厦门市同安区东溪农田排洪沟渠生态改造工艺研究

叶巧璇

(厦门市环境监测站,福建 厦门 361012)

1 厦门市同安区农业面源污染概况

农业面源污染是指在农业生产和农村生活中,溶解于水体有机物质、无机物质,或以固态形式存在的污染物及农田中的氮磷肥料、动物粪便与生活排污,在径流冲刷和降雨后,通过农田地表径流汇入接纳其排放的河溪、湖泊、大海或其他水体,从而造成的污染。农业面源污染无处不在,其危害不容小觑,如何防治是当前生态环境保护工作的重点和难点。

同安区作为厦门市的农业大区,其农业种植还将长时间存留,因此,农业面源污染问题亟待解决。根据《地表水质量标准》(GB 3838—2002),总磷≥0.4 mg/L则水质类别为V类。2022年,由于强降雨影响,厦门市同安区省控断面水质时常不稳定,同安区东溪省控小流域断面南门桥点位考核水质为劣V类,主要超标污染物为总磷,最高污染值高达0.793 mg/L,类似情况在雨季多个月份均有出现。此外,枯水期降雨对水质影响尤为显著,例如,2022年11月24日至12月1日,南门桥点位总磷持续超标,最高达0.707 mg/L。经过溯源排查,东溪南门桥断面上游大面积农田退水采取直接排入河道沟渠的方式,未经任何后期处理加工。

2 东溪农田排洪沟渠生态改造背景

农业面源污染防治的有效方式主要包括改进耕作方式和合理使用农药化肥,具体可分为保护性耕作、深松、采用粉垄耕作技术、减少耕作次数、增加秸秆还田等措施。经走访东溪省控小流域断面上游村庄农田,得知该断面的农田退水直接进入排洪沟渠后,对水体总磷超标贡献较大,而总磷超标的原因是现代农业技术的运用。厦门东溪上游农田多以种植时令蔬菜为主,大部分农田都覆以黑色地膜。地膜主要用于提高土壤温度、保持土壤水分、维持土壤结构、防止害虫侵袭农作物等,但由于地膜的存在,容易造成农民施撒的肥料未能充分被土壤吸收,而是堆积于地膜上,一旦遇到下雨,初雨径流将地膜上的磷肥、氮肥等肥料直接冲入农田的排洪沟渠,沿沟渠汇入东溪,最终造成总磷超标。因此,对厦门东溪农田排洪沟渠的生态改造升级显得尤为重要。

3 东溪农田排洪沟渠的生态改造

3.1 改造方案

排洪沟渠生态改造是指在农田原有的排洪沟渠上通过多级生态拦截技术,使原本仅为排水用的沟渠增加了生态过滤等功能。该技术主要采用对现有排洪沟渠进行生态拦截的功能改造和功能强化,或者在原先的排洪沟渠上额外建设生态工程,对污染物进行深度处理,不仅能有效拦截、净化农田污染物,还能汇集处理农村地表径流及农村生活污水等,从而实现氮磷等污染物的减量化排放或最大化去除。为进一步加强生态沟渠面源污染拦截净化效果,可借助多种技术组合应用[1]。

根据实际调研踏勘,由于东溪南门桥断面上游农田范围较大,且地块较集中,因此,采用离开农田后的拦截处理,并对田间排洪沟渠采取结合地下水多级强化修复(MET)技术生态改造的方式。

3.2 结合MET技术的排洪沟渠生态改造原理

作为农业面源污染过程阻断技术中的重要手段之一,排洪沟渠生态改造主要是通过对农田原有的排洪沟渠进行建设与改造,使污染水体经处理后满足各项指标要求。通过有效拦截、净化农业面污染物,对氮磷等污染因子进行去除削减,同时,汇集处理农村地表径流及农村生活污水,起到了暂时储水、静态降解等作用。

东溪排洪沟渠生态改造工程主要由沟渠工程、生态植被和微生物这三大部分组成。沟渠采用仿石箱型生态砌块构筑与带孔石板构成,将拦截坝或拦截箱沿沟渠内布设,将具有高效吸附氮磷的基质放于拦截箱内,并将高效吸收氮磷的植物布设于生态沟渠里的沟壁、沟底及拦截箱上;生态植物选择铜钱草、美人蕉、灯心草、黑三棱、绿狐尾藻等。通过处理工程和生态植物相结合,农田排洪沟渠出水中的氮磷等污染物通过植物吸收、基质吸附、泥沙沉降及流速减缓等作用,被有效去除。MET技术是通过模拟多层复合土壤渗滤过程,在传统A/O工艺法的基础上,强化综合降解有机物和系统的脱氮除磷效果,同时,结合高效沉淀技术,组成的新型成套水处理工艺。MET系统里面的沸石在作为微生物生长载体的同时,又充当反应介质用以吸附氨氮,微生物的生长又向水体源源不断地提供氧气,确保了硝化细菌繁殖所需要的溶解氧,使得MET能有效地去除水体中的氮磷。MET氮转化机理模型的主要过程包括氨化作用、硝化作用、微生物同化作用、植物吸收作用、基质吸附与解吸作用和挥发作用[1]。

3.3 结合MET技术的排洪沟渠生态改造实际意义

针对东溪南门桥断面上游大面积农田退水排入排洪沟渠,致使水体总磷、总氮超标的实际问题,结合MET处理技术对厦门东溪农田排洪沟渠进行生态改造升级,形成独特的微生物、底泥、植物系统构成的生态沟渠湿地,通过植物吸收营养、微生物分解、自然挥发、泥沙拦截等作用,很大程度上降低地表径流所携带的氮磷浓度。该技术能够低成本、高效地解决农田排洪沟渠污染的实际问题,使农田污水排放达到相关标准。相关研究表明,进行改造后的生态沟渠对农业非点源氮、磷污染的去除率分别达到48%～64%和41%～70%[2]。

由此可见,结合MET技术对农田排洪沟渠进行生态改造升级,具有占地面积小、出水水质稳定等优点,尤其能高效脱氮除磷,特别适用于农业污水处理站改造提升、农业面源污染、流域水环境治理等。此外,结合MET处理技术的生态改造还可根据应用场景和水质特点形成规格丰富的设备产品系列,从而满足对不同水质和水量的处理要求。

3.4 结合MET技术的排洪沟渠生态改造工艺流程

厦门地处福建南部,属亚热带季风气候,冬季温和少雨,夏季雨水充沛,丰水期因充沛的水量会稀释各项农业面污染因子,水体纳污能力强,氮磷溶度较低,故监测数据大多表明此时期的水质达标。而超标严重的枯水期降雨阶段,因水量小、水体纳污能力弱,富集于农田土壤、地膜上的总磷会随水流直接进入东溪,从而造成下游总磷溶度偏高。目前,东溪河道南侧农田排洪沟渠为传统农田排洪渠,是由土地直接挖掘与开凿而成的线性型水道,当富含氮磷等污染物的农田污水流入排洪渠后未经任何过滤吸附处理,直接汇入东溪,极易造成东溪总磷超标。而改造后的排洪沟渠是将MET系统覆盖在传统排洪沟渠的渠底与渠壁上,通过一系列的物理、化学与生物作用,将饱含氮磷等污染物的农田污水进行及时过滤与吸附,使得农田退水符合相关行业标准后再汇入东溪。可以选用过硫酸盐缓释材料作为氧化材料,选用与微生物、活性沸石、氧化亚铁作为还原材料,构建改造后的排洪沟渠。此外,还需在农田两边设计抽水——布水系统、回灌系统,以及污染物实时监测系统等,组成结合了MET技术的生态沟渠改造技术工艺。

当氮磷最容易超标的枯水降雨期与丰水初雨期来临,在降水和径流冲刷的作用下,农田、果园、养殖场等农业面大量污染物在进入受纳水体东溪之前流经生态改造沟渠,充分进行了植物吸收作用、基质永久吸附作用和挥发作用等自净后,再进入东溪水域。本工程方案的工艺流程图如图1所示。

图1 结合MET系统技术的生态改造沟渠设计工艺流程图

作为小汇面积上排水功能的生态改造沟渠,通常没有具体的流量资料可以查询,需要的设计洪水量采用实测暴雨的相关资料间接求得。因东溪流域试点面积为1200亩,枯水期农田排水较少,沟渠处于接近无水状态;丰水期水量急增,且流速较快,假定洪水流与造成其产生的暴雨频率相同。当前,我国设计洪峰流量的计算主要有经验公式法、洪水调查法和推理公式法三种方法,而采用经验公式法来计算洪峰流量更符合东溪流域的实际情况要求。

对结合MET系统技术的生态改造沟渠进行经济可行性分析可知,其运营成本较为经济合理,且可行性高。因为该生态改造过的沟渠无需额外增加碳源和化学药剂,且拥有超强的自净能力,氮、磷养分也会被植被较好地吸收,所以日常的运营维护只需做好清淤疏堵,养护植被工作即可。部分农田可能因地处低洼地带,需采用水泵抽水进入生态沟渠,该环节需消耗一定的电能。

4 结束语

通过对厦门市东溪农田排洪沟渠进行结合MET技术的生态改造,能够有效削减东溪南门桥断面上游农田排洪沟渠中的污染,解决东溪农业面源污染中排洪沟渠出水超标问题,今后可以点带面,将该治理技术推广到更多地方。