生態攔截溝工程及景觀設計的應用實踐

廖遠三 ,陳承勝 ,周國靜

(1.溫州市龍灣區生態環境分局,浙江 溫州 325000;2.溫州蓮情水生花卉專業合作社,浙江 溫州 325000)

近年來,浙江省為堅決打贏污染防治攻堅戰,積極推進農田水環境治理,在全國率先開展農田溝渠水環境綜合治理探索,累計建設農田氮磷生態攔截溝渠系統300 多條,總長超過370 km,覆蓋農田面積約1.6 萬hm2。在確保排水溝渠具有排澇、排漬或防治土壤鹽堿化等功能的基礎上,通過在溝渠中設置節制閘壩、攔水坎、集泥井、透水壩等輔助性工程設施,以及采用植物生物材料及配置植物群落等措施,強化溝渠對氮、磷等物質的攔截凈化能力,農田排水化學需氧量、總氮、總磷分別減少20%、30%及30%以上,有效改善了溝渠的生境條件,使田間溝渠的生態系統得到恢復和完善,構建起優美的田園生態環境[1-3]。隨著鄉村振興戰略的有效實施和美麗田園建設的逐步推進,在農業面源污染治理的同時,農業景觀設計的重要性逐漸凸顯。本文以溫州市龍灣區永興糧食生產功能區農業園為例,就結合美麗田園景觀建設的生態攔截溝工程設計實踐進行探討。

1 材料與方法

1.1 工程概況

龍灣區永興糧食功能區位于溫州市的東大門,片區糧食作物播種面積約782 hm2,主要種植苗木、蔬菜、水稻和瓜果,其農藥、化肥使用量較大,是龍灣區的主要農業園區,也是美麗田園的重要組成部分。功能區內有多條溝瀝和河道,涉及樂一、祠南、永樂、萼芳、榕樹下、樂二、永民等7個行政村,并與龍灣區國際機場相鄰,同時也是龍灣區主城區和新區空港區的溝通要道。2018 年以來,為進一步落實 “藏糧于地、藏糧于技” 的戰略,高質量推進糧食生產功能區的建設保護,將糧食生產功能區提標改造項目納入空港都市休閑農業鄉村振興示范帶建設,在生態攔截溝設計方面,既要在農業面源治理上減少污染源排入河道,又要兼顧美麗田園的景觀建設的要求,實現鄉村生態底色,讓城市居民更向往美麗田園。休閑農業示范帶生態攔截溝工程1 (榕南瀝) 涉及水域面積12 804 m2,施工河長1 067 m,綠化面積1 560 m2;生態攔截溝渠工程2 (大塘瀝) 建設溝渠長度為1.2 km,寬8 m,施工面積約9 600 m2,綠化面積2 991 m2,施工范圍內周邊匯入大塘瀝排水的農田面積近20 hm2。

永興糧食功能區以雙季稻種植為主,亦有苗木、蔬菜、瓜果之類。附近基本無居民居住,岸邊均為農田。每到作物種植生長季節,農田的農藥殘留會排入溝渠。根據2018 年3—12 月及2019 年片區河道水質的監測 (根據 《地表水環境質量標準》GB 3838—2002) 顯示,區域范圍內透明度、pH值、高錳酸鹽指數、溶解氧等指標均較好,處于Ⅴ類水以上水平,氨態氮、總磷在4—8 月偏高,是影響水質的重要因素。

1.2 研究方法

在資料研究與現場調查的基礎上,根據周邊環境、水環境現狀的分析,提出控制水污染生態攔截的總體構思。在水生植物的選擇和搭配上,既要考慮凈化能力和景觀效果,又要考慮其對地域氣候的適應性,并盡量培育搭配本土植物[4]。本生態攔截工程以原有溝渠及溝瀝、河道為支撐,工程項目主要包括浮水、挺水植物栽植,并建以生態透水壩、宣傳牌、設施固定器、香根草防護網、噴泉、電纜電器安裝系統等,輔以植物浮島、沉泥、反硝化除磷池,根據片區季節性農作物面源污染 (水質實測) 的情況,在生態植物基礎上,結合微生物吸附隔離技術,控制片區農田尾水入河污染濃度。其中,浮水植物以常綠香水蓮、印度紅、白睡蓮、藍色香水蓮、譚群為主,挺水植物栽植以香根草、再力花、翠蘆莉、美人蕉為主。

1.3 治理工藝

根據片區實地調查,生態攔截工程的治理方法主要采用微生物緩釋降解技術、生態浮島、景觀噴泉、生態透水壩、沉泥反硝化除磷池、香根草綜合治理技術多種技術綜合治理。

1.3.1 復合菌 (LQ-er 菌-固體菌) 緩釋降解污染物

復合菌緩釋降解污染物技術是將固定在特定載體上的特定復合菌緩慢釋放并快速、大量增殖,利用復合菌的新陳代謝降解污染物的生物技術。本方案通過常規水質采樣分析,在生態溝攔截范圍內實施復合菌種 (LQ-er 菌) 的輔助措施,復合菌通過水體流動和水氣交換不斷散發進入水體,并在水體中不斷繁殖,通過自身強大的有機物降解能力,快速降低溝渠水體中的有機污染物及N、P 等富營養物質。這一技術有見效快的優勢,在農業面源污染集中時段,可快速消解化學需氧量 (COD)、生化需氧量 (BOD) 和氨態氮,同時對底泥中有機物進行有效分解,有利于恢復植物生長環境。

1.3.2 生態浮島

生態浮島是一種針對富營養化的水質,利用生態工學原理,降解水中的COD、氮、磷含量的人工浮島,該措施對藻類有很好的抑制效果。其對水質凈化最主要的功效是利用植物的根系吸收水中的富營養物質,使得水體的營養得到轉移,減輕水體由于封閉或自循環不足帶來的水體腥臭和富營養化現象。植物的生長繁殖過程需要大量營養,生態浮島植物根系在水中形成的富氧環境和根系表面生物膜能高效的降解水中COD、氮、磷的含量,而根系膜內配合復合菌產生的多聚糖能有效吸附水中懸浮物。

大量在可控條件下的研究和基本處于靜態條件下的示范工程表明,在新的污染物不再進入試驗區水體的前提下,采用生態浮島技術治理污染水體的效果是極其顯著的,對全氮 (TN)、全磷 (TP)、COD、BOD 等主要水質指標的去除率均能達到較高水平。其中,以種植一季夏季植物和生態浮島覆蓋率30%為例,在本底值TN、COD 分別為10 和50 mg·L-1以上時,去除率一般在50%～80%。

生態浮島是受污染水體生態攔截中原位水質改善中的創新技術,其作用可以使受污染水體的透明度、營養鹽濃度及溶解氧等水體重要指標得到改善,為受污染水體的生態攔截創造條件,在改善水質的同時,還可以增加生物多樣性,同時提升景觀效果。在水面上鋪設生態浮島,種植水生植物后逐漸會重新形成魚蝦、浮游生物等,最終產生如圖1所示的小型循環生物鏈,使水體得以凈化。

圖1 生態浮島設計的思路

1.3.3 景觀噴泉

噴泉曝氣機配置高速旋轉的螺旋槳在提水的同時,充分攪拌河水,令水層產生上下加速循環,促進水層的流動,從而使水體充分曝氣溶氧,除去水中的有機物質,增加水體的溶解氧含量,提高水體的自凈能力。有效抑制水華,防止非流動性的水質腐爛發臭,抑制蚊子孳生,消除黑臭現象,有效提高與改善水生態系統的生態攔截、水資源保護及水體凈化。噴泉曝氣機特有的造景功能對河道能提供裝飾作用,可提升河道景觀。

1.3.4 生態透水壩

生態透水壩應用于處理農村面源污染,在水力坡減小、河網密集的平原地區,采用礫石和碎石在被污染的溝渠中人工壘筑壩體,再在壩體上配置對水質有凈化作用的植物,結合快速滲濾原理和人工濕地原理,對污水進行一定的凈化。因本工程以河道為支撐,結合功能區的現場實際情況,采用生物膜凈水柵欄進行水體的攔截過濾,水底配置了級配碎石與菌窩,并用鍍鋅鋼管固定壩體。通過延長水力停留的時間,促進水中泥沙及營養鹽的沉降,進一步吸收、吸附、攔截營養鹽,從而降低營養鹽的含量,抑制藻類過度繁殖,減緩富營養化的進程,從而改善水質。

1.3.5 沉泥、反硝化除磷池

反硝化除磷技術是由反硝化聚磷菌 (DPB)在厭氧/缺氧 (A/A) 的交替環境中,通過其獨特的新陳代謝功能,達到過量吸磷和反硝化脫氮的雙重目的。作為一種新型高效低能耗的技術,反硝化除磷成為近年來水處理領域的熱點,可在缺氧段無碳源的情況下進行,不僅實現同時除磷脫氮,還克服了生活污水中基質缺乏的問題,尤其適用于高氮磷廢水及產生揮發性脂肪酸潛力低的城市污水。本工程將沉泥、反硝化除磷池安裝在農田排口處,使用管道將農田排水接入處理池內,池內安置生物膜凈水柵與菌窩,并投入沸石粉及菌種,在峰值時段,農田污水進入池內可處理500 kg·h-1的量,同時在水面安裝生態浮島,種植具有強吸收氮磷作用的香根草,搭配翠蘆莉,同時起到豐富景觀的效果 (圖2)。

圖2 工程設計及實際建設效果

2 結果與分析

永興糧食生產功能區涉及河道有中橫河、五溪瀝、民樂瀝、永樂瀝、樂二瀝、樂一瀝等河道,2016 年以來均進行了水質檢測,其中2016 和2017年為雙月檢測,2018 年3 月后均為每月1 測,檢測指標包括總磷、氨態氮、高錳酸鹽指數、透明度和溶解氧。

由表1 可知,2016—2020 年,河道水質的透明度、高錳酸鹽指數、氨態氮、總磷和溶解氧中,透明度、高錳酸鹽指數和溶解氧均相對穩定,且均在Ⅳ類水以上;氨態氮濃度雖逐年有所下降,但總體偏高,還需進行重點處置。2016、2017 年,總磷濃度在Ⅴ類水以上,2018 年后濃度降至Ⅳ類水以上,需要一般治理。

表1 中橫河等河道2016—2020 年水質檢測

2019 年初,在生態攔截溝建成后,選取氨態氮和總磷2 項指標,檢測攔截溝內農田排水口和尾水出水口水質。根據水質的分析,在設計施工中,除水生物常規配置外,項目增加了曝氣裝置和沉泥、反硝化除磷池及微生物緩釋降解技術等輔助裝置。由表2 可知,生態攔截溝建成后,在河水相對靜態條件下,氨態氮實際去除率達58%、總磷去除率達69%以上,攔截溝尾水出水口的氨態氮和總磷含量較排放口大大下降,可見攔截溝對水質的改進效果很好。

表2 2019 年生態攔截溝1 進出水質檢測

2021 年12 月,根據水功能區排放的要求,業主方委托第三方對生態攔截溝出水口河道 (冬季農田排入口幾無排水) 水質進行檢測。結果顯示,氨態氮、總磷去除率分別為0.191 和0.05 mg·L-1,生態攔截時間越長,氨態氮、總磷去除率就更高。類似的攔截工程,在碧湖鎮缸窯村建設的氮磷生態攔截溝渠的監測分析表明,農田水源化學需氧量和養分流失氮、磷的濃度分別減少30%、40%和40%以上[4],說明不同地區的生態攔截溝渠工程對河道水質改善均有明顯的效果,本設計工藝具有較好的科學實踐應用價值。

3 討論

該片區主要為農田范圍,除了實施生態攔截溝建設外,也加強了其他農業面源污染措施整治。就總體情況看,片區河道水質逐年完善。從水質的幾個指標來看,片區河道的透明度、總磷、高錳酸鹽指數、溶解氧含量基本穩定,且達到Ⅴ類水以上,氨態氮指標相對偏高,需要加強對氨態氮的研究處理。

按照 《浙江省農田面源污染控制氮磷生態攔截溝渠建設技術規范》,采用以傳統水生植物治理為主,輔助于生物菌、生態浮島及曝氣裝置,有利于更好的控制生態攔截溝的出水水質,生態攔截和景觀提升相結合,同時也有助于突破工程維護、項目運行機制、經費來源等瓶頸,從而更好地推動農田氮磷生態攔截溝渠系統的建設落地與應用。

該片區為美麗田園,也是溫州城區的網紅打卡點之一,生態攔截溝建設需要考慮田園觀光需要。貫徹生態、環境和景觀功能三者兼顧的理念,因地制宜,結合現代休閑觀光農業的需求,推進美麗田園景觀實施生態攔截溝渠工程對于鄉村振興發展的促進作用,有利于發揮生態攔截溝的生態、經濟和社會層面的綜合效益。