周 科

(華北水利水電大學，鄭州 450011)

0 引 言

進入21世紀以來，隨著農業(yè)生產的發(fā)展和農村居民生活方式的轉變與提高，農村面源污染對水土資源的污染所占的比重越來越大[1]。2015年統(tǒng)計數據表明，農村面源污染成分平均占我國總污染的一半以上，其中，COD占43.7%，TN占57.4%，TP占67.4%。農村面源污染對生態(tài)環(huán)境和經濟社會發(fā)展造成了非常嚴重的后果，為了保護和改善水土資源質量，增加資源的利用率，改善農村生產生活條件，急需提高認識，研究對策措施。

為了實現農村面源污染的科學管控，大量文獻對農村面源污染現狀的評價開展了研究[2]。所用方法包括點荷載法、單位荷載法、輸出系數模型法、水文過程分割法、確定性模型法、數學模型法等[3]。但是，這些方法的推廣應用都存在一定的挑戰(zhàn)，因為大都存在條件的差異、經驗公式的局限性等[4,5]。Shen的研究結論證明，我國大多數農村面源污染模型方法都是直接引用了國外的研究成果，并非適合中國農村地區(qū)的實際情況。

實際上，農村面源污染的復雜特征說明依靠單一的技術往往無法滿足處理效果[6]，因為農村面源污染是由多種污染源和污染組分組成，且具有時空變化和尺度變化特征[7]。因此，為了解決我國農村面源污染問題，必須從系統(tǒng)全局的觀點出發(fā)，研究開發(fā)科學合理、經濟適用的系統(tǒng)性方案，在實現農村污染管控的同時，實現農村廢棄物資源的再生利用[8,9]。

因此，本文基于對農村面源污染源和污染現狀評價的基礎上，提出了農村面源污染管控的生態(tài)循環(huán)框架模式，深入研究了農村面源污染管控基本理論與關鍵技術，并對減少農村面源污染，提高農村污水資源再生水利用率的主要途徑進行了研究。最后，提出了簡便、經濟、易于操作、高效、可持續(xù)和生態(tài)友好型的關鍵技術。

1 農村面源污染控制的生態(tài)循環(huán)戰(zhàn)略框架模式

農村面源污染的4個主要來源包括農村污水、農業(yè)種植、畜禽養(yǎng)殖和水產養(yǎng)殖等[10,11]?？梢月摵显O計組成一個新的生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可作為農村和集中居住區(qū)控制面源污染的戰(zhàn)略框架。該系統(tǒng)屬于廉價、易于運行操作、高效、可持續(xù)和生態(tài)友好型的。在固-液分離處理系統(tǒng)內，污水得到處理、再生利用，通過不同的途徑(灌溉、水產養(yǎng)殖、飼養(yǎng)場沖洗)實現循環(huán)利用。農村廢棄物(居民排泄物、牲畜糞便、魚塘沉積物、作物秸稈等)可以作為厭氧發(fā)酵和沼氣發(fā)電的原材料。沼氣可用于農村照明、取暖、生活和發(fā)電。沼氣殘渣可用作肥料，從而減少化肥的施用量，提高有機農業(yè)產品。本文研究設計的生態(tài)循環(huán)框架模式見圖1。

圖1 農村面源污染生態(tài)循環(huán)模式框架Fig.1 Ecological cycling mode for rural non-point pollution control

該生態(tài)循環(huán)框架模式的主要特點和優(yōu)勢如下：

(1)系統(tǒng)完整性。系統(tǒng)考慮農村面源污染的主要影響因素，這些因素易于控制，處理和區(qū)域層面的管控。

(2)生態(tài)型。生態(tài)綠化過濾帶工程(VFS)技術、生態(tài)溝渠工程(ED)技術、人工濕地工程(CW)技術和沼氣工程(BP)技術全部利用天然凈化過程，適合農村地區(qū)推廣應用。

(3)經濟型。選擇的生態(tài)技術造價低廉，易于操作，高效。

除了污染物控制消減、水資源再生利用、發(fā)電效益外，沼氣肥料也可以為農村地區(qū)提供可觀的經濟效益。

(4)可再生循環(huán)型。生態(tài)循環(huán)模式的觀點是突破傳統(tǒng)的僅僅局限于廢棄物消減的唯一途徑，同時將廢棄物的處理消減和充分利用相結合，實現營養(yǎng)物再生利用的可持續(xù)發(fā)展。

2 農村面源污染管控基本理論與關鍵技術

2.1 污染途徑與原因分析

根據污染源類型，農村面源污染途徑可劃分為固體污染和液體污染途徑。對于固體污染源來說，如過量施用化肥、人畜糞便、主要是通過徑流或淋濾入滲將污染物轉移到受納水體[12]。對于液體污染源來說，污染物可以通過排放直接污染受納水體。以地表徑流為載體且當運移路徑較短時，磷主要滯留在河流岸邊、溝渠、水庫和湖泊。而氮可以同時滯留在地表、地下或整個流域。

農村面源嚴重污染的主要原因是，提高農業(yè)生產目標的壓力、缺乏有效的農業(yè)污染管控政策、農業(yè)種植戶經濟增長壓力、農業(yè)種植模式的局限性、缺乏環(huán)保意識以及缺乏環(huán)保資金支持等。因此，除了需要更加有效的管理措施外，必須開發(fā)經濟高效、經濟可行的處理技術。必須針對農村面源污染、社會經濟特點，加快開發(fā)技術先進、費用成本低廉、易于操作、安全高效、可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)友好的技術措施。

2.2 農村面源污染處理關鍵技術研究

農村面源污染控制生態(tài)工程技術可劃分為3種類型：即源頭控制技術；過程消減技術和終端處理技術[13]。源頭控制技術主要是減少污染物可能排放量和產生量。過程消減技術主要是依靠徑流攔截和河流凈化。終端處理技術是最后一道防線，需要采取生態(tài)工程設施，直接清除污染物[14]。

2.2.1 處理技術的適用性分析

本文提出的農村面源污染生態(tài)處理技術包括生態(tài)溝渠工程(ED)、人工濕地工程(CW)、綠化帶建設工程(VFS)和沼氣工程(BP)等。自從2013年以來，根據國家科技支撐計劃，分別在河南省的開封、商丘、南陽以及許昌、平頂山等地，開展了典型實驗。表1總結了不同生態(tài)工程技術的主要優(yōu)缺點以及可行性。

表1 不同處理技術的主要優(yōu)缺點及適用性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 農村面源污染處理關鍵技術分析

(1)生態(tài)綠化過濾帶工程(VFS)。目前學術界關于(VFS)的定義還沒有統(tǒng)一的規(guī)定，有不同的說法，例如緩沖帶、緩沖區(qū)、過濾帶或過濾區(qū)、河岸植被區(qū)或河岸緩沖區(qū)，其基本含義都是指靠近河岸區(qū)域在一定的范圍內將某種植物和土壤基質相結合的區(qū)域生態(tài)工程。在美國，VFS植草過濾帶的定義是按照一定的設計，建設生態(tài)植被，用來處理附近區(qū)域內的片狀污染徑流。生態(tài)過濾帶通過減緩徑流流速、控制懸移質泥沙、延長攔截時間和提高攔截量，實現過濾和消減徑流泥沙與其他污染物之目的，具有十分明顯的優(yōu)勢。VFS生態(tài)景觀工程用來控制農村面源污染，包括污染的復雜過程控制，泥沙和其他污染物控制、作物營養(yǎng)吸收、土壤污染控制、污染物的微生物降解以及污染物轉移和污染物定位修復?；诤侠淼脑O計和運行維護，過濾帶工程能夠對淺層水流和片流中的污染物(尤其是富營養(yǎng)化)消減取得滿意的效果。

就工程建設和運行而言，生態(tài)過濾帶的寬度設計是最重要的參數。Bhattarai R研究證明[15]，氮磷濃度與生態(tài)過濾帶寬度呈現一階指數型函數關系。魏等人[12]研究證明，增加高入滲能力的緩沖帶寬度和深根系層的木本植物對攔截泥沙和可溶氮具有很好的效果。Bhattarai R[16,17]研究證明，過濾帶在消減污染物質的有效性隨著寬度的增加而增加。

典型實驗證明，過濾帶寬度過長對污染物消減也沒有太大的作用。也就是說，生態(tài)過濾帶存在一個科學合理的設計標準。本文研究認為，生態(tài)過濾帶適宜寬度為6～9 m, 可以根據需要攔截的污水排放量，經分析確定取上限或下限。

(2)生態(tài)溝渠工程(ED)。農田溝渠是化肥使用過剩的重要消減通道，作為特殊的生態(tài)系統(tǒng)，可以起到濕地和河流的雙重作用，促進氮營養(yǎng)消減。溝渠中豐富的氮營養(yǎng)儲量對植物和其他生物量起到了保障作用。但是，溝渠承擔著將大量農田生態(tài)系統(tǒng)中的污染物運移到承納水體的任務，從而嚴重影響了地表水的循環(huán)、水化學特性和生物組成。因此，農田溝渠不僅對農業(yè)面源污染起到沉積作用，而且還有河湖氮污染源的輸送作用。

植物選配是生態(tài)溝渠系統(tǒng)建設中最重要的設計參數。我們對生態(tài)溝渠系統(tǒng)處理生活與農田混合污水的效果進行了檢測，結果發(fā)現，就我們設計的生態(tài)溝渠系統(tǒng)而言，平均可提高富營養(yǎng)化的去除率TN為18%；TP為37%；COD為40%。而且，夏季生態(tài)溝渠內的植物對氮磷去除的貢獻率分別為68%和78%。2014年，我們在河南省豫東試驗站建設了一條長500 m的生態(tài)溝渠，底部用陶粒吸附劑襯砌，觀測結果證明，TN,NO3-N 和NH4-N的平均值分別為52%，53%，58%。

大生物量的合理水分供應是消減農業(yè)污染的基礎。但是，實驗發(fā)現，同非生態(tài)溝渠對比，生態(tài)溝渠對TP的消減量僅有85%，而非生態(tài)溝渠對TP的消減量達到了95%?？赡苁且驗楣探Y生物與綜合沉淀的作用，使得茂密的生態(tài)植被抑制了磷的消除率。

(3)人工濕地工程(CW)。人工濕地工程是利用濕地植物、水流、土壤和復雜的微生物循環(huán)實現污水處理而建造的濕地工程。人工濕地利用了天然濕地系統(tǒng)中物理、化學和生物過程。大量研究證明，如COD、BOD、懸移質顆粒、氮、磷、氨氮以及各類細菌等有機污染物都可以通過人工濕地系統(tǒng)得到較好的處理。

人工濕地系統(tǒng)是實現最佳管理模式和農村面源污染控制的重要手段，也是實現大規(guī)模污染消減的途徑。研究結果證明，人工濕地對懸移質顆粒的去除效率為31%～96%。人工濕地對農業(yè)面源污染中硝酸鹽的去除率可以高達98%。對我國南水北調東線南四湖新薛河人工濕地硝酸鹽去除率的觀測值為53%。TN去除率為50%～61%。

人工濕地對污水的消減率與污水類型、人工濕地規(guī)模、人工濕地基質組成和植物類型有關。具有高吸附性的基質、具有高吸附能力的植物和累積特性以及水力停留時間等是構筑高效人工濕地的主要因素。人工濕地中污染物的去除率還與其他因素有關，例如氣候、污水排放量與組分、水流模式(地表流、水平流、垂直流)，植物類型、植物密度以及植物長勢等有關。由于農村面源污染成分復雜，以及人工濕地污水處理機理的復雜性，因此，就農村面源污染而言，要想得出一個通用的人工濕地規(guī)則和設計標準目前仍然是一個難題。

(4)沼氣工程(BP)。通過對各類有機污染物(如畜禽糞便、人類排泄物、生活污水、雜草和作物秸稈等)的厭氧消化，生產甲烷混合氣，稱之為沼氣。我國對沼氣的研究和應用歷史悠久，近10年以來，我國建設了2650 104處沼氣工程。沼氣工程在農村一般用做生活燃氣、取暖、照明和發(fā)電。家庭沼氣發(fā)電已經成為農村綜合利用廢棄物資源的一項非常有生命力的廢棄物處理工程。在我國，將生態(tài)農業(yè)戰(zhàn)略與沼氣工程創(chuàng)新技術相結合，出現了不同的農業(yè)生產模式，如北方的“四合一”工程、南方的“豬-沼氣、果園”工程、西北部的“五位一體”工程等，這些生產模式使得沼氣工程建設因地制宜，不斷創(chuàng)新。

沼氣工程的發(fā)展，不但提供了清潔易取的可再生能源，為農村取暖、生活和照明提供便利，而且也是減少環(huán)境污染、實現廢棄物處理的可行途徑，同時也是開發(fā)可再生能源，利用厭氧發(fā)酵廢棄物(沼氣廢棄物和液體)的一個好方法。研究結果證明，沼氣廢棄物和液體都可以用作農業(yè)生產的優(yōu)質肥料。沼氣肥料的營養(yǎng)成分還有多種非降解的或不可溶的有機質和無機質，可以吸收大量的可溶性和可利用養(yǎng)分。

根據對河南省淮河流域地區(qū)的沼氣工程肥料取樣調查與實驗室檢測化驗，沼氣肥料的理化成分見表2。

表2 沼氣工程肥料的理化成分檢驗成果表Tab.2 Physical and chemical components of biogas fertilizer

沼氣肥料的應用是實現農業(yè)廢棄物再生循環(huán)，減少化肥施用量，提高農產品生產和質量的一個重要的途徑。沼氣工程是提高農業(yè)秸稈利用率，增加有機肥的一個有效措施。典型實驗研究說明，通過建設沼氣池可以減少化肥施用量50.71%。作為化肥的替代肥料，可以增加土壤有機質31.6%，增加氨氮28.4%，增加可利用磷26.2%，增加可利用鉀12.1%。

3 河南省農村面源污染管控研究

3.1 概 況

河南省面積16 萬km2, 人口1.06億，其中農村人口占60%以上，山區(qū)面積占30%，多年平均氣溫15 ℃～17 ℃, 年平均降水量為560 mm。河南省是我國最重要的農業(yè)生產基地之一，耕地面積68.71 萬hm2,其中有57 萬hm2屬于干旱半干旱地區(qū)，有12 萬hm2。水田，農業(yè)種植、飼養(yǎng)和水產養(yǎng)殖是農村地區(qū)的主要收入來源。河南省占有國土面積不足1.6%，但是糧食生產總量占全國的10%以上，其中小麥生產占全國的25%以上。為了確保糧食產量的不斷提高，化肥、殺蟲劑和除草劑的用量不斷增加，造成了氮磷污染排放量逐年增加，水污染與缺水現象逐年上升。

3.2 河南省農村面源污染評價

本文選擇水體污染指標COD、NH3-N、TN和TP作為水體污染指標，其中，COD 和 NH3-N是國家水污染控制的主要指標，氮 (N) 和磷 (P)是與農業(yè)污染密切相關的富營養(yǎng)化指標。由于缺乏實測數據，我國開展的農村面源污染評價大多數都錯誤地使用SWAT(土壤水評價)模型或ECM(系數輸出)模型。因此大多研究成果提出的地方性工程設施、農藝技術和天然特征都帶有局限性。就河南省而言，現有研究與實驗成果很少，無法獲得污染物排放強度的準確數據，因此，本文采用官方公布的《河南省農村統(tǒng)計年鑒》統(tǒng)計數據分析研究農村面源污染和水系污染。

計算結果表明，2015年，河南省農村地區(qū)NH3-N, COD, TN和TP的污染物排放量分別為35.52萬、118.35萬、 83.06萬和16.980 0 萬t。各類污染物排放量排序為：畜禽養(yǎng)殖>農業(yè)種植>水產養(yǎng)殖>農村污水。農村地區(qū)的畜禽養(yǎng)殖是最大的污染排放源，所產生的NH3-N, COD, TN和 TP分別為17.04萬、85.21萬、 42.78萬和11.59 萬t。分別占總污染物排放量的49%, 65%, 52%, 和 68 %，見表3。農業(yè)種植是氨氮和COD放量的第二大戶，而水產養(yǎng)殖是TN和TP排放量的第二大戶。

表3 2015年河南省農村地區(qū)主要污染物排放量統(tǒng)計Tab.3 Annual production of major pollutants in the rural regions of Henan Province in 2007

據統(tǒng)計，2015年河南省農村人口約6 000 萬人，農村生活污水占TN和TP污水排放總量較少，分別為9%和4%。

典型實驗證明，河南省約有77%的來自農業(yè)種植的污染物(主要是NH3-N, COD, TN和 TP)可以通過植物吸收或微生物降解的途徑解決。大部分畜禽糞便和居民排泄物可以用作農家肥料。約12%～24%的廢水(畜禽糞便和居民排泄物)最終進入附近水體。水產養(yǎng)殖總污染量中有52%～61%的污染物滯留在養(yǎng)殖水體中，而其余污染物直接排入承納河道。

3.3 河南省農村面源污染生態(tài)工程與生態(tài)循環(huán)模式研究

3.3.1 因地制宜，建設綜合性生態(tài)工程

選擇生態(tài)綠化過濾帶工程(VFS)技術、生態(tài)溝渠工程(ED)技術、人工濕地工程(CW)技術和沼氣工程(BP)技術作為重要的源頭控制技術，各類生態(tài)工程技術必須和生態(tài)循環(huán)措施相結合，促進農村污水再生利用和營養(yǎng)物質再循環(huán)利用，形成: 生態(tài)工程技術+生態(tài)循環(huán)+污染物消減+污染資源再生利用+BMP的綜合管控模式。

3.3.2創(chuàng)新最佳管理(BMP)模式，提高面源污染管控的綜合效益

傳統(tǒng)的最佳管理模式(BMP)強調減少用水總量、開展水土流失防治，推廣環(huán)境友好型農業(yè)耕種措施，推廣化肥和農藥、殺蟲劑控制技術，采取徑流管理措施。但是，本文研究認為農村面源污染物同時也可以視為是一種資源，應當盡快研究對應技術，實現變害為利，變廢為寶。

3.3.3 加快示范工程建設和研究成果的推廣應用

目前，應當進一步開發(fā)創(chuàng)新示范工程，對上述生態(tài)工程的技術細節(jié)和適用性深化研究，例如沼氣肥料的施用量、創(chuàng)新沼氣液灌溉方法等。編制技術指南，組織相應的技術應用培訓班，指導終端用戶設計、操作、管理和運行維護。

3.3.4 出臺相應法規(guī)政策，鼓勵技術創(chuàng)新

目前，河南省農村面源污染管控的法律法規(guī)尚屬于空白。應該對現有研究成果系統(tǒng)梳理，總結成功經驗，盡快組織出臺有關的農村面源污染管控措施，省、市、縣三級地區(qū)應該結合地方實際，出臺有效的管理措施和面源污染物排放的控制計劃，簽訂責任書，同時還要制定監(jiān)督、檢查措施和辦法，使監(jiān)督執(zhí)法工作制度進一步規(guī)范化。

4 結 語

(1)本文選擇NH3-N, COD, TN, 和TP作為主要污染物指標，針對河南省現狀，研究農業(yè)面源污染。污染物排放量排序依次為畜禽養(yǎng)殖>農業(yè)種植>水產養(yǎng)殖>農村污水排放。

(2)提出了農村面源污染控制的生態(tài)循環(huán)模式。該模式可作為農村和集中居住區(qū)控制面源污染的戰(zhàn)略框架。該系統(tǒng)屬于廉價、易于運行操作、高效、可持續(xù)和生態(tài)友好型的。

(3)對農村面源污染管控基本理論與關鍵技術進行了研究，包括生態(tài)綠化過濾帶工程(VFS)技術、生態(tài)溝渠工程(ED)技術、人工濕地工程(CW)技術和沼氣工程(BP)技術以及最佳管理模式(BMP)，各類生態(tài)工程技術必須和生態(tài)循環(huán)措施相結合，促進農村污水再生利用和營養(yǎng)物質再循環(huán)利用。

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