長江流域農(nóng)業(yè)面源磷污染排放特征與防治技術(shù)研究

韋新東，楊昊霖，薛洪海，香 寶，王洪良*

1 吉林建筑大學 市政與環(huán)境工程學院,長春 130118;2 中國環(huán)境科學研究院,北京 100012;3 天津市濱海新區(qū)環(huán)境創(chuàng)新研究院,天津 300450

總磷是影響長江流域水質(zhì)標準的重要指標.2015年長江干流總磷濃度呈正態(tài)分布,均值為0.135±0.043 mg/L[1],達到Ⅲ類地表水標準;2016年長江經(jīng)濟帶943個國控斷面水質(zhì)的總磷含量超Ⅲ類的斷面比例為18.3 %,位居各類指標首位[2];長江是流經(jīng)四川省最大的河流,2019年省內(nèi)重點流域府河、釜溪河、沱江宏緣和綿遠河因總磷污染被定為Ⅳ類水質(zhì),鴨子河和球溪河被定為Ⅴ類水質(zhì)[3].因此,總磷的排放與治理對提高長江流域水質(zhì)至關(guān)重要.

面源污染是造成湖泊水體惡化的主要因素之一,其中農(nóng)業(yè)面源磷污染的影響范圍最廣,對水體危害最嚴重[4],農(nóng)業(yè)面源磷污染的排放量遠大于工業(yè)或城鎮(zhèn)生活污水等點源類磷污染的排放量[5].磷是引起水體富營養(yǎng)化的重要因子[6],而水體中營養(yǎng)鹽的富集又與農(nóng)業(yè)活動密切相關(guān)[7],農(nóng)田耕種和畜禽養(yǎng)殖過程中的磷流失是當前農(nóng)業(yè)面源磷污染治理中存在的主要問題.

在現(xiàn)有研究中,已存在多種農(nóng)業(yè)面源磷污染的防治技術(shù),但普遍存在處理效率差、技術(shù)集成度低和推廣度不足等問題.本文對長江流域的農(nóng)業(yè)磷污染現(xiàn)狀進行了分析,梳理了較為成熟的農(nóng)業(yè)磷污染防控技術(shù),并對各項技術(shù)的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和技術(shù)可行性進行分析,以期為我國長江流域農(nóng)業(yè)磷污染的防范與治理提供依據(jù).

1 長江流域農(nóng)業(yè)面源磷污染排放現(xiàn)狀及成因

長江流域作為我國最主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地,耕地面積占全國耕地總面積的25 %,年出欄家畜超3.4億頭,占全國50 %以上.農(nóng)產(chǎn)值大的同時,也伴隨著施肥強度過高、種養(yǎng)模式不科學和土地利用方式不合理等問題.另外,長江流域農(nóng)業(yè)磷污染存在明顯的地域性差異:長江下游地區(qū)農(nóng)業(yè)磷污染的排放強度遠高于中、上游地區(qū);長江下游地區(qū)主要由種植業(yè)產(chǎn)生磷污染,畜禽養(yǎng)殖業(yè)磷污染排放主要集中在長江上游地區(qū).

1.1 種植業(yè)磷污染排放現(xiàn)狀及成因

長江經(jīng)濟帶的耕地類型多、種植面積廣和施肥習慣不合理等問題造成了種植業(yè)的面源磷污染.流域內(nèi)多數(shù)省份地區(qū)的施肥強度超出225 kg/hm2的安全上限,造成磷在土壤中大量存積,而磷的流失量又與農(nóng)田施肥期的降雨強度和徑流量密切相關(guān)[8].施肥量較大時,若不增設攔截處理設施,磷的流失率將難以控制.湖北省興山縣處于三峽水庫最大支流香溪河上,8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)總耕地面積1.3萬 hm2,種植類型包括旱地、水田和園地,肥料使用量共計1.17萬 t,磷流失系數(shù)高達0.873[9].我國第一次污染源普查公報顯示,種植業(yè)總磷流失量已達10.87萬 t.在未經(jīng)植被覆蓋的地區(qū)總磷濃度與土壤pH呈負相關(guān)[10],因土壤酶活性比土壤養(yǎng)分狀況更敏感,故隨農(nóng)田徑流流失的磷越多,該地區(qū)面源磷污染越嚴重.巢湖流域的排放數(shù)據(jù)顯示,總磷和水溶性磷的污染主要來自沖畈水田、飼養(yǎng)地和荒地的徑流輸入[11],這些未改善種植模式的耕地將導致更為嚴重的磷流失[12].

1.2 畜禽養(yǎng)殖業(yè)磷污染排放現(xiàn)狀及成因

畜禽養(yǎng)殖業(yè)總磷排放量占長江流域總污染排放量的68 %,是面源污染的重要來源,其中四川、湖北等省份排放量約占長江經(jīng)濟帶的65 %.長江上游的岷江流域內(nèi)1 446家規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場總磷排放量高達1 682.61 t.肥糞還田、放牧養(yǎng)殖及分散養(yǎng)殖是長江流域農(nóng)業(yè)面源磷污染的重要來源,其中肥糞直接還田造成的養(yǎng)分流失是當前最受關(guān)注的一個問題.隨著傳統(tǒng)有機肥向化學肥料的轉(zhuǎn)移,部分畜禽糞便無處利用直接排入水體,成為河湖主要污染源之一.Heods PS,Edwrads等[13]人在研究中指出:長期施用豬雞糞便,當?shù)乇韺油寥懒椎暮吭黾恿?倍,水體中溶解態(tài)磷和總磷的濃度會隨畜禽糞便施用量的增加而線性遞增;在加拿大也發(fā)現(xiàn)施用畜禽糞便會導致土表層(0 cm～5 cm)磷的積累[14].在我國畜禽糞便的土地負荷警戒值總體已達到0.49(正常值<0.40),這一數(shù)據(jù)體現(xiàn)出一定的環(huán)境脅迫水平和較嚴重的環(huán)境壓力.前國家環(huán)保總局對全國23個省市調(diào)查發(fā)現(xiàn),約有80 %對環(huán)境影響較為嚴重的大中型畜禽養(yǎng)殖場集中在東部沿海地區(qū),未經(jīng)任何處理的畜禽糞便在收集、儲存、運輸和還田的過程中均會對環(huán)境產(chǎn)生較大污染.另外,流域內(nèi)養(yǎng)殖廢水經(jīng)過處理后總磷排放濃度高達320 mg/L,經(jīng)過沼氣池處理的養(yǎng)殖廢水總磷濃度仍高達109 mg/L,需進行500倍自然徑流稀釋才能達標排放.

2 長江流域農(nóng)業(yè)面源磷污染防控技術(shù)分析

長江流域農(nóng)業(yè)面源磷污染形勢嚴峻,多數(shù)防控技術(shù)主要針對氮的去除,磷的去除效果并不明顯.部分區(qū)域沒有適宜的技術(shù)體系,一些較為成熟的技術(shù)得不到廣泛推廣,導致面源磷污染問題得不到有效控制.因此,從經(jīng)濟、環(huán)境和技術(shù)適用性角度盤點出適合長江流域內(nèi)高效的技術(shù)方案,并根據(jù)“源頭減量-過程阻斷-末端治理"的技術(shù)體系進行分析,對長江流域面源磷污染治理具有重要意義.

2.1 種植業(yè)面源磷污染防控技術(shù)分析

對種植業(yè)面源磷污染的防控,源頭治理是關(guān)鍵.源頭治理本質(zhì)上是針對磷肥施用不合理等現(xiàn)象,從作物對磷素的吸收、肥料用量優(yōu)化和土壤肥力等角度進行技術(shù)篩選.同時,還應克服只關(guān)注末端治理的思維模式,堅持“防”、“治”并重的原則,按照流域內(nèi)各地區(qū)的種植模式、土壤環(huán)境與面源磷污染程度來因地制宜.

2.1.1 源頭減量

長江流域內(nèi)“源”的防控受限于當?shù)氐姆N植和施肥習慣.篩選出可以優(yōu)化種植模式的集成技術(shù),在保證農(nóng)民效益和后續(xù)推廣度的同時又要具有一定增產(chǎn)效益.目前,實施效果較好且有一定示范規(guī)模的技術(shù)有“基于水稻專用緩控釋肥與插秧施肥一體化的稻田磷投入減量技術(shù)”.

“基于水稻專用緩控釋肥與插秧施肥一體化的稻田磷投入減量技術(shù)”是對插秧施肥一體化技術(shù)和水稻專用緩控釋摻混肥技術(shù)的集成優(yōu)化.在水稻移栽時進行水稻插秧與側(cè)深施肥的一體化作業(yè),利用緩釋肥料形成貯肥庫將肥料緩慢輸送給作物,既滿足肥料減量15 %的條件下水稻增產(chǎn),又可實現(xiàn)總磷減排14.0 %～37.2 %.緩釋肥料可應用IC(the inclusion complexes of environmentally degradable polyester)肥料[15],這種可降解聚酯-尿素包合物肥料釋放速率較低、可調(diào)性較高.同時利用酸性磷酸酶高活性的特點,可顯著提高土壤中有效磷的含量[16].本技術(shù)在寧夏引黃灌區(qū)開展試驗,肥料中P2O5僅為75 kg/hm2,大大減少每平方公頃地磷含量,改善了土壤環(huán)境[17].

2.1.2 過程阻斷

種植業(yè)主要通過生態(tài)攔截的方式對磷污染排放進行過程阻斷.傳統(tǒng)生態(tài)攔截技術(shù)對流域內(nèi)農(nóng)田徑流或湖泊中的磷攔截效率較低,需對傳統(tǒng)技術(shù)進行改良優(yōu)化.如調(diào)整設備結(jié)構(gòu)、增加水力停留時間等手段來加強磷處理效果;增設生態(tài)護坡以應對水流量超出系統(tǒng)負荷的情況.為此,篩選出“基于陸域攔截-可再生沸石-生態(tài)護坡的生態(tài)溝渠技術(shù)”這項技術(shù).

“基于陸域攔截-可再生沸石-生態(tài)護坡的生態(tài)溝渠技術(shù)”與傳統(tǒng)生態(tài)溝渠技術(shù)相比增加了陸域的近源攔截工藝,使污染物得到沉降和初步處理,降低后續(xù)生態(tài)溝渠的處理負荷,提高系統(tǒng)攔截率.在溝渠底部鋪設可再生沸石,對流經(jīng)溝渠污水磷的去除率可達91.08 %,且硅藻土在復合吸附劑中的比例越高,磷吸附效果越好[18].若處理水量較大,則可增設生態(tài)護坡,通過填料、植物和護坡共同作用,可在水量比較大時分擔后續(xù)生態(tài)塘系統(tǒng)的處理壓力.Zhang等[19]人研究認為,在坡地上進行生態(tài)工程攔截技術(shù)可以減少80 %～90 %的沉積物和25 %～35 %的磷.針對長江流域降水量以及農(nóng)田用水量大的特點,可最大程度的進行磷攔截,同時充分利用了當?shù)仄露容^緩,植被生存環(huán)境較好的特點.

2.1.3 末端治理

“生態(tài)塘技術(shù)”一直以來都是處理面源污染的重要手段.經(jīng)多年研究,該技術(shù)已成熟運行.系統(tǒng)內(nèi)設置的強化凈化系統(tǒng)對磷污染物的處理量大幅提高,同時篩選出高效除磷的水生植物,在滯水時間相同的情況下,處理效率進一步提高.

生態(tài)塘結(jié)構(gòu)是以折流墻為界,整體呈階梯式分布,依次分為好氧區(qū)、兼氧區(qū)和浮床區(qū).浮床下端懸掛軟填料,四周岸坡及塘底均鋪設砌塊,在砌塊內(nèi)種植高效的水生凈化植物,同時要保證篩選的水生植物有根系發(fā)達、喜溫、生長期較長且經(jīng)濟的特點[20].另一方面,多級塘體的設置可為水體增加流動性,最大限度去除磷污染物.長江流域部分地區(qū)降雨量較大,周宇遠等[21]人指出，在受降雨徑流的影響下,總磷的平均去除率仍為34.8 %,證明其自修復和抗沖擊能力較強.該技術(shù)可應用于長江流域地區(qū)的毗鄰河浜農(nóng)田排水的磷生態(tài)攔截,同時在雨量較大的地區(qū)也可適用.

2.2 畜禽養(yǎng)殖業(yè)面源磷污染防控技術(shù)分析

長江流域畜禽養(yǎng)殖規(guī)模龐大,散養(yǎng)型養(yǎng)殖場居多且多數(shù)分布于大型干、支流沿岸.由于當?shù)丶S污資源化利用率低、缺少磷污染防控措施,導致部分技術(shù)無法長效實行.應從畜禽對飼料磷的吸收、畜禽飼養(yǎng)場管理和畜禽糞便返田的養(yǎng)分利用效率等角度進行技術(shù)模式分析.

2.2.1 源頭減量

畜禽糞污的源頭處理主要以還田和堆肥形式為主.糞便還田作業(yè)方式簡單,養(yǎng)料充分,但氮磷含量難以控制;堆肥技術(shù)較為成熟,但推廣度不高,農(nóng)民習慣施用見效快的化肥.近年來，發(fā)酵床技術(shù)是處理畜禽糞污的熱門工藝,但因成本高、運行條件苛刻等原因未被廣泛應用.

“多原料預處理+發(fā)酵床技術(shù)”在降低運行成本以及改善運行效果的同時,實現(xiàn)了資源循環(huán)化，其主要通過微生物發(fā)酵床模式控制養(yǎng)殖廢棄物外排,同時產(chǎn)出的沼液回用農(nóng)田,以源頭控制理念,在磷污染物不增加的情況下實現(xiàn)自給自足,達成一定的經(jīng)濟效益.為提高沼液利用率,可結(jié)合多原料預處理技術(shù)將畜禽糞便、農(nóng)村生活垃圾、秸稈和雜草等有機廢棄物粉碎后與中密度物料完全混合,集成碟管式反滲透(DTRO)濃縮沼液技術(shù)和液體灌裝自動計量技術(shù),解決了傳統(tǒng)沼液不能滿足農(nóng)田養(yǎng)分需求的問題,同時減少了沼渣中磷的累積[22],產(chǎn)出的沼渣可通過堆肥或生產(chǎn)活性炭進行再利用,實現(xiàn)畜禽資源回用.在長江流域不存在過冷或過熱氣候條件下,設備順利運行也有保障.

2.2.2 過程阻斷

畜禽糞便的收集過程一般通過干清糞或水清糞工藝.由于磷物質(zhì)的特性,水清糞工藝難以解決磷流失的問題,故“干清糞工藝”更適合流域內(nèi)的糞污收集.

傳統(tǒng)的干清糞工藝是用人工清糞的方式,缺點為人工成本高、工作繁瑣[23]，因此可增設傳送帶裝置,將流進漏縫地板的糞便收集后運送至貯糞場.干清糞工藝的特點是收集的固態(tài)糞便含水量低.畜禽糞便中有很大一部分磷為水溶性磷,這部分磷的結(jié)合能力較弱,易流失進入水體[24].干清糞工藝中磷濃度僅為水清糞工藝的17 %,且干清糞下的磷濃度達到穩(wěn)定的時間也比水清糞更快,產(chǎn)生的磷污染物質(zhì)含量更低[25].

2.2.3 末端治理

濕地系統(tǒng)對于養(yǎng)殖廢水中磷的深度處理效果較好,其中較為成熟的“潛流人工濕地技術(shù)”可應用在處理水量較大、空余土地面積多的地區(qū).

“潛流人工濕地技術(shù)”是對傳統(tǒng)人工濕地內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,傳統(tǒng)濕地存在供氧不足、磷去除效果達不到預期效果等問題[26].該技術(shù)在設備內(nèi)部增設了4個潛流人工濕地單元,將波形潛流濕地的擋板加寬設計成導流墻,人為改變水流路徑,使水流與植物根系充分接觸,提高養(yǎng)殖廢水中磷污染物的去除率.張彩瑩[27]通過試驗發(fā)現(xiàn)經(jīng)過80 d連續(xù)運行,植物生長狀態(tài)良好,比對照濕地提前10 d達到穩(wěn)定期,對照濕地的去除效果為87 %,潛流人工濕地的磷去除效果達到89 %以上.

3 結(jié)語

本文對長江流域種植業(yè)和畜禽養(yǎng)殖業(yè)的面源磷污染排放現(xiàn)狀和成因進行分析,并從“源頭減量-過程阻斷-末端治理”的防治角度總結(jié)了當前集成度高、示范效果好的處理技術(shù),其中:種植業(yè)可通過“水稻專用緩控釋肥與插秧施肥一體化技術(shù)”實現(xiàn)源頭減量,通過“陸域攔截-可再生沸石-生態(tài)護坡的生態(tài)溝渠技術(shù)”達到過程阻斷,通過“生態(tài)塘技術(shù)”完成末端治理;畜禽養(yǎng)殖業(yè)從“源頭減量”的角度可應用的技術(shù)有“發(fā)酵床技術(shù)”,通過“干清糞工藝技術(shù)”達到過程阻斷的目的,采用“潛流人工濕地技術(shù)”可實現(xiàn)末端治理.

目前，長江流域農(nóng)業(yè)面源磷污染面積大,防治難度高，在技術(shù)滿足當?shù)匦枨蟮臈l件下,也需要政府相關(guān)政策的支持,例如對化肥投入量加以控制或?qū)S污排放嚴格監(jiān)管,在源頭上減少磷的流入.在部分有代表性的地區(qū)如江漢平原、洞庭湖、鄱陽湖、巢湖和太湖等地區(qū)增加技術(shù)示范點,加大技術(shù)推廣的力度,為當?shù)卣峁┘夹g(shù)優(yōu)選的便利條件,以此控制流域范圍內(nèi)的磷污染物排放量,實現(xiàn)經(jīng)濟效益和生態(tài)效益同步發(fā)展.