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　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(zhǎng)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(zhǎng)。目前自動(dòng)化、機(jī)械化的植物工廠和無(wú)土栽培是都市農(nóng)業(yè)主要形式。一方面我國(guó)要發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)，另一方面我國(guó)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(duì)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(cè)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(wú)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(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，近年來(lái)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(huì)效益，設(shè)施農(nóng)業(yè)未來(lái)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(guó)南方地區(qū)的耕地占全國(guó)總耕地面積的35.2%，但水資源占全國(guó)總水資源的80%；在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，雨水收集和儲(chǔ)存尚處于初級(jí)利用階段，對(duì)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(duì)以上問(wèn)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(duì)天然雨水進(jìn)行收集、水質(zhì)分析和研究。首先測(cè)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(guò)連棟溫室的圓弧頂面經(jīng)過(guò)棚頂天溝－支管－干管，最終流入蓄水池。前來(lái)說(shuō)，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(jí)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(jiǎn)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(shí)，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(shí)也會(huì)對(duì)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(tái)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(duì)天然雨水進(jìn)行分析測(cè)定，可以確定示范基地污染物背景值。從2014年不同采樣期，國(guó)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(guó)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(guò)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(yíng)養(yǎng)液的原水要求。

1.3蓄水池中雨水的監(jiān)測(cè)與分析

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

由于無(wú)土栽培對(duì)營(yíng)養(yǎng)液原水水質(zhì)要求非常嚴(yán)格，在配制營(yíng)養(yǎng)液時(shí)，需對(duì)配制營(yíng)養(yǎng)液的原水水質(zhì)先進(jìn)行檢測(cè)。

從檢測(cè)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(duì)崇明設(shè)施農(nóng)業(yè)示范基地蓄水池水質(zhì)的監(jiān)測(cè)、無(wú)土栽培營(yíng)養(yǎng)液配制對(duì)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(jiàn)表1。

表1　試驗(yàn)水質(zhì)指標(biāo)

由上表可知，降低濁度對(duì)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?lái)說(shuō)，除濁度和大腸桿菌外，大部分水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到我國(guó)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(yíng)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(dòng)泵將水樣抽送至超濾裝置。超濾處理系統(tǒng)為全量過(guò)濾，超濾試驗(yàn)時(shí)，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(dòng)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(guò)濾，過(guò)濾30min，順沖10s，反沖40s，順沖10s，過(guò)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(duì)比，具體水質(zhì)處理結(jié)果見(jiàn)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)濁度優(yōu)異而穩(wěn)定的去除效果其主要原因是超濾過(guò)程是物理篩分過(guò)程，能有效截留無(wú)機(jī)顆粒物及大分子有機(jī)物等，超濾膜對(duì)濁度去除具有良好的保障作用。

2.32組工藝的處理效果對(duì)比結(jié)果與討論

表4　工藝處理效果對(duì)比

實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，超濾、微絮凝-超濾處理對(duì)水樣的溫度、pH、和EC的影響不大，主要是對(duì)大腸桿菌和濁度的去除。從對(duì)大腸桿菌去除效果的數(shù)據(jù)來(lái)看，超濾和微絮凝-超濾的去除效果差不多。從對(duì)濁度去除效果的數(shù)據(jù)來(lái)看，微絮凝-超濾的去除效果比較好；考慮投加絮凝劑會(huì)引入新的物質(zhì)，且在處理中不能完全去除，超濾對(duì)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(duì)雨水的處理工藝選擇超濾。

3　結(jié)語(yǔ)

崇明農(nóng)業(yè)示范基地連棟溫室蓄水池收集儲(chǔ)存的雨水經(jīng)實(shí)驗(yàn)探索，超濾法處理后完全能滿足無(wú)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(lái)說(shuō)，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(duì)水質(zhì)的不同要求。設(shè)施農(nóng)業(yè)在國(guó)外發(fā)展迅速，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)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(wú)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(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，加速中國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程。

［1］李中華，王國(guó)占，齊飛.我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展思路［J］.中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，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(guó)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(bào)，2014，31（3）：40-44.