滇池流域面源污染控制技术研究

滇池流域面源污染控制技术研究陈吉宁李广贺王洪涛黄霞清华大学环境科学与工程系（编者：本文是陈吉宁教授大会交流发言的相关内容，具体大会发言对面源污染的见解将不局限于滇池项目）前言面源污染，也称非点源污染或分散源污染，是指溶解和固体的污染物从非特定的地点，在降水或融雪的冲刷作用下，通过径流过程而汇入受纳水体（包括河流、湖泊、水库和海湾等）并引起有机污染、水体富营养化或有毒有害等其它形式的污染。与点源污染相比，面源污染起源于分散、多样的区域，地理边界和发生位置难以识别和确定，随机性强、成因复杂、潜伏周期长，因而识别和防治十分困难。20世纪70年代以来，发达国家的环境污染控制经验表明，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昀重要来源，是目前发达国家实现常规水质控制目标的难点和关键。随着我国工业污染控制力度的加大和城市水环境基础设施的完善，我国正处于污染构成快速转变时期，面源污染的负荷比重在逐步上升。仅从三湖流域来看，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。北京密云水库、天津于桥水库、云南洱海、上海淀山湖等水域，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。虽然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。尽管我国在面源污染控制方面开展了一系列探索性的工作，但在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，在国家科技部和云南省政府的支持下，由清华大学牵头的课题组于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。经过近四年的全力攻关，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控制提供了有益的经验和探索。本文是对这一工作的简要介绍。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5.7×108m3。滇池南北长40km，东西宽12.5km，湖面面积为298km2，平均水深4m，昀大容积12km3，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。近二十年来，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昀大障碍之一，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、总氮和总磷成为入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，入中国城镇水网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。示范区人口包括5个办事处（行政村）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，也难于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，在多个方面，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。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“1236”的面源污染控制总体技术指导思想，即一个核心：以环境与农业的协调发展为核心；二个关键：以人为本和以提高农民的自身能力为关键；二个系统：面源的污染控制需要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：面山台地为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；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；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，建立污染物入湖前的昀后控制屏障。六项原则为：“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，课题组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。各项的主要研究内容包括：（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－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－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流失工程控制技术。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。中国城镇水网（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入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％。主要研究成果经过近四年的技术攻关和工程示范，课题组取得了如下主要研究成果：（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-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-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80d缩短到30d。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，在昀适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，表现了良好的推广价值和市场前景。除了上述农业固废集中处理技术，课题组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。此外，为了更有效地解决高水份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，课题组通过野生菌种筛选、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中国城镇水网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、提高精细产品得率等方面的有效性。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，课题组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。通过该工程的建设，示范区植被覆盖率达到75.70%，控制约69.64ha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课题组在对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