太湖流域西部地區(qū)面源污染特征及其控制技術(shù)

邊 博,朱 偉,李 冰,吳海鎖,周靈君

(1.江蘇省環(huán)境科學研究院,江蘇 南京 210036; 2. 江蘇省環(huán)境工程重點實驗室，江蘇 南京 210036;3.河海大學環(huán)境學院，江蘇 南京 210098)

太湖流域西部地區(qū)面源污染特征及其控制技術(shù)

邊 博1,2,朱 偉3,李 冰1,吳海鎖1,周靈君1,2

(1.江蘇省環(huán)境科學研究院,江蘇 南京 210036; 2. 江蘇省環(huán)境工程重點實驗室，江蘇 南京 210036;3.河海大學環(huán)境學院，江蘇 南京 210098)

針對太湖流域西部地區(qū)源污染的主要來源,依據(jù)由單元田間試驗和小流域出口營養(yǎng)鹽輸出監(jiān)測值與流域土地利用結(jié)構(gòu)關(guān)系推算獲得輸出系數(shù),計算了種植業(yè)典型土地利用類型的COD、TN、NH3-N和TP的排放量,結(jié)合其他種類面源排放量,指出太湖流域西部地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染呈現(xiàn)出農(nóng)村生活污水和種植業(yè)污染為主的排放特征。提出了面源污染適宜推廣的處理模式,梳理不同種類面源污染處理存在的主要問題并相應(yīng)提出面源污染控制建議,為太湖流域面源控制提供參考。

面源控制;輸出系數(shù)模型;污染排放特征;土地利用方式;太湖流域

隨著太湖流域工業(yè)污染點源和城鄉(xiāng)污水治理逐步到位,面源污染占污染負荷的比重逐步提高,流域面源污染已成為太湖水體污染的主要來源和該流域污染治理的主要矛盾[1]。如何大幅度削減排污總量,制訂具有針對性和可行性的面源治理措施,實施小流域面源污染控制工程顯得十分必要。由于流域內(nèi)面源污染產(chǎn)生量大,發(fā)生時隨機性和污染源不易確定性,面源污染控制起來難度較大[2-5]。因此開展太湖流域西部區(qū)域面源主要污染物特征解析及控制研究,不僅對該地區(qū)具有現(xiàn)實意義,而且對整個太湖流域都具有重要作用。

本研究以太湖流域西部地區(qū)為對象,研究區(qū)面積 5 272 km2,占太湖流域總面積的14%,基本涵蓋了太湖流域上游主要入湖河流,河網(wǎng)區(qū)水質(zhì)達標率僅為17%,是影響太湖水體,特別是梅梁灣、竺山灣水質(zhì)的主要區(qū)域[1]。

太湖地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染主要包括種植業(yè)污染、養(yǎng)殖業(yè)污染和農(nóng)村居民生活污染等。特別是種植業(yè)面源由于其形成過程受區(qū)域氣候條件、土地利用方式和降水過程等多種因素影響,具有污染產(chǎn)生過程復雜、排放途徑及排放量不確定、污染負荷的時空變異性等特點,因而造成了種植業(yè)面源污染負荷難以準確核算[6]。

影響種植業(yè)面源污染的關(guān)鍵性因素是土地利用方式。一般而言,研究人員相對容易得到種植業(yè)土地利用資料,可建立土地利用與面源污染負荷之間的關(guān)系,定量研究流域內(nèi)不同土地利用類型輸出污染物的負荷,為種植業(yè)面源污染負荷的核算提供依據(jù)。根據(jù)這一思路,國內(nèi)外研究者提出并改進了輸出系數(shù)模型,該方法直接建立流域土地利用類型與種植業(yè)污染輸出量的關(guān)系,利用污染物輸出系數(shù)來估算流域輸出的面源污染負荷,有效避開了面源污染發(fā)生的復雜過程。該模型所需參數(shù)少、操作簡便,又具有一定的精度和廣泛的適用性,很大程度上反映了區(qū)域面源污染輸出強度[7-8]。因此開展區(qū)域輸出系數(shù)研究對于認識區(qū)域面源污染特征、強度以及建立面源污染模型提供了一種有效途徑[9-13]。

本研究采用的土地利用類型的輸出系數(shù)由單元田間試驗和小流域出口營養(yǎng)鹽輸出監(jiān)測值與流域土地利用結(jié)構(gòu)關(guān)系推算獲得[14],輸出系數(shù)具有較好流域尺度適用性[10];同時利用多年降雨徑流關(guān)系計算流域徑流深分布,考慮降雨徑流的空間差異影響,并將輸出系數(shù)模型與地理信息系統(tǒng)(GIS)與遙感(RS)技術(shù)相結(jié)合,從而進一步提高了模型精度。

本文通過現(xiàn)場調(diào)查、實測方法以及輸出系數(shù)模型,核算太湖流域西部地區(qū)內(nèi)面源排放量,明確研究區(qū)面源污染的排放特征,基于不同面源類型的典型治理實例,確定了不同類型面源污染的適用或推薦技術(shù),并提出了治理模式相關(guān)建議,從而為太湖流域面源控制提供科學指導。

1 面源污染劃分及其計算

1.1 面源污染的劃分

農(nóng)村面源污染又稱農(nóng)村非點源污染,主要是指從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活活動時所產(chǎn)生的污染物,如農(nóng)田中的土粒,氮素,磷素,農(nóng)藥及其他有機或無機污染物質(zhì)(本文未涉及)在降水或灌溉過程中,通過農(nóng)田地表徑流,農(nóng)田排水和地下滲漏進入水體,引起水質(zhì)污染的過程。典型的農(nóng)村面源污染包括農(nóng)田徑流(化肥),水土流失,農(nóng)村生活污水,農(nóng)村水產(chǎn)及畜禽養(yǎng)殖等造成的污染。太湖流域江蘇農(nóng)村現(xiàn)代化和城市化發(fā)展迅速,特別是城鄉(xiāng)一體化的發(fā)展,使得該研究區(qū)的農(nóng)業(yè)面源污染主要有農(nóng)業(yè)種植業(yè)、農(nóng)村生活、畜禽糞便和水產(chǎn)養(yǎng)殖污染等主要類型。

1.2 計算方法

1.2.1 種植業(yè)

種植業(yè)調(diào)查內(nèi)容包括種植種類,種植面積、肥料施用情況等。為了確定西部區(qū)域種植業(yè)面源污染排放系數(shù),選擇常州市雪堰鎮(zhèn)和宜興丁蜀鎮(zhèn)作為典型代表區(qū),對種植業(yè)污染的產(chǎn)生、遷移和轉(zhuǎn)化特征進行研究,構(gòu)建輸出系數(shù)模型,計算研究區(qū)各類種植業(yè)各類營養(yǎng)鹽輸出負荷,輸出系數(shù)模型如式(1)所示。

(1)

式中:Lj為第j種營養(yǎng)鹽輸出負荷；Ei,j為第i種土地利用類型的第j營養(yǎng)鹽的輸出系數(shù)(以濃度表示),通過實驗獲取輸出系數(shù);Ai為第i種土地利用類型的面積,通過遙感解譯獲取土地類型面積;Qi為第i類土地利用類型上產(chǎn)生的徑流量,通過利用SCS(soil conservation service)模型確定模型中Q值,主要依據(jù)宜興市降雨資料;其中j分別為COD、TN、NH3-N和TP 4種污染物指標,i分別為耕地—旱地、耕地—水田、園地和保護地4種土地利用類型。

1.2.2 養(yǎng)殖業(yè)

a. 畜禽養(yǎng)殖業(yè)。調(diào)查內(nèi)容包括畜禽養(yǎng)殖種類、養(yǎng)殖的數(shù)量(包括生長各階段的以及年末的存、出欄量)、畜禽養(yǎng)殖場的類型以及污染物排放的形式、排放去向、受納水體等。研究根據(jù)農(nóng)業(yè)污染源基本數(shù)據(jù),實地調(diào)查了畜禽養(yǎng)殖情況,對區(qū)域內(nèi)畜禽養(yǎng)殖種類、存欄量、排放去向、處理方式等情況進行了詳細調(diào)查;并根據(jù)養(yǎng)殖種類的不同,采集多處有區(qū)域代表性的養(yǎng)殖場進行了實際監(jiān)測,初步計算出畜禽養(yǎng)殖業(yè)排污量[15],如式(2)所示。

W畜禽=N飼t(δ1α1+δ2α2)

(2)

式中:W畜禽為畜禽養(yǎng)殖的污染物排放量,N飼為飼養(yǎng)數(shù);t為飼養(yǎng)期;δ1為畜禽個體日產(chǎn)糞量;α1為畜禽糞中污染物平均含量;δ2為畜禽個體日產(chǎn)尿量;α2為畜禽尿中污染物平均含量。

研究中設(shè)定牛、豬、雞和鴨的飼養(yǎng)周期分別為365 d、150 d、60 d和60 d;牛、豬、雞和鴨的糞和尿產(chǎn)生量分別為20 kg/d、10 kg/d; 2 kg/d、3.3 kg/d; 0.1 kg/d、0.0 kg/d;0.1 kg/d、0.0 kg/d。

不同養(yǎng)殖種類的糞和尿中污染物平均質(zhì)量比見表1所示。

表1 畜禽糞便中污染物平均質(zhì)量比 kg/t

b. 水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)。調(diào)查內(nèi)容包括水產(chǎn)養(yǎng)殖類型、養(yǎng)殖面積、養(yǎng)殖過程中投放飼料、藥物等情況以及污染物排放形式、排放去向和受納水體等。研究根據(jù)所獲得的全國污染源普查基本數(shù)據(jù),選擇典型水產(chǎn)養(yǎng)殖地,采用試驗和觀察的方式,得到水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物排放與人工管理、養(yǎng)殖種類、天氣條件等人為和自然因素的關(guān)系。通過實際測量來確定水產(chǎn)養(yǎng)殖的污染物排放系數(shù);同時與經(jīng)驗值比對驗證。結(jié)合水產(chǎn)養(yǎng)殖面積可以推算出水產(chǎn)養(yǎng)殖排污量[15],水產(chǎn)規(guī)模化養(yǎng)殖排放量按以下方法測算(式(3))。

W水產(chǎn)=NΔCi

(3)

式中:W水產(chǎn)為養(yǎng)殖單位面積的排入水體污染物量；N為年排水量；ΔCi為污染物濃度的增量(表2)。

表2 水產(chǎn)養(yǎng)殖及農(nóng)村生活污水排放濃度增量

1.2.3 農(nóng)村生活污水

根據(jù)統(tǒng)計年鑒,了解并核實調(diào)查范圍內(nèi)城鎮(zhèn)人口、農(nóng)村人口、流動人口的數(shù)量和分布情況,選取有代表性的鎮(zhèn)、村,抽樣調(diào)查各種不同類型居民的生活方式和生活習慣,確定城鎮(zhèn)和農(nóng)村人均綜合用水量、人均綜合排水量、生活污水平均濃度等生活污染的統(tǒng)計參數(shù),采用已有生活污水集中處理廠接管情況對生活污水排放統(tǒng)計結(jié)果進行校核,對出現(xiàn)的偏差進行合理調(diào)整[15],農(nóng)村生活污水排放量測算按公式(4)和表2進行。

W生活=N農(nóng)α3

(4)

式中:W生活為農(nóng)村生活污水排放量；N農(nóng)為農(nóng)村人口數(shù);α3為農(nóng)村生活排污系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 研究區(qū)面源排放構(gòu)成特征

農(nóng)業(yè)面源污染主要以農(nóng)村生活污水和種植業(yè)污染為主,4項污染物指標均超過農(nóng)業(yè)面源污染總量的2/3,而TN主要來自農(nóng)村生活污水和種植業(yè)污染,所占比例高達91%,水產(chǎn)養(yǎng)殖污染相對較小,農(nóng)業(yè)面源排放構(gòu)成圖1所示。

圖1 研究區(qū)污染物排放量及構(gòu)成比例

本文分析了2010年研究區(qū)內(nèi)種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖的情況,詳細計算出了各類農(nóng)業(yè)面源的污染物(COD、NH3-N、TN、TP)排放量。

研究區(qū)主要有旱地、水田、茶園、桑園、果園5種農(nóng)用地類型,種植面積約13.08萬hm2,利用模型對研究區(qū)種植業(yè)污染源主要污染物排放量進行估算,COD、NH3-N、TN和TP輸出污染負荷分別為6 010 t、206 t、2 425 t 和95 t。畜禽養(yǎng)殖場共有2 453家,總存欄量約53.88萬頭,COD、NH3-N、TN、TP排放量分別為7 782 t,228 t、360 t和106 t。網(wǎng)箱養(yǎng)殖7 000 hm2,池塘養(yǎng)殖18 200 hm2,水產(chǎn)養(yǎng)殖COD、NH3-N、TN、TP排放量分別為2 394 t、153 t、273 t和46 t。農(nóng)村人口290萬人,農(nóng)村生活污水產(chǎn)生總量為0.85億t,COD、NH3-N、TN、TP排放量分別為16 000 t、3 300 t、4 000 t和320 t。結(jié)果表明,農(nóng)業(yè)面源污染排放COD、NH3-N、TN、TP排放總量分別為32 186 t、3 887 t、7 059 t和567 t。

2.2 種植業(yè)面源排放量計算

采用輸出系數(shù)模型計算研究區(qū)典型農(nóng)用地旱地、水田、茶園、桑園、果園和其他園地等種植業(yè)面源COD、TN、NH3-N和TP的排放量,研究區(qū)農(nóng)業(yè)用地總面積為1 254.89 km2,其中,水田分布面積最大,為833.37 km2;旱地次之,為236.27 km2;果園、茶園和桑園面積分別為101.19 km2、51.18 km2和3.58 km2;而其他園地總面積約29.54 km2,見圖2所示。

圖2 研究區(qū)主要農(nóng)用地土地利用類型

輸出系數(shù)模型中,地表徑流量Qi采用美國水土保持局提出的SCS(soil conservation service)降雨徑流模型進行計算;CN值結(jié)合流域的實際情況確定各土地利用類型值;降水量采用宜興市46年(1960—2005年)水文監(jiān)測平均數(shù)據(jù)。研究利用SCS曲線法計算得到不同土地利用類型的不同季節(jié)徑流深,同時用宜興市1986—2007年官林鎮(zhèn)、橫山水庫、湖父鎮(zhèn)、宜興市4個水文站20 a連續(xù)降雨統(tǒng)計資料計算年平均降雨量,最終計算輸出系數(shù)模型中的徑流量。采用典型小流域?qū)嶋H監(jiān)測值計算的營養(yǎng)鹽輸出負荷與模型估算的小流域營養(yǎng)鹽輸出負荷結(jié)果,進行比較并對模型估算精度進行檢驗,流域內(nèi)選擇了5個典型的小流域出口設(shè)立監(jiān)測點監(jiān)測了流域出口的COD、TN、NH3-N和TP輸出濃度和流量與輸出系數(shù)模型估算進行校核,分析誤差存在原因并進行參數(shù)調(diào)整,確定模型計算最終的輸出系數(shù),如表3所示。

表3 研究區(qū)各類土地利用類型輸出系數(shù) mg/L

輸出系數(shù)模型在流域尺度上具有一定可靠性,可為流域面源污染負荷估算提供依據(jù)。

同時根據(jù)小流域輸出污染物匯入河流的斷面水質(zhì)情況,通過輸出負荷和河流污染物通量變化值進一步檢驗輸出系數(shù)模型計算結(jié)果,小流域內(nèi)COD、TN、NH3-N和TP誤差分別為7.6%、9.5%、8.9%和4.5%,誤差在10%以內(nèi),基本符合模型計算精度要求,通過確定的輸出系數(shù)計算出: 2010年研究區(qū)COD、NH3-N、TN、TP的年輸出平均污染強度分別為1.14 t/hm2、0.039 t/hm2、0.46 t/hm2和0.018 t/hm2(圖3),輸出污染負荷分別為6 010 t、206 t、2 425 t和95 t(圖1)。研究區(qū)內(nèi)通過產(chǎn)排污系數(shù)計算得出:種植業(yè)面源COD、NH3-N、TN和TP輸出污染負荷分別為6 897 t、233 t、2 808 t和105 t。這兩種計算結(jié)果相比,輸出系數(shù)模型計算的結(jié)果偏小,主要由于流域出口監(jiān)測主要污染物指標受眾多影響因素,情況比較復雜,污染物在徑流遷移過程中發(fā)生了降解、吸附等衰減作用,使得不同污染指標輸出系數(shù)濃度可能偏小,比如COD容易發(fā)生降解,使得通過模型和排污系數(shù)計算的COD污染負荷的差值比其他污染指標差值大。

圖3 研究區(qū)2010年污染負荷輸出空間分布

2.3 太湖流域西部區(qū)域面源控制技術(shù)及模式

2.3.1 農(nóng)村生活污水處理模式及技術(shù)

a. 納入城鎮(zhèn)污水處理管網(wǎng)集中處理模式。研究區(qū)結(jié)合農(nóng)村環(huán)境綜合整治、連片整治、水環(huán)境綜合治理和生態(tài)市創(chuàng)建,農(nóng)村生活污水處理取得了較快發(fā)展。以前絕大部分村莊沒有排水渠道和污水處理系統(tǒng)、生活污水隨意排放的現(xiàn)象已得到改善。對于接近城區(qū)、鎮(zhèn)區(qū)且滿足城鎮(zhèn)污水收集管網(wǎng)接入要求的村莊,擴大了城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)的延伸覆蓋,納入城鎮(zhèn)污水收集處理系統(tǒng),目前部分村莊的生活污水已實現(xiàn)了接管集中處理。但集中污水處理并不能解決無管網(wǎng)覆蓋地區(qū)水環(huán)境污染問題。在遠離城市、鎮(zhèn)區(qū)的鄉(xiāng)村,集中管網(wǎng)無法通達,即使能夠隨主要道路延伸,接管費用和長途污水泵站輸送、運行費用都非常高,單位污水處理成本也大大提高,可以因地制宜地選擇接管。

b. 分散式農(nóng)村生活污水處理模式。經(jīng)調(diào)查,區(qū)域內(nèi)分散式處理技術(shù)主要采用以下工藝:無動力(微動力)土壤處理系統(tǒng)、A/O法生化-人工濕地系統(tǒng)、生物濾池-表面流人工濕地系統(tǒng)、塔式蚯蚓生態(tài)濾池-生態(tài)溝渠系統(tǒng)、阿科蔓原位處理系統(tǒng)、厭氧池-跌水充氧接觸氧化池-人工濕地系統(tǒng)、脫氮池-脈沖多層復合濾料生物濾池-人工濕地系統(tǒng)及其他工藝,不同工藝處理污水量及比例如圖4所示。

圖4 農(nóng)村生活污水不同工藝處理污水量及比例

研究區(qū)內(nèi)超過50%的農(nóng)村生活污水處理工程用無動力或微動力土壤處理系統(tǒng),處理總水量達231萬t;其次為“脫氮池-脈沖多層復合濾料生物濾池-人工濕地”系統(tǒng)和“厭氧池-跌水充氧接觸氧化池-人工濕地”系統(tǒng),二者處理水量分別為82萬t和56萬t。進一步分析對比各種分散式生活污水處理工藝的適用性與處理效果,結(jié)果見表4。不同處理技術(shù)因為污水特征及現(xiàn)場條件的差異,處理效果有些差別。單純的有動力污水處理技術(shù)運行成本較高,單純的無動力生活污水處理技術(shù)效果較差,為了以較少投入達到較好的污水處理效果,根據(jù)蘇南生活污水治理工作中的經(jīng)驗,優(yōu)先推薦“動力生化+人工濕地”組合技術(shù),結(jié)合其他幾種農(nóng)村分散式生活污水處理技術(shù),形成太湖流域農(nóng)村分散式生活污水處理推薦技術(shù)方案,見表5。方案中幾種處理技術(shù)污染物削減范圍大致為:COD79%～88%,NH3-N61%～83%,TN43%～85%,TP55%～90%,對于處理規(guī)模不超過500 t/d的農(nóng)村生活污水處理工程出水COD、NH3-N、TN和TP 4項指標執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級B標準。

表4 分散式農(nóng)村生活污水處理效果

2.3.2 畜禽養(yǎng)殖處理模式及技術(shù)

a. 分散式畜禽養(yǎng)殖管理減排處理模式。江蘇省在畜禽養(yǎng)殖業(yè)環(huán)境管理和污染治理方面開展大量工作,探索和實踐了管理的有效途徑,2008年召開太湖流域農(nóng)業(yè)面源污染防治工作會議,結(jié)合江蘇省《太湖流域畜禽養(yǎng)殖布局規(guī)劃及面源污染治理工作方案》的要求,對江蘇省畜禽養(yǎng)殖實行分區(qū)管理,分步治理,劃定畜禽禁養(yǎng)區(qū)、限養(yǎng)區(qū)和適度發(fā)展區(qū),特別對太湖流域分散式養(yǎng)殖管理效果顯著。

b. 分散式小型規(guī)?；B(yǎng)殖集中收集處理原位資源化利用模式。養(yǎng)豬場豬糞、豬尿污水不僅含有高濃度有機污染物和高濃度固態(tài)懸浮物,而且富含N、P等營養(yǎng)元素,NH3-N濃度高,這些污水直接排放將對環(huán)境造成很大的污染,針對武進區(qū)禮嘉片“萬頃良田”建設(shè)規(guī)劃區(qū)大量需求有機肥的實際,將規(guī)劃區(qū)周圍74戶養(yǎng)殖戶(圖5)(每戶存欄量幾百頭豬,總存欄量14 566頭豬)的豬糞便污水統(tǒng)一收集,與經(jīng)過預處理的部分農(nóng)作物秸稈混合后集中處理,利用“萬頃良田”建設(shè)規(guī)劃區(qū)完善的排灌設(shè)施,把3萬t糞便污水轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需要的優(yōu)質(zhì)有機肥料,真正做到養(yǎng)殖污染物減量化、資源化、無害化,達到零排放的目標。針對分散式規(guī)?；B(yǎng)殖豬糞“養(yǎng)殖戶收集、社會化清運、企業(yè)處理、區(qū)鎮(zhèn)監(jiān)督”典型新處理模式,不同規(guī)模分散式畜禽糞便全量統(tǒng)一收集后運送到沼氣工程進行無害化處理,產(chǎn)生的沼肥回用農(nóng)田,其工藝流程見圖6。

表5 太湖流域農(nóng)村分散式生活污水處理推薦技術(shù)

圖5 小型規(guī)?；B(yǎng)殖場分布

圖6 分散式規(guī)?；B(yǎng)殖豬糞沼氣化主要處理流程工藝

c. 大型規(guī)模化養(yǎng)殖原位收集處理和資源化利用模式。宜興市興望農(nóng)牧有限公司現(xiàn)有1 200頭種豬場,年出欄種豬、商品豬2萬頭,沼氣發(fā)電工程年處理豬糞尿25 000 t,年產(chǎn)沼氣36.5萬m3,發(fā)電機組80 kW,年發(fā)電69萬kW·h,產(chǎn)生的25 000 t沼液、沼渣作為有機肥澆灌200 hm2果樹、苗木和有機稻米基地133.33 hm2。將每天產(chǎn)生的豬糞尿、沖洗水收集到豬糞收集池,經(jīng)格柵攔渣去除如塑料袋、草繩等無機雜物后進入均質(zhì)調(diào)節(jié)池通過攪拌使之均勻,然后泵入?yún)捬醢l(fā)酵罐進行厭氧發(fā)酵處理,產(chǎn)生的沼氣通過熱電聯(lián)產(chǎn)的沼氣發(fā)電機組用來發(fā)電,供養(yǎng)殖場內(nèi)作為生產(chǎn)和生活所需部分電能;沼氣發(fā)電機組所產(chǎn)生的余熱用于厭氧消化罐增溫;厭氧發(fā)酵所產(chǎn)生的沼液和沼渣用于無公害種植基地有機肥料。由于農(nóng)作物施肥過程中部分氮、磷等營養(yǎng)成分隨著地表徑流和地下滲透流失,采取建設(shè)生態(tài)溝渠、生態(tài)塘、生態(tài)防護林以及生物有機肥的施用,對農(nóng)作物生產(chǎn)所產(chǎn)生的面源污染進行控制,以達到安全排放標準,保護項目區(qū)水環(huán)境。生態(tài)溝渠塘中的堆積的淤泥可還施于無公害種植基地,種植的部分水草也可以用來作為畜禽養(yǎng)殖的飼料,其工藝路線實現(xiàn)“減量化、無害化、資源化、生態(tài)化”目標要求,詳見圖7。

圖7 大型規(guī)?；B(yǎng)殖原位收集處理和資源化工藝流程

對于研究對象為選擇了沼氣處理利用方式為主的代表性規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場,沼氣工藝處理效果為:單純采用沼氣工藝對COD的去除率為46.02%～88.70%,平均為63.83%,但采用“沼氣+好氧”混合處理方式對COD的去除率可達到93.85%。單純采用沼氣工藝對TP的去除率為50.02%～80.00%,平均為66.06%,但采用“沼氣+沉淀”混合處理方式對TP去除率可達到71.95%。沼氣工藝對NO3-N、NH3-N和TN的去除率整體水平表現(xiàn)為:NO3-N> NH3-N>TN,去除率分別為62.57%～83.17%、41.11%～61.88%、14.13%～64.37%,平均去除率分別為71.16%、50.86%、38.49%,由上述可以看出,單純采用沼氣工藝對NH3-N和TN去除效果不明顯,而采用“沼氣+好氧”混合處理方式對NO3-N、NH3-N和TN的去除率都很高,分別達到了93.44%、88.13%、85.84%。

2.3.3 水產(chǎn)養(yǎng)殖污染處理模式

宜興丁蜀鎮(zhèn)池塘循環(huán)水養(yǎng)殖處理模式由人工復合濕地、進排水溝渠循環(huán)系統(tǒng)、生態(tài)養(yǎng)殖區(qū)3部分組成。

人工復合濕地:采用全面清淤、曬塘、消毒和整修池塘基礎(chǔ)環(huán)境,合理移植各類水草,投放螺螄,形成立體的凈化系統(tǒng)。

進排水溝渠循環(huán)系統(tǒng):在利用現(xiàn)有的生產(chǎn)河道的基礎(chǔ)上,在養(yǎng)殖區(qū)建設(shè)進排水溝渠系統(tǒng),并根據(jù)水位落差和水流方向,合理設(shè)置提水泵站,保證水體循環(huán)的暢通,形成“濕地→養(yǎng)殖區(qū)→濕地”的循環(huán)回路。

生態(tài)養(yǎng)殖區(qū)建設(shè):為提高養(yǎng)殖區(qū)各污染物自我消化能力,在冬春捕撈季節(jié),對養(yǎng)殖塘口進行全面清塘曬塘。養(yǎng)殖期間多品種種植水草,提高青蝦、白鰱等濾食性品種密度,合理使用水質(zhì)改良劑,并在部分塘口設(shè)置底層曝氣增氧設(shè)施。

這種水產(chǎn)養(yǎng)殖污染處理模式實施后,每年削減區(qū)域污染排放量分別為SS 10 363 t、COD 1 069 t、TP 28 t、NH3-N 216 t。

2.3.4 種植業(yè)污染處理模式

a. 因地制宜構(gòu)建氮磷生態(tài)攔截工程模式。在太湖一級保護區(qū)及主要入湖河流等重點區(qū)域,依據(jù)“因地制宜,生態(tài)降解”的原則,充分利用現(xiàn)有條件,對農(nóng)田排水溝渠和廢棄池塘進行生態(tài)化工程改造,建成氮磷生態(tài)攔截型溝渠塘濕地系統(tǒng),改造后的渠體斷面為等腰梯形,兩側(cè)具有一定坡度,溝壁和溝底均為土質(zhì),配置多種植物。溝體內(nèi)相隔一定距離構(gòu)建透水壩、攔截壩等輔助性工程設(shè)施,減緩水流速度,延長水力停留時間,使流水攜帶的懸浮物質(zhì)和養(yǎng)分得以沉淀和去除,使之在具有排、蓄水功能基礎(chǔ)上,增加對農(nóng)田排水中污染物的攔截、吸附、沉積、轉(zhuǎn)化和吸收利用功能,有效地防止N、P等營養(yǎng)物質(zhì)進入湖體。

圖8 工程地理位置示意圖

b. 區(qū)域尾水循環(huán)處理及養(yǎng)分回用處理模式。以宜興丁蜀鎮(zhèn)下屬渭瀆村、洋渚村和雙橋村等3個行政村內(nèi)的河流、養(yǎng)殖排水、農(nóng)田、支浜等水環(huán)境為對象進行生態(tài)凈化,同時合理收集來水,實現(xiàn)養(yǎng)分循環(huán)利用,回灌農(nóng)田區(qū)域內(nèi)輻射居民區(qū)和農(nóng)業(yè)連片種植區(qū)面積總計約230 hm2(圖8)。利用丁蜀的瀆邊公路具有較多的廢舊魚塘、農(nóng)田、沼澤及拆遷或輪轉(zhuǎn)土地,針對農(nóng)村面源排放低污染水,構(gòu)建生活污水無害化收集處理系統(tǒng)、面源流失養(yǎng)分循環(huán)利用系統(tǒng)、低污染水強化凈化系統(tǒng);并將生活污水無害化收集處理系統(tǒng)、面源流失養(yǎng)分循環(huán)利用系統(tǒng)、低污染水強化凈化系統(tǒng)依次串聯(lián)成一個整體,通過資源循環(huán)利用的方式,減少化肥投入、養(yǎng)分流失和徑流產(chǎn)生量,形成了一種農(nóng)村集中區(qū)域“污染源頭減量、過程削減、養(yǎng)分循環(huán)利用”的處理模式,有效削減了進入太湖湖體的營養(yǎng)物質(zhì),同時實現(xiàn)了面源污染控制和面源流失養(yǎng)分綜合利用,工藝流程見圖9。

圖9 區(qū)域尾水循環(huán)處理及養(yǎng)分回用處理工藝流程圖

2.4 研究區(qū)面源污染存在的主要問題及建議

研究區(qū)內(nèi)農(nóng)村生活、種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖是面源污染的主要問題,水產(chǎn)養(yǎng)殖污染不容忽視。

2.4.1 存在問題

a. 農(nóng)村生活污水處理率低。農(nóng)村面積廣大,人口眾多,農(nóng)村人口居住分散,生活污水難以收集,生活污水處理不夠重視,導致絕大部分生活污水未經(jīng)處理直接排放，使得農(nóng)村生活污水處理設(shè)施覆蓋率較低。建設(shè)和運行管護中亟待解決資金、技術(shù)等瓶頸問題。

b. 重視污水處理設(shè)施主體工程建設(shè),忽視污水管網(wǎng)的建設(shè),導致污水處理設(shè)施不能正常發(fā)揮作用。首先,管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計不合理,未能因地制宜地設(shè)計管網(wǎng)線路,采用合流制模式極大增加了處理成本和效率;管網(wǎng)入戶率低,造成污水收集量少,后期二次施工,增加人工成本。污水收集率不高,農(nóng)村生活污水包括廚房、洗澡、洗衣和糞水4類,目前主要處理對象為糞水,對于其他污水處理率極低。

c. 雖然一些畜禽養(yǎng)殖場已經(jīng)做到糞便綜合利用,但散養(yǎng)和部分規(guī)模養(yǎng)殖場的養(yǎng)殖污水缺乏嚴格控制,污水排放濃度較高,且有較多養(yǎng)殖污水滲入或排入河道,畜禽糞便綜合利用和處理處置率還有待提高。

d. 水產(chǎn)養(yǎng)殖網(wǎng)圍、網(wǎng)箱養(yǎng)殖污染嚴重,布局不合理。部分水產(chǎn)養(yǎng)殖場靠近水源地,嚴重威脅水源地安全;循環(huán)水池養(yǎng)殖技術(shù)未得到有效推廣;水產(chǎn)養(yǎng)殖戶監(jiān)管力度不夠。

e. 區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基本條件好,集約化程度較高。耕地平均化肥和農(nóng)藥施用量大,管理技術(shù)和施肥不合理,治理設(shè)施不足,導致化肥、農(nóng)藥流失進入河流,增加了水體污染負荷。

2.4.2 建 議

a. 具備管網(wǎng)接入條件的地區(qū),選擇接入管網(wǎng)集中處理,篩選優(yōu)勢工藝,推廣成熟的農(nóng)村生活污水處理技術(shù)。

b. 畜禽養(yǎng)殖進行建設(shè)項目選址時,要嚴格執(zhí)行國家環(huán)境保護相關(guān)法律法規(guī)關(guān)于禁建(養(yǎng))和限建(養(yǎng))的規(guī)定。在分散養(yǎng)殖較為集中的區(qū)域,建設(shè)畜禽養(yǎng)殖糞污集中收集處理服務(wù)體系。通過政府部門統(tǒng)籌,培育新型責任主體,鼓勵分散養(yǎng)殖場(戶)積極參與,推進畜禽糞污集中處理與資源化利用。同時按照“減量化、無害化、資源化、生態(tài)化”要求,實施畜禽養(yǎng)殖污染治理工程,推行“種養(yǎng)控”一體化循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)鏈模式,提高畜禽養(yǎng)殖場固體糞污處理利用率。

c. 實施退漁(墾)還湖,逐步縮減圍網(wǎng),減少喂養(yǎng)投料,提倡生態(tài)養(yǎng)殖。通過構(gòu)建“養(yǎng)殖池塘生態(tài)養(yǎng)殖區(qū)-濕地凈化區(qū)”系統(tǒng),發(fā)展池塘循環(huán)水養(yǎng)殖工程,實現(xiàn)養(yǎng)殖尾水的達標,減少污染物排放。

d. 控制種植業(yè)面源污染要從源頭抓起,配合過程阻斷及生態(tài)修復等工程措施,減少污染物的產(chǎn)生。構(gòu)建種植業(yè)尾水及農(nóng)田地表徑流的生態(tài)攔截屏障與尾水回用工程,實現(xiàn)污染物的有效控制與養(yǎng)分的高效利用。

3 結(jié) 語

a. 研究采用由單元田間試驗和小流域出口營養(yǎng)鹽輸出監(jiān)測值與流域土地利用結(jié)構(gòu)關(guān)系推算獲得輸出系數(shù),使得系數(shù)具有較好的流域尺度適用性,計算了種植業(yè)典型土地利用類型污染物排放量,模型計算誤差在10%以內(nèi),基本符合模型精度要求。

b. 通過計算研究區(qū)不同種類面源污染的排放量,明確了該區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染主要以農(nóng)村生活污水和種植業(yè)污染為主的排放特征。

c. 基于農(nóng)業(yè)面源污染的排放特征,梳理不同種類面源污染處理的主要問題,提出面源控制的建議,提出了控制農(nóng)業(yè)面源污染適宜推廣的處理模式。

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Characteristics and control techniques of non-point pollution in the western region of Taihu Basin

BIAN Bo1,2, ZHU Wei3,LI Bing1, WU Haisuo1, ZHOU Lingjun1,2

(1.JiangsuProvincialAcademyofEnvironmentalScience,Nanjing210036,China;2.JiangsuProvinceKeyLaboratoryofEnvironmentalEngineering,Nanjing210036,China;3.CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

As to the main source of non-point source pollution in western region of Taihu Basin,the output coefficient was got according to the relationship between the unit field experiment and the monitoring values of small watershed nutrient output and the structure of watershed land use. The emissions of COD、TN、NH3-N and TP from typical land use of planting industry were calculated. Combined with those emissions of other kinds of non-point source pollution, the authors of this paper thought that the non-point source pollution in the western region of Taihu Basin was mainly from rural sewage and planting industry pollution. The main problems existing in controlling different types of non-point source pollution were analyzed. On this basis, some treatment mode for controlling non-point source pollution were proposed,aiming to provide a reference for non-point source controlling in Taihu Lake watershed.

non-point source pollution controlling;output coefficient mode; characteristics of pollution emission;method of land use; Taihu Basin

10.3880/j.issn.1004-6933.2015.01.008

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07506-001);江蘇省第4期“333”工程科研項目(BRA2014375);江蘇省科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)計劃(BM2013013)

邊博(1977—),男,高級工程師,博士,主要從事面源污染控制及水生態(tài)修復。E-mail: bianbo1@163.com

X171.1

A

1004-6933(2015)01-0048-08

2014-10-25 編輯：高渭文)