以新型功能材料为基础的农业面源污染治理研究

周婷　何凡　贾洪柏　陈升　林宇迪

摘要 为了开发农业面源污染水质提升新技术，本研究以生态多孔介质、生态飘带等新功能材料为基础，结合试验地的实际情况，设计了生态植草沟、氮磷拦截沟渠、雨水花园等技术，并进行了应用。结果表明，COD的消减率达47%～56%，氨氮消减率达58%～72%，TP消减率达51%～75%，TN消减率达45%～51%，水质提升效果明显。本研究成果可以为农业面源污染治理提供新的解决方案。

关键词 农业面源污染；功能材料；生态植草沟；氮磷拦截沟；雨水花园

中图分类号 X522   文献标识码 A

文章编号 1007-7731（2023）07-0153-04

随着我国经济社会的快速发展，人们的生活水平不断提高，城乡差距越来越小，城乡融合和城镇化进程越来越明显[1]，乡村主体经济发展转型及环境建设是当前和今后很长一段时间内国家和地方政府关注的重点问题[2]。农业产业与生态环境的协调发展以及创造宜居的环境是衡量乡村可持续发展的重要依据之一。过去一段时间在发展城市经济的同时，“重城轻乡”的环境污染治理造成我国农村地区污染加剧、类型复杂，使养殖污染、生活污染与农业生产等面源污染共存，同时由于管理不到位，一些外源性污染持续向农村转移[3-4]。面源污染是相对于排污点集中、排污途径明确的点源污染而言的，其具有面积大、污染物浓度低等特点，农村区域主要以农业面源污染为主。

1 农业面源污染概况

不合理的耕作方式和过量施肥是造成营养成分损失和农业面源污染的主要原因之一[5]。过量的氮磷营养成分、农药等污染物进入受纳水体引起水体污染，其次还包括少量无组织排放的农村生活污水、养殖废水等以及农业废弃物、畜禽粪便污染物，它们随雨水地表径流产生的污染最终汇入主要河流或水库。全国污染源普查结果显示，种植业、畜禽和水产养殖业是总氮、总磷和COD的主要来源，其排放量分别为2.705×10⁶、2.847×10⁵、1.324×10⁷t，占排放总量的57.2%、67.4%和43.7%[6-7]。当前，农业面源污染对各大流域所造成的水环境问题日益突显[8]。中国三大淡水湖（巢湖、滇池和太湖）中，来自农村面源的总氮（TN）、总磷（TP）和COD分别达到了60%～70%、50%～60%和30%～40%[9]。从总量来看，根据《第二次全国污染普查公报》，2017年全国农业源水污染物TN、TP、COD排放量分别达到141.49×10⁴、21.20×10⁴和1 067.13×10⁴t，占全国水污染物排放总量的46.52%、67.21%和49.8%[10]，与第一次调查相比污染物有所增加。

目前，农业面源污染的治理普遍采用的方法是围绕个别“点”开展防治，虽然可以在一定程度上降低农业面源污染总量，但治理方案缺乏整体性、系统性等[11]。农业面源污染治理任务紧迫并存在较大困难，需要强化资金投入，加强政府各部门合作，并利用先进的科学技术进行综合治理。农业面源污染治理需要政府、农业社会化服务机构和农户共同合作，从多方面建立全面的、系统性的农业面源污染治理体系[12]。

2 试验地概况

本研究实施地点位于浙江省安吉县灵峰国家旅游度假区，直接涉及的农田面积约53.4 hm²，以种植粮油作物，如油菜、水稻为主，部分为蓝莓嫩株大棚及少量菜地。排水主沟渠为钢砼质厚板沟渠，也是排涝沟渠，日常水流量约1 000 m3/d，暴雨时会出现满渠淹没道路情况；次沟渠为砼质薄板沟渠；另在农户房屋与农田之间有一条自然沟渠，水流量约为2 000 m3/d。经水质检测发现：主沟渠氨氮和总氮为地表Ⅴ类水标准，其他指标为Ⅲ～Ⅳ类水标准；次沟渠内现有水质为地表劣Ⅴ类水标准；自然沟渠水质呈劣Ⅴ类水标准，其主要由部分农村生活污水和养殖废水排入所致。污染源入水口氨氮最高达到6.65 mg/L，为项目验收（地表IV类水）标准的4.43倍；总磷为1.63 mg/L，为项目验收标准的5.43倍。

根据实地检测、勘验，试验的技术难点包括：①主沟渠两侧，一侧为道路，一侧为耕地红线，用地面积极少；②水量水质变化大，对系统的冲击大，一旦有暴雨，会对系统有一定的破坏性；③处理面域广，对处理设施的保养管护要求高，适应性、耐用性必须符合要求。

3 方案设计及核心材料

考虑到本项目位于国家旅游度假区，本项目将从农田氮磷拦截、洪峰延遲及减少地表径流、上游污水处理、农村污水处理及景观设计5个方面综合考虑，技术路线如图1所示。

3.1 主要的技术设计

生态植草沟主要设置在农田边缘，内部填充卵石、生态陶粒、生态多孔介质等功能性填料，上部浮种植土，表面种植功能性植物。通过集水井将农田初雨地表径流沉淀后收集至生态植草沟，经功能性填料吸附及其表面的功能性微生物进行消减，实现水质提升。

氮磷拦截沟渠：主要是对主沟渠（排涝沟渠）进行改造，全长1 100 m，在原有的基础上进行加宽加深扩充，解决排涝问题；底部添加有功能性填料和生态多孔介质，表面铺设卵石。中间设置氮磷拦截箱，内部填充挂膜硝化细菌的功能性载体。沟渠最底部容氧低，形成缺氧区域，上层多孔介质内水流较快，形成好氧区；功能性填料则是沟渠中的“微生物发生器”。沟渠2次铺设植草砖，实现固土和景观提升作用。

雨水花园设计：在自然沟渠内设置100 m的雨水花园，内部布置有人工生态飘带和生态多孔介质以及挺水植物、松木桩护岸等。结合微孔曝气系统，达到对汇入的农村生活污水和养殖废水的处理。

3.2 核心材料

3.2.1 生态多孔介质。由安吉国千环境研科技有限公司研发的生态多孔介质以天然成分为主要原料，同时添加有促进微生物生长及代谢的营养元素，含有植物需要的微量元素，通过特殊工艺制作而成。其优点如下：①优异的吸氮聚磷功能；②促进微生物生长和代谢的功能，提高对污染物分解能力；③不间断渗出植物生长必须的微量元素，促进植物生长；④产品空隙度高达30%以上，便于微生物和微型动物吸附；中空式结构为河道微型动物和高等动物提供栖息地，也为鱼类提供产卵鱼巢，提高水体的生物多样性。

3.2.2 MBBR功能性载体。由安吉国千环境研科技有限公司研发的MBBR功能性载体以聚氨酯为主体架构，负载特殊的功能性粉末材料，通过改性处理，可大大提高其机械抗磨损性能和耐紫外性能，能够对特定的污染物成分进行吸附，形成利于功能性微生物生化作用的高浓度污染物富集区，提高生化效率。

3.2.3 生物飘带。由安吉国千环境研科技有限公司研发的生物飘带采用超级编织技术—两面、两段型结构设计，添加功能性无机粉末，同時具有巨大的活性生物接触表面，能够富集特定的污染物和功能性微生物，提高污水处理效率。

4 实施效果

本项目建设完成后，通过对改造的主沟渠上下游、雨水花园上下游和总的出水口的水质进行连续监测（2021年11月至2022年4月），结果表明：主沟渠和雨水花园的进水水质为地表Ⅴ类甚至劣Ⅴ类水，总出水口平均水质除了总氮外达到了地表Ⅲ类水标准；其中，COD的消减率达47%～56%，氨氮消减率达58%～72%，TP消减率达51%～75%，TN消减率达45%～51%，水质提升效果明显（见表1）。

通过本项工程改造，原来荒草丛生、水质恶臭的沟渠变成了水质清澈、排洪能力增强，兼具景观的功能性沟渠。项目运行6个月后调查发现，河道内鱼类增多，氮磷拦截沟渠内发现小型河虾，说明通过此项目的实施提高了河道内的生物多样性，可进一步加快河道污染物通过生物链的转移，使水质得到提升。

5 讨论与结论

农业面源污染是一个复杂的系统性过程，要实现面源污染的治理就必须建立完善的治理体系，查找农业面源污染的防治要点和关键源识别。要达到农业面源污染治理的最佳效果，就要从氮、磷元素在水环境中的生物化学循环过程、减排管理措施、政策宣传和末端治理修复技术等方面着手[13]。农业面源污染防控技术的配置集成，是构建农业面源污染的最佳治理措施。从目前实际实施过程来看，全国各地方以控制氮磷输入水体的措施为主，主要是科学施肥，减少化肥和农药使用量，从源头较少氮磷的输入[14-17]；对农作物秸秆、农业废弃物等进行有效处理[18-19]，提高农民的环保意识等，少数进行农村生活污水和养殖废水的处理后排放，对于农业面源污染的末端治理还没有成熟的技术。为了全面系统地治理农业面源污染，末端农业面源污染的水体治理也十分重要，从而实现从源头解决水流域的污染汇入问题。

以本研究的技术和产品为基础，利用综合处理措施，能够有效地实现农业面源污染的水质提升，使源头水由地表Ⅴ类甚至劣Ⅴ类水，最终在出水口稳定达到地表Ⅳ类水标准。本研究成果可以为农业面源污染治理提供新的解决方案，也为其他地区的农业面源污染治理提供借鉴。

6 参考文献

[1] 张英男，龙花楼，马历，等.城乡关系研究进展及其对乡村振兴的启示[J].地理研究，2019，38（3）：578-594.

[2] 龙花楼，邹健.我国快速城镇化进程中的乡村转型发展[J].苏州大学学报（哲学社会科学版），2011，32（4）：97-100.

[3] 王晓君，吴敬学，蒋和平.中国农村生态环境质量动态评价及未来发展趋势预测[J].自然资源学报，2017，32（5）：864-876.

[4] 张英男，龙花楼.农业生产转型及其环境效应的研究进展与展望[J].自然资源学报，2022，37（7）：1691-1706.

[5] 赵顺娟，李正祥.洱海流域农业面源污染的控制[J].云南农业，2020（4）：54-57.

[6] 武淑霞，刘宏斌，刘申，等.农业面源污染现状及防控技术[J].中国工程科学，2018，20（5）：23-30.

[7] 杨林章，吴永红.农业面源污染防控与水环境保护[J].中国科学院院刊，2018，33（2）：168-176.

[8] 朱奎峰.巢湖流域农业面源污染综合治理模式的探索与实践[J].安徽农学通报，2019，25（18）：134-135.

[9] 蒋鸿昆，高海鹰，张奇.农业面源污染最佳管理措施（BMPs）在我国的应用[J].农业环境与发展，2006，23（4）：64-67.

[10] 生态环境部，国家统计局农业部.第二次全国污染源普查公报[EB/OL]. [2020-06-29].http：www.gov.cn/xinwen/2020-06/10/content_5518391.htm.

[11] 胡心亮，夏品华，胡继伟，等.农业面源污染现状及防治对策[J].贵州农业科学，2011，39（6）：211-215.

[12] 姜译涵，马千蕙，孙兆明.我国农业面源污染总体态势及治理建议[J].合作经济与科技，2022（18）：25-27.

[13] 吴昊平，秦红杰，贺斌，等.基于碳中和的农业面源污染治理模式发展态势刍议[J]. 生态环境学报，2022，31（9）：1919-1926.

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[14] 徐庆坤，李跃琼，杨兰芳，等.高氮水溶肥在结球生菜上的肥效试验[J].云南农业，2022（8）：69-71.

[15] 陶小龙，徐磊，夏磊，等.农业面源污染中农田氮污染对水体的危害及防治措施[J].农业灾害研究，2022，12（6）：161-163.

[16] 冯琳，张婉婷，张钧珂，等.三峡库区面源污染的时空特征及EKC分析[J].中国环境科学，2022，42（7）：3325-3333.

[17] 符才杰.小流域农业面污染现状及污染源治理措施[J].清洗世界，2022，38（6）：111-113.

[18] 陈云超，唐开华.澄江市农业面源污染成因分析及解决措施[J].云南农业，2021（5）：38-40.

[19] 翟艳琼.加强农业面源污染综合治理的有益尝试[J].云南农业，2019（3）：47-48.

（责编：张宏民）