蔬菜种植面源污染治理工程设计及效果分析

黄志金

(1.上海宏波工程咨询管理有限公司,上海 201707;2.上海市水务局河湖水生态修复工程技术研究中心,上海 201707)

随着《水污染防治行动计划》的大力推进,河湖周边点源污染得到有效控制和管理,水环境质量大幅提升,但水环境进一步提升遭遇瓶颈,面源污染日渐成为水环境污染的主要贡献源。尤其是农业面源污染,是导致河湖健康状况难以进一步改善的主要原因,威胁着水生态系统的完整性和多样性[1]。2020年《第二次全国污染源普查公报》显示,与2010年第一次普查相比,农业领域中的污染排放量虽然有明显下降,COD、总氮、总磷排放分别下降了19%、48%、25%,但2017年农业面源水污染物排放量仍然巨大:COD 1067.13万t,氨氮21.62万t,总氮141.49万t,总磷21.20万t。2017年,种植业水污染物排放(流失)量:氨氮8.30万t,总氮71.95万t,总磷7.62万t,是影响区域水环境质量的主要因素之一。

在区域水环境治理、清洁小流域大力推进的背景下,“十三五”末,上海重要水功能区水质达标率为95%,全面消除黑臭水体,基本消除劣Ⅴ类水体,同时受农业面源污染、初期雨水排放等因素造成部分河道水质反复。农业种植产生的大量氮磷等污染物排入周边水体,对区域环境治理带来较大的压力,成为区域水环境提升的瓶颈,亟须对农田面源污染进行治理。“十四五”期间,上海市将以生态清洁小流域建设为抓手,统筹水系综合整治、水土流失治理、河湖生态修复、面源污染防治和农村人居环境改善,实现水土流失治理、水环境治理和水生态治理三位一体。本文以上海市春昌蔬菜种植基地尾水净化、循环利用系统设计及应用效果为例,介绍了蔬菜种植尾水治理的成功经验和模式,以期为今后的农田面源污染治理和生态清洁小流域建设提供经验借鉴。

1 项目概况

东山江为南北走向河道,沿途多为农田和蔬菜种植大棚,由于受农田面源污染,水质不稳定,易发生季节性水质恶化。上海春昌蔬菜种植基地紧临东山江,从东山江取水灌溉,旱季灌溉尾水和雨季退涝排水均排入东山江,由于尾水中总磷和有机物等含量较高,对东山江水质造成了较大影响。

该蔬菜种植基地占地面积216亩,已完成标准化蔬菜大棚建设,主要种植蔬菜,品种包括生菜、小青菜、杭白菜、空心菜、芹菜等,设有排水渠、蓄水池、泵房等。改造前,该蔬菜种植基地从外河通过泵房引水,经管道输送至各大棚进行作物喷灌,灌溉后的尾水直排外河。取水泵房2台水泵间歇运行,经现场统计测算,每日取水量约为300～400m3,晴天尾水量约为60～80m3,尾水直排入东山江。根据现场采样监测,蔬菜种植基地内各点位主要水质见表1,现场采集水样显黄褐色,有一定的悬浮物,经分析,与种植施用的肥料有关。从表1中数据可以看出,总排水口的NH3-N、TP、CODCr含量等均超过《地表水质量标准》(GB 3838—2002)Ⅴ类水标准。主排水沟末端尾水直排河道,各项指标均较高,特别是TP浓度超过了地表水Ⅴ类水标准约6倍,对东山江水质稳定达标造成了极大的影响,亟须对该基地尾水进行治理。

表1 现状水质监测结果

2 尾水生态净化+循环利用设计

2.1 设计工艺流程

根据现状排水对外河造成污染且每日需要取水的现状,结合已有的泵站、蓄水池、排水沟等设施,设计采用生态净化+循环利用的处理模式:先在总排水口建设溢流堰,对排水收集后采用生态沟渠、氧化塘、人工湿地等多级净化,尾水排入泵站取水口作为灌溉水循环利用,工艺流程见图1。项目设计规模80m3/d,雨天超过处理能力的量经溢流堰溢流入河。

图1 尾水生态净化+循环利用工艺流程

2.2 项目平面布置图

本项目建设内容主要包括生态沟改造、氧化塘改造、新建人工湿地和溢流堰等,项目平面布置见图2。

图2 项目平面布置

2.3 系统设计进、出水水质

考虑到种植品种以叶类蔬菜为主,包含生食类蔬菜,同时出水有溢流入外河风险,出水水质按满足《农田灌溉水质标准》(GB 5084—2021)和《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅴ类水标准设计进、出水水质,见表2。

表2 系统设计进、出水水质

2.4 新型生态拦截沟设计

通过对主沟渠末端新建溢流坝,将沟渠内水深控制在40～50cm。对现有已破损的120m硬质化主沟渠进行生态化改造,从生态多样性方面考虑,沟渠两侧铺设预制生态连锁块,种植水芹、空心菜、鸢尾、麦冬,底部纵断面设计采用“深槽区+生态滤坝”工艺,每隔25m布置一套深槽+生态滤坝组合,形成深浅结合的生态断面,见图3。在通过促进颗粒沉降、生物降解、生物吸附降低SS、N、P等污染物的同时,为不同的生物生长繁衍提供良好的栖息空间。

图3 新型生态拦截沟 (单位:mm)

2.5 氧化塘设计

对现有20m×20m蓄水池进行改造,包括清淤、复合生态浮床及曝气机布设。利用复合生态浮床及软围隔将蓄水池分割成S形廊道,共布设复合生态浮床150m2,软围隔32m,并在廊道起始端布设550W微孔曝气机一套,通过沉淀、生物新陈代谢以及植物的生长作用,共同去除SS、N、P等污染物。

2.6 人工湿地设计

垂直流人工湿地具有占地面积小、水力负荷大、低能耗、易操作和快速去除污染物的优点,其出水SS低,对COD、NH3-N、TP、重金属、农药残余物等均具有较好的净化效果[2-3]。垂直流人工湿地水力负荷取0.67m3/(m2·d),设计为2级,2格并联运行,设计水量为80m3/d,顶部采用穿孔管布水方式均匀布水,人工湿地顶部种植旱伞草、美人蕉等挺水植物。

本项目进水总磷较高,设计采用两种不同规格的除磷专用填料,磷吸附容量大于5mg/g。垂直流人工湿地第一级进水为上进下出,从上到下依次为30cmφ3～10碎石层,50cmφ16～20除磷专用填料层,产品型号为ZJCL-P5.0-1620,20cmφ30～50卵石排水层;人工湿地第二级下进上出,从下到上依次为30cmφ30～50卵石排水层,50cmφ6～10除磷专用填料层,产品型号为ZJCL-P5.0-0610,20cmφ3～10碎石层。

3 应用效果

3.1 水质净化效果

本项目建设完成后,对其进行了每月一次的效果跟踪监测,水质检测结果见图4。

从图4可看出,在建成运行后,各大棚的尾水经过生态拦截沟、氧化塘、人工湿地净化之后,出水SS、、CODCr、NH3-N、TP浓度稳定,基本达到设计要求,SS、、CODCr、NH3-N、TP的去除率分别可达80%、60%、60%和90%,满足灌溉水水质标准,且满足《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅴ类水标准,即使发生溢流入河也不会对外河水体造成污染。各污染物的去除率较高,一方面,由于尾水含有较多悬浮物,颗粒态比例较大,通过三段工艺的净化,出水SS低,效果好;另一方面,项目设计中采用了除磷专用填料,大大提升了TP去除效果。

3.2 生物多样性变化

项目建成1年后,经现场调查,植物品种已大幅增加。新型生态拦截沟内共有高等维管束植物12种,水芹、鸢尾、空心菜、麦冬4种植物为试验种植物种,其他8种植物为自然萌发、生长植物。自然生长的植物中,有典型分布于潮湿地带、水边或沟边的水生及湿生植物,如水苋菜、鹅肠菜、陌上菜等。

丰富的植物多样性为周边的动物提供了良好的庇护所、活动区域以及产卵地等。调查发现,生态拦截沟内有少量昆虫在植物叶面上栖息、活动,如:直翅目中华蚱蜢、双翅目摇蚊、蜻蜓目蜻科蜓科昆虫等。新型生态拦截沟在构建水、土壤和生物相互融合的农田沟渠湿地生态系统中发挥了很好的保护生态的作用。

3.3 环境效益

根据项目实施1年来的效果,经测算,每年可以实现削减CODCr、NH3-N、TP入河量1168kg、73kg和102.2kg以上,减少外河取水及排水29200m3,实现了污染物削减和尾水循环利用的双重效果。一般情况下,可实现净化后的尾水全部循环利用,不对周边河道产生污染,极大地提升了河道水质稳定达标能力。

4 结 语

针对蔬菜种植基地尾水入河影响河道水质的情况,结合项目现有的基础设施,建设了以“新型生态拦截沟+氧化塘+人工湿地”为主的尾水净化系统,项目实施后经过处理的出水CODCr、NH3-N、TP等基本达到了地表水Ⅴ类水标准,将其作为灌溉用水,基本实现了“零排放”的循环利用。项目建成后每年可以实现削减CODCr、NH3-N、TP入河量1168kg、73kg和102.2kg以上,减少外河取水及排水29200m3,实现了污染物削减和循环利用的双重效果,不对周边河道产生污染,极大地提升了河道水质稳定达标能力;同时大大增加了生物多样性,具有较好的环境效益。本项目的实施,验证了生态净化+循环利用系统具有良好的环境、经济效益和可推广性,可为蔬菜种植面源污染控制提供案例参考。同时,项目的实施除控制面源污染提升水质指标外,对于缓解水土流失、控制农业化肥施用量、提升生物多样性等均有促进作用,将极大推动区域生态清洁小流域建设。

针对蔬菜种植面源污染,建议因地制宜,合理选择生态净化工艺,出水达到一定的标准后循环回用,以取得削减污染物外排、减少取水量和利用氮磷等营养盐等多重效益。