崇明設施農業雨水利用與處理的試驗研究

張郁慧　劉　莉　沈　崢　張亞雷

（1同濟大學環境科學與工程學院上海2000922上海新能源科技成果轉化與產業促進中心上海200001）

崇明設施農業雨水利用與處理的試驗研究

張郁慧1，2劉莉1沈崢1張亞雷1

（1同濟大學環境科學與工程學院上海2000922上海新能源科技成果轉化與產業促進中心上海200001）

設施農業為農作物生長提供可控的、優化的環境，使農作物不受季節的影響在最適宜的環境中生長。目前自動化、機械化的植物工廠和無土栽培是都市農業主要形式。一方面我國要發展設施農業，另一方面我國水資源短缺嚴重，而南方地區雨水充足，雨水是一種非常規、經濟的水資源。在此情況下，本文對崇明設施農業示范基地雨水采樣進行實驗研究，首先收集了示范基地雨水，進行測定，根據設施農業的要求進行了處理，達到了無土栽培水質要求。解決設施農業雨水利用的難題，提高農業生產的效率和質量，適應現代農業發展需求。

雨水；超濾；微絮凝-超濾

我國是一個農業大國，近年來農業發展取得了舉世矚目的成就，設施農業因具有高投入高產出、抗災害能力強、科技含量高等優點，而且具有相當明顯的經濟效益和社會效益，設施農業未來前景非常好。然而水資源不足是當前制約農業發展的主要因素。我國南方地區的耕地占全國總耕地面積的35.2%，但水資源占全國總水資源的80%；在設施農業領域，雨水收集和儲存尚處于初級利用階段，對于雨水處理和提高雨水水質的研究有待進一步發展。針對以上問題，本論文以雨水處理和利用分析為前提，在崇明設施農業示范基地對天然雨水進行收集、水質分析和研究。首先測定雨水和蓄水池水質情況。

1　試驗裝置與方法

1.1試驗裝置

試驗裝置在上海崇明縣港沿鎮崇明設施農業示范基地溫室進行，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。溫室室頂25m，寬11m，溫室兩側各有4根雨水排水管，雨水通過連棟溫室的圓弧頂面經過棚頂天溝－支管－干管，最終流入蓄水池。前來說，超濾技術在飲用水深度處理中的應用非常廣泛，超濾膜具有納米級的孔徑，可有效去除水中藻類、懸浮物、大分子有機物、細菌甚至是病毒微生物等，而且具有去除效率高、化學藥劑使用量少、運行簡易可靠性高，占地面積小等優點，所以本研究采用超濾處理法。

1.2示范基地雨水水質特征

在降雨期間，雨水淋洗大氣時，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也會對雨水水質有一定的影響。崇明作為上海農產品供應基地，工業不發達，空氣質量良好，但毗鄰崇明的上海、江蘇工業發達，是酸雨重災區，由于崇明夏季降雨多伴隨臺風，將上海、江蘇產生的污染物質吹到崇明上空，形成酸雨。

對天然雨水進行分析測定，可以確定示范基地污染物背景值。從2014年不同采樣期，國家設施農業示范基地的天然雨水各指標值可看出，示范基地的天然雨水pH在4.5～6.2之間，屬于國家環保部認為的酸雨的范圍，EC、濁度、總氮、總磷、大腸桿菌水質指標良好，Fe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，Fe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，經過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施農業示范基地天然雨水水質很好，基本符合配制營養液的原水要求。

1.3蓄水池中雨水的監測與分析

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

由于無土栽培對營養液原水水質要求非常嚴格，在配制營養液時，需對配制營養液的原水水質先進行檢測。

從檢測結果可知，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，更重要的是可以衡量病菌、病原微生物和其他有害物質依附在形成濁度的懸浮物和膠體上的程度。根據對崇明設施農業示范基地蓄水池水質的監測、無土栽培營養液配制對原水的要求和試驗條件的有關考慮，選試下列水質指標作為試驗指標，試驗水質指標見表1。

表1　試驗水質指標

由上表可知，降低濁度對于控制這些有毒有害物質具有非常重要的意義，需進一步去除。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，需要進一步處理控制。總的來說，除濁度和大腸桿菌外，大部分水質指標達到我國飲用水水質標準，設施農業示范基地蓄水池的雨水水質很好，基本符合配制營養液的原水要求。

2　結果與分析

2.1微絮凝－超濾工藝參數

將需處理的雨水置于原水箱中，用蠕動泵將水樣抽送至超濾裝置。超濾處理系統為全量過濾，超濾試驗時，選擇硫酸鋁作為絮凝劑，超濾運行參數為：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，用蠕動泵將水樣抽送至超濾裝置。超濾運行參數為：超濾處理系統為全量過濾，過濾30min，順沖10s，反沖40s，順沖10s，過濾和順沖壓力為0.10 M Pa～0.20M Pa，反沖洗壓力為0.20M Pa，流速為30L/h，如此循環運行。

2.22組工藝的出水水質比較

為了比較處理效果，用直接超濾和微絮凝－超濾進行對比，具體水質處理結果見表2和表3。

表2　超濾處理雨水1h試驗

由表2可知，超濾膜對總大腸菌群的去除率可達90%，超濾處理后水中大腸桿菌數在10 cf u/L左右，與飲用水標準相當。超濾膜對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，而實驗采用的超濾膜的孔徑比大腸桿菌小的多，因此，超濾膜對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

從表2.2可知，超濾對濁度的去除效果好且穩定，超濾出水濁度為0.16 NTU～0.22 NTU，平均為0.19 NTU。超濾膜對濁度優異而穩定的去除效果其主要原因是超濾過程是物理篩分過程，能有效截留無機顆粒物及大分子有機物等，超濾膜對濁度去除具有良好的保障作用。

2.32組工藝的處理效果對比結果與討論

表4　工藝處理效果對比

實驗結果可知，超濾、微絮凝-超濾處理對水樣的溫度、pH、和EC的影響不大，主要是對大腸桿菌和濁度的去除。從對大腸桿菌去除效果的數據來看，超濾和微絮凝-超濾的去除效果差不多。從對濁度去除效果的數據來看，微絮凝-超濾的去除效果比較好；考慮投加絮凝劑會引入新的物質，且在處理中不能完全去除，超濾對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很低，故對雨水的處理工藝選擇超濾。

3　結語

崇明農業示范基地連棟溫室蓄水池收集儲存的雨水經實驗探索，超濾法處理后完全能滿足無土栽培水源要求。上海城區屋面雨水水質比崇明連棟溫室的雨水水質差，不宜直接超濾，砂濾預處理后，濁度和大腸桿菌得到明顯去除，但大腸桿菌需進一步去除，經超濾處理后，大腸桿菌去除率達到99%以上，且處理后水中大腸桿菌在10cf u/L左右，可用于設施農業灌溉。

總的來說，雨水有機物含量低屬于輕污染水，經處理或凈化后可滿足設施農業對水質的不同要求。設施農業在國外發展迅速，與發達國家相比，中國設施農業還處于發后發展階段，因此，不斷探索和推廣無土栽培技術、設施農業用水的凈化處理，從而推進中國農業可持續發展，加速中國農業現代化進程。

［1］李中華，王國占，齊飛.我國設施農業發展現狀及發展思路［J］.中國農機化學報，2012（1）：7-10.

［2］張紅宇.超濾膜技術在環境工程水處理中的應用［J］.環球人文地理，2015（8）.

［3］谷曉靜.超濾膜技術在環保工程水處理中的應用［J］.中國化工貿易，2013（12）：338-338.

［4］林英姿，史妍.超濾膜技術在飲用水處理中的研究現狀［J］.吉林建筑工程學院學報，2014，31（3）：40-44.