2. 哥本哈根大学作物与环境科学学院, 丹麦 DK-2630;
3. 中丹科研教育中心, 北京 100190
2. Department of Plant and Environmental Sciences, Crop Science Section, University of Copenhagen, DK-2630, Denmark;
3. Sino-Danish Center for Education and Research, Beijing 100190, China
农业面源污染是指在农业生产活动中，农田中的泥沙、营养盐及其他污染物，在降水或灌溉过程中，通过农田地表径流、壤中流、农田排水和地下渗漏途径进入水体而形成的面源污染[1]。根据污染物主要来源可以将农业面源污染分为3大类：（1）农田径流、淋溶及侧渗；（2）畜禽养殖污水排放；（3）水产养殖排水。针对农业面源污染控制，所提出的"减源-拦截-修复"的"3R"策略得到广泛认可[2]。刘莉等[3]按照"3R"策略对近20 a来文献可查的农业面源污染控制技术进行了整理和分类，并依据技术的污染物削减率和削减成本，采用层次-灰色关联度法对同一类型的不同污染削减技术进行优选评估，在太湖地区筛选出适用于控制种植业、畜禽养殖业和水产养殖业面源污染的技术。
在"3R"策略的基础上，"源头减量-过程阻断-养分再利用-生态修复"的"4R"策略的提出进一步完善了农业面源污染治理的总体思路及指导原则[4]。养分再利用实现了农业面源污染控制的种养结合，不仅可节省畜禽养殖废水和水产养殖废水深度处理成本，还可减少肥料投入成本，并满足部分季节农灌需水。太湖河网区种植业、养殖业（畜禽养殖、水产养殖）并存。因此，在构建河网区农业面源污染控制系统时应考虑肥水的资源化。
太湖西岸是典型的河网区，农业面源污染贡献率较高，已成为太湖水体污染的主要来源[5-6]。太湖西岸沿湖村镇绝大多数包含种植业、畜禽养殖和水产养殖3种农业面源污染类型[7]。虽然农村分散生活污水也有少量进入农田，部分地区甚至流入河流，但其属于农村面源污染，通常不纳入农业面源污染范畴。因此，笔者在构建农业面源污染控制系统时，没有考虑农村生活污水贡献。
笔者以太湖西岸宜兴市新建镇作为研究对象，收集当地农业基础数据，估算了年灌溉需水量，年农业源污水排放量，以及总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮（NH3-N）和COD输出量，用于农业面源污染控制系统的定量化设计；以课题组前期研究选择的适宜当地农业面源污染控制单项技术[8]为基础，在畜禽养殖污水处理达标（GB 18596-2001《畜禽养殖业污染物排放标准》、GB 5084-2005《农田灌溉水质标准》、GB 3838-2002《地表水环境质量标准》Ⅲ级排放标准）前提下，估算污染物（TN、TP、NH3-N、COD）输出量和削减量及建设、运行成本；根据废水资源化满足灌溉水的程度，提出镇域农业面源污染控制系统，评价其环境效益和经济效益。研究结果可为当地农业面源污染控制工程建设提供技术支撑，也可为多污染源农业污染控制体系的构建提供借鉴。
1 研究区域新建镇位于太湖西岸宜兴市西北部（31°34'11.51" N，119°39'27.71" E），全镇区域面积约为4 430 hm2，辖1个社区，6个行政村，总人口为25 884人（2013年）。该区属亚热带海洋性季风气候区，年平均气温为15.6 ℃，年均降水量为1 197.3 mm，雨季主要在集中在6-8月。新建镇大部分为平原地区，河流交叉密布，东西向河流主要有中干河、北干河，南北向河流主要有新丰河、新建河，西接洮湖来水，东流入滆湖，属洮滆太水系。宜兴市冬季月（12-次年5月）城市内河TN、TP、NH3-N含量及COD分别为6.3、0.3、2.4和15.6 mg∙L-1，夏季月（6-11月）城市内河TN、TP、NH3-N含量及COD分别为7.7、0.4、2.9和20.8 mg∙L-1[9]，除冬季月COD以外其他各项指标均未达到GB 3838-2002 Ⅲ类水标准（TN、TP、NH3-N含量及COD分别为1、0.2、1和20 mg∙L-1）[10]。
新建镇种植业、畜禽养殖业和水产养殖业3种农业类型并存。其中，种植业以稻麦轮作为主，兼有稻油轮作和蔬菜种植。畜禽养殖以猪、鸡为主，母猪存栏数为2 362头，生猪出栏量为8 536头，蛋鸡存栏量为50 000羽，肉鸡出栏量为40 200羽。新建镇水产养殖业以螃蟹为主，近年来养殖规模增大，2016年养殖面积达968 hm2，当年的螃蟹养殖增产量为2 067 t。
2 新建镇农田灌溉需水量、3种污染源污水排放量及污染物输出负荷新建镇农业种类齐全，畜禽养殖和水产养殖所产生的面源污染对农业面源污染的贡献较大。与农田径流相比，畜禽、水产养殖业所产生的粪便、污水含有较高的养分，且易于收集，具有较高的回用价值。因此，在河网区，收集的畜禽粪便经处理后可回田用作粪肥。畜禽养殖污水和水产养殖污水经处理后也可作为农田灌溉水。通常灌溉需水量与养殖污水排放量并不一致。若养殖污水（畜禽污水、水产污水）排放量不高于灌溉需水量，可将养殖污水处理后全部回用农田；若养殖污水（畜禽污水、水产污水）排放量高于灌溉需水量，则优先选择养分含量高的污水用于灌溉，若此类水量不足，可根据经济实力选择回用部分养分含量较低的污水用于灌溉。因此，基于肥水资源化利用的面源污染控制系统定量化设计，应对当地的灌溉需水量、污水排放量及其养分含量进行估算。
2.1 新建镇农田灌溉需水量为了提高灌溉用水效率和效益，江苏省编制了《江苏省灌溉用水定额》[11]。以此为依据，估算新建镇农田灌溉需水量。该镇全年灌溉定额为2 349.07×103 m3，其中夏季月需水量占88.4%（表 1）。
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表 1 新建镇农田灌溉需水量估算 Table 1 Estimated irrigation water demand in Xinjian |
种植业的污水排放类型主要是农田地表径流。新建镇地处苏南地区，水稻灌溉以浅湿灌溉为主，即浅水湿润反复交替、适时落干的间歇灌溉模式[12]，技术要点包括：（1）返青、分蘖期浅水勤灌；（2）分蘖后期落干晒田；（3）拔节、孕穗期间歇灌；（4）抽穗、开花即乳熟期湿润灌溉；（5）黄熟期自然落干，遇雨排水。因此，无论是旱地还是水田，农田径流的形成主要与降雨有关，其产生量采用径流曲线法（SCS-CN）进行估算[13]。SCS-CN模型结构简单，需要的参数较少，是一种常用的小流域降雨径流统计经验模型[14]。该模型基于水量平衡公式〔式（1）〕和2个基本假定，即集水区实际径流量与可能最大径流量的比值等于实际入渗量与潜在蓄水能力的比值〔式（2）〕，以及初损量是潜在蓄水能力的一部分〔式（3）〕 [15]。
| $ {P = {I_{\rm{a}}} + F + q, } $ | (1) |
| $ {F/S = q/\left( {P - {I_{\rm{a}}}} \right), } $ | (2) |
| $ {{I_{\rm{a}}} = \lambda S。} $ | (3) |
美国农业部水土保持局（Soil Conservation Service，SCS）根据大量降雨径流数据统计提出适用于较湿润区的λ值为0.2[16]，因此得到典型计算公式：
| $ q = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{{(P - 0.2S)}^2}/(P + 0.8S)}&{(P \ge 0.2S)}\\ 0&{(P < 0.2S)} \end{array}} \right.。$ | (4) |
式（4）中，潜在蓄水能力S可采用反映流域特性的综合参数-径流曲线数（NC）进行经验转换：
| $ S=\frac{25400}{N_{\mathrm{C}}}-254。$ | (5) |
式（1）~（5）中，P为降雨量，mm；Ia为初损量，mm；F为实际入渗量，mm；q为实际径流量，mm；S为潜在蓄水能力，mm；NC为无量纲参数。根据美国农业部水土保持局的建议，将前期土壤湿度条件划分为干旱（AMC1）、正常（AMC2）和湿润（AMC3）3级，其中，AMC2状态下NC2值可在NRCS-TR 55手册[17]中查得，AMC1和AMC3状态下的NC1和NC3值可通过式（6）~（7）进行校正确定[18]：
| $ N_{\mathrm{c1}}=\frac{N_{\mathrm{C} 2}}{\left(2.334-0.01334 N_{\mathrm{c} 2}\right)}, $ | (6) |
| $ N_{\mathrm{C3}}=\frac{N_{\mathrm{C} 2}}{\left(0.4036+0.0059 N_{\mathrm{C} 2}\right)}。$ | (7) |
根据各种土壤的渗透性，不同的土壤类型可划分为透水（A）、较透水（B）、较不透水（C）和不透水（D）4类水文土壤组[14]。新建镇土壤类型为漂洗型水稻土即白土[19]，属于C类较不透水类型。按照不同的土地覆被类型，新建镇水田和旱地中等湿润状态下的NC值分别为85和83[14]，利用冬季月和夏季月半年降雨资料估算年地表径流，结合当地多年平均降雨量及土壤含水量[20]，冬季月选择中等湿润状态下的NC值，其中冬田与旱地均选择旱地中等湿润状态下的NC值，夏季月选择校正后中等湿润状态下的NC值。由此计算得到新建镇农田年地表径流量为4 870.71×103 m-3，其中，夏季月地表径流量占全年的67.4%；水稻种植地表径流量占全年的64.4%（表 2~3）。
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表 2 新建镇农田地表径流量估计 Table 2 Estimated runoff from cropland in Xinjian |
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表 3 新建镇3种农业污染源污水排放量及潜在灌溉回用量 Table 3 Discharged wastewater volume and potential reuse for irrigation of three pollution sources in Xinjian |
现场调查获悉该镇的养猪场、养鸡场均采用干清粪工艺收集粪污。按照GB 18596-2001[21]，猪和鸡冬季最高允许排水量分别为1.2 m3·百头-1·d-1和0.5 m3·千只-1·d-1，猪和鸡夏季最高允许排水量分别为1.8 m3·百头-1·d-1和0.7 m3·千只-1·d-1。据此得到该镇畜禽养殖年污水排放量为71.96×103 m3，其中，夏季污水排放量占全年的59.5%（表 3）。
2.2.3 水产养殖业污水排放量新建镇螃蟹养殖均为围网养殖。2016年螃蟹养殖增产量为2 067 t。根据现场走访调查，河蟹养殖前期换水较少，从6月下旬到10月每半个月换水1次，共换水9次，每次换水率约为20%，12月起捕时全池抽干，养蟹池塘平均水深为1 m。据此估计每年该镇水产养殖业向外排水量为27 104.00×103 m3，其中，夏季向外排水量占全年的64.3%（表 3）。
根据新建镇人口推算，每年该镇生活污水排放量为23.5万m3，而该镇水产养殖换水及清塘排放废水高达2 710.4万m3，位列3种污染源污水排放量之首，占全年农业源污水排放量的84.6%，畜禽养殖业污水排放量很少，仅占全年农业面源污水排放量的0.2%（表 3）。因此，从水量角度考虑，水产养殖废水农业资源化潜力大。
2.3 种植业、畜禽养殖业和水产养殖业各污染物输出负荷采用输出系数法估算新建镇农业面源污染负荷。输出系数法是估算农业面源污染负荷的一种经验模型[22]，在一定区域内，同一种污染物的输出系数是相对确定的。输出系数法估算污染负荷的计算公式为
| $ {L_j} = \sum\limits_{i = 1}^n {{E_{ij}}} \times {A_i} + N。$ | (8) |
式（8）中，Lj为流域内污染物j的总输出量，kg∙a-1；i为农田、畜禽或人口分类，共有n类；Eij为污染物j在第i种农田种植类型、畜禽养殖类型和水产养殖类型上的输出系数；Ai为第i类土地面积（hm2∙a-1）、畜禽（头·a-1或只·a-1）或水产养殖年增产量（kg∙a-1）；N为降雨输入的污染物量，kg∙a-1，该研究针对农业污染源产生的非点源污染进行估算，故不考虑此项贡献。
根据《第一次全国污染源普查--农业污染源》及农田面源污染估算的文献[23, 24], 确定种植业地表径流污染物输出系数；参照《第一次全国污染源普查水产养殖业污染源产排污系数手册》[25]确定螃蟹养殖污染物输出系数（表 4）。为了比较农业面源污染对农村面源污染的相对贡献，还考察了生活污水污染情况，其污染系数参照文献推荐值[26]（表 4）。
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表 4 新建镇种植业、水产养殖业及生活污水污染物输出系数[23-24, 26] Table 4 Pollutant export coefficients for crop farming, aquaculture and domestic sewage in Xinjian |
Eij计算公式[27]为
| $ E_{i j}=e D_{i} C_{i j} T。$ | (9) |
式（9）中，Eij为畜禽养殖业污染物年输出系数，kg∙（头或只）-1∙a-1；e为流失系数，%；Di为日排泄系数，kg∙（头或只）-1∙d-1；Cij为畜禽粪便尿液养分含量，kg∙t-1；T为畜禽养殖时间，d。
参照《全国规模化畜禽养殖业污染情况调查及防治对策》[28]，以及太湖流域畜禽粪便污染调查结果[27, 29, 30]，结合该镇养殖状况，确定该镇畜禽养殖污染物输出系数，并估算其污染负荷。畜禽尿液污水和粪便的流失系数分别为65%和40%[31]。猪的粪便产生量为1 373.18 t∙a-1，污水产生量为3 681.85 m3∙a-1；蛋鸡粪便产生量为525.00 t∙a-1，肉鸡粪便产生量为110.55 t∙a-1（表 5）。
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表 5 新建镇畜禽养殖业污染物输出系数及粪污排放量 Table 5 Waste discharge load and pollutant export coefficients for livestock in Xinjian |
由表 6可知，每年水产养殖废水排放氮输出量达78.28 t，在农业面源污染源中位居第1，甚至远大于生活污水氮输出量；畜禽养殖废水氮输出量位居第2，相当于生活污水氮输出量；每年水产养殖和畜禽养殖磷输出量都大于生活污水磷输出量。因此，农业面源污染控制应考虑种养结合，注重畜禽养殖、水产养殖废水中养分的资源化具有实际意义。
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表 6 新建镇种植业、畜禽养殖业、水产养殖业和生活污水污染物输出负荷 Table 6 Pollutant export load from livestock, aquaculture and domestic sewage in Xinjian |
水产养殖业污水排放的污染物TN、TP、NH3-N和COD分别占该镇农业面源污染总负荷的67%、59%、72%和43%；而畜禽养殖业废水排放的污染物TN、TP、NH3-N和COD分别占该镇农业面源污染总负荷的23%、40%、26%和50%；农田废水排放的污染物TN、TP、NH3-N和COD分别占该镇农业面源污染总负荷的10%、1%、2%和7%（表 6）。而太湖地区农业面源污染的主要贡献者是农田，污染物TN和TP分别占48%和38%[32]。这种差异主要是由于新建镇螃蟹养殖面积大，占农业用地的53%，因而成为农业面源污染的主要贡献者。
3 基于肥水资源化的新建镇农业面源污染控制系统的设计 3.1 基于肥水资源化的新建镇农业面源污染控制系统的设计原则由于GB 18596-2001[21]中TP、NH3-N含量及COD高于GB 3838-2002中Ⅲ级标准[10]。因此，为了减少入河污染负荷，即使畜禽养殖污水处理达标，养殖厂处理后的污水也不宜直接排放入河。养殖污水农田灌溉不但可利用污水中的氮磷养分，通过农田吸纳氮磷进一步深度净化污水，降低进入水环境的污染物[33]，而且可以满足农田灌溉水需求。新建镇全年需要灌溉水，尤其是夏季（表 1），该镇螃蟹养殖塘以及畜禽养殖厂地势均高于河道，从地势较低河道抽水灌溉所需动力应大于用养殖厂处理污水进行农田灌溉所需抽水动力成本。
对畜禽养殖污水进行处理，使其氮、磷、COD达标（GB 18596-2001[21]）并经过杀菌处理后用于农田灌溉，不仅节省抽水动力成本，还可利用部分氮、磷养分，减少化学氮磷肥施用量。水产养殖污水COD较低，经杀菌处理后，达到GB 5084-2005[34]要求，可用于农业灌溉，同时可利用其中的部分氮磷养分。畜禽养殖污水排放为每天恒定少量排放，水产养殖污水是周期性大量排放，而农田施肥、灌溉却具有季节性，需要配置污水储存池收集、储存畜禽养殖和水产养殖净化后污水，解决水供应与农田灌溉需水之间的季节性矛盾；同时，针对养殖场地与灌溉农田之间的空间差异，需在修建储存池时考虑输水管道的建设及电力输送问题。以水质达标（GB 18596-2001[21]、GB 5084-2005[34]、GB 3838-2002[10]）为前提，以农田灌溉需水量为基础，构建面源污染控制系统，确保实现污染物削减、肥水再利用和经济成本控制，最终达到水质改善和农业可持续发展的双赢目标。
3.2 基于肥水资源化的新建镇农业面源污染控制系统技术选择针对太湖地区农业面源污染控制技术需求，以污染削减率、建设及运行成本为指标，采用层次-灰色关联度法对6种种植业污染控制技术、10种畜禽养殖业污染控制技术和10种水产养殖业污染控制技术开展优选[8]，确定植草沟-湿地滞留塘技术为种植业污水控制最优技术，沼气池-序批式活性污泥法-氧化塘系统为畜禽养殖业污水控制最优技术，组合填料序批式生物膜法为水产养殖污水最优控制技术（表 7）。
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表 7 农业面源污染控制技术污染削减率及年单位污染物削减负荷成本 Table 7 Pollutant reduction rate of technological options for controlling agricultural non-point source pollution and annual unit pollutant load reduction cost of construction and operation |
根据以前研究结果，选择上述最优技术作为新建镇养殖污水处理技术。存储池建设成本为300元∙m-3，可设置DN500UPVC进、出水管各1条，长度均为50 m，此管道报价为435元∙m-1，并配置4 000 W抽水泵1台，报价为2 000元，运行成本包括人工管理费及耗损电费、工艺设备维护费，约为建设成本的20%[8]，用于农业灌溉的畜禽养殖和水产养殖污水采用二氧化氯杀菌[35]，耗水费用报价为16.5元∙kt-1。采用堆肥系统处理干清粪[36]，堆肥还田，实现粪污资源化。
3.3 基于肥水资源化的新建镇农业面源污染控制系统构建畜禽养殖污水处理达标（GB 18596-2001）后仍含有可观的氮磷等养分。因此，应该优先将净化的畜禽养殖污水用于灌溉。由于新建镇畜禽养殖污水排放量远低于农田灌溉需水量（表 3），将畜禽养殖污水处理达标（GB 5084-2005）并消杀病菌后可以全部用于农田灌溉，可满足农田灌溉需水量的3%（表 3）。全年水产养殖污水排放量大于农田灌溉需水量，在畜禽净化污水优先农用灌溉的条件下，最多可将2 277.11×103 m3水产养殖排放污水用于农田灌溉，满足97%的农田灌溉需水。为此，根据养殖污水资源化量，设计2种基于肥水资源化的新建镇农业面源污染控制系统（图 1）。
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图 1 新建镇农业面源污染控制系统 Fig. 1 System for controlling agricultural non-point-source pollution in Xinjian |
模式Ⅰ指全部畜禽废污回用，包括：畜禽养殖粪污堆肥还田[36]；畜禽养殖污水经过沼气池-序批式活性污泥法-氧化塘系统处理[8]，达标（GB 5084-2005）后在储存池中储存，经二氧化氯杀菌后用于农田灌溉；农田排水经过植草沟-湿地滞留塘处理[8]，随后就近排放入河；水产养殖排水经过组合填料序批式生物膜法处理[8]，随后就近排放入河。
模式Ⅱ指全部畜禽废污及部分水产污水回用，包括：畜禽养殖粪污堆肥还田[36]；畜禽养殖污水经过沼气池-序批式活性污泥法-氧化塘系统处理[8]，达标（GB 5084-2005）后在储存池中储存，经二氧化氯杀菌后用于农田灌溉；农田排水经过植草沟-湿地滞留塘处理[8]，随后就近排放入河；水产养殖排水经过组合填料序批式生物膜法处理[8]，2 277.11×103 m3水经过二氧化氯消杀灭菌[35]，用于农田灌溉，其余水就近排放入河。
4 新建镇农业面源污染控制系统构建的可行性分析 4.1 基于水质的可行性分析表 8显示，畜禽养殖业所排污水经处理后COD达到农田灌溉用水最高标准（生食类蔬菜≤ 60 mg∙L-1）[34]。因此，畜禽养殖污水经处理后，可用于农田灌溉，实现全部资源化循环利用。水产养殖污水未处理前，COD已达到农田灌溉用水标准（生食类蔬菜≤ 60 mg ∙L-1），这部分水产养殖污水仅需要进行二氧化氯[35]杀菌处理，即可直接用于农田灌溉。
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表 8 新建镇3种污染源污水处理前后污染物浓度 Table 8 Concentration of pollutants in wastewater from three pollution sources before and after treatment |
模式Ⅰ：农田排放污水经处理后达到地表水Ⅲ类标准（TN、TP、NH3-N含量及COD分别为1、0.2、1和20 mg∙L-1）[10]，可就近排放入河；水产养殖排放污水经处理后达到地表水Ⅲ类标准，允许就近入河排放。
模式Ⅱ：农田排放污水经处理后达到地表水Ⅲ类标准[10]，可就近排放入河；未农灌回用的水产养殖排放污水经处理后达到地表水Ⅲ类标准，允许就近入河排放。
4.2 基于系统污染物削减量和成本的分析根据各面源污染物输出负荷（Lij, t）及相关技术的污染削减率（RE, ij, %），计算得到各技术对污染物的年削减量（Rij, t·a-1）〔式（10）〕；根据各污染源污染物总输出负荷削减量（Ri, t）和相应处理技术的单位污染削减量的建设成本（Uc, i, 元）和运行成本（Uo, i, 元），得到该项技术在新建镇建设污染处理工程的建设成本（Cc, 元）〔式（11）〕和运行成本（Co, 元）〔式（12）〕（表 9）。其中，农田对回用灌溉的畜禽养殖净化污水和水产养殖污水以及还田的畜禽堆肥进行养分消纳，此时农田的功效相当于污染物消纳体，也具有污染削减能力，理想状态下可认为农田完全消纳回灌污水及堆肥养分。
| $R_{i j}=R_{\mathrm{E} , ij} L_{i j}, $ | (10) |
| $ C_{\mathrm{c}}=R_{i} U_{\mathrm{c}, i}, $ | (11) |
| $ C_{\mathrm{o}}=R_{i} U_{\mathrm{o}, i}。$ | (12) |
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表 9 新建镇农业面源污染控制系统污染削减量及削减成本 Table 9 Pollutant reduction and construction and operation cost based on proposed system of controlling agricultural non-point-source pollution in Xinjian |
农业面源污染控制系统模式Ⅰ，实现目标所需经费2 034万元，其中工程建设成本占84.2%（表 9）。农田消纳中，储存池建设成本占总建设成本的75.4%，运行成本占总运行成本的80.1%，其为模式Ⅰ的主要成本来源。模式Ⅰ的TN、TP、NH3-N和COD削减量分别为97.03、23.86、38.58和252.59 t，削减率分别为83.0%、93.7%、88.7%和93.7%。其中，水产养殖污水经处理后污染物削减量最高，占总削减量的50.0%；其次为畜禽粪便，其削减量占总削减量的25.1%；农田作为消纳体，污染物削减量占总削减量的7.0%。
农业面源污染控制系统模式Ⅱ，实现目标所需经费1.074 1亿元，其中工程建设成本占83.4%（表 9）。农田消纳中，储存池建设成本占总建设成本的95.6%，运行成本占总运行成本的96.6%，其为模式Ⅱ的主要成本来源。模式Ⅱ的TN、TP、NH3-N和COD削减量分别为98.62、23.99、38.96和253.47 t，削减率分别为84.3%、94.2%、89.6%和94.0%。其中，水产养殖污水经处理后污染物削减量最高，占总削减量的45.5%；其次为畜禽粪便，其削减量占总削减量的24.9%；农田作为消纳体，污染物削减量占总削减量的11.9%。
4.3 基于肥水资源化的可行性分析过量的化肥施用不仅增加农业成本和污水处理成本，也会造成地表水环境恶化。作为一种不可再生资源，磷肥也应合理施用。2015年，农业部印发了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》，以保障国家粮食安全和重要农产品有效供给并保护生态环境安全。净化废水灌溉作为水肥一体化的一种新型施肥方式以及畜禽堆肥作为有机肥替代化肥施用均得到了推荐。
农业面源污染控制系统模式Ⅰ：系统对于TN、TP、NH3-N和COD的削减率分别为83.0%、93.7%、88.7%和93.7%；其中，农田作为消纳体，每年消纳回用畜禽粪便污水，TN、TP、NH3-N和COD削减量分别可达1.22、0.02、0.44和1.22 t。当地农田种植面积为221.1 hm-2（表 1），每年畜禽净化污水农用灌溉量折算为325.5 t∙hm-2（表 1，表 10），这部分污水在用于农田灌溉的同时有5.5 kg∙hm-2 N和0.1 kg∙hm-2 P实现还田，分别占养分还田总量的10.6%和0.3%（表 10）；每年堆肥的施用贡献了89.4%和99.7%的N、P养分还田量（表 10），折合为46.5 kg∙hm-2 N和34.1 kg∙hm-2 P，其符合畜禽粪便还田建议安全值（N，170 kg∙hm-2；P，35 kg∙hm-2）[37, 38]。综上所述，新建镇每年可减少化肥氮用量折算为52.0 kg∙hm-2，同时可减少化肥磷施用量34.2 kg∙hm-2（表 10）。
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表 10 农业面源污染控制系统中实际污水农用灌溉量和养分还田量 Table 10 Practical wastewater reuse for irrigation and nutrient return for field system based on proposed systems of controlling agricultural non-point-source pollution |
农业面源污染控制系统模式Ⅱ：系统对TN、TP、NH3-N和COD的削减率分别为84.3%、94.2%、89.6%和94.0%，其中，农田作为消纳体，每年消纳回用畜禽粪便污水和水产污水，TN、TP、NH3-N和COD削减量可达7.80、1.28、3.06和11.07 t。当地农田种植面积为221.1 hm-2（表 1），每年畜禽净化污水和水产养殖污水农用灌溉量折算为10 624.5 t∙hm-2（表 1，表 10），可完全替代常规农用水，这部分污水在用于农田灌溉的同时有35.3 kg∙hm-2 N和5.8 kg∙hm-2 P实现还田，分别占养分回用总量的43.1%和14.5%（表 10）；每年堆肥的施用贡献了56.9%和85.5%的N、P养分回用量，可折算为46.5 kg∙hm-2 N和34.1 kg∙hm-2 P，这个数值符合畜禽粪便还田建议安全值[37, 38]。综上所述，新建镇每年可减少化肥氮用量折算为81.8 kg∙hm-2，同时可减少化肥磷施用量39.9 kg ∙hm-2（表 10）。
相对于系统Ⅰ，农业面源污染控制系统Ⅱ对于污染物的削减能力更强，水和养分回用效率更高，但是建设成本和运行成本投入远远高于系统Ⅰ，建设成本和运行成本分别为系统Ⅰ的5.2倍和5.5倍（表 9）。所提出的2种肥水资源化农业面源污染控制系统可为新建镇污染控制工程建设提供技术参考。
5 结论在太湖西岸宜兴市新建镇设计了基于肥水资源化利用的河网区农业面源污染控制系统。模式Ⅰ的畜禽排放污水净化达标并经杀菌处理后用于农田灌溉，畜禽粪便经堆肥处理后还田，农田径流和水产养殖污水经处理达标后排入附近河流。模式Ⅰ每年可回用325.5 t∙hm-2畜禽净化污水，整个系统对TN、TP、NH3-N和COD的削减率分别为83.0%、93.7%、88.7%和93.7%，同时每年N、P肥施用量可分别减少52.0和34.2 kg∙hm-2。模式Ⅱ将畜禽养殖净化排放污水和部分水产养殖污水经杀菌处理后用于农田灌溉，同时畜禽堆肥进行还田利用。模式Ⅱ每年可回用10 624.5 t∙hm-2畜禽净化污水和水产养殖污水，整个系统对TN、TP、NH3-N和COD的削减率分别为84.3%、94.2%、89.6%和94.0%，同时每年N、P肥施用量可分别减少81.8和39.9 kg∙hm-2。所提出的2种肥水资源化农业面源污染控制系统可为新建镇污染控制工程建设提供技术参考。
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