黃志金

(1.上海宏波工程咨詢管理有限公司,上海 201707;2.上海市水務(wù)局河湖水生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)研究中心,上海 201707)

隨著《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》的大力推進(jìn),河湖周邊點(diǎn)源污染得到有效控制和管理,水環(huán)境質(zhì)量大幅提升,但水環(huán)境進(jìn)一步提升遭遇瓶頸,面源污染日漸成為水環(huán)境污染的主要貢獻(xiàn)源。尤其是農(nóng)業(yè)面源污染,是導(dǎo)致河湖健康狀況難以進(jìn)一步改善的主要原因,威脅著水生態(tài)系統(tǒng)的完整性和多樣性[1]。2020年《第二次全國(guó)污染源普查公報(bào)》顯示,與2010年第一次普查相比,農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的污染排放量雖然有明顯下降,COD、總氮、總磷排放分別下降了19%、48%、25%,但2017年農(nóng)業(yè)面源水污染物排放量仍然巨大:COD 1067.13萬(wàn)t,氨氮21.62萬(wàn)t,總氮141.49萬(wàn)t,總磷21.20萬(wàn)t。2017年,種植業(yè)水污染物排放(流失)量:氨氮8.30萬(wàn)t,總氮71.95萬(wàn)t,總磷7.62萬(wàn)t,是影響區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量的主要因素之一。

在區(qū)域水環(huán)境治理、清潔小流域大力推進(jìn)的背景下,“十三五”末,上海重要水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率為95%,全面消除黑臭水體,基本消除劣Ⅴ類水體,同時(shí)受農(nóng)業(yè)面源污染、初期雨水排放等因素造成部分河道水質(zhì)反復(fù)。農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)生的大量氮磷等污染物排入周邊水體,對(duì)區(qū)域環(huán)境治理帶來(lái)較大的壓力,成為區(qū)域水環(huán)境提升的瓶頸,亟須對(duì)農(nóng)田面源污染進(jìn)行治理?！笆奈濉逼陂g,上海市將以生態(tài)清潔小流域建設(shè)為抓手,統(tǒng)籌水系綜合整治、水土流失治理、河湖生態(tài)修復(fù)、面源污染防治和農(nóng)村人居環(huán)境改善,實(shí)現(xiàn)水土流失治理、水環(huán)境治理和水生態(tài)治理三位一體。本文以上海市春昌蔬菜種植基地尾水凈化、循環(huán)利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用效果為例,介紹了蔬菜種植尾水治理的成功經(jīng)驗(yàn)和模式,以期為今后的農(nóng)田面源污染治理和生態(tài)清潔小流域建設(shè)提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 項(xiàng)目概況

東山江為南北走向河道,沿途多為農(nóng)田和蔬菜種植大棚,由于受農(nóng)田面源污染,水質(zhì)不穩(wěn)定,易發(fā)生季節(jié)性水質(zhì)惡化。上海春昌蔬菜種植基地緊臨東山江,從東山江取水灌溉,旱季灌溉尾水和雨季退澇排水均排入東山江,由于尾水中總磷和有機(jī)物等含量較高,對(duì)東山江水質(zhì)造成了較大影響。

該蔬菜種植基地占地面積216畝,已完成標(biāo)準(zhǔn)化蔬菜大棚建設(shè),主要種植蔬菜,品種包括生菜、小青菜、杭白菜、空心菜、芹菜等,設(shè)有排水渠、蓄水池、泵房等。改造前,該蔬菜種植基地從外河通過(guò)泵房引水,經(jīng)管道輸送至各大棚進(jìn)行作物噴灌,灌溉后的尾水直排外河。取水泵房2臺(tái)水泵間歇運(yùn)行,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)測(cè)算,每日取水量約為300～400m3,晴天尾水量約為60～80m3,尾水直排入東山江。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采樣監(jiān)測(cè),蔬菜種植基地內(nèi)各點(diǎn)位主要水質(zhì)見(jiàn)表1,現(xiàn)場(chǎng)采集水樣顯黃褐色,有一定的懸浮物,經(jīng)分析,與種植施用的肥料有關(guān)。從表1中數(shù)據(jù)可以看出,總排水口的NH3-N、TP、CODCr含量等均超過(guò)《地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)。主排水溝末端尾水直排河道,各項(xiàng)指標(biāo)均較高,特別是TP濃度超過(guò)了地表水Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)約6倍,對(duì)東山江水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)造成了極大的影響,亟須對(duì)該基地尾水進(jìn)行治理。

表1 現(xiàn)狀水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果

2 尾水生態(tài)凈化+循環(huán)利用設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)工藝流程

根據(jù)現(xiàn)狀排水對(duì)外河造成污染且每日需要取水的現(xiàn)狀,結(jié)合已有的泵站、蓄水池、排水溝等設(shè)施,設(shè)計(jì)采用生態(tài)凈化+循環(huán)利用的處理模式:先在總排水口建設(shè)溢流堰,對(duì)排水收集后采用生態(tài)溝渠、氧化塘、人工濕地等多級(jí)凈化,尾水排入泵站取水口作為灌溉水循環(huán)利用,工藝流程見(jiàn)圖1。項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)模80m3/d,雨天超過(guò)處理能力的量經(jīng)溢流堰溢流入河。

圖1 尾水生態(tài)凈化+循環(huán)利用工藝流程

2.2 項(xiàng)目平面布置圖

本項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容主要包括生態(tài)溝改造、氧化塘改造、新建人工濕地和溢流堰等,項(xiàng)目平面布置見(jiàn)圖2。

圖2 項(xiàng)目平面布置

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)

考慮到種植品種以葉類蔬菜為主,包含生食類蔬菜,同時(shí)出水有溢流入外河風(fēng)險(xiǎn),出水水質(zhì)按滿足《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5084—2021)和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì),見(jiàn)表2。

表2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)

2.4 新型生態(tài)攔截溝設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)主溝渠末端新建溢流壩,將溝渠內(nèi)水深控制在40～50cm。對(duì)現(xiàn)有已破損的120m硬質(zhì)化主溝渠進(jìn)行生態(tài)化改造,從生態(tài)多樣性方面考慮,溝渠兩側(cè)鋪設(shè)預(yù)制生態(tài)連鎖塊,種植水芹、空心菜、鳶尾、麥冬,底部縱斷面設(shè)計(jì)采用“深槽區(qū)+生態(tài)濾壩”工藝,每隔25m布置一套深槽+生態(tài)濾壩組合,形成深淺結(jié)合的生態(tài)斷面,見(jiàn)圖3。在通過(guò)促進(jìn)顆粒沉降、生物降解、生物吸附降低SS、N、P等污染物的同時(shí),為不同的生物生長(zhǎng)繁衍提供良好的棲息空間。

圖3 新型生態(tài)攔截溝 (單位:mm)

2.5 氧化塘設(shè)計(jì)

對(duì)現(xiàn)有20m×20m蓄水池進(jìn)行改造,包括清淤、復(fù)合生態(tài)浮床及曝氣機(jī)布設(shè)。利用復(fù)合生態(tài)浮床及軟圍隔將蓄水池分割成S形廊道,共布設(shè)復(fù)合生態(tài)浮床150m2,軟圍隔32m,并在廊道起始端布設(shè)550W微孔曝氣機(jī)一套,通過(guò)沉淀、生物新陳代謝以及植物的生長(zhǎng)作用,共同去除SS、N、P等污染物。

2.6 人工濕地設(shè)計(jì)

垂直流人工濕地具有占地面積小、水力負(fù)荷大、低能耗、易操作和快速去除污染物的優(yōu)點(diǎn),其出水SS低,對(duì)COD、NH3-N、TP、重金屬、農(nóng)藥殘余物等均具有較好的凈化效果[2-3]。垂直流人工濕地水力負(fù)荷取0.67m3/(m2·d),設(shè)計(jì)為2級(jí),2格并聯(lián)運(yùn)行,設(shè)計(jì)水量為80m3/d,頂部采用穿孔管布水方式均勻布水,人工濕地頂部種植旱傘草、美人蕉等挺水植物。

本項(xiàng)目進(jìn)水總磷較高,設(shè)計(jì)采用兩種不同規(guī)格的除磷專用填料,磷吸附容量大于5mg/g。垂直流人工濕地第一級(jí)進(jìn)水為上進(jìn)下出,從上到下依次為30cmφ3～10碎石層,50cmφ16～20除磷專用填料層,產(chǎn)品型號(hào)為ZJCL-P5.0-1620,20cmφ30～50卵石排水層;人工濕地第二級(jí)下進(jìn)上出,從下到上依次為30cmφ30～50卵石排水層,50cmφ6～10除磷專用填料層,產(chǎn)品型號(hào)為ZJCL-P5.0-0610,20cmφ3～10碎石層。

3 應(yīng)用效果

3.1 水質(zhì)凈化效果

本項(xiàng)目建設(shè)完成后,對(duì)其進(jìn)行了每月一次的效果跟蹤監(jiān)測(cè),水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4。

從圖4可看出,在建成運(yùn)行后,各大棚的尾水經(jīng)過(guò)生態(tài)攔截溝、氧化塘、人工濕地凈化之后,出水SS、、CODCr、NH3-N、TP濃度穩(wěn)定,基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求,SS、、CODCr、NH3-N、TP的去除率分別可達(dá)80%、60%、60%和90%,滿足灌溉水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),且滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn),即使發(fā)生溢流入河也不會(huì)對(duì)外河水體造成污染。各污染物的去除率較高,一方面,由于尾水含有較多懸浮物,顆粒態(tài)比例較大,通過(guò)三段工藝的凈化,出水SS低,效果好;另一方面,項(xiàng)目設(shè)計(jì)中采用了除磷專用填料,大大提升了TP去除效果。

3.2 生物多樣性變化

項(xiàng)目建成1年后,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,植物品種已大幅增加。新型生態(tài)攔截溝內(nèi)共有高等維管束植物12種,水芹、鳶尾、空心菜、麥冬4種植物為試驗(yàn)種植物種,其他8種植物為自然萌發(fā)、生長(zhǎng)植物。自然生長(zhǎng)的植物中,有典型分布于潮濕地帶、水邊或溝邊的水生及濕生植物,如水莧菜、鵝腸菜、陌上菜等。

豐富的植物多樣性為周邊的動(dòng)物提供了良好的庇護(hù)所、活動(dòng)區(qū)域以及產(chǎn)卵地等。調(diào)查發(fā)現(xiàn),生態(tài)攔截溝內(nèi)有少量昆蟲(chóng)在植物葉面上棲息、活動(dòng),如:直翅目中華蚱蜢、雙翅目搖蚊、蜻蜓目蜻科蜓科昆蟲(chóng)等。新型生態(tài)攔截溝在構(gòu)建水、土壤和生物相互融合的農(nóng)田溝渠濕地生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮了很好的保護(hù)生態(tài)的作用。

3.3 環(huán)境效益

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)施1年來(lái)的效果,經(jīng)測(cè)算,每年可以實(shí)現(xiàn)削減CODCr、NH3-N、TP入河量1168kg、73kg和102.2kg以上,減少外河取水及排水29200m3,實(shí)現(xiàn)了污染物削減和尾水循環(huán)利用的雙重效果。一般情況下,可實(shí)現(xiàn)凈化后的尾水全部循環(huán)利用,不對(duì)周邊河道產(chǎn)生污染,極大地提升了河道水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)能力。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)蔬菜種植基地尾水入河影響河道水質(zhì)的情況,結(jié)合項(xiàng)目現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施,建設(shè)了以“新型生態(tài)攔截溝+氧化塘+人工濕地”為主的尾水凈化系統(tǒng),項(xiàng)目實(shí)施后經(jīng)過(guò)處理的出水CODCr、NH3-N、TP等基本達(dá)到了地表水Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn),將其作為灌溉用水,基本實(shí)現(xiàn)了“零排放”的循環(huán)利用。項(xiàng)目建成后每年可以實(shí)現(xiàn)削減CODCr、NH3-N、TP入河量1168kg、73kg和102.2kg以上,減少外河取水及排水29200m3,實(shí)現(xiàn)了污染物削減和循環(huán)利用的雙重效果,不對(duì)周邊河道產(chǎn)生污染,極大地提升了河道水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)能力;同時(shí)大大增加了生物多樣性,具有較好的環(huán)境效益。本項(xiàng)目的實(shí)施,驗(yàn)證了生態(tài)凈化+循環(huán)利用系統(tǒng)具有良好的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益和可推廣性,可為蔬菜種植面源污染控制提供案例參考。同時(shí),項(xiàng)目的實(shí)施除控制面源污染提升水質(zhì)指標(biāo)外,對(duì)于緩解水土流失、控制農(nóng)業(yè)化肥施用量、提升生物多樣性等均有促進(jìn)作用,將極大推動(dòng)區(qū)域生態(tài)清潔小流域建設(shè)。

針對(duì)蔬菜種植面源污染,建議因地制宜,合理選擇生態(tài)凈化工藝,出水達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)后循環(huán)回用,以取得削減污染物外排、減少取水量和利用氮磷等營(yíng)養(yǎng)鹽等多重效益。