農業種植面源減排——青貯玉米緩釋肥種肥同播

未來科技城河道生態修復與濕地景觀

　　◆劉曉星

　　怎樣才能治好一條頻發洪水的黃河？大禹治水的典故教育我們，疏導重于圍堵，治水講究智慧；怎樣才能治好一片遭到污染的海河？水專項的科學實踐指引我們，集成勝于單一，治水講究系統。

　　北運河（北京段）屬于海河北系，發源于燕山南麓關溝河，自北向南流至北京市通州區牛牧屯出北京界，是北京市五大水系中唯一發源于北京且干流常年有水的河流。共有清河、通惠河、涼水河等13條一級支流，總長度達300公里，流域面積4423平方公里，承擔著北京中心城區90％的排水任務。

　　自2008年奧運會以來，北運河水系成為北京市人大連續重點督辦治理的對象，這對于北運河流域內河流水質提高、生態環境改善起到了決定性作用。隨著北京市社會經濟的快速發展，全市“十二五”末已新增常住人口209萬人。一方面，城市建設規模不斷擴大、首都經濟快速發展、人口持續增長和生活水平不斷提高帶來了污染物排放量的增加；而另一方面，相對于城市建設、經濟發展和人口增長，北京市污水處理廠和截污設施建設顯得相對滯后，這導致了進入“十二五”初期，排入北運河流域的污染物總量不斷增加，流域生態環境惡化趨勢得不到有效遏制。

　　隨著國家重大戰略文件《京津冀協同發展規劃綱要》的審議通過和不斷推進，北運河水系污染已成為影響和制約首都生態文明發展、北京城市副中心生態建設和京津冀核心區水質根本轉變的關鍵制約因素。由于流域面積大、人口集中、城市化水平高、農業生產發達，造成北運河流域內污染物排放量遠遠超過環境容量，河道水質污染嚴重，基本為劣Ⅴ類水體，歷年平均達標率不到20%，在北京市五大水系中水質最差。根據北京市環境狀況公報（2012年），北運河流域劣Ⅴ類水質河流長度占監測總長度的比例在75%左右。北運河流域的污染現狀和特征在海河流域甚至北方干旱地區普遍存在，在海河流域極度缺水的大背景下，面對缺乏清潔地表水補充，而以直排污水、污水處理廠退水和雨洪水等非常規水源補給為主的河流水系，要想實現流域水體的全面改善達標極其困難。

　　正是在面臨如此嚴峻的水污染現狀挑戰下，水專項“海河北系（北京段）河流水質改善集成技術與綜合示范”（2012ZX07203-001）課題負責人、北京市水科學技術研究院李其軍教授帶領“非常規水源水污染控制與治理技術創新團隊”， 選擇北運河（北京段）全流域，發揮集成創新、工程實踐與綜合示范的優勢，同步開展地方標準制定、規劃政策支撐和區域補償制度設計。

　　通過對流域水環境問題的綜合診斷，李其軍教授采用“一河一策”的河流污染物排放總量控制治理思路，分別從政策制度設計和技術綜合示范兩手發力，形成基于水質目標管理的流域水環境總體治理方案：一方面，制訂北運河流域總量控制和污染減排方案及管理政策，推動并支撐了北京市水污染控制和水環境管理系列標準、規范和政策機制出臺，支撐北京市有關規劃和管理行動實施，形成了屬地政府水環境管理的約束和激勵機制；另一方面，構建了非常規水源補給型河流污染控制與水生態修復技術體系并綜合示范，解決了滿足北京市水污染物排放標準的關鍵技術難點并建立規模化示范工程，引導支撐了一系列流域水環境治理工程同步建設。

　　污染物總量控制技術為流域水環境目標管理提供科技支撐

　　北運河流域（北京段）主要涉及北京市東城、西城、通州、海淀、朝陽、豐臺、石景山、大興、昌平和順義等10個區，流域內人口占全市人口的70％以上，GDP占全市80％以上，是北京市人口最集中、產業最聚集、城市化水平最高的流域，同時也是北京市農業生產的重要流域。

　　經調查，北運河流域內各類污染源COD總排放量占北京市COD排放總量的首位。以2013年為例，北運河流域中COD主要來源于居民生活污水和集中式污水處理廠退水等生活污染，約占60.3%，其次為農業污染，主要包括畜禽養殖和農業種植，約占37.1%。這兩類污染源COD排放量占全流域各類污染COD排放總量的比例超過了95%。生活污染一般是通過排入溝渠和集中式污水排放等方式直接或間接地增加入河污染物總量，對流域水環境造成污染。農業污染的特點是分布散且規模不大，主要是通過大量高濃度的養殖污水直接排入河道和施用化肥農藥的農業面源污染排放，加劇對水環境的污染。

　　雖然流域內大部分污水已經得到處理，但是處理后的污水COD排放濃度仍有30 mg/L～60mg/L，它們最終仍然進入河道，且其水量大，使得入河污染物總量很大。伴隨著流域經濟總量的快速增加，污染物排放量還將持續增加，將加大北運河流域水環境改善的難度。

　　課題組介紹說，水專項“海河北系（北京段）河流水質改善集成技術與綜合示范”課題通過研究流域水環境目標管理支撐技術，形成了流域污染物總量分配方案和污染物減排策略，為兩項最嚴格地方標準《城鎮污水處理廠水污染物排放標準》（DB11/ 890-2012）和《水污染物綜合排放標準》（DB 11/ 307-2013）的出臺提供了技術支撐，也為流域水質綜合改善提供了理論依據。

　　在課題的支撐下，形成了基于水環境質量的污染物總量控制成套技術，完成了北運河流域（北京段）水環境容量測算、水環境質量—排放定量關系識別、水體主要污染物減排策略及技術方案優選等工作。根據項目成果，課題制定并于2014年經北京市人民政府辦公廳發布《北京市水環境區域補償辦法（試行）》（京政辦發［2014］57號），明確了補償金的核算標準。自2015年1月1日開始實行以來，該辦法打破了以往北京市區污水治理“大鍋飯”的局面，調動了各區縣污水治理的積極性，形成了流域上下游配合、各區協同治水的新局面。經過一年多的實施，北京市已建立了水環境區域補償長效機制，有力落實了各區屬地政府水環境治理的行政責任。2016年7月，北京市市長王安順作出重要批示，充分肯定“創新制度和機制是解決問題的好途徑”，并提倡“其他部門學習借鑒這種創新精神”。

　　基于水專項成果，課題組進一步對《北京市城市總體規劃（2004～2020）》提出了修訂意見。通過調查明確北運河流域污染排放狀況，對該規劃中2020年、2030年水質改善目標進行了修訂。從北運河流域（北京段）水環境容量出發，科學測算了達到2020年、2030年水質改善目標所需的治污措施和對策，提出“推動實施區域總量管理和流域總量管理相結合”的治污策略，確定了2020年全市畜禽養殖規模和化肥施用強度等農業污染治理方案，倡導了加快建設農村污水收集、處理設施，逐步提高農村污水處理設施運行率，推動改善農村水環境質量狀況等農村污染治理方針。

　　流域污水處理廠升級改造與深度處理資源化讓再生水水質持續改善

　　針對北運河流域（北京段）城鎮污水處理廠處理效率低，出水水質亟待提升的現狀和要求，課題分別攻克了城鎮污水處理廠升級改造技術和新建城鎮污水處理廠污水深度處理與資源化關鍵技術。

　　結合污水處理廠原有污水處理工藝方案的優缺點，課題組開展了微氣泡及純氧曝氣技術、固定化微生物技術、A2O-MBR組合、厭氧-好氧耦合、臭氧及催化臭氧氧化等工藝的優化組合研究，提出了針對不同類型污水處理工藝的流域典型城鎮污水處理廠升級改造技術方案。結合再生水廠提標改造組合工藝中試研究，完成了示范工程的建設和試運行，實現了再生水廠出水水質穩定達標，推動了膜法深度處理技術廣泛應用于北京市多項再生水廠建設工程，支撐了《北京市加快污水處理和再生水利用設施建設三年行動方案（2013～2015年）》的順利完成。

　　面向鄉鎮污水處理設施出水難以達標的技術難題，課題提出了流域新建鄉鎮污水深度資源化技術方案。在現有生物膜法和接觸氧化法的基礎上，課題開展了多點進水強化脫氮生物膜反應器技術研究，構造低溶氧區/高溶氧區多級交替環境，優選填料使其形成好氧/缺氧/厭氧微觀環境，強化了脫氮效果和有機物去除，有效控制了鄉鎮污水處理設施的投資和運行成本。通過工程示范，該技術成果體現出啟動周期短、處理效率高、抗沖擊負荷強、系統折舊費低、運行管理簡便等特點。目前，該成果已在生態涵養區污水處理工程及中心城多個分散污水處理設施建設中得到應用推廣，提高了當地水資源的利用效率，降低了流域水環境污染負荷。

　　為阻斷污水直排入河、應急改善水環境，課題研發的固定化微生物技術已應用到清河東小口污水處理站臨時應急改造工程中，出水滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級B設計標準；厭氧-好氧耦合生物濾池技術已應用到通州區張家灣鎮何各莊污水處理站、通州新城生活核心區域土橋污水處理站、通州區張家灣鎮牛堡屯中街村污水處理工程、通州區張家灣鎮西定福莊工程設計中；自主研發的厭氧小管反應器實現標準化生產，后續與跌水曝氣或人工濕地等結合，出水水質可進一步降低。

　　課題自主研發的專利裝置在綜合示范區內得到了充分的應用。水面凈水器、人工凈水草等裝置在北運河流域內水體以及市區的河湖水域的改善工程中得到廣泛應用；厭氧-好氧耦合生物濾池及生化小管反應器專利裝置主要針對生活污水低碳高氮磷、含部分難降解有機物的水質特點和城鎮污水處理廠處理率、出水水質均有待提高的現實問題進行開發研究，可應用于高品質再生水廠的建設及現有城鎮污水處理廠升級改造工程中。據了解，本項目研發的技術以消減水中的污染物及有毒有害物質為重要技術目標，裝備大批投入使用，將直接促進使用地的污染物減排、補水水質凈化。

　　對此，課題組向記者介紹說，本課題對于促進流域城鄉水環境污染物的削減，提高“十二五”期間流域水污染治理投入的綜合實效，提升區域經濟圈內的城鎮、農村環境狀況，加強城鎮水循環系統科學化管理、改善水體質量和帶動區域社會環境的可協調發展具有積極意義。

　　農業種植面源污染生態調控成套技術與管理模式體現因地制宜

　　化肥農藥面源污染源頭減量控制技術是減輕農業種植面源污染的有效措施之一。北京市在農業面源污染防控方面做了大量富有成效的工作，但尚存在一些問題。針對流域內農業面源污染底數不清、技術系統性不足等問題，本課題開展了農業面源特征調查研究，研發并集成了農業種植“產前—產中—產后”節肥節藥綜合防控技術，提出了農業種植面源污染綜合防控管理措施與政策建議。

　　課題組向記者介紹，課題研發并集成測土配方施肥、水肥一體化、有機肥替代化肥等農作物化肥源頭減量施肥技術以及辣根素棚室消毒、高效精準施藥、植株殘體無害化處理等病蟲生態控制技術，形成北運河流域節肥節藥綜合防控技術體系。核心內容包括：產前生物熏蒸辣根素土壤消毒、棚室表面消毒、培育無病蟲壯苗和測土配方施肥；產中采用環境友好型肥料替代、化肥有機替代、科學追肥、病蟲害綠色防控、新型農藥替代和采用高效施藥機；植株殘體集中無害化處理和資源化利用。

　　據了解，該項節肥節藥綜合防控技術在推廣應用過程中，根據種植作物及不同種植茬口，可選擇各單項適宜技術進行集成組裝應用。該項技術在北運河（北京段）流域14個農業種植面源污染防控示范基地應用推廣，應用面積1.05萬畝，技術推廣面積達14.3萬畝，可實現畝均減少化學肥料投入25%～30%，減少化學農藥投入40%，畝均節支增收近800元，生態效益、經濟效益顯著。

　　畜禽養殖污染綜合治理技術體系和管理模式破解行業難題

　　北運河流域（北京段）畜禽養殖的顯著特點是養殖場呈明顯的集中分布規律，畜禽糞便土地承載壓力大；同時，養殖疏散的地區又缺少有機肥。

　　在采訪中，記者了解到，破解這一難題的最好方式是建立有機肥廠，考慮到中小規模的養殖場新建有機肥生產線一次性投資較高且有機肥銷路受限制這一客觀因素，課題組提出，可以采取區域集中治理模式，即在養殖集中的區域建立區域性有機肥生產廠或者利用現有有機肥料廠，覆蓋周邊畜禽養殖場，實行區域集中治理，建立集糞污收集、處理與綜合利用為一體的畜禽養殖糞污綜合治理技術體系。

　　在農業種植生產過程中，蔬菜、瓜果等農作物生產肥料、農藥投入不合理，造成部分農作物化肥、農藥過量施用，加劇了局部區域的農業面源污染。

　　課題組提出，可以在農作物種植過程中，調整養分投入與配比，減少化學養分投入；同時，利用新型生物農藥、高效精準施藥，減少化學農藥投入，從源頭控制種植面源污染負荷。

　　畜禽養殖污染綜合治理技術體系和管理示范模式于2014年5月正式運行。示范地點選擇以北郎中有機肥料廠為中心，輻射周邊4家養殖場，通過建立畜禽糞便收集—集中處理—生產有機肥等綜合利用的治理模式，解決養殖集中區域畜禽糞污污染難題。運行期間，按照有機肥料廠的操作規程，規范有機肥料廠的生產活動，同時對北郎中有機肥料廠的生產以及4家養殖場的購料均進行了記錄，監測結果顯示，總體示范模式運行情況良好。

　　第三方評估結果顯示，示范區的畜禽養殖污染治理模式與傳統的“厭氧+沼液沼渣還田模式”、“有機肥+污水儲存模式”兩種分散處理模式相比，可分別節省投資28.9%和45.6%，運行成本均可節省18%，示范模式的經濟效益遠優于傳統分散處理模式。通過示范應用建立的“糞便收集—集中處理—綜合利用”的運行模式，突破了單個養殖場和傳統處理模式的瓶頸問題，有效解決了示范區畜禽養殖場以往畜禽糞便亂堆亂放、冬季無法還田等問題，不但給北運河流域（北京段）畜禽養殖集中區域污染難題提供了重要的思路和參考，而且對畜禽養殖污染防治也提供了重要的思路。

　　非常規水源補給型河流生態修復成套技術實現生態系統良性循環

　　針對海河北系（北京段）不同河流水資源量和水生態環境差異，課題組基于生態需水量研究提出了包括調水水量、水質凈化和輸水路線的水資源調配總體方案，開展了水資源調配區濕地構建、水生態維護技術方案和受水區水質穩定技術研究，建立了河道濕地構建及植物—魚類—貝類群落生態維護技術等非常規水源補給型河流生態修復成套技術。根據閘前河道水文、地形條件，綜合集成多功能生態浮床原位水質改善、旁路循環凈化、生境構建、生物群落恢復及維護等技術，促進河道水質改善及水生生物群落快速修復，有效營造了深水區立體懸浮生境，為水禽、水生動物提供了良好棲息環境，形成多樣、相對穩定的河道水生態系統。

　　課題研發的新型太陽能提水曝氣機的工作效率比以往相關產品提高10%以上；水生植物、魚類、貝類群落的聯合投放，可有效促進水生態系統恢復，對水體透明度、CODMn、BOD5、SS和葉綠素a指標具有較好的去除效果；深潭淺灘生境的構建有效促進了生物多樣性發展。

　　利用太陽能曝氣潛流濕地/河道邊灘濕地與河道水體構成塘—濕地系統，對河道水體進行旁路循環凈化，有效提升了河道及邊灘的凈化效率。示范工程濕地植物均以本地植物為主，魚類以濾食性魚類為主，貝類以河蚌為主，水質凈化技術成熟可靠，系統優化配置經驗豐富，在低污染流域水環境質量改善與生態修復方面具備集成技術推廣和關鍵技術產業化的基本條件。

　　基于該項研究成果，將建設北京未來科技城河道濕地生態修復示范工程，濕地面積超過9.7萬平方米。以表流濕地和潛流濕地為主要形式，工程分別在老河灣構建了多處深潭和淺灘，對局部水域徹底清淤后，大面積布設了多功能立體式太陽能曝氣生態浮床，強化對河道濕地水域水體污染物的凈化效果，提高了河流生態修復能力；通過優化種植挺水植物和沉水植物、放養濾食性魚類等人工干預措施，重建由沉水植物、挺水植物和水生動物組成的水生生態系統，形成主河道與旁路濕地交互作用、循環聯通的凈化體系與生態交互區，充分激活了健康水生生態系統所具有的良好自凈和調控能力。工程建成后，示范水面面積合計28.6萬m2，總蓄水量約41萬m3，COD削減量可達255噸/年，保持了景觀水系主要水質指標滿足地表水Ⅳ類標準，極大地恢復了河道的水生生態系統，提高了水生生物多樣性。

　　通過推廣，該技術即將應用于北京市昌平區“十三五”重點濕地公園建設項目，打造具備高景觀環境調節功能和高生態服務價值的區域化載體，有望進一步提高流域生態環境質量。

　　結語

　　海河流域在“十二五”期間按照“控源減排”、“減負修復”和“綜合調控”的步驟，建成了北運河（北京段）河流水質改善成套整裝技術集成綜合示范區，為《水污染防治行動計劃》和《北京市進一步加快污水處理和再生水利用設施建設三年行動方案（2016年7月～2019年6月）》的實施提供了強有力的科技支撐，較好地完成了階段性任務和目標，提升了本領域的科技創新能力，為后期水專項的實施奠定了基礎；關于北京城市副中心水環境治理、農村受污染河道水體生態改善、構建水處理行業科技生產型研發平臺也將是海河水專項“十三五”的重大需求。

　　在今后的實施過程中，水專項將聚焦重大成果的推廣和應用，全面提升區域環保技術及裝備創新能力與產業化水平，以實現海河流域水資源利用高效安全、水環境質量全面提升和水生態體系健康完整。