廈門市同安區(qū)東溪農(nóng)田排洪溝渠生態(tài)改造工藝研究

葉巧璇

(廈門市環(huán)境監(jiān)測站,福建 廈門 361012)

1 廈門市同安區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染概況

農(nóng)業(yè)面源污染是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村生活中,溶解于水體有機(jī)物質(zhì)、無機(jī)物質(zhì),或以固態(tài)形式存在的污染物及農(nóng)田中的氮磷肥料、動(dòng)物糞便與生活排污,在徑流沖刷和降雨后,通過農(nóng)田地表徑流匯入接納其排放的河溪、湖泊、大?；蚱渌w,從而造成的污染。農(nóng)業(yè)面源污染無處不在,其危害不容小覷,如何防治是當(dāng)前生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

同安區(qū)作為廈門市的農(nóng)業(yè)大區(qū),其農(nóng)業(yè)種植還將長時(shí)間存留,因此,農(nóng)業(yè)面源污染問題亟待解決。根據(jù)《地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002),總磷≥0.4 mg/L則水質(zhì)類別為V類。2022年,由于強(qiáng)降雨影響,廈門市同安區(qū)省控?cái)嗝嫠|(zhì)時(shí)常不穩(wěn)定,同安區(qū)東溪省控小流域斷面南門橋點(diǎn)位考核水質(zhì)為劣V類,主要超標(biāo)污染物為總磷,最高污染值高達(dá)0.793 mg/L,類似情況在雨季多個(gè)月份均有出現(xiàn)。此外,枯水期降雨對(duì)水質(zhì)影響尤為顯著,例如,2022年11月24日至12月1日,南門橋點(diǎn)位總磷持續(xù)超標(biāo),最高達(dá)0.707 mg/L。經(jīng)過溯源排查,東溪南門橋斷面上游大面積農(nóng)田退水采取直接排入河道溝渠的方式,未經(jīng)任何后期處理加工。

2 東溪農(nóng)田排洪溝渠生態(tài)改造背景

農(nóng)業(yè)面源污染防治的有效方式主要包括改進(jìn)耕作方式和合理使用農(nóng)藥化肥,具體可分為保護(hù)性耕作、深松、采用粉壟耕作技術(shù)、減少耕作次數(shù)、增加秸稈還田等措施。經(jīng)走訪東溪省控小流域斷面上游村莊農(nóng)田,得知該斷面的農(nóng)田退水直接進(jìn)入排洪溝渠后,對(duì)水體總磷超標(biāo)貢獻(xiàn)較大,而總磷超標(biāo)的原因是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的運(yùn)用。廈門東溪上游農(nóng)田多以種植時(shí)令蔬菜為主,大部分農(nóng)田都覆以黑色地膜。地膜主要用于提高土壤溫度、保持土壤水分、維持土壤結(jié)構(gòu)、防止害蟲侵襲農(nóng)作物等,但由于地膜的存在,容易造成農(nóng)民施撒的肥料未能充分被土壤吸收,而是堆積于地膜上,一旦遇到下雨,初雨徑流將地膜上的磷肥、氮肥等肥料直接沖入農(nóng)田的排洪溝渠,沿溝渠匯入東溪,最終造成總磷超標(biāo)。因此,對(duì)廈門東溪農(nóng)田排洪溝渠的生態(tài)改造升級(jí)顯得尤為重要。

3 東溪農(nóng)田排洪溝渠的生態(tài)改造

3.1 改造方案

排洪溝渠生態(tài)改造是指在農(nóng)田原有的排洪溝渠上通過多級(jí)生態(tài)攔截技術(shù),使原本僅為排水用的溝渠增加了生態(tài)過濾等功能。該技術(shù)主要采用對(duì)現(xiàn)有排洪溝渠進(jìn)行生態(tài)攔截的功能改造和功能強(qiáng)化,或者在原先的排洪溝渠上額外建設(shè)生態(tài)工程,對(duì)污染物進(jìn)行深度處理,不僅能有效攔截、凈化農(nóng)田污染物,還能匯集處理農(nóng)村地表徑流及農(nóng)村生活污水等,從而實(shí)現(xiàn)氮磷等污染物的減量化排放或最大化去除。為進(jìn)一步加強(qiáng)生態(tài)溝渠面源污染攔截凈化效果,可借助多種技術(shù)組合應(yīng)用[1]。

根據(jù)實(shí)際調(diào)研踏勘,由于東溪南門橋斷面上游農(nóng)田范圍較大,且地塊較集中,因此,采用離開農(nóng)田后的攔截處理,并對(duì)田間排洪溝渠采取結(jié)合地下水多級(jí)強(qiáng)化修復(fù)(MET)技術(shù)生態(tài)改造的方式。

3.2 結(jié)合MET技術(shù)的排洪溝渠生態(tài)改造原理

作為農(nóng)業(yè)面源污染過程阻斷技術(shù)中的重要手段之一,排洪溝渠生態(tài)改造主要是通過對(duì)農(nóng)田原有的排洪溝渠進(jìn)行建設(shè)與改造,使污染水體經(jīng)處理后滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求。通過有效攔截、凈化農(nóng)業(yè)面污染物,對(duì)氮磷等污染因子進(jìn)行去除削減,同時(shí),匯集處理農(nóng)村地表徑流及農(nóng)村生活污水,起到了暫時(shí)儲(chǔ)水、靜態(tài)降解等作用。

東溪排洪溝渠生態(tài)改造工程主要由溝渠工程、生態(tài)植被和微生物這三大部分組成。溝渠采用仿石箱型生態(tài)砌塊構(gòu)筑與帶孔石板構(gòu)成,將攔截壩或攔截箱沿溝渠內(nèi)布設(shè),將具有高效吸附氮磷的基質(zhì)放于攔截箱內(nèi),并將高效吸收氮磷的植物布設(shè)于生態(tài)溝渠里的溝壁、溝底及攔截箱上;生態(tài)植物選擇銅錢草、美人蕉、燈心草、黑三棱、綠狐尾藻等。通過處理工程和生態(tài)植物相結(jié)合,農(nóng)田排洪溝渠出水中的氮磷等污染物通過植物吸收、基質(zhì)吸附、泥沙沉降及流速減緩等作用,被有效去除。MET技術(shù)是通過模擬多層復(fù)合土壤滲濾過程,在傳統(tǒng)A/O工藝法的基礎(chǔ)上,強(qiáng)化綜合降解有機(jī)物和系統(tǒng)的脫氮除磷效果,同時(shí),結(jié)合高效沉淀技術(shù),組成的新型成套水處理工藝。MET系統(tǒng)里面的沸石在作為微生物生長載體的同時(shí),又充當(dāng)反應(yīng)介質(zhì)用以吸附氨氮,微生物的生長又向水體源源不斷地提供氧氣,確保了硝化細(xì)菌繁殖所需要的溶解氧,使得MET能有效地去除水體中的氮磷。MET氮轉(zhuǎn)化機(jī)理模型的主要過程包括氨化作用、硝化作用、微生物同化作用、植物吸收作用、基質(zhì)吸附與解吸作用和揮發(fā)作用[1]。

3.3 結(jié)合MET技術(shù)的排洪溝渠生態(tài)改造實(shí)際意義

針對(duì)東溪南門橋斷面上游大面積農(nóng)田退水排入排洪溝渠,致使水體總磷、總氮超標(biāo)的實(shí)際問題,結(jié)合MET處理技術(shù)對(duì)廈門東溪農(nóng)田排洪溝渠進(jìn)行生態(tài)改造升級(jí),形成獨(dú)特的微生物、底泥、植物系統(tǒng)構(gòu)成的生態(tài)溝渠濕地,通過植物吸收營養(yǎng)、微生物分解、自然揮發(fā)、泥沙攔截等作用,很大程度上降低地表徑流所攜帶的氮磷濃度。該技術(shù)能夠低成本、高效地解決農(nóng)田排洪溝渠污染的實(shí)際問題,使農(nóng)田污水排放達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)研究表明,進(jìn)行改造后的生態(tài)溝渠對(duì)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源氮、磷污染的去除率分別達(dá)到48%～64%和41%～70%[2]。

由此可見,結(jié)合MET技術(shù)對(duì)農(nóng)田排洪溝渠進(jìn)行生態(tài)改造升級(jí),具有占地面積小、出水水質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),尤其能高效脫氮除磷,特別適用于農(nóng)業(yè)污水處理站改造提升、農(nóng)業(yè)面源污染、流域水環(huán)境治理等。此外,結(jié)合MET處理技術(shù)的生態(tài)改造還可根據(jù)應(yīng)用場景和水質(zhì)特點(diǎn)形成規(guī)格豐富的設(shè)備產(chǎn)品系列,從而滿足對(duì)不同水質(zhì)和水量的處理要求。

3.4 結(jié)合MET技術(shù)的排洪溝渠生態(tài)改造工藝流程

廈門地處福建南部,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,冬季溫和少雨,夏季雨水充沛,豐水期因充沛的水量會(huì)稀釋各項(xiàng)農(nóng)業(yè)面污染因子,水體納污能力強(qiáng),氮磷溶度較低,故監(jiān)測數(shù)據(jù)大多表明此時(shí)期的水質(zhì)達(dá)標(biāo)。而超標(biāo)嚴(yán)重的枯水期降雨階段,因水量小、水體納污能力弱,富集于農(nóng)田土壤、地膜上的總磷會(huì)隨水流直接進(jìn)入東溪,從而造成下游總磷溶度偏高。目前,東溪河道南側(cè)農(nóng)田排洪溝渠為傳統(tǒng)農(nóng)田排洪渠,是由土地直接挖掘與開鑿而成的線性型水道,當(dāng)富含氮磷等污染物的農(nóng)田污水流入排洪渠后未經(jīng)任何過濾吸附處理,直接匯入東溪,極易造成東溪總磷超標(biāo)。而改造后的排洪溝渠是將MET系統(tǒng)覆蓋在傳統(tǒng)排洪溝渠的渠底與渠壁上,通過一系列的物理、化學(xué)與生物作用,將飽含氮磷等污染物的農(nóng)田污水進(jìn)行及時(shí)過濾與吸附,使得農(nóng)田退水符合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)后再匯入東溪。可以選用過硫酸鹽緩釋材料作為氧化材料,選用與微生物、活性沸石、氧化亞鐵作為還原材料,構(gòu)建改造后的排洪溝渠。此外,還需在農(nóng)田兩邊設(shè)計(jì)抽水——布水系統(tǒng)、回灌系統(tǒng),以及污染物實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)等,組成結(jié)合了MET技術(shù)的生態(tài)溝渠改造技術(shù)工藝。

當(dāng)?shù)鬃钊菀壮瑯?biāo)的枯水降雨期與豐水初雨期來臨,在降水和徑流沖刷的作用下,農(nóng)田、果園、養(yǎng)殖場等農(nóng)業(yè)面大量污染物在進(jìn)入受納水體東溪之前流經(jīng)生態(tài)改造溝渠,充分進(jìn)行了植物吸收作用、基質(zhì)永久吸附作用和揮發(fā)作用等自凈后,再進(jìn)入東溪水域。本工程方案的工藝流程圖如圖1所示。

圖1 結(jié)合MET系統(tǒng)技術(shù)的生態(tài)改造溝渠設(shè)計(jì)工藝流程圖

作為小匯面積上排水功能的生態(tài)改造溝渠,通常沒有具體的流量資料可以查詢,需要的設(shè)計(jì)洪水量采用實(shí)測暴雨的相關(guān)資料間接求得。因東溪流域試點(diǎn)面積為1200畝,枯水期農(nóng)田排水較少,溝渠處于接近無水狀態(tài);豐水期水量急增,且流速較快,假定洪水流與造成其產(chǎn)生的暴雨頻率相同。當(dāng)前,我國設(shè)計(jì)洪峰流量的計(jì)算主要有經(jīng)驗(yàn)公式法、洪水調(diào)查法和推理公式法三種方法,而采用經(jīng)驗(yàn)公式法來計(jì)算洪峰流量更符合東溪流域的實(shí)際情況要求。

對(duì)結(jié)合MET系統(tǒng)技術(shù)的生態(tài)改造溝渠進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可行性分析可知,其運(yùn)營成本較為經(jīng)濟(jì)合理,且可行性高。因?yàn)樵撋鷳B(tài)改造過的溝渠無需額外增加碳源和化學(xué)藥劑,且擁有超強(qiáng)的自凈能力,氮、磷養(yǎng)分也會(huì)被植被較好地吸收,所以日常的運(yùn)營維護(hù)只需做好清淤疏堵,養(yǎng)護(hù)植被工作即可。部分農(nóng)田可能因地處低洼地帶,需采用水泵抽水進(jìn)入生態(tài)溝渠,該環(huán)節(jié)需消耗一定的電能。

4 結(jié)束語

通過對(duì)廈門市東溪農(nóng)田排洪溝渠進(jìn)行結(jié)合MET技術(shù)的生態(tài)改造,能夠有效削減東溪南門橋斷面上游農(nóng)田排洪溝渠中的污染,解決東溪農(nóng)業(yè)面源污染中排洪溝渠出水超標(biāo)問題,今后可以點(diǎn)帶面,將該治理技術(shù)推廣到更多地方。