組合式氮磷攔截技術應用于農業面源污染綜合治理

何 凡，劉 軍，周 婷，林宇迪，張榮炳，賈洪柏*

1.安吉國千環境科技有限公司，浙江湖州 313300；2.湖州市農業農村生態與能源中心，浙江湖州 313300；3.安吉縣人民政府靈峰街道辦事處，浙江湖州 313300

農田氮磷元素的徑流損失是指農田表層土壤中的氮磷元素在降雨、灌溉作用下遷出土體進入徑流的過程，是農田面源污染的重要途徑之一，也是導致農田周邊受納水體富營養化的直接原因[1-3]。徑流損失受降雨、地勢地形、土壤狀況等環境因素，以及肥料種類、施肥方法、作物品種等種植及管理因素的影響。其中，降雨是影響農田氮磷元素流失的核心因素[4]。近年來，生態溝渠、人工濕地、生態塘和攔截壩等氮磷攔截技術被證明對農業面源污染具有良好的處理效果[5-9]，可有效截留污染物，降低氮磷入河。

為推進農業面源污染治理工作，《浙江省深化“五水共治”碧水行動計劃（2021—2025年）》中明確：到2025年，建成高質量農田氮磷生態攔截溝渠300條，浙江省省內農業面源污染的治理任重而道遠。以浙江省湖州市某國家級旅游區內地塊為例，采用生態溝渠+植草溝+生態浸沒島+雨水花園等組合式氮磷攔截技術對農業面源污染進行綜合治理。對本項目農業面源污染現狀、技術路線、工藝設計和運行效果等內容展開系統介紹，研究組合式氮磷攔截技術的實施效果，以期為其他類似農業面源污染治理的設計和實施提供參考。

1 工程概況及技術路線

1.1 工程概況

本項目位于湖州市某國家級旅游區劉靈路兩側，屬于太湖西苕溪流域典型農田生產基地，年平均溫度為22.4℃，年平均降水量為1 423.4 mm，4—10月為豐水期，11月—翌年3月為枯水期。劉靈路東側農田總面積為20.15 hm2，主要種植種類以糧油作物為主，部分為藍莓嫩株大棚，還有少量菜地。每季平均施氮量為440 kg/hm2，施磷量為256 kg/hm2，施肥方式以撒施為主，灌溉方式以溝灌、畦灌為主，部分為噴灌，一般每年種植兩季。西側農田包含農業示范區域，未來將在二期配套開展面源污染整治工作，初步涉及農田總面積3.65 hm2，區域內土質為水稻土和黃壤土。地塊每季平均施氮量為495 kg/hm2，施磷量為288 kg/hm2，施肥方式以撒施為主，灌溉方式以溝灌、畦灌為主，部分為噴灌。東西兩側地塊農田規劃齊整，由降雨產生的農田氮、磷元素徑流損失是造成該區域農田面源污染的主要途徑，該地塊每年氮素徑流損失量為1259 kg，磷素徑流損失量為367 kg。

治理前農田排水系統包括畦間土溝、田間次溝渠、主排水溝渠以及地塊內天然河流。次溝渠為砼質薄板溝渠，主溝渠為鋼砼質厚板溝渠。農田排水不經任何有效處理，直接由各地塊農渠集中到主排水渠和自然河道后排出區域，該地塊農田匯水見圖1。氮、磷通過徑流流失量過大，導致農業面源污染問題日益嚴重，進而影響受納水體西苕溪水質。

圖1 項目地農田匯水示意圖

1.2 技術路線

根據該區域農業面源污染現狀及投資運行成本等因素，以因地制宜、實用高效、維護便捷為原則，通過改造原有溝渠和新增構筑物，構建生態溝渠+植草溝+生態浸沒島+雨水花園等組合式氮磷攔截設施，對該區域農業面源污染進行削減。工藝流程見圖2。

圖2 農業面源污染處理工藝流程

2 主要技術及構筑設施

2.1 生態溝渠

對劉靈路東側農田灌溉溝渠進行改造，因其兼具泄洪作用，因此在加深拓寬滿足防洪需求的基礎上，在溝渠底部鋪設生態陶粒、生態多孔介質和卵石，可將農業面源徑流中的氮磷等營養物質進行富集，通過多孔材料中的嗜磷嗜氮菌進行消耗。在溝渠兩側鋪設植草磚，其上種植低矮且對氮磷有高效吸附作用的植物，進一步凈化水質。

將原有農田灌溉溝渠改造為生態溝渠，總長為1 100 m，工程部分主要包括渠體、布水設施、功能性填料、輔助性攔截設施構造等，生物部分主要包括填料表面微生物培養和植物的篩選、種植。生態溝渠主體材料由生態多孔介質、卵石和MBBR載體過濾箱構成，其結構見圖3。以50 m為1個單元，每個單元由一道MBBR載體過濾箱與填料區組成。過濾箱基礎采用C25素混凝土澆筑，箱體為不銹鋼材質多孔結構，使水流與載體充分接觸。填料區由卵石和生態多孔介質組成。生態多孔介質尺寸為190 mm×190 mm×115 mm，多孔介質開孔位于長邊，大小孔均勻分布，位于下層，共鋪設兩層，其孔洞朝上，厚度為230 mm。卵石層厚度為150 mm，鵝卵石規格為2～12 cm，表面光滑圓潤，無風化剝落層和裂紋。

圖3 生態溝渠縱剖面圖

2.2 植草溝

對劉靈路西側農田灌溉溝渠進行改造，因其無須承擔泄洪，將其改造為水力停留時間較長的植草溝，總長1 100 m。通過內部填充的多孔材料和其上種植的植物對收集到的農田徑流進行充分接觸、吸收和凈化。

植草溝由生態多孔介質、卵石、生態功能填料、生態植物養料層和植物構成。在植草溝前端的田間次溝渠每間隔50 m布置一座沉泥井，沉泥室高0.5 m，防止泥沙過多堵塞植草溝內水體流通渠道。植草溝開挖邊坡比為1:0.25，底部與兩端邊坡采用多孔介質材料作為基礎和護坡材料，鋪設厚度為115 mm。卵石作為墊層，鋪設厚度為300 mm，生態功能填料鋪設厚度為300 mm，頂部鋪設生態植物養料層，鋪設厚度為150 mm，其上種植具有吸附氮磷污染物并兼具觀賞性的四季常綠植物，如金森女貞、旱傘和香根草等。

2.3 生態浸沒島

對該地塊西南方向攜有一定量外源污染的上游客水，新建生態浸沒島350 m2，前端設計導流壩，后端設計跌水壩，中間形成一個天然的“水質凈化處理池”，可減緩水流速度，促進流水攜帶顆粒物質的沉淀，有利于吸收和攔截來水污染物和渠底滲出養分，從而達到水體凈化的目的，同時起到景觀營造的作用。

生態浸沒島從下至上依次由卵石、多孔介質填料、生態飄帶和挺水植物構成。對生態浸沒島兩邊護岸進行修整，邊坡坡比為1:0.3，采用施打松木樁用以穩固邊坡，松木樁直徑≥150 mm。生態浸沒島基礎采用素土夯實，現場原狀土經人工或機械夯實，壓實密度≥0.87。卵石墊層厚度為150 mm，卵石尺寸規格為2～12 cm，表面光滑圓潤，無風化剝落層和裂紋。多孔介質材料共鋪設兩層，開孔朝向迎水方向。生態飄帶通過塑料扎帶穿過多孔介質材料孔洞，與其捆綁固定，生態飄帶在水中豎起高度與設計常水位高度基本一致，其厚度為5 mm，單位水面生物飄帶用量為0.5 m2/m2。在靠近岸邊兩側種植挺水植物，植物品種選擇上以精致、開花、整潔為原則，工程實際應用以再力花為主，水蔥和菖蒲作為點綴。

2.4 雨水花園

結合劉靈路兩側地形，在生態溝渠、植草溝和生態浸沒島匯水后的自然河道區域建設雨水花園550 m2，構建生物強化降解功能區，通過濕生植物和多孔材料等綜合作用使農田徑流中氮磷污染物得到深度凈化，隨后排入受納水體西苕溪。

雨水花園由多孔介質材料區塊、沉水植物區塊、挺水植物區塊和跌水區構成。雨水花園底部滿鋪生態多孔介質，其孔洞朝上，沉水植物和挺水植物種植于孔洞中，并用卵石覆蓋，充分發揮填料—植物相結合對污染物的高效吸附降解優勢，提高雨水花園的處理效率。設計沉水植物覆蓋率為60%～80%，本項目選擇以矮生苦草（半常綠）為主，以輪葉黑藻和伊樂藻為輔。挺水植物以香蒲為優勢種，慈姑為次優勢種，兩岸挺水植物種植區寬度各4 m。雨水花園出水口處設置多級跌水區，使內部常水位保持在1.2 m左右。

3 治理效果

本項目于2021年9月通過竣工驗收，至今已順利運行1年，期間定期對各構筑設施進、出水水質進行檢測。分析在枯水期和豐水期各構筑設施對農業面源污染的削減效果。水質檢測數據見表1。

表1 枯水期與豐水期各構筑設施進、出水水質mg/L

本項目根據項目地的水文特點，4—10月為豐水期，期間生態溝渠對COD、氨氮、總磷的削減貢獻率分別為23.39%、62.82%、48.21%；植草溝對COD、氨氮、總磷的削減貢獻率分別為28.4%、63.82%、42.86%；生態浸沒島對COD、氨氮、總磷的削減貢獻率分別為27.78%、64.85%、43.18%。根據工藝路線，三類處理設施出水匯集進入雨水花園，其對COD、氨氮、總磷的削減貢獻率分別為45.59%、77.03%、56.10%。上述氮磷攔截組合工藝對上述污染物的累積去除率分別為60.04%、91.69%、75.84%。最終出水氨氮、COD指標均可達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）的Ⅱ類水質標準，總磷指標可達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）的Ⅲ類水質標準。

在11月—翌年3月的枯水期，生態溝渠對COD、氨氮、總磷的削減貢獻率分別為14.42%、54.55%、39.06%，植草溝對COD、氨氮、總磷的削減貢獻率分別為17.54%、53.12%、38.71%，生態浸沒島對COD、氨氮、總磷的削減貢獻率分別為19.17%、51.40%、37.29%，雨水花園對COD、氨氮、總磷的削減貢獻率分別為43.10%、64.05%、33.26%。上述工藝組合污染物的累積去除率分別為52.78%、83.14%、72.43%。最終出水氨氮、總磷、COD等主要指標均可達到Ⅲ類水質標準。

對比兩個時期的水質數據，枯水期因降水量少和降水頻次低，農田中氮磷污染物經地表徑流沖刷，其進水濃度普遍比豐水期高。枯水期一般在秋冬季，由于生態系統中微生物活性和植物吸附能力下降導致降解氮磷污染物效率降低，但枯水期出水水質仍能達到地表水Ⅲ類標準，說明該組合工藝在冬季仍能穩定運行。

本項目實施后每年可減少氮素流失1 131 kg，減少磷素流失176 kg，減少COD排放8 350 kg，有效解決了區域內氮磷流失問題，使受納水體西苕溪水質得到改善。由于該地塊位于國家級旅游區內，本項目在解決農業面源污染的同時，著重考慮提升地塊周圍生態環境和景觀效益，將生態農業、生態旅游相結合，形成綠色、環保的特色文化。

4 結束語

本工程順利實施并高效運行一年，表明生態溝渠+植草溝+生態浸沒島+雨水花園等組合式氮磷攔截技術對農田氮、磷元素徑流流失有良好的改善作用。通過對原有農業灌溉溝渠進行改造，利用生態多孔介質、生物飄帶、功能性MBBR載體等多孔材料的高效吸附降解特性和沉水植物、挺水植物、草本植物等植物作用對區域內農業面源污染中的氮、磷等營養物質進行攔截、吸附、凈化。枯水期和豐水期的出水主要指標均能達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）)Ⅲ類水質標準，有效保護了受納水體的水質安全。構筑設施不另外占用土地，無動力設備，運行維護操作便捷，可為浙江省及周邊區域的農業面源污染治理提供借鑒。