长江流域农业面源磷污染排放特征与防治技术研究

韦新东，杨昊霖，薛洪海，香 宝，王洪良*

1 吉林建筑大学 市政与环境工程学院,长春 130118;2 中国环境科学研究院,北京 100012;3 天津市滨海新区环境创新研究院,天津 300450

总磷是影响长江流域水质标准的重要指标.2015年长江干流总磷浓度呈正态分布,均值为0.135±0.043 mg/L[1],达到Ⅲ类地表水标准;2016年长江经济带943个国控断面水质的总磷含量超Ⅲ类的断面比例为18.3 %,位居各类指标首位[2];长江是流经四川省最大的河流,2019年省内重点流域府河、釜溪河、沱江宏缘和绵远河因总磷污染被定为Ⅳ类水质,鸭子河和球溪河被定为Ⅴ类水质[3].因此,总磷的排放与治理对提高长江流域水质至关重要.

面源污染是造成湖泊水体恶化的主要因素之一,其中农业面源磷污染的影响范围最广,对水体危害最严重[4],农业面源磷污染的排放量远大于工业或城镇生活污水等点源类磷污染的排放量[5].磷是引起水体富营养化的重要因子[6],而水体中营养盐的富集又与农业活动密切相关[7],农田耕种和畜禽养殖过程中的磷流失是当前农业面源磷污染治理中存在的主要问题.

在现有研究中,已存在多种农业面源磷污染的防治技术,但普遍存在处理效率差、技术集成度低和推广度不足等问题.本文对长江流域的农业磷污染现状进行了分析,梳理了较为成熟的农业磷污染防控技术,并对各项技术的经济效益、环境效益和技术可行性进行分析,以期为我国长江流域农业磷污染的防范与治理提供依据.

1 长江流域农业面源磷污染排放现状及成因

长江流域作为我国最主要的农业生产基地,耕地面积占全国耕地总面积的25 %,年出栏家畜超3.4亿头,占全国50 %以上.农产值大的同时,也伴随着施肥强度过高、种养模式不科学和土地利用方式不合理等问题.另外,长江流域农业磷污染存在明显的地域性差异:长江下游地区农业磷污染的排放强度远高于中、上游地区;长江下游地区主要由种植业产生磷污染,畜禽养殖业磷污染排放主要集中在长江上游地区.

1.1 种植业磷污染排放现状及成因

长江经济带的耕地类型多、种植面积广和施肥习惯不合理等问题造成了种植业的面源磷污染.流域内多数省份地区的施肥强度超出225 kg/hm2的安全上限,造成磷在土壤中大量存积,而磷的流失量又与农田施肥期的降雨强度和径流量密切相关[8].施肥量较大时,若不增设拦截处理设施,磷的流失率将难以控制.湖北省兴山县处于三峡水库最大支流香溪河上,8个乡镇总耕地面积1.3万 hm2,种植类型包括旱地、水田和园地,肥料使用量共计1.17万 t,磷流失系数高达0.873[9].我国第一次污染源普查公报显示,种植业总磷流失量已达10.87万 t.在未经植被覆盖的地区总磷浓度与土壤pH呈负相关[10],因土壤酶活性比土壤养分状况更敏感,故随农田径流流失的磷越多,该地区面源磷污染越严重.巢湖流域的排放数据显示,总磷和水溶性磷的污染主要来自冲畈水田、饲养地和荒地的径流输入[11],这些未改善种植模式的耕地将导致更为严重的磷流失[12].

1.2 畜禽养殖业磷污染排放现状及成因

畜禽养殖业总磷排放量占长江流域总污染排放量的68 %,是面源污染的重要来源,其中四川、湖北等省份排放量约占长江经济带的65 %.长江上游的岷江流域内1 446家规模化畜禽养殖场总磷排放量高达1 682.61 t.肥粪还田、放牧养殖及分散养殖是长江流域农业面源磷污染的重要来源,其中肥粪直接还田造成的养分流失是当前最受关注的一个问题.随着传统有机肥向化学肥料的转移,部分畜禽粪便无处利用直接排入水体,成为河湖主要污染源之一.Heods PS,Edwrads等[13]人在研究中指出:长期施用猪鸡粪便,当地表层土壤磷的含量增加了4倍,水体中溶解态磷和总磷的浓度会随畜禽粪便施用量的增加而线性递增;在加拿大也发现施用畜禽粪便会导致土表层(0 cm～5 cm)磷的积累[14].在我国畜禽粪便的土地负荷警戒值总体已达到0.49(正常值<0.40),这一数据体现出一定的环境胁迫水平和较严重的环境压力.前国家环保总局对全国23个省市调查发现,约有80 %对环境影响较为严重的大中型畜禽养殖场集中在东部沿海地区,未经任何处理的畜禽粪便在收集、储存、运输和还田的过程中均会对环境产生较大污染.另外,流域内养殖废水经过处理后总磷排放浓度高达320 mg/L,经过沼气池处理的养殖废水总磷浓度仍高达109 mg/L,需进行500倍自然径流稀释才能达标排放.

2 长江流域农业面源磷污染防控技术分析

长江流域农业面源磷污染形势严峻,多数防控技术主要针对氮的去除,磷的去除效果并不明显.部分区域没有适宜的技术体系,一些较为成熟的技术得不到广泛推广,导致面源磷污染问题得不到有效控制.因此,从经济、环境和技术适用性角度盘点出适合长江流域内高效的技术方案,并根据“源头减量-过程阻断-末端治理"的技术体系进行分析,对长江流域面源磷污染治理具有重要意义.

2.1 种植业面源磷污染防控技术分析

对种植业面源磷污染的防控,源头治理是关键.源头治理本质上是针对磷肥施用不合理等现象,从作物对磷素的吸收、肥料用量优化和土壤肥力等角度进行技术筛选.同时,还应克服只关注末端治理的思维模式,坚持“防”、“治”并重的原则,按照流域内各地区的种植模式、土壤环境与面源磷污染程度来因地制宜.

2.1.1 源头减量

长江流域内“源”的防控受限于当地的种植和施肥习惯.筛选出可以优化种植模式的集成技术,在保证农民效益和后续推广度的同时又要具有一定增产效益.目前,实施效果较好且有一定示范规模的技术有“基于水稻专用缓控释肥与插秧施肥一体化的稻田磷投入减量技术”.

“基于水稻专用缓控释肥与插秧施肥一体化的稻田磷投入减量技术”是对插秧施肥一体化技术和水稻专用缓控释掺混肥技术的集成优化.在水稻移栽时进行水稻插秧与侧深施肥的一体化作业,利用缓释肥料形成贮肥库将肥料缓慢输送给作物,既满足肥料减量15 %的条件下水稻增产,又可实现总磷减排14.0 %～37.2 %.缓释肥料可应用IC(the inclusion complexes of environmentally degradable polyester)肥料[15],这种可降解聚酯-尿素包合物肥料释放速率较低、可调性较高.同时利用酸性磷酸酶高活性的特点,可显著提高土壤中有效磷的含量[16].本技术在宁夏引黄灌区开展试验,肥料中P2O5仅为75 kg/hm2,大大减少每平方公顷地磷含量,改善了土壤环境[17].

2.1.2 过程阻断

种植业主要通过生态拦截的方式对磷污染排放进行过程阻断.传统生态拦截技术对流域内农田径流或湖泊中的磷拦截效率较低,需对传统技术进行改良优化.如调整设备结构、增加水力停留时间等手段来加强磷处理效果;增设生态护坡以应对水流量超出系统负荷的情况.为此,筛选出“基于陆域拦截-可再生沸石-生态护坡的生态沟渠技术”这项技术.

“基于陆域拦截-可再生沸石-生态护坡的生态沟渠技术”与传统生态沟渠技术相比增加了陆域的近源拦截工艺,使污染物得到沉降和初步处理,降低后续生态沟渠的处理负荷,提高系统拦截率.在沟渠底部铺设可再生沸石,对流经沟渠污水磷的去除率可达91.08 %,且硅藻土在复合吸附剂中的比例越高,磷吸附效果越好[18].若处理水量较大,则可增设生态护坡,通过填料、植物和护坡共同作用,可在水量比较大时分担后续生态塘系统的处理压力.Zhang等[19]人研究认为,在坡地上进行生态工程拦截技术可以减少80 %～90 %的沉积物和25 %～35 %的磷.针对长江流域降水量以及农田用水量大的特点,可最大程度的进行磷拦截,同时充分利用了当地坡度较缓,植被生存环境较好的特点.

2.1.3 末端治理

“生态塘技术”一直以来都是处理面源污染的重要手段.经多年研究,该技术已成熟运行.系统内设置的强化净化系统对磷污染物的处理量大幅提高,同时筛选出高效除磷的水生植物,在滞水时间相同的情况下,处理效率进一步提高.

生态塘结构是以折流墙为界,整体呈阶梯式分布,依次分为好氧区、兼氧区和浮床区.浮床下端悬挂软填料,四周岸坡及塘底均铺设砌块,在砌块内种植高效的水生净化植物,同时要保证筛选的水生植物有根系发达、喜温、生长期较长且经济的特点[20].另一方面,多级塘体的设置可为水体增加流动性,最大限度去除磷污染物.长江流域部分地区降雨量较大,周宇远等[21]人指出，在受降雨径流的影响下,总磷的平均去除率仍为34.8 %,证明其自修复和抗冲击能力较强.该技术可应用于长江流域地区的毗邻河浜农田排水的磷生态拦截,同时在雨量较大的地区也可适用.

2.2 畜禽养殖业面源磷污染防控技术分析

长江流域畜禽养殖规模庞大,散养型养殖场居多且多数分布于大型干、支流沿岸.由于当地粪污资源化利用率低、缺少磷污染防控措施,导致部分技术无法长效实行.应从畜禽对饲料磷的吸收、畜禽饲养场管理和畜禽粪便返田的养分利用效率等角度进行技术模式分析.

2.2.1 源头减量

畜禽粪污的源头处理主要以还田和堆肥形式为主.粪便还田作业方式简单,养料充分,但氮磷含量难以控制;堆肥技术较为成熟,但推广度不高,农民习惯施用见效快的化肥.近年来，发酵床技术是处理畜禽粪污的热门工艺,但因成本高、运行条件苛刻等原因未被广泛应用.

“多原料预处理+发酵床技术”在降低运行成本以及改善运行效果的同时,实现了资源循环化，其主要通过微生物发酵床模式控制养殖废弃物外排,同时产出的沼液回用农田,以源头控制理念,在磷污染物不增加的情况下实现自给自足,达成一定的经济效益.为提高沼液利用率,可结合多原料预处理技术将畜禽粪便、农村生活垃圾、秸秆和杂草等有机废弃物粉碎后与中密度物料完全混合,集成碟管式反渗透(DTRO)浓缩沼液技术和液体灌装自动计量技术,解决了传统沼液不能满足农田养分需求的问题,同时减少了沼渣中磷的累积[22],产出的沼渣可通过堆肥或生产活性炭进行再利用,实现畜禽资源回用.在长江流域不存在过冷或过热气候条件下,设备顺利运行也有保障.

2.2.2 过程阻断

畜禽粪便的收集过程一般通过干清粪或水清粪工艺.由于磷物质的特性,水清粪工艺难以解决磷流失的问题,故“干清粪工艺”更适合流域内的粪污收集.

传统的干清粪工艺是用人工清粪的方式,缺点为人工成本高、工作繁琐[23]，因此可增设传送带装置,将流进漏缝地板的粪便收集后运送至贮粪场.干清粪工艺的特点是收集的固态粪便含水量低.畜禽粪便中有很大一部分磷为水溶性磷,这部分磷的结合能力较弱,易流失进入水体[24].干清粪工艺中磷浓度仅为水清粪工艺的17 %,且干清粪下的磷浓度达到稳定的时间也比水清粪更快,产生的磷污染物质含量更低[25].

2.2.3 末端治理

湿地系统对于养殖废水中磷的深度处理效果较好,其中较为成熟的“潜流人工湿地技术”可应用在处理水量较大、空余土地面积多的地区.

“潜流人工湿地技术”是对传统人工湿地内部结构的优化,传统湿地存在供氧不足、磷去除效果达不到预期效果等问题[26].该技术在设备内部增设了4个潜流人工湿地单元,将波形潜流湿地的挡板加宽设计成导流墙,人为改变水流路径,使水流与植物根系充分接触,提高养殖废水中磷污染物的去除率.张彩莹[27]通过试验发现经过80 d连续运行,植物生长状态良好,比对照湿地提前10 d达到稳定期,对照湿地的去除效果为87 %,潜流人工湿地的磷去除效果达到89 %以上.

3 结语

本文对长江流域种植业和畜禽养殖业的面源磷污染排放现状和成因进行分析,并从“源头减量-过程阻断-末端治理”的防治角度总结了当前集成度高、示范效果好的处理技术,其中:种植业可通过“水稻专用缓控释肥与插秧施肥一体化技术”实现源头减量,通过“陆域拦截-可再生沸石-生态护坡的生态沟渠技术”达到过程阻断,通过“生态塘技术”完成末端治理;畜禽养殖业从“源头减量”的角度可应用的技术有“发酵床技术”,通过“干清粪工艺技术”达到过程阻断的目的,采用“潜流人工湿地技术”可实现末端治理.

目前，长江流域农业面源磷污染面积大,防治难度高，在技术满足当地需求的条件下,也需要政府相关政策的支持,例如对化肥投入量加以控制或对粪污排放严格监管,在源头上减少磷的流入.在部分有代表性的地区如江汉平原、洞庭湖、鄱阳湖、巢湖和太湖等地区增加技术示范点,加大技术推广的力度,为当地政府提供技术优选的便利条件,以此控制流域范围内的磷污染物排放量,实现经济效益和生态效益同步发展.