450011)

0 引 言

进入21世纪以来，随着农业生产的发展和农村居民生活方式的转变与提高，农村面源污染对水土资源的污染所占的比重越来越大[1]。2015年统计数据表明，农村面源污染成分平均占我国总污染的一半以上，其中，COD占43.7%，TN占57.4%，TP占67.4%。农村面源污染对生态环境和经济社会发展造成了非常严重的后果，为了保护和改善水土资源质量，增加资源的利用率，改善农村生产生活条件，急需提高认识，研究对策措施。

为了实现农村面源污染的科学管控，大量文献对农村面源污染现状的评价开展了研究[2]。所用方法包括点荷载法、单位荷载法、输出系数模型法、水文过程分割法、确定性模型法、数学模型法等[3]。但是，这些方法的推广应用都存在一定的挑战，因为大都存在条件的差异、经验公式的局限性等[4,5]。Shen的研究结论证明，我国大多数农村面源污染模型方法都是直接引用了国外的研究成果，并非适合中国农村地区的实际情况。

实际上，农村面源污染的复杂特征说明依靠单一的技术往往无法满足处理效果[6]，因为农村面源污染是由多种污染源和污染组分组成，且具有时空变化和尺度变化特征[7]。因此，为了解决我国农村面源污染问题，必须从系统全局的观点出发，研究开发科学合理、经济适用的系统性方案，在实现农村污染管控的同时，实现农村废弃物资源的再生利用[8,9]。

因此，本文基于对农村面源污染源和污染现状评价的基础上，提出了农村面源污染管控的生态循环框架模式，深入研究了农村面源污染管控基本理论与关键技术，并对减少农村面源污染，提高农村污水资源再生水利用率的主要途径进行了研究。最后，提出了简便、经济、易于操作、高效、可持续和生态友好型的关键技术。

1 农村面源污染控制的生态循环战略框架模式

农村面源污染的4个主要来源包括农村污水、农业种植、畜禽养殖和水产养殖等[10,11]。可以联合设计组成一个新的生态循环系统，该系统可作为农村和集中居住区控制面源污染的战略框架。该系统属于廉价、易于运行操作、高效、可持续和生态友好型的。在固-液分离处理系统内，污水得到处理、再生利用，通过不同的途径(灌溉、水产养殖、饲养场冲洗)实现循环利用。农村废弃物(居民排泄物、牲畜粪便、鱼塘沉积物、作物秸秆等)可以作为厌氧发酵和沼气发电的原材料。沼气可用于农村照明、取暖、生活和发电。沼气残渣可用作肥料，从而减少化肥的施用量，提高有机农业产品。本文研究设计的生态循环框架模式见图1。

图1 农村面源污染生态循环模式框架Fig.1 Ecological cycling mode for rural non-point pollution control

该生态循环框架模式的主要特点和优势如下：

(1)系统完整性。系统考虑农村面源污染的主要影响因素，这些因素易于控制，处理和区域层面的管控。

(2)生态型。生态绿化过滤带工程(VFS)技术、生态沟渠工程(ED)技术、人工湿地工程(CW)技术和沼气工程(BP)技术全部利用天然净化过程，适合农村地区推广应用。

(3)经济型。选择的生态技术造价低廉，易于操作，高效。

除了污染物控制消减、水资源再生利用、发电效益外，沼气肥料也可以为农村地区提供可观的经济效益。

(4)可再生循环型。生态循环模式的观点是突破传统的仅仅局限于废弃物消减的唯一途径，同时将废弃物的处理消减和充分利用相结合，实现营养物再生利用的可持续发展。

2 农村面源污染管控基本理论与关键技术

2.1 污染途径与原因分析

根据污染源类型，农村面源污染途径可划分为固体污染和液体污染途径。对于固体污染源来说，如过量施用化肥、人畜粪便、主要是通过径流或淋滤入渗将污染物转移到受纳水体[12]。对于液体污染源来说，污染物可以通过排放直接污染受纳水体。以地表径流为载体且当运移路径较短时，磷主要滞留在河流岸边、沟渠、水库和湖泊。而氮可以同时滞留在地表、地下或整个流域。

农村面源严重污染的主要原因是，提高农业生产目标的压力、缺乏有效的农业污染管控政策、农业种植户经济增长压力、农业种植模式的局限性、缺乏环保意识以及缺乏环保资金支持等。因此，除了需要更加有效的管理措施外，必须开发经济高效、经济可行的处理技术。必须针对农村面源污染、社会经济特点，加快开发技术先进、费用成本低廉、易于操作、安全高效、可持续发展、生态友好的技术措施。

2.2 农村面源污染处理关键技术研究

农村面源污染控制生态工程技术可划分为3种类型：即源头控制技术；过程消减技术和终端处理技术[13]。源头控制技术主要是减少污染物可能排放量和产生量。过程消减技术主要是依靠径流拦截和河流净化。终端处理技术是最后一道防线，需要采取生态工程设施，直接清除污染物[14]。

2.2.1 处理技术的适用性分析

本文提出的农村面源污染生态处理技术包括生态沟渠工程(ED)、人工湿地工程(CW)、绿化带建设工程(VFS)和沼气工程(BP)等。自从2013年以来，根据国家科技支撑计划，分别在河南省的开封、商丘、南阳以及许昌、平顶山等地，开展了典型实验。表1总结了不同生态工程技术的主要优缺点以及可行性。

表1 不同处理技术的主要优缺点及适用性Tab.1 Summary of the key advantages and disadvantages of different treatment techniques and their feasibility on local level in Henan Province

2.2.2 农村面源污染处理关键技术分析

(1)生态绿化过滤带工程(VFS)。目前学术界关于(VFS)的定义还没有统一的规定，有不同的说法，例如缓冲带、缓冲区、过滤带或过滤区、河岸植被区或河岸缓冲区，其基本含义都是指靠近河岸区域在一定的范围内将某种植物和土壤基质相结合的区域生态工程。在美国，VFS植草过滤带的定义是按照一定的设计，建设生态植被，用来处理附近区域内的片状污染径流。生态过滤带通过减缓径流流速、控制悬移质泥沙、延长拦截时间和提高拦截量，实现过滤和消减径流泥沙与其他污染物之目的，具有十分明显的优势。VFS生态景观工程用来控制农村面源污染，包括污染的复杂过程控制，泥沙和其他污染物控制、作物营养吸收、土壤污染控制、污染物的微生物降解以及污染物转移和污染物定位修复。基于合理的设计和运行维护，过滤带工程能够对浅层水流和片流中的污染物(尤其是富营养化)消减取得满意的效果。

就工程建设和运行而言，生态过滤带的宽度设计是最重要的参数。Bhattarai R研究证明[15]，氮磷浓度与生态过滤带宽度呈现一阶指数型函数关系。魏等人[12]研究证明，增加高入渗能力的缓冲带宽度和深根系层的木本植物对拦截泥沙和可溶氮具有很好的效果。Bhattarai R[16,17]研究证明，过滤带在消减污染物质的有效性随着宽度的增加而增加。

典型实验证明，过滤带宽度过长对污染物消减也没有太大的作用。也就是说，生态过滤带存在一个科学合理的设计标准。本文研究认为，生态过滤带适宜宽度为6～9 m, 可以根据需要拦截的污水排放量，经分析确定取上限或下限。

(2)生态沟渠工程(ED)。农田沟渠是化肥使用过剩的重要消减通道，作为特殊的生态系统，可以起到湿地和河流的双重作用，促进氮营养消减。沟渠中丰富的氮营养储量对植物和其他生物量起到了保障作用。但是，沟渠承担着将大量农田生态系统中的污染物运移到承纳水体的任务，从而严重影响了地表水的循环、水化学特性和生物组成。因此，农田沟渠不仅对农业面源污染起到沉积作用，而且还有河湖氮污染源的输送作用。

植物选配是生态沟渠系统建设中最重要的设计参数。我们对生态沟渠系统处理生活与农田混合污水的效果进行了检测，结果发现，就我们设计的生态沟渠系统而言，平均可提高富营养化的去除率TN为18%；TP为37%；COD为40%。而且，夏季生态沟渠内的植物对氮磷去除的贡献率分别为68%和78%。2014年，我们在河南省豫东试验站建设了一条长500 m的生态沟渠，底部用陶粒吸附剂衬砌，观测结果证明，TN,NO3-N 和NH4-N的平均值分别为52%，53%，58%。

大生物量的合理水分供应是消减农业污染的基础。但是，实验发现，同非生态沟渠对比，生态沟渠对TP的消减量仅有85%，而非生态沟渠对TP的消减量达到了95%。可能是因为固结生物与综合沉淀的作用，使得茂密的生态植被抑制了磷的消除率。

(3)人工湿地工程(CW)。人工湿地工程是利用湿地植物、水流、土壤和复杂的微生物循环实现污水处理而建造的湿地工程。人工湿地利用了天然湿地系统中物理、化学和生物过程。大量研究证明，如COD、BOD、悬移质颗粒、氮、磷、氨氮以及各类细菌等有机污染物都可以通过人工湿地系统得到较好的处理。

人工湿地系统是实现最佳管理模式和农村面源污染控制的重要手段，也是实现大规模污染消减的途径。研究结果证明，人工湿地对悬移质颗粒的去除效率为31%～96%。人工湿地对农业面源污染中硝酸盐的去除率可以高达98%。对我国南水北调东线南四湖新薛河人工湿地硝酸盐去除率的观测值为53%。TN去除率为50%～61%。

人工湿地对污水的消减率与污水类型、人工湿地规模、人工湿地基质组成和植物类型有关。具有高吸附性的基质、具有高吸附能力的植物和累积特性以及水力停留时间等是构筑高效人工湿地的主要因素。人工湿地中污染物的去除率还与其他因素有关，例如气候、污水排放量与组分、水流模式(地表流、水平流、垂直流)，植物类型、植物密度以及植物长势等有关。由于农村面源污染成分复杂，以及人工湿地污水处理机理的复杂性，因此，就农村面源污染而言，要想得出一个通用的人工湿地规则和设计标准目前仍然是一个难题。

(4)沼气工程(BP)。通过对各类有机污染物(如畜禽粪便、人类排泄物、生活污水、杂草和作物秸秆等)的厌氧消化，生产甲烷混合气，称之为沼气。我国对沼气的研究和应用历史悠久，近10年以来，我国建设了2650 104处沼气工程。沼气工程在农村一般用做生活燃气、取暖、照明和发电。家庭沼气发电已经成为农村综合利用废弃物资源的一项非常有生命力的废弃物处理工程。在我国，将生态农业战略与沼气工程创新技术相结合，出现了不同的农业生产模式，如北方的“四合一”工程、南方的“猪-沼气、果园”工程、西北部的“五位一体”工程等，这些生产模式使得沼气工程建设因地制宜，不断创新。

沼气工程的发展，不但提供了清洁易取的可再生能源，为农村取暖、生活和照明提供便利，而且也是减少环境污染、实现废弃物处理的可行途径，同时也是开发可再生能源，利用厌氧发酵废弃物(沼气废弃物和液体)的一个好方法。研究结果证明，沼气废弃物和液体都可以用作农业生产的优质肥料。沼气肥料的营养成分还有多种非降解的或不可溶的有机质和无机质，可以吸收大量的可溶性和可利用养分。

根据对河南省淮河流域地区的沼气工程肥料取样调查与实验室检测化验，沼气肥料的理化成分见表2。

表2 沼气工程肥料的理化成分检验成果表Tab.2 Physical and chemical components of biogas fertilizer

沼气肥料的应用是实现农业废弃物再生循环，减少化肥施用量，提高农产品生产和质量的一个重要的途径。沼气工程是提高农业秸秆利用率，增加有机肥的一个有效措施。典型实验研究说明，通过建设沼气池可以减少化肥施用量50.71%。作为化肥的替代肥料，可以增加土壤有机质31.6%，增加氨氮28.4%，增加可利用磷26.2%，增加可利用钾12.1%。

3 河南省农村面源污染管控研究

3.1 概 况

河南省面积16 万km2, 人口1.06亿，其中农村人口占60%以上，山区面积占30%，多年平均气温15 ℃～17 ℃, 年平均降水量为560 mm。河南省是我国最重要的农业生产基地之一，耕地面积68.71 万hm2,其中有57 万hm2属于干旱半干旱地区，有12 万hm2。水田，农业种植、饲养和水产养殖是农村地区的主要收入来源。河南省占有国土面积不足1.6%，但是粮食生产总量占全国的10%以上，其中小麦生产占全国的25%以上。为了确保粮食产量的不断提高，化肥、杀虫剂和除草剂的用量不断增加，造成了氮磷污染排放量逐年增加，水污染与缺水现象逐年上升。

3.2 河南省农村面源污染评价

本文选择水体污染指标COD、NH3-N、TN和TP作为水体污染指标，其中，COD 和 NH3-N是国家水污染控制的主要指标，氮 (N) 和磷 (P)是与农业污染密切相关的富营养化指标。由于缺乏实测数据，我国开展的农村面源污染评价大多数都错误地使用SWAT(土壤水评价)模型或ECM(系数输出)模型。因此大多研究成果提出的地方性工程设施、农艺技术和天然特征都带有局限性。就河南省而言，现有研究与实验成果很少，无法获得污染物排放强度的准确数据，因此，本文采用官方公布的《河南省农村统计年鉴》统计数据分析研究农村面源污染和水系污染。

计算结果表明，2015年，河南省农村地区NH3-N, COD, TN和TP的污染物排放量分别为35.52万、118.35万、 83.06万和16.980 0 万t。各类污染物排放量排序为：畜禽养殖>农业种植>水产养殖>农村污水。农村地区的畜禽养殖是最大的污染排放源，所产生的NH3-N, COD, TN和 TP分别为17.04万、85.21万、 42.78万和11.59 万t。分别占总污染物排放量的49%, 65%, 52%, 和 68 %，见表3。农业种植是氨氮和COD放量的第二大户，而水产养殖是TN和TP排放量的第二大户。

表3 2015年河南省农村地区主要污染物排放量统计Tab.3 Annual production of major pollutants in the rural regions of Henan Province in 2007

据统计，2015年河南省农村人口约6 000 万人，农村生活污水占TN和TP污水排放总量较少，分别为9%和4%。

典型实验证明，河南省约有77%的来自农业种植的污染物(主要是NH3-N, COD, TN和 TP)可以通过植物吸收或微生物降解的途径解决。大部分畜禽粪便和居民排泄物可以用作农家肥料。约12%～24%的废水(畜禽粪便和居民排泄物)最终进入附近水体。水产养殖总污染量中有52%～61%的污染物滞留在养殖水体中，而其余污染物直接排入承纳河道。

3.3 河南省农村面源污染生态工程与生态循环模式研究

3.3.1 因地制宜，建设综合性生态工程

选择生态绿化过滤带工程(VFS)技术、生态沟渠工程(ED)技术、人工湿地工程(CW)技术和沼气工程(BP)技术作为重要的源头控制技术，各类生态工程技术必须和生态循环措施相结合，促进农村污水再生利用和营养物质再循环利用，形成: 生态工程技术+生态循环+污染物消减+污染资源再生利用+BMP的综合管控模式。

3.3.2创新最佳管理(BMP)模式，提高面源污染管控的综合效益

传统的最佳管理模式(BMP)强调减少用水总量、开展水土流失防治，推广环境友好型农业耕种措施，推广化肥和农药、杀虫剂控制技术，采取径流管理措施。但是，本文研究认为农村面源污染物同时也可以视为是一种资源，应当尽快研究对应技术，实现变害为利，变废为宝。

3.3.3 加快示范工程建设和研究成果的推广应用

目前，应当进一步开发创新示范工程，对上述生态工程的技术细节和适用性深化研究，例如沼气肥料的施用量、创新沼气液灌溉方法等。编制技术指南，组织相应的技术应用培训班，指导终端用户设计、操作、管理和运行维护。

3.3.4 出台相应法规政策，鼓励技术创新

目前，河南省农村面源污染管控的法律法规尚属于空白。应该对现有研究成果系统梳理，总结成功经验，尽快组织出台有关的农村面源污染管控措施，省、市、县三级地区应该结合地方实际，出台有效的管理措施和面源污染物排放的控制计划，签订责任书，同时还要制定监督、检查措施和办法，使监督执法工作制度进一步规范化。

4 结 语

(1)本文选择NH3-N, COD, TN, 和TP作为主要污染物指标，针对河南省现状，研究农业面源污染。污染物排放量排序依次为畜禽养殖>农业种植>水产养殖>农村污水排放。

(2)提出了农村面源污染控制的生态循环模式。该模式可作为农村和集中居住区控制面源污染的战略框架。该系统属于廉价、易于运行操作、高效、可持续和生态友好型的。

(3)对农村面源污染管控基本理论与关键技术进行了研究，包括生态绿化过滤带工程(VFS)技术、生态沟渠工程(ED)技术、人工湿地工程(CW)技术和沼气工程(BP)技术以及最佳管理模式(BMP)，各类生态工程技术必须和生态循环措施相结合，促进农村污水再生利用和营养物质再循环利用。

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