农业生产与水质改善“双赢”不是梦

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种养一体化农业增效减负示范工程鸟瞰图

“全链条”农田增效减负与清洁生产技术系统

猪粪酒糟混合多级厌氧处理—生物菌肥工艺

本报记者 瞿 剑

海河流域,我国三大粮食生产基地之一,是我国小麦、玉米、蔬菜、肉类主产区,也是水肥消耗最大的区域之一,在保障粮食安全的同时付出了巨大的资源环境代价。高投入、高消耗、高排放的集约化农业方式,导致农业面源污染成为流域水体污染的主要来源。

“表象在水体,根子在陆域”,国家科技重大专项“十二五”水专项“海河下游多水源灌排交互条件下农业排水污染控制技术集成与流域示范(2015ZX07203-007)课题”负责人、中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所研究员张晴雯表示,削减陆域污染负荷是治理农业面源污染的根本出路。

为了破解粮食刚性需求压力下农业面源污染治理难题,在国家科技重大专项支撑下,中国农科院环发所牵头,中国科学院生态环境研究中心、中国环境科学研究院、环境保护部南京环境科学研究所、山东省科学院、环农沃土(北京)高新科技有限公司、滨州市深港环保工程技术有限公司等参加,经过4年多协同攻关,突破了耕层土壤水库及养分库扩蓄增容基础上的农田增效减负等关键技术,取得了集“种养一体化农业增效减负技术体系、农村有机废弃物资源化处置与循环利用综合技术体系、流域退水生态系统联控与自净能力提升技术体系”3套关键技术体系为一体的“全域绿色种养加及农村粪污资源化循环生态链”标志性成果。改变了传统经济“资源—产品—废物排放”线性农业生产模式,形成了农业产业系统中的物质多次、多级、多梯度的循环利用模式,使农业生产系统对环境的废物释放最少化。

陆域水体统筹联防:

点线面结合

海河下游多水源灌排交互,点源和面源污染交叠。针对这一特点,课题建立了重点污染源档案,量化分析点源、面源污染的源强及其时空差异;结合控制单元水环境容量,建立了污染负荷分配体系,提出了农业面源污染负荷分配与削减方案;从点源和面源污染排放的管理措施及削减技术角度,构建了种植—养殖—农村主要污染源空间全覆盖、“源头消减、过程控制、末端处理、循环利用”等关键节点全过程的流域农业面源污染控制技术模式,形成秦台河流域点源面源污染防治统筹联防技术思路和流域控制方案。

种植业生产“全链条”调控:

全周期、全要素、全过程

在揭示示范区典型农田氮磷流失特征和作物需肥规律的基础上,研究形成了以氮磷盈余为基准的肥料运筹技术、以碳调氮为核心的土壤库容扩增技术、水肥盐协同高效的农田增效减负技术以及基于种养平衡的废弃物资源化还田技术等,以此为核心,打造“全链条”农田增效减负与清洁生产技术体系。

这一体系围绕全周期、全要素和全过程,就整个农业生产进行调控。全周期主要从作物整个生育期维持健康生理生化指标进行监控,保障高产优质;全要素综合碳、氮、水、盐等关键因子,针对水、土、气、生等生产要素进行整合和优化,实现减负高效;全过程围绕整个生产过程,促进产前投入绿色化、产中系统化以及产后资源化,实现清洁生产。整套技术形成了“机理+产品+技术”的系统化农田氮磷面源污染控制技术体系,并在示范工程中进行示范和推广。

种养一体化:

“三段法”变废为宝

针对海河流域粮食增产稳产需求压力下化肥不合理施用以及种养脱节造成的水环境问题,通过结合产业链上下游,引入酒糟废液共发酵,将种植与养殖有机融合,实施了种养一体化农业增效减负示范工程。

通过三段工艺对猪粪酒糟联合厌氧发酵:A段采用全混合厌氧消化器对猪粪和酒糟进行联合中温发酵,能够保障在北方冬季等低温环境下正常进行发酵产沼气,降低能源消耗;B段封闭式厌氧塘厌氧稳定,储存60天使得沼液稳定化;C段接种菌剂,进行氨氮臭味控制和益生菌增殖,制成高品质生物菌肥,用于农作物种植。

构建了全域绿色种养加循环生态链,核心示范面积2平方千米,辐射推广面积45 平方千米,养猪规模3万头。第三方监测结果表明,在作物不减产前提下,示范工程氨氮流失量削减38.51%,硝态氮流失量减少31.19%,总磷流失量减少46.36%,排水中氨氮和总磷浓度一直处于1.5毫克/升和0.3毫克/升以下,每公顷节本增效2400元以上。

“厕所革命”最后一公里:

粪污资源化循环

海河流域下游农村厕所位置分散,缺少收集设施,已收集粪污缺乏配套的资源化处理技术,导致未处理粪污流入河流、池塘等地表和地下水体,加剧了海河下游的面源污染问题。

课题以农村有机废弃物能源化、资源化、无害化、经济化为目标和约束条件,在山东省滨州市滨城区中裕高效生态农牧循环经济产业园区以及秦皇台、杨柳雪等乡镇农村,建立了农村有机废弃物资源化处置与循环利用技术集成与示范工程。以农村公厕收集生活污水入手,研发了以负压收集技术、污水源分离技术为支撑的农村节水无味生态厕所源分离机资源化关键技术。以农村户厕收运生活粪便入手,通过智慧环卫系统,创新车辆管理模式以及点位统计处理模式,建立了农户厕所粪便运输管理体系,将各村镇收集的粪污经车辆统一运送至粪污集污池,并通过高温运行工艺有效的杀死粪污带入的大肠杆菌等污染菌,最终实现粪污无害化和资源化循环利用。

示范工程自启动实施以来,灰水通过检测符合城镇污水处理厂污染物排放1级A回用标准(GB18918-2002),黑水通过检测符合回用标准符合粪便无害化卫生标准(GB7959-2012)。运行费用每吨水低于0.23元;在改变农村排水模式方面,冲厕耗水减少约84.5%,农村厕所粪尿100%制肥后回田应用。示范工程的实施将可再生能源工程技术和生活废水收集处理技术综合配套、优化组合,因地制宜形成农村有机废弃物资源化处理和循环利用模式。

沟渠湿地协同联控:

消除V类水

针对海河下游秦台河流域农田灌排设施老化、沟渠建设功能混乱及河岸带生态功能退化等现状造成的农业排水沟渠水质污染叠加、农田退水难达标入河等问题,课题研究实施了流域退水生态系统联控与自净能力提升示范工程。

位于中裕高效生态农牧循环经济产业园灌排沟渠及秦台河河岸带的示范工程,主要示范技术包括退水沟渠水质净化与生态修复、河岸带结构优化与退水污染净化两套关键技术,示范规模7.4千米。通过技术示范,示范工程退水沟渠化学需氧量(COD)、氨氮、总磷的削减率分别为82.6%、38.3%和65.2%,退水回灌率达到94.5%。经第三方监测,入河退水沟渠中农田排水COD、氨氮、总磷平均浓度分别为16.86毫克/升、0.218毫克/升、0.111毫克/升,满足示范工程考核要求。示范工程建立了秦台河流域农业面源污染控制生态系统技术模式,提高了示范区水生态系统联控与自净能力提升的服务功能,为海河下游流域农业面源污染控制与水质改善提供了有力的技术支撑,农业排水水质消除V类和劣V类。

系统解决方案:

变线性模式为循环模式

以秦台河水质提升管理技术体系及评价指标系统为导向,按照清洁生产、种养平衡、生态联控、区域统筹有机结合的技术思路,从海河下游农田/养殖/农村污染控制—退水沟渠与河岸带结构与功能优化等层面进行系统控制,构建了全域种养结合及农村粪污资源化循环生态产业链,与沟渠河岸带生态联控有机结合,构建了主要污染源空间全覆盖、“源头消减、过程控制、末端处理、循环利用”等关键节点全过程的流域农业面源污染控制技术模式,并进行示范推广,构建了20km2的核心示范区。与基准年相比,示范区入河水质COD、氨氮、总磷污染物的削减率分别为35.9%、33.3%和31.2%,示范区入河水质年平均总浓度满足海河下游农业面源污染防治的要求。研究成果推动了生态高效、绿色循环的闭合式发展,提升了全产业链的科技含量,其产业带基地、基地连农户的扶贫模式,精准助力了脱贫攻坚和产业振兴,为我国的农业绿色生产、生态环境保护和三产融合打造了滨州样板和解决方案。

【编辑:王禹】


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