人工湿地在农业面源污染控制中的应用.docx

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人工湿地在农业面源污染控制中的应用

福建农林大学

本科课程论文

《农业环境学（课程论文）》

论文题目：

人工湿地在农业面源污染控制中的应用

学院：

资源与环境学院

专业年级：

2011级农业资源与环境

学号：

3115704044

姓　　名：

王宁

指导教师：

陈炎辉

成绩:

2012年11月7日

目录

人工湿地在农业面源污染治理中的应用1

1农业面源污染和人工湿地的概述1

1.1农业面源污染1

1.2人工湿地的概述1

2我国农业面源污染现状2

2.1农业面源污染排放总量2

2.2农业面源污染排放区域空间格局2

3我国农业面源污染的成因及其分类。

3

3.1化肥施用量过大，施肥结构不合理，施肥方法不当造成的污染3

3.2农药使用不合理造成的污染3

3.4畜禽粪便无害化处理率低，流失量大造成的污染4

3.5农村生活污染源造成的污染4

3.6农地膜造成的污染4

3.7农作物秸秆利用率低造成的污染。

5

4治理农业面源污染刻不容缓5

5构建人工湿地在治理农业面源污染的具体原理6

5.1沟渠湿地对氮的净化机理6

5.2沟渠湿地对磷的净化机理6

6结束语7

致谢9

人工湿地在农业面源污染治理中的应用

摘要：

主要对农业面源污染和人工湿地的定义进行了简要概述，然后列举了我国农业面源污染的现状，农业面源污染的起因和危害。

通过对人工湿地（主要是沟渠湿地）在控制面源污染的原理的分析，提出了目前人工湿地在我国应用的主要问题和发展方向。

关键词：

农业面源污染；人工湿地；治理；应用；发展前景

引言：

随着社会经济和化工产业发展的越来越快，人们不计后果地大面积向大自然掠夺资源。

如今自然环境的破坏程度已经很是严重，出现了各种环境污染问题，农业面源污染就是其中较突出的农业方面污染问题。

目前，人们对农业面源污染已经开始比较关注了，同时也在研究各种可行的方法去解决这个问题。

1农业面源污染和人工湿地的概述

1.1农业面源污染

面源污染，又称为非点源污染（non-pointsourcepollution），是相对于点源污染而言的概念点源污染主要是指在工业生产过程中以及城市化过程中所排放的污染物，这种污染形式具有排污点集中，排污途径明显等特点。

而面源污染则是在大面积范围以内或大量小点源形式排放污染物造成的，它在自然环境中混入一部分危害容人体，降低环境质量或破坏生态平衡的现象。

结合当前中国发展的实际情况，可以将面源污染理解为广义和狭义两种，广义的面源污染是指污染的覆盖面较大，没有固定的排污地点和时间，随意性较大，而狭义的面源污染只限定于对水体的污染，即各种能够引起环境污染的各类液体及固体，在降水及其他因素的作用下，通过一定的流动而引起的环境恶化、水体富营养化及有毒有害等污染。

根据污染物的来源和发生区域可以将面源污染分为城市面源污染和农业面源污染，其中分布最为广泛的是农业面源污染。

从当前发展的实际来看，对农业面源污染的理解可以从狭义和广义两个角度来进行分析，广义的概念是指人们在农业生产以及生活过程中所产生的、未经任何处理的污染物对水体、土壤以及农产品所造成的污染；狭义的概念主要是指在农业生产的过程中，们为了追求农作物高产而过度使用化学肥料、农药以及无机污染物，通过一定的流径所造成的水体污染[1]。

1.2人工湿地的概述

湿地作为地球上具有多种功能的生态系统，可以沉淀、吸收和降解有毒物质，使潜在的污染物转化为资源，因而被誉为“地球之肾”。

人们正是认识到湿地的作用，才根据不同污染物类型以及当地自然条件，有目的地构建起不同类型的人工湿地，模拟自然生态系统的运作机理，对各类污水加以有效处理。

人工湿地是指通过模拟天然湿地的结构与功能，选择一定的地理位置与地形，根据需要人工建造和监督控制的。

通过对湿地自然生态系统中的物理、化学和生物作用的优化组合，利用这三种作用的协调关系来实现净化作用。

人工湿地具有独特而复杂的净化机理，它能够利用“土壤-微生物-植物”这个复合生态系统的物理化学和生物的三重协调作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化，同时通过营养物质和水分的生物地球化学循环，促进绿色植物生长，实现污水的资源化和无害化[2]。

2我国农业面源污染现状

2.1农业面源污染排放总量

20世纪70年代以来，我国水污染急剧恶化，主要表现为地表水的富营养化和地下水的硝酸盐污染，而农业面源污染是导致水体富营养化的主要原因．通过对种植业和规模化畜禽养殖业各种污染排放量的计算，结果显示，2007年，我国农业面源污染排放的COD为825．9×104t，氨氮为22．4×104t，总氮187．2×104t，总磷为21.6×104t．其中，规模化畜禽养殖业污染物排放量占农业面源污染污染物排放量的84．9%，是主要的农业面源污染源．COD全部来自规模化畜禽养殖业，总氮主要来自种植业，为133．3×104t．在规模化畜禽养殖业中，肉鸡和猪的污染物排放量最大，其中，肉鸡排放的污染物为355．3×104t，猪为319．6×104t，分别占规模化畜禽养殖污染物排放总量的40.0%和35．6%．2007年我国工业和生活的COD排放量分别为511.1×104t和870.8×104t（国家统计局等，2008）．由本文计算结果可知，农业COD排放量大于工业COD排放量，接近生活的COD排放量，农业面源污染排放量不可小觑．但目前我国对农业面源污染的重视程度不够，对农业面源污染防治工作尚处于起步阶段，利用农业增加值和农业面源污染排放量做相关分析，得出相关系数为0.89，即我国农业增加值高的省份，其面源污染大，治理相对落后．其中，农业产值较大的江苏省和四川省，农业污染物排放强度相对较低，为1.7g·元-1和1.91g·元-1，而吉林（6．7g·元-1）和广东（5．6g·元-1）相对较高，表明这两个省份需要加强对农业面源污染的防治工作[1]．

2.2农业面源污染排放区域空间格局

我国农业面源污染排放的空间格局呈现自东向西递减的趋势，东部地区（包括北京、天津、河北、辽宁、上海、江苏、浙江、福建、山东、广东、海南）应是农业面源污染治理的重点区域．东部地区农业面源污染排放量合计467．8×104t，中部（包括山西、吉林、黑龙江、安徽、江西、河南、湖北、湖南）为384.7×104t，西部（包括内蒙古、广西、四川、重庆、云南、贵州、陕西、宁夏、甘肃、青海、新疆、西藏）为204．5×104t．从农业污染物排放强度（污染物排放量/第一产业增加值）来看，中部地区的排放强度最大元，为－14．14g·元-1，东部为4．03g·元-1，西部2．68g元-1．从流域来看，长江（307．9×104t）、珠江（199．4×104t）、海河（134．7×104t）、淮河（129．3×104t）、松花江（77．2×10

t）等流域的面源污染排放量最大，占到全部流域的82%．从单位面积COD排放强度看，以淮河、海河、辽河为首的“三河”流域排放强度大，分别为5．4、3．4和2．1t·km2-，位居10大流域的前4名．山东（128．1×104）、广东（121.7×104t）、河南（81.6×104t）、湖南（81.3×104t）、广西（63．5×104t）等地是农业面源污染排放量大的前5个省份，这些省份既是我国畜禽养殖型重污染区，又是我国农资型重污染区．根据第一次全国污染源普查数据，山东的畜禽养殖粪便处理利用率仅为16．55%，广东为33．72%，福建为30.84%，浙江为36．54%，江苏为39．18%，畜禽粪便利用率相对较低．从环境治理的绩效角度看，我国应重点加强对沿海地区规模化畜禽养殖的环境监管和治理，推动畜禽养殖业污染物的减量化、无害化和资源化利用．

农业面源污染已成为我国流域性水污染、土壤污染的重要来源．在我国水污染严重的流域，由农田、畜禽养殖地带排污造成的流域水体氮、磷营养化已超过了来自城市地区的生活和工业点源污染．当前我国环境治理投资主要集中在工业和生活的点源污染上，我国尚未建立农业面源污染的监测统计体系，缺少农业面源污染减排的政策框架和配套制度，缺乏鼓励和推动农民采纳有效实用技术和管理经验的机制．因此，如果还不加大对农业面源污染的治理投资和监管力度，我国面源污染的严峻形势会进一步加剧[1]．

3我国农业面源污染的成因及其分类。

综合国内有关农业面源污染的文献材料，农业面源污染成因可分为以下几类：

化肥施用量过大，施肥结构不合理，施肥方法不当；农药使用不合理；畜禽粪便无害化处理率低，流失量大；农村生活污染源大；农地膜污染；农作物秸秆利用率低等[3]。

3.1化肥施用量过大，施肥结构不合理，施肥方法不当造成的污染

由于滥施化肥，使土地的肥力下降，导致土壤严重板结。

其中过多地使用化学氮肥其氮素极易浸透到石灰岩水层深处，污染水体；过多地施用磷肥和钾肥，其金属离子渗入水中后，能使无机盐浓度增高，人饮用这些水，可直接侵害消化器官。

过量地施用化肥，还易挥发成气体，污染空气，从而侵害人和动物的呼吸道组织，引起病变，也会使蔬菜和水果等农作物生素C的含量大为减少，硝酸盐含量增加。

在施肥的方法上，问题尤为突出的是：

氮、磷、钾没有做到合理配方，特别是不注意施用钾肥，过量施用氮肥[4]。

3.2农药使用不合理造成的污染

按作物来说，农药在蔬菜生产上施用最重，果树次之，粮食作物最轻；按栽培方式来说，保护地最重，露地栽培次之。

农药的使用虽然保证了农作物的稳产高产，但不合理的使用农药，也污染了环境，危害着人们的健康。

有些农民并非是在安全操作和严格规范下使用高毒、高效农药，而是对农药不进行合理配制，或盲目混用多种农药，这样反复不合理使用农药，使病虫害抗药性增强，蔬菜、水果等的农药污染加重，导致农副产品中农药的残留超标，同时也导致生物的多样性遭到破坏，影响到土壤的肥沃性，使土壤变得不宜种植[4]。

3.4畜禽粪便无害化处理率低，流失量大造成的污染

因畜禽粪便没有化肥的速效作用，施用麻烦，加上外出务工人员较多，农村劳动力严重不足，多数农户还未建沼气池，因此，大量畜禽粪便未经过处理就直接排放。

这些畜禽粪便携带大量的大肠杆菌、寄生虫卵等病原微生物和大量的氮、磷等进入江河湖泊或地下水，不仅污染养殖场周围的环境，而且导致水体和大气的污染，成为另一个重要的污染源[4]。

3.5农村生活污染源造成的污染

随着农村城市化的发展,城乡结合地带面积越来越大,生活污水越来越多。

目前我国约有9亿农村人口,生活水平的提高也带来更多的生活垃圾和生活污水,而农村居民生活污水、垃圾几乎都是未经任何处理就直接排放,污染物经土地系统渗出约有10%进入水环境。

我国每年产生的6亿多吨秸秆,约有2/3被焚烧或变成有机污染物,既浪费资源又污染环境[4]。

3.6农地膜造成的污染

农膜已成为农业白色污染的主要来源，特别是在城市周边的菜地里，农膜污染已相当严重。

目前使用的农膜过薄，风吹易碎，难以回收，再加上粮农、菜农将使用完的废旧农膜有50%～90%不加以处理，任其随风飘扬，造成了白色污染。

其危害：

一是农膜被翻进地里后难于降解，污染土地资源，破坏土壤中的团粒结构，严重影响其透水透气性，使良田变为劣田；二是一旦被羊吃后积聚在胃瓣里，结成团块，影响其消化，严重时导致患肠梗阻死亡[4]。

3.7农作物秸秆利用率低造成的污染。

虽有部分秸秆可以通过沤肥还田，但仍有很大一部分被焚烧。

秸秆在燃烧过程中，浓烟滚滚，产生大量的二氧化碳，破坏了臭氧层的温室气体，同时还会造成3种危害：

一是使空气污染加重，可见度下降，直接影响交通、航空安全和空气质量；二是田间地头的树木和农作物有被熏死的危险，甚至会酿成火灾；三是破坏土壤有机质[4]。

4治理农业面源污染刻不容缓

农业面源污染已成为我国流域性水污染、土壤污染的重要来源．在我国水污染严重的流域，由农田、畜禽养殖地带排污造成的流域水体氮、磷营养化已超过了来自城市地区的生活和工业点源污染．当前我国环境治理投资主要集中在工业和生活的点源污染上，我国尚未建立农业面源污染的监测统计体系，缺少农业面源污染减排的政策框架和配套制度，缺乏鼓励和推动农民采纳有效实用技术和管理经验的机制．因此，如果还不加大对农业面源污染的治理投资和监管力度，我国面源污染的严峻形势会进一步加剧。

不过值得庆幸的是目前我国正在努力发展生态农业，而且也看到了构建人工湿地工程在治理面源污染上的比较好的应用前景。

5构建人工湿地在治理农业面源污染的具体原理

主要是沟渠湿地对污染物中氮素和磷素的净化作用[5]

5.1沟渠湿地对氮的净化机理

沟渠湿地去除氮的途径主要包括植物的吸收、氨的挥发、介质的吸附以及微生物的硝化-反硝化脱氮。

被污染水中无机氮作为植物生长过程中不可缺少的物质，可以直接被植物摄取，合成植物蛋白质等有机氮，通过植物收割从污水和湿地系统中去除。

植物只能吸收一部分氮，一般占投配氮量的8%~16%，因而不是湿地的主要除氮途径。

对于氨的挥发，只有当pH值为9.3，氨和铵离子的比例是1∶1时，通过挥发造成的氨氮损失才开始变得显著，但在人工湿地中，水体在通过填料层过滤时，pH值变化不是很剧烈，一般不会超过8。

因此，人工湿地中通过挥发损失氨氮的作用可以忽略不计。

介质的吸附主要是对还原态氨氮而言的。

还原态氨氮十分稳定，能被床体基质所吸附，但是人工湿地基质通常所用的材料（砾石等）是惰性的，氨氮的吸附被认为是快速可逆的。

也就是说，湿地的基质对氨氮有一定的吸附作用，而且在初期是明显的，但同时也会向系统释放其吸附的氨氮。

因此，介质对氨氮的吸附是湿地除氮的一个重要方面，但不是湿地脱氮的主要途径。

微生物对氮的分解和转化是湿地降解污染物的主要机制，氮的去除主要还是通过微生物的硝化和反硝化作用来完成。

硝化过程中，氨氮首先被氧化为亚硝酸根（NO

），进而被氧化为硝酸根（NO

），反应式如下：

NH4++1.5O2=NO-2+2H++2H2O，NO2-+0.5O2=NO3-

NH4++2.0O2=NO3-+H2O+2H+

.反硝化是一个厌氧分解的过程。

在硝酸盐存在的厌氧环境下，细菌利用硝酸盐而不是氧作为电子受体，而且需要有足够的碳源作为细菌能量的来源。

这个过程分两个步骤：

首先硝酸盐被还原成N2O，随后又进一步还原成N2。

转化过程为NO3-→NO→N2O→N2总反应式为2NO-+5H2+2H+→N2（g）+6H2O

如果pH小于4，则N2被抑制而最终以N2O排入大气。

从一般的环境质量来看，湿地土壤的pH值都为6以上，因而湿地中反硝化作用的最终产物是释放到大气的N2。

反硝化作用最适宜的pH在7~8之间，在pH在7.5时，反硝化作用的速率最高，当pH小于6.5或大于9时，反硝化速率迅速下降。

因此，反硝化反应在湿地环境中发生的条件为NO3-的存在，厌氧的环境，适宜的温度和pH值以及足够的碳源。

只有在满足这些条件的情况下，沟渠湿地对氮的净化才能达到理想效果。

5.2沟渠湿地对磷的净化机理

湿地对磷有很好的去除效果，磷在湿地中的去除可分为生物和非生物两种过程。

生物过程包括植物吸收、微生物转化等；非生物过程包括底泥的吸附和沉降。

自然条件下，植物吸收磷被看作是短期的过程，因为植物死亡后，残体分解将磷再次释放出来。

而吸附沉降被认为是湿地长期去除磷的过程。

在缺氧条件下，磷酸盐经还原作用产生PH3释放到大气中，但通过这一途径去除磷的量极少。

湿地系统对磷的主要去除机制是沉积反应及生物残屑、腐殖质和底泥矿物的吸附。

水体中一些磷是可溶的，易于被土壤颗粒吸附。

因此，湿地通过滞留沉积物来达到降低水中磷的浓度。

湿地底泥中磷的存在形式分无机和有机两种形态，两者的相对比例取决于它们的性质和来源。

通常湿地底泥中的矿物质低，而有机质的质量分数高，磷在底泥中主要以有机态的形式存在。

大多有关湿地中磷的迁移转化机理的研究集中在无机磷上，而认为有机磷的生物有效性是不重要的，因为在湿地淹水缺氧条件下，有机磷的矿化速度很慢。

然而，在大多湿地底泥中，主要部分是有机磷，如在沼泽湿地中，有机磷占87%，因此，有机磷的矿化作用是生物有效去磷的一个重要补给途径[3]。

可溶性的无机磷化物能与二价及以上的阳离子（如Ca2+，Fe2+，A13+）发生吸附和沉淀反应而被截留在底泥中，可能的反应途径有以下类型。

A13++PO43-→AlPO4↓，3Fe3++PO43-→FePO4↓，

5Ca2++3PO43-+OH-→Ca5（PO4）3OH↓.

因此，若底泥中含有较多的无定性（非晶体型）铁、铝氧化物，能与磷形成溶解度很低的磷酸铁或磷酸铝，沉积在底泥中。

湿地对磷的吸收能力与基质中铁和铝的氧化物的量有正相关关系。

但这种沉淀反应是可逆的，如果流经湿地的排水中磷的质量浓度较低时，底泥吸附的一部分磷有可能重新释放到水中。

因此，底泥在某种程度上起到了“磷缓冲器”的作用。

土壤和底泥对磷的吸附主要发生在表层，随着深度增加，吸附能力下降，这是由于表层土壤和底泥处于好氧状态，铁、铝呈无定性的氧化态形式，吸附能力强，能与磷形成难溶的复合物。

通常底泥和土壤对磷的最大吸附容（Smax）在好氧条件下比厌氧条件下高。

在好氧和厌氧两种条件下都观测到磷的吸收峰与无定形（或非结晶态的Fe和Al有显著的相关关系。

Smax与TOC（总有机碳）也有统计学上的相关性，表明有机质在磷的吸附、沉降过程中也发挥作用。

有机质可能并非直接吸附沉降磷，而是因为与Fe和Al形成了络合物从而影响磷的沉淀。

非定型的Fe和Al是非常活泼的，能在表面吸附磷形成不溶的复合物而沉淀。

在好氧条件下，Fe和Al能吸附87%的磷，而在厌氧条件下吸附77%的磷，在好氧条件下加TOC后，吸附增加5%，在厌氧条件下，增加不到1%。

底泥对磷的吸附、沉积能力会出现饱和状态，这时，湿地对磷的去除有可能停止，甚至向水体中释放磷。

生物吸收（包括细菌、藻类、大型水生生物）是系统初始阶段去除磷的主要机制，但生物吸收只是一个短暂的贮存磷的过程，当藻类死亡以后，35%~75%的磷将最终释放出来。

针对植物对磷的去除能力，不同的研究者有不同的结论。

有的研究者认为，磷质量分数的下降实际上主要依靠土壤的吸附和沉淀作用，植物对磷的吸收能力很弱，对磷的去除所起的作用有限。

而有的研究学者发现不同植物对磷的吸收能力是不同的，漂浮植物及沉水植物对磷的吸收效果差，而挺水植物庞大的根系植于底泥中，可从底泥中直接吸收沉积的磷。

虽然对植物吸收磷的能力有不同的观点，但植物生长对磷的去除是有益的，这是不争的事实，因为不论是漂浮、浮叶、沉水植物还是挺水植物，其根区系统能有效吸附截留水中的悬浮物和颗粒状磷，促进磷的沉降。

虽然大型挺水植物能有效贮存磷，但所需的磷很少是从水体中直接吸收的，而是通过根部首先吸收底泥空隙水中的磷，使水体与底泥之间产生浓度梯度，这一质量浓度梯度促进磷向下迁移，提高了磷在整个湿地系统中的截留水平。

农田排水沟渠具有排水和湿地的双重功效，由于其含有底泥、水生植物、微生物等，农田各种类型的氮、磷在水—沟渠沉积物—微生物—植物这一微观系统中进行迁移转化。

氮在沟渠系统转化过程中通过氨化、硝化、矿化、脱氮和固氮作用被沟渠沉积物、微生物、水生植物等截留去除；磷在沟渠系统迁移转化过程中通过沉积物的吸附作用、水生植物的吸收作用、微生物的降解作用等被截留去除。

通过观察氮、磷的进出口处各污染物质量浓度平均值，可知农田排水沟渠对氮、磷具有很好的净化作用。

6结束语

农业面源污染造成的水体富营养化问题已经引起人们的极大的重视，人工湿地系统作为一种投资少、工艺简单、能耗低、维护管理方便的面源污染控制系统。

不仅在去除氮、磷等污染物有较好的效果，还能为不同种类的动植物提供良好的栖息场所，湿地内的植物收获后还能获得一定的经济效益，适合我国国情，在我国土地资源丰富的农村地区中具有良好的应用前景。

目前，在我国的滇池、洱海、太湖等水域的农业面源污染控制及禽畜养殖污水处理中已经开始实施人工湿地工程技术，并进行了机理的研究，取得了一定的成绩，为我国农业面源污染水体治理提供了一条极有参考价值的技术途径和技术模式。

国外已经在大量成功试验和应用实例的基础上出版发行了许多有关湿地的设计导则和指南。

但国内对这项技术的研究以及有关工艺设计的资料和应用实例相对来说还比较少，因此必须借鉴国外的先进经验。

根据我国不同地理地区的具体情况，深入地开展这方面的研究工作，取得适合于不同地区不同环境气候条件及不同污水特性的实用参数，不断更新和完善人工湿地技术在控制农业面源污染方面的应用，克服其制约因素，以促进该技术在我国的广泛应用。

参考文献：

[1]马国霞，於方，曹东，等．2012．中国农业面源污染物排放量计算及中长期预测［J］环境科学学报，32

（2）:

489-497

[2]杨华，马继侠，等．2009．人工湿地在农业面源污染治理中的应用［A］公用工程设计

[3]蒋宝琼，等．2012年第2期．桂林市农业面源污染现状及治理对策［A］资源与环境科学现代农业科技

[4]焦瑞莲，等．2009．治理农业面源污染刻不容缓［J］科学种养

[5]米晓辉，孙宪斌，贾小强等．2010．沟渠湿地对农业面源污染物的净化作用研究［A］

SCI-TECHINNOVATION&PRODUCTIVITYNo．6Jun.2010，TotalNo．197

致谢

一个学期以来，陈炎辉老师对我们班级在农业环境学专业的谆谆指导，在这里我表示真诚的感谢！