張郁慧　劉　莉　沈　崢　張亞雷

（1同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院上海2000922上海新能源科技成果轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)促進(jìn)中心上海200001）

崇明設(shè)施農(nóng)業(yè)雨水利用與處理的試驗(yàn)研究

張郁慧1，2劉莉1沈崢1張亞雷1

（1同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院上海2000922上海新能源科技成果轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)促進(jìn)中心上海200001）

設(shè)施農(nóng)業(yè)為農(nóng)作物生長提供可控的、優(yōu)化的環(huán)境，使農(nóng)作物不受季節(jié)的影響在最適宜的環(huán)境中生長。目前自動化、機(jī)械化的植物工廠和無土栽培是都市農(nóng)業(yè)主要形式。一方面我國要發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)，另一方面我國水資源短缺嚴(yán)重，而南方地區(qū)雨水充足，雨水是一種非常規(guī)、經(jīng)濟(jì)的水資源。在此情況下，本文對崇明設(shè)施農(nóng)業(yè)示范基地雨水采樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，首先收集了示范基地雨水，進(jìn)行測定，根據(jù)設(shè)施農(nóng)業(yè)的要求進(jìn)行了處理，達(dá)到了無土栽培水質(zhì)要求。解決設(shè)施農(nóng)業(yè)雨水利用的難題，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展需求。

雨水；超濾；微絮凝-超濾

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，近年來農(nóng)業(yè)發(fā)展取得了舉世矚目的成就，設(shè)施農(nóng)業(yè)因具有高投入高產(chǎn)出、抗災(zāi)害能力強(qiáng)、科技含量高等優(yōu)點(diǎn)，而且具有相當(dāng)明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，設(shè)施農(nóng)業(yè)未來前景非常好。然而水資源不足是當(dāng)前制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素。我國南方地區(qū)的耕地占全國總耕地面積的35.2%，但水資源占全國總水資源的80%；在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，雨水收集和儲存尚處于初級利用階段，對于雨水處理和提高雨水水質(zhì)的研究有待進(jìn)一步發(fā)展。針對以上問題，本論文以雨水處理和利用分析為前提，在崇明設(shè)施農(nóng)業(yè)示范基地對天然雨水進(jìn)行收集、水質(zhì)分析和研究。首先測定雨水和蓄水池水質(zhì)情況。

1　試驗(yàn)裝置與方法

1.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置在上海崇明縣港沿鎮(zhèn)崇明設(shè)施農(nóng)業(yè)示范基地溫室進(jìn)行，溫室總面積21000m2，占地共220畝。示范基地的連棟溫室配有完備雨水收集系統(tǒng)。溫室室頂25m，寬11m，溫室兩側(cè)各有4根雨水排水管，雨水通過連棟溫室的圓弧頂面經(jīng)過棚頂天溝－支管－干管，最終流入蓄水池。前來說，超濾技術(shù)在飲用水深度處理中的應(yīng)用非常廣泛，超濾膜具有納米級的孔徑，可有效去除水中藻類、懸浮物、大分子有機(jī)物、細(xì)菌甚至是病毒微生物等，而且具有去除效率高、化學(xué)藥劑使用量少、運(yùn)行簡易可靠性高，占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，所以本研究采用超濾處理法。

1.2示范基地雨水水質(zhì)特征

在降雨期間，雨水淋洗大氣時，將空氣中的煙塵、廢氣、粉塵和可溶性有害氣體等攜帶至地面，造成雨水徑流污染降雨歷時也會對雨水水質(zhì)有一定的影響。崇明作為上海農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)基地，工業(yè)不發(fā)達(dá)，空氣質(zhì)量良好，但毗鄰崇明的上海、江蘇工業(yè)發(fā)達(dá)，是酸雨重災(zāi)區(qū)，由于崇明夏季降雨多伴隨臺風(fēng)，將上海、江蘇產(chǎn)生的污染物質(zhì)吹到崇明上空，形成酸雨。

對天然雨水進(jìn)行分析測定，可以確定示范基地污染物背景值。從2014年不同采樣期，國家設(shè)施農(nóng)業(yè)示范基地的天然雨水各指標(biāo)值可看出，示范基地的天然雨水pH在4.5～6.2之間，屬于國家環(huán)保部認(rèn)為的酸雨的范圍，EC、濁度、總氮、總磷、大腸桿菌水質(zhì)指標(biāo)良好，F(xiàn)e和Zn的含量也在合理范圍，B、Cr、Cu、Cd和Pb雖有檢出，但含量很低。，如EC在12.4μs/cm～24.3μs/cm之間，濁度在2.3NTU～5.9NTU之間，總氮在0.27mg/L～4.77 mg/L之間，總磷在0.020～0.049 mg/L之間大腸桿菌在140cf u/L～350 cf u/L之間，F(xiàn)e在78.234μg/L～255.243μg/L之間，Zn在24.977μg/L～70.864μg/L之間，B、Cr、Cu、Cd和Pb雖有檢出，但含量很低。

總體而言，經(jīng)過淋洗大氣后的雨水一種污染較輕的水資源。需降低濁度和去除大腸桿菌設(shè)施農(nóng)業(yè)示范基地天然雨水水質(zhì)很好，基本符合配制營養(yǎng)液的原水要求。

1.3蓄水池中雨水的監(jiān)測與分析

示范基地通過集雨槽、輸水管、蓄水池等收集連棟溫室頂雨水，從兩個雨水蓄水池里雨水作為配制無土栽培營養(yǎng)液的原水。用采樣瓶采集具有代表的性的水樣。

由于無土栽培對營養(yǎng)液原水水質(zhì)要求非常嚴(yán)格，在配制營養(yǎng)液時，需對配制營養(yǎng)液的原水水質(zhì)先進(jìn)行檢測。

從檢測結(jié)果可知，濁度為3.07NTU～3.67 NTU之間。濁度不僅可以作為感官性狀方面的指標(biāo)，更重要的是可以衡量病菌、病原微生物和其他有害物質(zhì)依附在形成濁度的懸浮物和膠體上的程度。根據(jù)對崇明設(shè)施農(nóng)業(yè)示范基地蓄水池水質(zhì)的監(jiān)測、無土栽培營養(yǎng)液配制對原水的要求和試驗(yàn)條件的有關(guān)考慮，選試下列水質(zhì)指標(biāo)作為試驗(yàn)指標(biāo)，試驗(yàn)水質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1　試驗(yàn)水質(zhì)指標(biāo)

由上表可知，降低濁度對于控制這些有毒有害物質(zhì)具有非常重要的意義，需進(jìn)一步去除。大腸桿菌為80cf u/L～130 cf u/L之間，大腸桿菌作為反映水被微生物污染的程度的指示菌，可以，需要進(jìn)一步處理控制?？偟膩碚f，除濁度和大腸桿菌外，大部分水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到我國飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)施農(nóng)業(yè)示范基地蓄水池的雨水水質(zhì)很好，基本符合配制營養(yǎng)液的原水要求。

2　結(jié)果與分析

2.1微絮凝－超濾工藝參數(shù)

將需處理的雨水置于原水箱中，用蠕動泵將水樣抽送至超濾裝置。超濾處理系統(tǒng)為全量過濾，超濾試驗(yàn)時，選擇硫酸鋁作為絮凝劑，超濾運(yùn)行參數(shù)為：投加量為8mg/L，在150r/min下攪拌10min后超濾，將需處理的雨水置于原水箱中，用蠕動泵將水樣抽送至超濾裝置。超濾運(yùn)行參數(shù)為：超濾處理系統(tǒng)為全量過濾，過濾30min，順沖10s，反沖40s，順沖10s，過濾和順沖壓力為0.10 M Pa～0.20M Pa，反沖洗壓力為0.20M Pa，流速為30L/h，如此循環(huán)運(yùn)行。

2.22組工藝的出水水質(zhì)比較

為了比較處理效果，用直接超濾和微絮凝－超濾進(jìn)行對比，具體水質(zhì)處理結(jié)果見表2和表3。

表2　超濾處理雨水1h試驗(yàn)

由表2可知，超濾膜對總大腸菌群的去除率可達(dá)90%，超濾處理后水中大腸桿菌數(shù)在10 cf u/L左右，與飲用水標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)。超濾膜對水中致病微生物的去除效果主要依賴于膜孔徑的篩選和截留作用。有研究表明，大腸桿菌的大小約為幾微米，而實(shí)驗(yàn)采用的超濾膜的孔徑比大腸桿菌小的多，因此，超濾膜對大腸桿菌的截留去除效果很好。

表3　微絮凝-超濾處理雨水1h試驗(yàn)

從表2.2可知，超濾對濁度的去除效果好且穩(wěn)定，超濾出水濁度為0.16 NTU～0.22 NTU，平均為0.19 NTU。超濾膜對濁度優(yōu)異而穩(wěn)定的去除效果其主要原因是超濾過程是物理篩分過程，能有效截留無機(jī)顆粒物及大分子有機(jī)物等，超濾膜對濁度去除具有良好的保障作用。

2.32組工藝的處理效果對比結(jié)果與討論

表4　工藝處理效果對比

實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，超濾、微絮凝-超濾處理對水樣的溫度、pH、和EC的影響不大，主要是對大腸桿菌和濁度的去除。從對大腸桿菌去除效果的數(shù)據(jù)來看，超濾和微絮凝-超濾的去除效果差不多。從對濁度去除效果的數(shù)據(jù)來看，微絮凝-超濾的去除效果比較好；考慮投加絮凝劑會引入新的物質(zhì)，且在處理中不能完全去除，超濾對濁度的去除效果雖然比微絮凝-超濾略差，但處理后的濁度已經(jīng)很低，故對雨水的處理工藝選擇超濾。

3　結(jié)語

崇明農(nóng)業(yè)示范基地連棟溫室蓄水池收集儲存的雨水經(jīng)實(shí)驗(yàn)探索，超濾法處理后完全能滿足無土栽培水源要求。上海城區(qū)屋面雨水水質(zhì)比崇明連棟溫室的雨水水質(zhì)差，不宜直接超濾，砂濾預(yù)處理后，濁度和大腸桿菌得到明顯去除，但大腸桿菌需進(jìn)一步去除，經(jīng)超濾處理后，大腸桿菌去除率達(dá)到99%以上，且處理后水中大腸桿菌在10cf u/L左右，可用于設(shè)施農(nóng)業(yè)灌溉。

總的來說，雨水有機(jī)物含量低屬于輕污染水，經(jīng)處理或凈化后可滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)對水質(zhì)的不同要求。設(shè)施農(nóng)業(yè)在國外發(fā)展迅速，與發(fā)達(dá)國家相比，中國設(shè)施農(nóng)業(yè)還處于發(fā)后發(fā)展階段，因此，不斷探索和推廣無土栽培技術(shù)、設(shè)施農(nóng)業(yè)用水的凈化處理，從而推進(jìn)中國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，加速中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程。

［1］李中華，王國占，齊飛.我國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展思路［J］.中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報，2012（1）：7-10.

［2］張紅宇.超濾膜技術(shù)在環(huán)境工程水處理中的應(yīng)用［J］.環(huán)球人文地理，2015（8）.

［3］谷曉靜.超濾膜技術(shù)在環(huán)保工程水處理中的應(yīng)用［J］.中國化工貿(mào)易，2013（12）：338-338.

［4］林英姿，史妍.超濾膜技術(shù)在飲用水處理中的研究現(xiàn)狀［J］.吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報，2014，31（3）：40-44.