適用于農(nóng)村污水處理的生態(tài)滯留溝渠系統(tǒng)設(shè)計

陳平?張轉(zhuǎn)

[摘 要] 溝渠作為農(nóng)田的毛細(xì)管，也是農(nóng)田與水體之間的一個過渡帶，已成為新農(nóng)村建設(shè)的重點任務(wù)。目前農(nóng)田溝渠基本都是土溝形式，鄉(xiāng)村溝渠排水量較少、流速緩，但是溝渠中的污水多含有氮、磷污染物?；诖?，本文提供一種適用于農(nóng)村污水處理的生態(tài)滯留溝渠系統(tǒng)，為改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境提供支持。

[關(guān)鍵詞] 農(nóng)村污水;污水處理;生態(tài)滯留溝渠

[中圖分類號] G255.51 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-7909（2020）18-120-3

1 當(dāng)前農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境問題

農(nóng)村生活用水排放的氮和磷是引起水體富營養(yǎng)化的主要因素[1]。在控制農(nóng)業(yè)氮、磷污染的眾多工程措施中，生態(tài)溝具有較高的氮、磷去除率和良好的景觀生態(tài)效果，因此其已成為國內(nèi)外研究的熱點。

近年來，對農(nóng)田生態(tài)溝工程的研究很多，現(xiàn)有的工程技術(shù)存在以下不足：①就溝基而言，絕大部分溝是泥基或透水磚基;②就區(qū)域利用而言，溝渠利用率低;③在工程結(jié)構(gòu)上，大多數(shù)生態(tài)溝的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，工程量太大，管理難度大，推廣可行性低。

2 生態(tài)滯留溝渠系統(tǒng)方案詳述

筆者建造了帶有硬化底面的生態(tài)溝（見圖1）。通過在溝主體的側(cè)壁或底壁設(shè)置籠子，在側(cè)桌設(shè)置三維框架，在溝主體中設(shè)置生態(tài)浮床，并與上述結(jié)構(gòu)配合使用，有效改善了硬化生態(tài)溝使用過程中氮磷養(yǎng)分大量流失和周圍水體嚴(yán)重富營養(yǎng)化問題，提高了生態(tài)溝的利用效率。另外，剛性溝生態(tài)溝結(jié)構(gòu)簡單，工程量少，成本低，易于管理[2]。

具體地，溝主體的側(cè)壁或底壁設(shè)置有用于種植植物的籠子，這意味著溝主體的側(cè)壁設(shè)置有鼠籠，或者溝主體的底壁設(shè)置有籠子。由于網(wǎng)箱安裝在溝渠中，因此網(wǎng)箱中種植的植物通常但不限于水生植物。溝主體的側(cè)臺分別布置在底壁兩側(cè)，并分別連接至底壁兩側(cè)的側(cè)壁。邊桌配有用于攀爬植物的三維框架。三維框架可以安裝在溝渠體的同一側(cè)平臺上，也可以安裝在溝渠體頂部不同側(cè)的側(cè)平臺上。具體的設(shè)定方法沒有特別限定。植物可以爬上三維框架以形成生態(tài)景觀，可以有多種類型植物，典型但非限制性的植物是攀緣植物。在溝渠體內(nèi)設(shè)置了生態(tài)浮床，在該生態(tài)浮床上種植了水生植物群落。水生植物群落的根系用于吸收水中的富營養(yǎng)化物質(zhì)，如總磷、氨氮、有機物等，減少水體氣味和富營養(yǎng)化問題的產(chǎn)生。

籠子是堅固的籠子、漂浮的籠子或下沉的籠子。固定網(wǎng)箱主要由一些固定裝置固定（如竹樁或水泥樁），并且不能隨著水位的變化而漂浮。其僅適用于水位變化不大的水體[3]。浮籠可以通過浮力裝置或框架跟隨水位變化和漂浮。與實心網(wǎng)箱相比，其可以自由移動，適用于更深的水體;浸入水中的網(wǎng)箱全部浸沒在水下，這種網(wǎng)箱可以自由升降?？梢愿鶕?jù)生態(tài)溝的具體條件來設(shè)置籠子的具體類型。籠子中的植物有很多種，如攀緣植物，其可以沿著側(cè)壁攀爬。典型的但非限制性的攀緣植物是甜瓜。該植物擅長攀爬并耐高溫，可確保在熱硬化溝渠的表面生存。此外，甜瓜的果實、果皮、堅果（種子）和根莖都是優(yōu)良的中藥材，具有很高的利用價值。

三維框架包括梁和至少2個立柱。梁的兩端分別連接立柱。立柱分別設(shè)置在底壁兩側(cè)的側(cè)平臺上，使得梁位于溝渠主體的上方。攀緣植物也可以種植在直立框架中。典型的非限制性攀緣植物包括絲瓜絡(luò)和或小號爬山虎，攀緣植物兼顧觀賞和經(jīng)濟功能。

3 效果驗證

3.1 南陽市臥龍區(qū)國家高新農(nóng)業(yè)示范區(qū)硬化農(nóng)田溝

筆者以河南省南陽市臥龍區(qū)國家高新農(nóng)業(yè)示范區(qū)的硬化農(nóng)田溝為試驗場進(jìn)行了試驗。開挖硬質(zhì)化基面生態(tài)溝渠，包括溝渠本體，溝渠本體包括底壁、側(cè)壁和側(cè)臺，具體如圖1所示。溝渠本體的總長度為200.0 m，底壁、側(cè)壁和側(cè)臺均為硬質(zhì)化水泥基面。溝渠本體的橫斷面為上寬下窄的等腰梯形結(jié)構(gòu)，頂部寬度3.0 m，底部寬度1.5 m。溝渠本體內(nèi)設(shè)置有用于種植水生植物群落的生態(tài)浮床，生態(tài)浮床設(shè)置有種植孔，具體如圖2所示。生態(tài)浮床為高密度聚苯乙烯生態(tài)浮床，生態(tài)浮床的尺寸規(guī)格為80 cm×80 cm×10 cm（長×寬×厚），生態(tài)浮床上種植的水生植物群落組合為“菱角+莼菜+豆瓣菜+慈姑+荷花+花菖蒲”，種植密度為35株/m2。溝渠本體的側(cè)壁12上設(shè)置有用于種植植物的網(wǎng)箱，網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)具體如圖3所示。

網(wǎng)箱材質(zhì)為透水磚，尺寸規(guī)格為30 cm×40 cm（直徑×高度），試驗基地種植壁面攀緣型植物為瓜蔞，種植密度為10株/m2。溝渠的側(cè)臺上設(shè)置有用于供攀緣型植物攀爬的立體框架，立體框架包括橫梁和2個立柱，橫梁的兩端分別與立柱連接，立柱分別設(shè)置于所述溝渠本體的2個側(cè)臺上以使橫梁位于溝渠本體的上方。立體框架的材質(zhì)為不銹鋼，尺寸規(guī)格為150 cm×300 cm（立柱高度×橫梁直徑），立體框架上的攀緣型植物為絲瓜和凌霄花，種植密度為5株/m2。

生態(tài)凈水裝置包括箱體，在箱體內(nèi)從上至下依次設(shè)置有用于盛放水生植物的水生植物區(qū)、用于盛放水生動物的水生動物區(qū)和用于盛放底棲生物的底棲生物區(qū)，水生植物區(qū)與水生動物區(qū)相連通，水生動物區(qū)與底棲生物區(qū)相連通。水生植物為美人蕉、水生鳶尾和香蒲，水生動物為羅非魚、鰱魚和草魚，底棲生物為螺類、蚌類和貝類。

示范區(qū)運行1年后，農(nóng)田排水水質(zhì)得到了顯著改善，總氮平均去除率達(dá)到35%，總磷平均去除率達(dá)到45%。這不僅有效地提高了試驗基地農(nóng)田的排水水質(zhì)，而且控制了區(qū)域面源污染問題，經(jīng)濟高效、簡單實用、易于維護。

3.2 南陽市宛城區(qū)博望鎮(zhèn)硬化農(nóng)田溝

筆者還以南陽市宛城區(qū)博望鎮(zhèn)的硬化農(nóng)田溝為試驗場進(jìn)行了試驗。溝渠的開挖設(shè)置和上述示范區(qū)一樣，主要不同點在于網(wǎng)箱設(shè)置內(nèi)容不同，具體為網(wǎng)箱為沉式透水磚沉式網(wǎng)箱，網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)如圖3所示。采用透水磚作為網(wǎng)箱材質(zhì)，生態(tài)環(huán)保。網(wǎng)箱中種植有攀緣類植物，攀緣類植物可沿側(cè)壁攀爬。典型但非限制性的攀緣類植物為瓜蔞，該植物擅攀爬、耐高溫，可以保證在炎熱的硬質(zhì)化溝渠壁面上存活。此外，瓜蔞的果實、果皮、果仁（籽）、根莖均為上好的中藥材，具有較高的利用價值。立體框架包括橫梁和至少2個立柱，橫梁的兩端分別與立柱連接，立柱分別設(shè)置于底壁兩側(cè)的側(cè)臺上，以使橫梁位于溝渠本體的上方，立體框架為拱形。通過對橫梁和立柱之間的位置及連接關(guān)系的限定，使得該立體框架具有類“n”字拱形結(jié)構(gòu)，從而使得立體框架橫跨于溝渠本體的2個側(cè)臺上。在立體框架內(nèi)可以種植攀緣類植物，典型但非限制性的攀緣類植物包括絲瓜、凌霄花。生態(tài)浮床上設(shè)置了種植孔，水生植物群落通過種植孔生存在生態(tài)浮床上。水生植物群落為菱角、莼菜、豆瓣菜、慈姑、荷花和花菖蒲組合，水體凈化效果較好，且經(jīng)濟價值較高。生態(tài)浮床為高密度聚苯乙烯生態(tài)浮床。高密度聚苯乙烯生態(tài)浮床具有堅固耐用、綠色環(huán)保、抗腐蝕性和穩(wěn)定性良好、不入水下沉等特點。高密度聚苯乙烯生態(tài)浮床還具有特殊的邊角設(shè)計，防撞防擠壓，大幅度提高浮床抗風(fēng)浪性能，延長浮床使用壽命。

在博望鎮(zhèn)運行1年后，農(nóng)田排水水質(zhì)得到了顯著改善，總氮平均去除率達(dá)到40%，總磷平均去除率達(dá)到50%，有效地提高了試驗基地農(nóng)田的排水水質(zhì)，使得該生態(tài)溝渠系統(tǒng)能有效攔截氮磷及其他污染物，實現(xiàn)了水體達(dá)標(biāo)排放以及農(nóng)田面源污染治理目的。

4 結(jié)語

通過在溝渠主體的側(cè)壁或底壁設(shè)置籠子，在溝渠主體中的側(cè)面平臺安裝三維框架以及在溝渠主體中放置生態(tài)浮床，并使用植物與上述結(jié)構(gòu)配合使用有效改善，解決了硬化生態(tài)溝使用過程中氮、磷養(yǎng)分大量流失，周圍水體嚴(yán)重富營養(yǎng)化問題，提高了生態(tài)溝利用率[4]。另外，生態(tài)溝結(jié)構(gòu)簡單、工程量少、成本低、易于管理?？傊?，該生態(tài)溝系統(tǒng)可以有效地攔截氮、磷等污染物，達(dá)到排水和控制農(nóng)田面源污染的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]張迎穎.潛流人工濕地處理農(nóng)村生活污水的工藝研究[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009.

[2]龐顯炳，趙文武，崔艷鈴，等.一種箱式種養(yǎng)同體生態(tài)養(yǎng)殖浮床：CN 201710139203.2[N].2017.

[3]李耿良，武利興.鉆孔灌注樁施工中漂籠子問題的探討[J].煤，2008（8）：40，54.

[4]馬進(jìn).富營養(yǎng)水體生態(tài)修復(fù)過程中氮、磷營養(yǎng)鹽遷移轉(zhuǎn)化研究[D].上海：上海海洋大學(xué)，2018.