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农业面源污染治理技术:源头控制、过程阻断、末端强化、农业面源污染监测

 昵称37581541 2023-07-13 发布于江苏

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秸秆、畜禽粪污等农林废弃物企业、项目、技术推广征集

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  农业面源污染是指在农业生产活动中,氮、磷等营养物质、农药以及其他有机或无机污染物质,通过农田地表径流或渗漏,汇入地表水体造成的水环境污染。国内外相关研究普遍认为,农业面源的污染贡献占流域氮、磷负荷的60%以上,国内有些调查研究认为农业面源的污染负荷可能高达70%。
        近年来,农业农村部、生态环境部等国家有关部委密集出台《关于打好农业面源污染防治攻坚战的实施意见》《重点流域农业面源污染综合治理示范工程建设规划(2016—2020年)》等文件,并于去年由农业农村部牵头发布《“十四五”全国农业绿色发展规划》,把加强农业面源污染防治作为一项重要举措,全面打响农业面源污染防治攻坚战。
        农业面源污染具有分散性、不确定性、滞后性等特点,治理、监管难度大。农业面源污染治理应遵循总量控制原则,采取源头控制、过程阻断、末端强化 4 个方面相结合的途径,并遵循氮、磷营养盐与水的资源化利用原则,力争将农田面源污染控制与农村生态文明建设相结合。

源头控制

农业面源污染发生受土地利用、土壤类型及耕作方式等农业管理的影响。因此,源头控制是核心。

源头控制首要应是做好土地利用规划与空间布局原则。

首先,基层政府应,根据水体的重要性、地形地势、降雨条件和农田距离河湖的位置分级、分区控制污染总量。设置禁限区、缓冲区和发展区,发展根据污染排放程度设置不同类型农业。

其次,应根据地形地势,因势利导,在土壤质地、植被类型及降雨量相似条件下,径流量、泥沙流失量与坡度成正比。

严格依据坡地地形和坡度因地制宜发展种植业生产。比如山地普遍采用“顶林、腰园、谷农、塘鱼”立体开发模式、山坡地等高种植法等。

最后,应保证合理种植业和养殖业的合理平衡。畜禽粪便有机肥是种植业养分循环的重要途径之一。但是,过度施用粗制有机肥将导致土壤氮、磷养分过量积累,增加农业面源污染风险。

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推行农药化肥减量化技术,实现农业可持续发展和水环境保护双赢。

主要措施包括:测土配方精准施肥、科学施肥、合理的轮作和间、套作制度以及生物防虫等等。施药工具的改进都是提高农药施用效率减少农药使用的技术之一,地方政府应根据自身条件,加大措施鼓励和试行各类减量化技术。

水是农田面源污染的介质,又是向下游迁移的动力。因此,节水灌溉,可有效和防止污染物迁移,同时,可减小土壤肥力流失,节约水资源。常用的技术有喷灌、微灌、低压管道等。

农业废弃物也是农业面源污染的主要来源之一,农业废弃物的管理和处理是从源头控制农业面源污染的重要环节。可资源化利用的,按照“循环再生'理论,连接不同的种植业和养殖业,建立循环链。

比如秸秆可直接还田,可过腹形成牛粪后还田,可制作成菌包成为菌渣后再还田,还可做沼气成为沼渣后还田。循环链形式多样,因地制宜,提高资源利用效率。而不可直接进行农业资源化利用的比如农药包装、农膜等,应加强管理和收集。

过程阻断

尽管农业面源污染过程涉及土-水、土-气迁移和废弃物排放等多种过程,但是污染物土壤释放后随水介质的迁移是农业面源污染的普遍形式和特征。因此,在进入受纳水体前,将水迁移的营养盐等污染物采用合适的技术或手段拦截于流域土地系统,是控制农业面源污染的最主要和普遍的任务和工作内容。

农业面源污染具有量大但浓度低的特征。农业面源污染物主要是氮、磷营养盐,排放的大部分污染物经农田进入水体后浓度相对较低,总氮浓度一般<10mg/L,总磷浓度一般<2mg/L。常见于废水处理的传统脱氮除磷工艺去除效率较低且成本高、见效慢。

因此,该部分污染基本均是利用自然处理系统,通常分为:田内污染拦截和离田污染拦截两类。

1)田内拦截技术

生态田埂技术:加高田埂可有效避免降雨造成田面水串流成为地表径流。将现有田埂加高10-15cm,可防御30-50mm降雨产生地表径流。在田埂的两侧可栽种植物,形成生物篱隔离带,在发生地表径流时可有效阻截氮磷养分流失和控制残留农药向水体迁移。根据太湖地区的试验,将田埂高度增加8cm,稻季径流量和氮素径流排放分别降低73%和90%。

生态拦截缓冲带技术:主要用于控制旱地系统氮磷养分和农药残留等向下游水体迁移,较多地用于蔬菜地和花卉地。将旱地农田的沟渠集成生态型沟渠,同时在旱地农田的周边建一生态隔离带,由地表径流携带的泥沙、氮、磷、农药等通过生态隔离带被阻截,在拦截带内被吸收滞留。在太湖沿边的蔬菜地周边生态拦截带对总氮和总磷拦截效率可达 30%-90%,对水溶态磷酸盐拦截效率可达20%-90%,对可溶态硝态氮拦截效率可达10%-98%。

果园生草技术:人工全园种草或果树行间带状种草,所种的草是优良多年生牧草即可减少地表径流量也可以改善果园土壤环境,增加经济效益,还能以草治草,抑制杂草。早在20世纪30年代乌克兰南部果园开始生草栽培方面的实验,40年代美国开始重视生草技术的研究与推广。70-80年代以后,果园生草技术已相当成熟,发达国家如日本和欧美等已行大面积示范推广。

根据种植带宽不同,可极显著或显著降低径流量、土壤流失量,径流总磷、可溶性磷浓度、径流总氮、铵态氮、可溶性氮浓度和氮、磷流失量。


生物篱技术:指在坡地的坡面上沿等高线或果园梯地的坡边(中上部)按一定间距种植耐旱、耐瘠、矮杆、根系较发达的多年生植物,使之形成梯状的拦护带,利用其根基固土保水。

坡面布设植物篱后,在近地面茎枝带形成回水带,使土壤颗粒沉积下来,在篱前淤积,并且随着篱前淤积泥沙的不断加高加宽和形成连续的淤积带,回水带宽度增加,篱前坡度不断减少,篱坎淤高形成淤积层,逐步淤积,最终形成生物梯田。

70年代以来对不同长度、密度及类型的植物过滤带控制养分流失及由此产生的面源污染的效果有大量报道。即使低密度的植物过滤带也可有效控制养分流失,可吸收营养盐、有机物、重金属,还可以吸附大肠杆菌,平衡pH值。

是植物篱和有机质以及微生物体的共同吸附作用,根据各类小区实验对比研究,净化效率可达75%~85%,尤其是对磷的吸附作用显著。


填闲种植技术:过量施用氮肥所造成的硝酸盐淋洗是集约化设施蔬菜生产区普遍存在的问题。根据土壤氮素状况在非蔬菜生长时期填加一季短期作物(填闲作物)促进土壤氮素吸收是减少菜地硝酸盐积累与地下水硝酸盐淋洗的有效途径。研究表明,与休闲处理相比,种植不同的填闲作物可使氮素淋洗量降低50~100%。

2)离田拦截技术

生态沟渠技术:田间沟渠是用于雨季田间排水,防止田间作物渍害的重要农田基本设施。农田沟渠过度硬质化,尽管有利于排水,但不利于田间面源污染物拦截。

为了控制农业面源污染,田间沟渠需要兼顾农田排水和农田面源污染物的拦截作用。我国该类工程的现状,多是通过对现有沟渠的生态改造和功能强化,利用物理、化学和生物的联合作用对污染物主要是氮磷营养盐进行强化净化和深度处理。太湖稻区生态沟渠对氮磷拦截效率平均可达40%以上。昆明蔬菜种植区生态支沟对氮、磷拦截效率可达35%和50%。

生态沟渠通常采用梯形断面、复式断面和植生型防渗砌块技术,系统主要由工程部分和生物部分组成,工程部分主要包括渠体及生态拦截坝、节制闸等,生物部分主要包括渠底、渠两侧的植物。

两侧沟壁和沟底可以选择由蜂窝状水泥板(也可直接采用泥土沟壁)等组成,两侧沟壁具有一定坡度,沟体较深,沟体内相隔一定距离构建小坝减缓水速、延长水力停留时间,使流水携带的颗粒物质和养分等得以沉淀和去除。不同等高的生态沟渠之间通过节制闸连接。

农田排水口与生态沟渠排水口距离应在50m以上。必要时,还应在农田排水出口与生态沟渠连接处,设置初沉池,用于收集农田径流颗粒物。

水生植物的存在可以加速氮、磷界面交换和传递,从而使污水中氮、磷的浓度快速减小,具有良好地净化效果。收割植物进行还田等资源化利用可解决二次污染问题。

生态沟渠建造灵活、无动力消耗、运行成本低廉。生态沟渠框架釆用泥质还是硬质取决于当地土地价值、经济水平等因素。土地紧张、经济发达的地区建议采取水泥硬质框架,而土地不紧张、经济实力弱的地区可以采取泥质框架。


生态护岸边坡技术:农业面源污染治理中以建设滨水生态缓冲带为主。生态缓冲带是一项水土保持治理措施,指在水体与陆地交界的一定区域内建设乔灌草相结合的立体植物带,在农田与水体之间起到一定的缓冲作用。

具体有五大显著功能:

一是控制水土流失,防止河床冲刷,减少泥沙进入河道。

二是利用缓冲带植物的吸附和分解作用,减少来农业区的氮、磷等营养物质进入河道,形成控制面源污染的最后一道防线,达到保护和改善水质的目的。

三是缓冲带在溪流沿岸构成了一定自然风景线,美化了河流生态景观,改善了人居环境。

四是为鸟类等野生动物提供了栖息场所。

五是促进生态农业、观光农业、休闲农业的协调发展,增加群众收入,实现经济效益和生态效益双赢。

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一般采用陆生-湿生-水生完全演替系列生态修复,主要包括绿化隔离带、乔草防护带、灌草防护带、挺水植物带和浮叶、沉水植物带5个部分。其中,灌草防护带和挺水植物带因地制宜或带状分布,或交错块状分布。

在水库与近岸适宜区域恢复湿地植物带,恢复以水生植物为主导的水生态系统结构,增强水生态系统的活力。陆域建设生态防护林。研究表明,9~15m的过滤带的泥沙去除率都在90%以上,TP去除率为80%~90%,TN去除率为75%~95%,去除率随着宽度的增加而增加。

但也有研究发现,20m以上的缓冲带,会增加可溶性磷的含量。灌草复合型缓冲带去除效率最高,乔木去除效率较低,但抗剪切能力强。

末端强化

末端治理是指农业面源污染物质离开农田经沟渠迁移被汇流收集,在进入自然水体前的末端被强化净化与资源化处理,以保证入流水质达到控制要求。

末端强化治理的技术措施包括前置库技术、生态塘技术和人工湿地技术等。这类技术多通过对现有塘池的生态改造和功能强化。

前置库技术因其费用较低、适合多种条件等特点,是目前防治面源污染的有效措施之一。前置库技术通过调节来水在前置库区的滞留时间,使径流污水中的泥沙和吸附在泥沙上的污染物质在前置库沉降;利用前置库内的生态系统,吸收去除水体和底泥中的污染物。

前置库通常由沉降带、强化净化系统、导流与回用系统3个部分组成。沉降带可利用现有的沟渠,加以适当改造,并种植水生植物,对引入处理系统的地表径流中的污染颗粒物、泥沙等进行拦截、沉淀处理。

强化净化系统分为浅水净化区和深水净化区,其中浅水生态净化区类似于砾石床的人工湿地生态处理系统。

深水强化净化区,提供厌氧环境,利用具有高效净化作用的易沉菌藻生物团,也可利用具有固定化脱氮除磷微生物的漂浮床、以及其他高效人工强化净化技术进一步去除氮、磷和有机污染物等。

滇池草海湖内前置库,水力停留时间20d左右,对TP、TN和NH3-N等污染负荷年均削减率分别达到38.0%、51.9%和65.7%。

生态塘技术:利用引流渠和生态塘池收集农田排水,集中处理。系统一般包括二部分,位于前端的沉降塘系统和位于后端的滞留系统,沉降塘系统深度要大于后端。

生态塘通常因地制宜,依当地地势、地形、地貌和当地实际情况而建,采取废弃塘改造成本低,泥质和硬质化均可,取决于当地土地和经济发展水平。生态塘长、宽、深比例,植物种类、密度、生长和植物配置影响生态塘对农田面源污水中污染物拦截效率。

据昆明滇池流域的试验,蔬菜种植区生态塘池对氮磷滞留率可达20%以上。生态塘池长期运行后,应该对其进行清淤,清除的淤泥经过合理处理可回用肥田。

人工湿地技术:通过拦截带、生态排水系统可拦截大部分农田排放的氮磷及残留农药等,仍有一部分氮磷和农药存在,直接排入水体有污染风险。在农业区下游,建设一个或若干湿地,收集生态塘系统处理的排水,对其进行深度处理,有利于将农田面源污染降低到最低限度。

农村地区土地资源丰富,从便于维护和管理角度考虑,一般选用表面流湿地。湿地系统包括水收集沉降区和水净化植被过滤区二部分。收集沉降区一般占湿地总面积20-30%,深度一般1-1.5m,水净化植被过滤区占湿地总面积74%-80%,深度0.2-0.4m。

农田面源污染产生量受降雨的强烈影响,末端治理措施在设计时应充分考虑降雨径流的水量,尤其是对初雨的滞蓄。

农业面源污染监测

农业面源污染受降雨、土壤、地形、作物、种植方式等边界条件影响较大,各地农业面源污染特征差异较大。因此,污染监测、污染类型诊断显得非常重要。探明一定区域内农业面源污染主要污染物类型,污染物向水体迁移途径、发生强度、时空规律及其关键影响因素等,对选择农业面源污染防治技术,制定科学、合理、低成本、可持续、高效的农田面源污染控制措施与方案具有重要参考价值。

需采集的样品主要有以下四种:关键(或典型)时期农田径流水、沟渠水、淋溶水样和挥发再沉降通量。其中,采集径流水需设置径流收集管和相应的径流池、排泄池。

径流池、排泄池根据当地单场暴雨量及其产流量、径流小区面积、农田种植作物类型等具体情况来设计。观测不同时段应包括:日动态、月动态、季动态,降雨历程等。

农业面源污染控制

农业面源污染过程控制和末端治理中广泛利用生物(主要是植物)介质拦截、吸纳和利用营养盐污染物、这些生态工程中水生植物死亡后沉积水底会腐烂,向水体释放有机物质和氮、磷元素,造成二次污染。

为防止二次污染,应对农田面源污染防治工程内的功能植物进行定期收获、处置、利用。为便于利用,功能植被品种的选择,应尽量选择当地有经济效益的植被,从而提高功能植被回收的可操作性。

农业面源污染来源复杂,如果一味只按照总量控制原则,各类污染径流集中后再处理,既增加了处理难度,导致处理效率低,也忽略了部分有毒有害难降解污染物,增加了环境风险。

而且,在实际生产过程中,农业面源污染受农时、降雨影响大,污染的排放其实又相对集中。如能根据污染排放特征,政府引导合理布局种养产业,在实际处理过程中,做好分类收集、分时处理,从而就可实现精准控制,提高处理效率。

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