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□ 陈吉宁 李广贺 王洪涛
随着对工业废水和城市生活污水等点源污染的有效控制，面源污染尤其是农业面源污染已经取代点源成为水环境污染的最重要来源，我国目前正处在污染构成快速转变时期，面源污染的负荷比重在逐步上升。1995年，进入巢湖的污染负荷中，69.54%的总氮和51.71%的总磷来自于面源污染；在进入滇池外海的总氮和总磷负荷中，农业面源污染分别占53%和42%；1994年太湖流域总氮的60%和总磷的30%来自于面源；北京市密云水库、天津市于桥水库、云南省洱海、上海市淀山湖等水域，面源污染比例均超过点源污染。面源污染无疑是我国今后水环境污染控制的重点和难点。 面源污染所造成的水环境质量恶化问题在我国已日显突出，但对面源污染问题的严重性认识不足。尽管在面源污染控制方面开展了一些探索性工作，但整体上缺乏系统的科技攻关和技术示范，尚不能为我国面源污染控制提供相对完整的技术路线。鉴于此，在科技部和云南省政府的支持下，由以清华大学为主联合其他单位组成的课题组于2000年在滇池流域开展了系统的面源污染控制技术研究与示范。经过近4年的攻关，在面源污染控制关键技术与设备、工程实施、软件开发、污染控制示范工程建设与运行等方面取得了一系列重要研究成果，为未来我国大规模面源污染控制提供了有益的经验和探索。 一、技术研究与示范工程现场 滇池是我国著名的高原淡水湖泊，位于昆明市西南，流域总面积2920km2，年径流量为5.7亿m3。滇池南北长40km，东西宽12.5km，湖面面积为298km2，平均水深4m，最大容积12亿m3，是典型的浅水湖泊。滇池包括“草海”和“外海”两部分，湖面面积分别占总面积的2.7%和97.3%。滇池流域是昆明市的主要社会经济活动区和未来发展的重要空间资源，滇池流域的发展对于云南省和昆明市具有举足轻重的地位。 近20年来，随着经济发展和城市规模的扩大，滇池水体的富营养化日趋严重，滇池污染已成为昆明市全面实现小康社会目标的严重障碍之一，是昆明市可持续发展的重大制约因素。近年来，随着点源污染控制力度的不断加大，滇池流域面源污染问题逐渐凸现出来。在2000年的总污染负荷中，由农村面源污染所产生的有机物、总氮和总磷成为人湖污染负荷的主要来源，其中村镇生活污水、农田氮磷化肥、农业固体废物和水土流失是滇池流域面源污染的主要构成，入湖河道和沟渠是其主要输移渠道。滇池面源污染的有效控制和治理面临着重大的技术与工程挑战。 根据项目要求，课题组选择了具有代表性的昆明市呈贡县大渔乡作为农村面源污染控制研究与工程示范区。该示范区是一个半封闭的小流域，位于滇池东部，总面积为13.5km2，其中台地面积1.58km2，区内有一条常年性河流。示范区的南部和北部为台地，中间为沿湖坝区，是主要的农业生产和农村生活区。示范区包括5个办事处的13个自然村，共有人口8377人。区内人口密集、生产生活活动频繁、土地利用程度高，农业生产以施肥量大的花卉、蔬菜为主。由于示范区土地利用破碎、权属复杂，难于开展规模化的退耕还林和退耕还湖工程，也难以进行规模化的产业布局调整。由于区内灌溉沟渠发达，面源污染的产生过程极为复杂，所选择的示范区具有显著的农村非点源污染的代表性和复杂性。 二、主要技术路线和研究内容 在广泛现场勘察和调研的基础上，经过对几十万个经济、社会、水文、土壤和气候等数据的测试和积累，在对滇池流域面源污染特征和规律的深刻认识基础上，课题组提出了滇池流域面源污染控制总体技术指导思想，即：以环境与农业的协调发展为核心；以人为本和以提高农民的自身能力为关键；控制面源污染同时构建技术支持系统和政策管理支撑系统；把握面源污染的复杂性、长期性和不确定性三个特征，以“水、土、肥”三个要素的综合控制为主线，在三个空间层次构建面源污染控制系统。三个空间层次结构一是在面山台地的生态稳定和水土流失控制区，主要通过植被恢复、合理的土地利用模式构建以及水土流失阻断工程措施等实现氮磷流失的长期和快速控制；二是在坝区的农业生产和农村生活区，主要通过综合手段实现农业废弃物循环或资源化利用，通过土地减肥等清洁生产，以及生活污水和初期雨水的收集和处理等实现区内的污染负荷减量控制；三是在沿湖区域的低洼地以及河岸带，通过构建各种因地制宜的湿地、生态隔离带和生态沟等实现污染物阻断和去除，建立污染物人湖前的最后控制屏障。研究要坚持六项原则：“源头削减、资源回用、因地制宜、技术实用、优化管理、总量控制”。 依据以上系统控制方案，提出了由以下各项核心内容构成的面源污染控制的成套技术方案作为主要技术突破点：村镇生活污水氮磷污染控制技术、农村固体废物无害化处理技术、台地水土和氮磷流失控制技术、精准化平衡施肥技术、暴雨径流与农田排灌水污染控制技术、流域面源污染模拟与综合管理技术。 1.村镇生活污水氮磷污染控制 遵循投资费用少、运行费用低、维护管理简便的技术选择原则，所开发的村镇生活污水处理技术是人工复合生态床处理技术、地埋式土壤渗滤处理技术和缺氧一好氧低能耗生物滤池技术。其技术指标是工程运行费低于传统脱氮除磷工艺的1/2，总氮去除率达到85%以上、总磷去除率达到80%以上。 2.农村固体废物无害化处理 遵循固体废物肥料化还田，促进有机农业发展的原则，实现分散与集中处理相结合、初产品与精制产品相结合、肥料化与无害化相结合，所开发的面源固体废物无害化处理技术是农业固体废物堆肥和有机一无机多功能复混肥生产技术、农户型双室堆沤肥技术和高效花卉秸秆纤维素分解菌选育与应用技术。其技术指标是示范区种植业固体废物处理率达到80%；养殖业固体废物处理率达到70%。 3.台地水土和氮磷流失控制 遵循水保效益与经济效益并重、短期效益与生态长期稳定性结合的原则，采取生物工程与辅助工程措施相结合的技术手段，所开发的台地水土和氮磷流失控制技术是水土保持型速生高效乔灌草品种的优选、林农草混间种模式优选、乔灌草快速繁殖和定向培育技术和水土保持工程控制技术。其技术指标是实现示范区植被覆盖率达到70%，土壤侵蚀模数低于150t/(km2·a)。 4.坝区农田产业基地氮磷污染控制 遵循养分需求与供给平衡、肥料配方与施肥技术实用可行的原则，通过融合应用土壤学、植物营养学和现代信息技术，所开发的精准化的平衡施肥技术是区域性农田养分管理技术、养分平衡窗技术和经济适用型滴灌施肥技术。其技术指标是实现坝区单位面积土壤的氮磷化肥施用量在2000年基础上减少50%。 5.暴雨径流与农田排灌水氮磷污染控制 遵循耐水力冲击、高效低费、少占农田、运行方式灵活、管理方便的原则，所开发的暴雨径流与农田排灌水污染控制技术是多功能复合型旋流固液分离技术、复合人工湿地技术和沸石吸附除氮技术。 6．滇池面源污染综合控制与管理 为了保证所开发的技术在全流域的有效应用并在管理层次控制面源污染，所开展的研究包括流域面源污染模拟与控制决策支持系统的开发和滇池流域面源污染控制的体制、政策和管理方案设计。 课题的总体技术指标是示范区头三场暴雨人湖河道的主要污染物BOD、COD、总氮、总磷、总悬浮物的负荷在2000年基础上削减50%。 三、主要研究成果 1.村镇生活污水氮磷污染控制 在人工复合生态床污水处理技术研究中，通过对新型无机一有机复合填料的开发、对芦苇和茭白混种模式的优化，通过设计多点布水的床体结构和流态优化，使新型复合生态床的处理能力显著提高，水力负荷高达9cm/d，远高于传统湿地，总氮和总磷去除率也提高约20%。 在地下渗滤污水处理技术研究中，针对不同的土壤类型，通过设计调控有利于同时硝化/反硝化的土壤微环境和无机一有机复合土壤填充介质的开发，研发了浅层强化布水的新型地下渗滤池，成功地解决了传统地下渗滤技术总氮去除率难以突破80%的难点，总氮去除率提高约20%，水力负荷高达8cm/d，比传统地下渗滤技术提高4倍，并使地下渗滤系统的启动时间从80天缩短到30天。 在缺/好氧低能耗生物滤池污水处理技术研究中，通过生物滤池组合填料的开发以及缺氧与好氧滤池脱氮工艺的成功组合，使其总氮和总磷去除率提高约20%。 2.农村固体废物无害化处理 针对蔬菜和花卉固体废物高含水率、多病虫害、蔬菜废物与花卉秸秆不协同降解的技术难题，开发了“序批式进料分阶段温度反馈通风控制”的好氧共堆肥技术，它能够在短期超高温杀灭病原菌，在最适合的温度发酵迅速降解底物，通过通风自动控制系统和温度反馈间歇式强制通风，有效蒸发多余水分，成功实现高水分含量的蔬菜废物、花卉秸秆和粪便等多种农业废物的共堆肥，并在此基础上进一步研发了复合肥生产技术。这一处理系统具有处理费用低、产品品质高、价格低于当地生粪便的交易价格等优势，具有良好的推广价值和市场前景。 除了上述农业固体废物集中处理技术，还针对常规自然堆沤方式处理农村固体废物耗时多(60～90天)、生成的有机肥肥效较低、存在病害等核心问题，开发了小型分散式农业固体废物双室堆沤肥技术，其具有适合当地农业种植习惯、操作简单、肥效高、费用低的优点，可在田间地头就地处理农田固体废物，为农村固体废物的处理处置提供了一条新的技术方案。 为了有效解决高水分易腐蔬菜废物与高木质纤维素含量的花卉秸秆在好氧共堆肥处理中不协同发酵问题，通过野生菌种筛选、特性分析和鉴定等工作，研制出了专性降解花卉秸秆纤维素的高效微生物菌剂CUM。通过混菌发酵工艺及优化研究，提出了混菌培养新工艺，确立了复合菌剂工厂化发酵培养的高效、经济技术路线；验证开发的复合菌剂对好氧共堆肥中木质纤维素分解菌种群密度、加速纤维素等大分子物质的降解、促进堆料腐熟、缩短发酵时间、提高精细产品产出率等方面的有效性。该研究为木质纤维素类废物堆肥化处理的高效降解菌剂的开发和推广应用奠定了坚实的基础。 3.台地水土和氮磷流失控制 通过对台地生态系统结构、功能及其变迁过程的系统分析，结合生物适宜性、功能和生态限制因子，通过优选植物品种，建立了示范区台地水土和氮磷控制模式，开发了适合当地特点的生态工程集成技术，包括植被快速修复技术、生物篱技术、农林复合经营技术、植被快速恢复喷播技术和山地径流综合调控技术，开发了16种种植模式。该技术运用人工辅助方法，缩短植被自然演替过程，修复生态系统的结构和功能，从而达到控制水土和氮磷流失的目的。通过该工程建设，示范区植被覆盖率达到75.70%，控制约69.64hm2水土流失面积，初步形成了乔—灌—草生态恢复模式，通过保水、保土、保肥、增加入渗，减轻土壤流失。根据各典型点的监测及工程控制的综合数据分析，土壤侵蚀模数基本控制在150t/km2·a。该技术集成度高，适应性强，在高原湖泊地区的面源污染控制、水土保持、农业生态工程、林业生态工程、退化生态系统恢复、矿山植被恢复等方面均具有广阔的推广前景。 4.坝区农田产业基地氮磷污染控制 在对32种蔬菜、花卉等经济作物的需肥规律研究基础上，完成了这些作物的施肥技术规程，对不同土壤、不同气候条件和不同轮作方式下各种作物的施肥量、施肥期、养分比例、肥料类型、施肥方法、施肥次数、基追肥比例等进行了科学规范。以此为依托，通过与信息技术的结合，开发了适合滇池流域面源污染控制的精准化施肥成套技术，包括区域性农田养分管理技术、养分平衡窗技术、施肥通产品、经济实用型滴灌施肥技术等九项技术，从而建立了一批适合流域农村和农民经济、技术条件，操作简单，可大幅度减少流域集约化种植的蔬菜、花卉农田氮磷化学肥料的投入量，达到施肥用量和比例合理、肥效高、缓效和保护耕地的目的。 精准化平衡施肥体系在示范区的应用推广，不仅减少了有机和无机肥料的浪费，给农民带来直接收益，并且大大减少了因过量、不均衡施肥而造成的环境污染。如果削减量按现有N、P化肥用量的50%计算，则减少250～350kg/(hm2·a)的潜在N、P负荷量，直接减少750～1050元/hm2的化肥投入。示范工程的运行已获得可观的环境效益和经济效益，在滇池流域具有广阔的推广应用前景。 5.暴雨径流与农田排灌水氮磷污染控制 针对滇池流域示范区暴雨历时短、强度大、高峰过程持续时间短以及农村暴雨径流固体颗粒小的特点，研制开发出了大流量多功能复合型固一液旋流分离技术和设备。该设备采用由多个导流片组成的圆柱形导流板结构，当进水切向进入导流板后，在旋流分离器内形成内、外流体双向运动的流场分布，实现导流、阻隔分离与旋流分离的多重功能，能够在大处理流量条件下对微固体颗粒有效去除。粒径在30μm以上的固体颗粒去除率达65%；粒径在10～30μm的固体颗粒也有明显的去除效果，且单机处理能力大、能耗低，底流量小于20%。该项技术与国外同类技术相比，具有承受水力负荷大、抗冲击能力强、悬浮污染物去除率高以及占地面积小的特点，在去除效果和性价比方面有明显提高。 针对暴雨径流中氨氮难以被生态工程快速去除的问题，在沸石填料筛选及沸石对氨氮的吸附和解析特性研究的基础上，开发了表面流人工湿地和沸石潜流湿地组合工艺，实现功能互补，提高整体除氮效果。一级表面流湿地对径流中悬浮物的有效去除，保护沸石潜流湿地单元，防止堵塞。沸石对氨氮具有选择吸附性能，抗氨氮冲击能力强，炉渣利于磷的去除，填料表面生长的生物膜可强化污染物降解过程。采用强化布水系统，可使暴雨径流在湿地中分配均匀，增加有效停留时间，提高去除效果。复合人工湿地技术对总悬浮固体、总氮、总磷的去除率分别达到70%～80%、45%～55%、55%～65%，大大提高总污染负荷的削减；整个工艺具有较强的抗冲击负荷能力，最小水力停留时间可缩短至0.5～1.0天，系统最大水力负荷可达0.5m3/(m2·d)。 6.滇池面源污染综合控制与管理 为了系统全面评估和规划面源污染控制方案，开发了面源污染模拟与控制决策支持系统，它是可视化编程技术、GIS空间信息技术、RS技术以及数据库管理技术的高度集成，包括与面源产生相关的基础数据库、描述面源污染过程的模型库、可自动开展各种面源污染控制技术组合和评估的技术库以及对模型进行识别、不确定性分析和优化的工具库。这一综合性软件系统可应用于不同尺度下的流域面源污染现状评价，并为在规划和管理层次上的面源污染控制管理提供决策支持。该系统在滇池流域、官厅流域以及国家三河三湖(辽河、淮河、海河，滇池、巢湖、太湖)面源污染评估中均获得有效应用及验证。 按照滇池流域面源污染产生、迁移、转化等过程环节，采用社会调查、部门访谈等社会科学方法，在对滇池流域社会经济，居民行为以及现有管理政策及其实施效果等大量信息收集的基础上，通过解释结构模型技术识别了导致滇池面源污染的主要体制、政策和管理因素，并利用政策分析方法系统构建了滇池流域面源污染控制的基本框架，通过面源污染控制管理优先领域的识别，提出了相应的管理政策方案和技术推广方案建议，对我国的面源污染控制的政策研究和管理实践具有重要的促进作用。 四、结 论 通过滇池流域面源污染控制技术课题开展和实施，开发了具有自主知识产权的专利16项，其中申请发明专利13项，形成了一整套面源污染控制的集成示范技术。各项面源氮磷污染控制示范工程的建立与运行，不仅达到了项目招标中对各项单一技术的考核指标，也使示范区内进入滇池的污染负荷削减了50%以上，达到了项目考核的总体目标要求。同时，通过坚持不懈的宣传、教育和人员培训，使示范区内的生态环境、生活环境和生产环境明显改善，提高了示范区农民的农业生产技术水平以及环境与生态保护意识。项目取得的成果为我国未来大规模开展面源污染控制，在决策、技术和工程等多个方面提供了有益的借鉴。 ■ (作者为清华大学环境科学与工程系教授) |