農村生活污水治理技術
近20年來, 國外在農業面源污染控制實踐中, 農村生活污水治理研究得到了較大發展。國內在消化、吸收國外先進技術的基礎上, 對生活污水處理技術進行了集成及創新, 尤其針對我國農村分散式生活污水處理, 開展了技術研究與工程實踐, 取得了較好進展。
人工濕地污水處理系統是一種研究較為廣泛的污水處理系統。它是在自然濕地基礎上發展起來的污水處理生態工程技術, 利用自然生態系統中的物理、化學和生物的三重協同作用來實現對污水的凈化[5−6]。澳大利亞科學和工業研究組織(CSIRO)研制的“FILTER”污水處理系統則是一種“過濾、土地處理與暗管排水相結合的污水再利用系統”。其特點是過濾后的污水都匯集到地下暗管排水系統中, 并設有水泵, 可以控制排水暗管以上的地下水位以及處理后污水的排出量[7]?！癋ILTER”系統對生活污水的處理效果好, 其運行費用低, 特別適用于土地資源豐富、可以輪作休耕的地區, 或是以種植牧草為主的地區。毛細管滲濾溝污水處理, 是一種基于土地的地下污水滲濾處理系統, 它利用了自然凈化能力, 是一種簡單、的小規模污水處理工藝, 特別適用于污水管網不完備的地區, 是一項處理分散排放的污水的實用技術。
蚯蚓生態濾池處理系統是近年在法國和智利發展起來的一項針對農村生活污水的處理技術, 該工藝僅通過向土壤處理系統中接種蚯蚓, 改善生態濾池的處理環境, 提高污水處理效率, 適宜用于農村生活污水處理[8]。李軍狀等[9]順源12行免耕播種機采用塔式蚯蚓生態濾池處理系統對集中型農村生活污水進行處理, 該系統對COD、NH4+-N、TN和TP的平均去除率分別為86.7%、91.3%、72.4%和96.2%。不過, 如何長期保持蚯蚓良好的活性, 是該技術面臨的一個重要問題。另外, 對蚯蚓生態濾池處理系統的長期運行效果, 尚需檢驗。
穩定塘處理系統是由美國加州大學伯克利分校的Oswald提出的, 是一種利用天然凈化能力的生物處理構筑物的總稱, 主要利用菌藻的共同作用處理廢水中的有機污染物[10]。Babu等[11]的研究證明, 其建造的藻類穩定塘的主要除N機理是硝化−反硝化、藻類對N的利用以及礦化作用。趙學敏等[12]對滇池流域大清河生物穩定塘系統中的水質凈化效果進行了分析, 結果表明, 生物穩定塘系統對TN、TP、NH4+-N、BOD5和COD的去除率分別達29.29%、48.68%、33.68%、68.14%和71.25%。
生物膜處理技術是近幾十年來得到迅速發展的污水處理方法。生物膜法就是利用微生物分解功能, 采取人工措施來創造更有利于微生物生長和繁殖的環境, 使微生物大量繁殖, 以提高對污水中有機物的氧化降解效率。吳迪等[13]對改進后的“一體化生物膜技術”處理農村生活污水進行了實際應用, 監測結果表明, 其對COD、BOD、NH4+-N、TN、TP和SS平均去除率分別為75.6%、85.9%、86.7%、63.9%、69.3%和85.5%。吳永紅等[14]系統研究了自然生物膜對于N、P等營養元素的去除效果和機理。其N、P去除機理首先是生物膜利用沉積于膜上的有機物為營養物質, 將一部分物質轉化為細胞物質, 進行生長繁殖, 成為生物膜中新的活性物質; 其次由于生物膜的蓬松的絮狀結構, 微孔多, 表面積大, 具有很強的吸附能力。
2.2 生活垃圾和農業廢棄物處理技術
生活垃圾、農作物秸稈、畜禽養殖廢棄物等是我國農村主要的固體廢棄物, 實現農村固體廢棄物的資源化是當前農村生態環境建設的重要內容。由于生活垃圾來源和成分復雜, 目前的主要處理方式以“村收集−鎮轉運−縣(市)集中處理”為主, 大部分被集中填埋或焚燒, 少部分與農作物秸稈、畜禽養殖廢棄物等進行堆肥化處理。高溫堆肥過程中如何減少N的損失是高溫堆肥要解決的關鍵技術。
農作物秸稈是農村主要的固體廢棄物, 目前其資源化率還比較低, 部分地區農作物秸稈的焚燒已導致嚴重的生態環境問題, 尤其在我國的東部地區。目前, 農作物秸稈的處理以還田為主, 包括部分還田或全量還田。隨著作物收獲機械的改進, 秸稈全量還田已成為主要還田方式。此外, 秸稈打捆收獲后用作能源、建筑材料、花卉盆缽等新型資源化方式也已形成一定的規模。
畜禽糞便是農業面源污染的主要來源, 已經成為經濟發達地區或水環境敏感地區優先控制的污染源。在中國的傳統農業中, 畜禽糞便是優質的農家肥, 不僅能提供農作物生長所需的養分, 也能改善土壤物理化性質, 是中國農業數千年持續發展的重要物質基礎。畜禽糞便資源化的主要途徑是農肥化, 固體部分經發酵后生產優質有機肥, 再進行還田以實現循環利用。液體部分目前主要處理方式包括厭氧發酵生產沼氣, 或直接進入污水處理工程進行凈化, 或與農村的固體廢棄物如秸稈、生活垃圾等進行聯合發酵。其中沼液的處置是當前急需要解決的關鍵問題。
2.3 農業化學品減量化技術 2.3.1 化肥減量化技術
我國是上化肥施用量最多的, 肥料的平均利用率只有30%左右, 大多數養分隨徑流、滲漏和揮發等途徑損失掉了, 不僅浪費了資源, 而且
加劇了水體富營養化。因此, 根據不同地區的實際情況研究減量施肥技術具有重大的意義。目前主要的化肥減量技術有以下幾種:
氮肥運籌優化技術: 在施氮量相等的情況下, 合理調整基追肥的分配比例, 如太湖流域的稻田土壤, 基于目前常規施肥量, 將基肥施用量削減20%, 可有效地協調當地的經濟效益和環境效益[15]。Qiao等[16]的研究證實, 在太湖地區水稻產區通過兩年連續試驗, 消減50%的施氮量(相對于常規施氮量)并未顯著影響水稻產量。何傳龍等[17]在巢湖地區根據蔬菜地養分供應能力和甘藍的營養特性, 運用減量平衡施肥技術, 使肥料施用量減少30%, N、P、K肥利用率分別提高27.3%、23.4%和23.5%, N、P淋失量分別減少90.0%、78.4%。但是此類研究一般局限于較短時間, 對于長期減量施肥對作物產量有何影響, 尚需進一步探明。
種植制度優化技術: 比如稻麥輪作制中引入豆科綠肥, 既可降低旱季的施氮量, 又可補充稻季的氮素。在太湖地區進行的水稻−紫云英輪作試驗結果表明, 冬季將小麥改為紫云英, 稻季不施用化學氮肥, 水稻產量可達到農戶常規產量的95%左右, 如果補充農戶施氮量的30%, 則可獲得與農戶正常產量相當的產量, 或略有增產[16]。王靜等[18]在滇池流域蔬菜產地的調查表明, 合理的輪作模式可減少蔬菜地N、P的盈余量。
緩控釋等新型肥料技術: 緩控釋肥料中養分的釋放與作物養分需求比較吻合, 養分的釋放供應量前期不過多, 后期不缺乏, 具有“削峰填谷”的效果, 可以大大降低向環境排放的風險。田琳琳等[19]在太湖流域大田蔬菜地的試驗結果表明, 在蔬菜生產中, “低量控釋肥+低量化肥”是兼具經濟效益和環境效益的施肥模式。但是目前緩控釋肥費用相對普通化肥較高, 限制了其廣泛使用。
施加土壤改良劑控制N、P流失: 生物質炭(biochar)由于其良好的吸附性能、低廉的成本以及良好的生物親和性, 將其運用于農田營養鹽釋放控制, 受到研究人員的關注[20]。Ding等[21]在農田表層20 cm的土壤施加0.5%的生物質炭, 可以減少15.2%的NH4+-N損失量。姬紅利等[22]以滇池設施農業土壤和坡耕地土壤為研究對象, 采用外源施用土壤改良劑(硫酸亞鐵、硫酸鋁和聚丙烯酰胺)和土壤劑(五氯硝基苯)的辦法, 研究了土壤改良劑對土壤解吸過濾液中TP和TDP濃度變化的影響。野外田間試驗表明: 施加改良劑后, 徑流雨水中TP和TDP值明顯降低, 上述土壤改良劑的施用對降低P流失具有明顯效果。但是其經濟性與環境風險如何尚待進一步研究。 2.3.2 農藥減量化與殘留控制技術
在化學農藥減量施用方面, 當前主要發展趨勢是由化學農藥防治逐漸轉向非化學防治技術或低污染的化學防治技術。近年來, 江蘇省多家單位聯合開展水稻化學農藥污染控制技術研究, 針對水稻螟蟲、灰飛虱、條紋葉枯病與紋枯病等重大病蟲害, 研究開發了多項無公害關鍵技術, 在水稻核心示范區減少了30%農藥用量。盧仲良等[23]選用低毒的三唑磷、丙溴磷、井岡霉素、噻嗪酮、毒死蜱等藥劑進行施藥, 增產6.97%。在農藥殘留生物降解方面, 國內外做了很多研究工作, 包括、、放線菌等各種降解農藥的微生物菌株相繼被分離和鑒定, 用以降解有機磷、有機氯和三嗪類除草劑、氨基甲酸酯類、擬除蟲菊酯類等多種農藥。近年來伴隨著基因工程和分子生物學的發展, 構建工程菌是當前研究的熱點, 將降解農藥酶的基因構建到載體上, 經轉化獲得工程菌, 以期提高具降解作用的特定蛋白或酶的表達水平, 從而提高降解活性。但是目前的研究仍然存在不足, 大多數研究以實驗室研究為主, 降解機理研究不夠深入, 中間產物難以檢測, 技術零散、集成度低、配套性差和展示度低等仍然是目前我國集約化農田農藥減量化與殘留控制需求中的突出問題。
2.4 污染物質的生態攔截技術
農業面源污染物質大部分隨降雨徑流進入水體, 在其進入水體前, 通過建立生物(生態)攔截系統, 有效阻斷徑流水中的N、P等污染物進入水環境, 是控制農業面源污染物的重要技術手段。國外主要是設置寬廣的生物隔離帶來控制N、P的徑流遷移, 如加拿大一種“草地−樹木過濾帶系統”, 可以顯著降低徑流的污染物含量[25]。楊林章等[26]結合太湖地區實際情況提出了生態攔截型溝渠系統, 它主要由工程部分和植物部分組成, 能減緩流速, 促進流水攜帶顆粒物質的沉淀, 有利于構建植物對溝壁、水體和溝底中逸出養分的立體式吸收和攔截, 從而實現對農田排出養分的控制。溝渠系統對農田徑流中TN、TP的去除效果分別達到48.1%和40.2%。但是, 在生態溝渠的農田規劃和設計標準、兩側及岸邊植物品種篩選及空間配置技術、水生經濟植物的品種篩選及空間配置技術、浮床植物的肥藥管理技術、浮床植物殘體的再利用技術以及植物的N、P利用機制等的研究還需要進一步拓展和深化。保護性耕作，減量施肥，從源頭控制

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