廈門市同安區東溪農田排洪溝渠生態改造工藝研究

葉巧璇

(廈門市環境監測站,福建 廈門 361012)

1 廈門市同安區農業面源污染概況

農業面源污染是指在農業生產和農村生活中,溶解于水體有機物質、無機物質,或以固態形式存在的污染物及農田中的氮磷肥料、動物糞便與生活排污,在徑流沖刷和降雨后,通過農田地表徑流匯入接納其排放的河溪、湖泊、大海或其他水體,從而造成的污染。農業面源污染無處不在,其危害不容小覷,如何防治是當前生態環境保護工作的重點和難點。

同安區作為廈門市的農業大區,其農業種植還將長時間存留,因此,農業面源污染問題亟待解決。根據《地表水質量標準》(GB 3838—2002),總磷≥0.4 mg/L則水質類別為V類。2022年,由于強降雨影響,廈門市同安區省控斷面水質時常不穩定,同安區東溪省控小流域斷面南門橋點位考核水質為劣V類,主要超標污染物為總磷,最高污染值高達0.793 mg/L,類似情況在雨季多個月份均有出現。此外,枯水期降雨對水質影響尤為顯著,例如,2022年11月24日至12月1日,南門橋點位總磷持續超標,最高達0.707 mg/L。經過溯源排查,東溪南門橋斷面上游大面積農田退水采取直接排入河道溝渠的方式,未經任何后期處理加工。

2 東溪農田排洪溝渠生態改造背景

農業面源污染防治的有效方式主要包括改進耕作方式和合理使用農藥化肥,具體可分為保護性耕作、深松、采用粉壟耕作技術、減少耕作次數、增加秸稈還田等措施。經走訪東溪省控小流域斷面上游村莊農田,得知該斷面的農田退水直接進入排洪溝渠后,對水體總磷超標貢獻較大,而總磷超標的原因是現代農業技術的運用。廈門東溪上游農田多以種植時令蔬菜為主,大部分農田都覆以黑色地膜。地膜主要用于提高土壤溫度、保持土壤水分、維持土壤結構、防止害蟲侵襲農作物等,但由于地膜的存在,容易造成農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田的排洪溝渠,沿溝渠匯入東溪,最終造成總磷超標。因此,對廈門東溪農田排洪溝渠的生態改造升級顯得尤為重要。

3 東溪農田排洪溝渠的生態改造

3.1 改造方案

排洪溝渠生態改造是指在農田原有的排洪溝渠上通過多級生態攔截技術,使原本僅為排水用的溝渠增加了生態過濾等功能。該技術主要采用對現有排洪溝渠進行生態攔截的功能改造和功能強化,或者在原先的排洪溝渠上額外建設生態工程,對污染物進行深度處理,不僅能有效攔截、凈化農田污染物,還能匯集處理農村地表徑流及農村生活污水等,從而實現氮磷等污染物的減量化排放或最大化去除。為進一步加強生態溝渠面源污染攔截凈化效果,可借助多種技術組合應用[1]。

根據實際調研踏勘,由于東溪南門橋斷面上游農田范圍較大,且地塊較集中,因此,采用離開農田后的攔截處理,并對田間排洪溝渠采取結合地下水多級強化修復(MET)技術生態改造的方式。

3.2 結合MET技術的排洪溝渠生態改造原理

作為農業面源污染過程阻斷技術中的重要手段之一,排洪溝渠生態改造主要是通過對農田原有的排洪溝渠進行建設與改造,使污染水體經處理后滿足各項指標要求。通過有效攔截、凈化農業面污染物,對氮磷等污染因子進行去除削減,同時,匯集處理農村地表徑流及農村生活污水,起到了暫時儲水、靜態降解等作用。

東溪排洪溝渠生態改造工程主要由溝渠工程、生態植被和微生物這三大部分組成。溝渠采用仿石箱型生態砌塊構筑與帶孔石板構成,將攔截壩或攔截箱沿溝渠內布設,將具有高效吸附氮磷的基質放于攔截箱內,并將高效吸收氮磷的植物布設于生態溝渠里的溝壁、溝底及攔截箱上;生態植物選擇銅錢草、美人蕉、燈心草、黑三棱、綠狐尾藻等。通過處理工程和生態植物相結合,農田排洪溝渠出水中的氮磷等污染物通過植物吸收、基質吸附、泥沙沉降及流速減緩等作用,被有效去除。MET技術是通過模擬多層復合土壤滲濾過程,在傳統A/O工藝法的基礎上,強化綜合降解有機物和系統的脫氮除磷效果,同時,結合高效沉淀技術,組成的新型成套水處理工藝。MET系統里面的沸石在作為微生物生長載體的同時,又充當反應介質用以吸附氨氮,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氮轉化機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、基質吸附與解吸作用和揮發作用[1]。

3.3 結合MET技術的排洪溝渠生態改造實際意義

針對東溪南門橋斷面上游大面積農田退水排入排洪溝渠,致使水體總磷、總氮超標的實際問題,結合MET處理技術對廈門東溪農田排洪溝渠進行生態改造升級,形成獨特的微生物、底泥、植物系統構成的生態溝渠濕地,通過植物吸收營養、微生物分解、自然揮發、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。該技術能夠低成本、高效地解決農田排洪溝渠污染的實際問題,使農田污水排放達到相關標準。相關研究表明,進行改造后的生態溝渠對農業非點源氮、磷污染的去除率分別達到48%～64%和41%～70%[2]。

由此可見,結合MET技術對農田排洪溝渠進行生態改造升級,具有占地面積小、出水水質穩定等優點,尤其能高效脫氮除磷,特別適用于農業污水處理站改造提升、農業面源污染、流域水環境治理等。此外,結合MET處理技術的生態改造還可根據應用場景和水質特點形成規格豐富的設備產品系列,從而滿足對不同水質和水量的處理要求。

3.4 結合MET技術的排洪溝渠生態改造工藝流程

廈門地處福建南部,屬亞熱帶季風氣候,冬季溫和少雨,夏季雨水充沛,豐水期因充沛的水量會稀釋各項農業面污染因子,水體納污能力強,氮磷溶度較低,故監測數據大多表明此時期的水質達標。而超標嚴重的枯水期降雨階段,因水量小、水體納污能力弱,富集于農田土壤、地膜上的總磷會隨水流直接進入東溪,從而造成下游總磷溶度偏高。目前,東溪河道南側農田排洪溝渠為傳統農田排洪渠,是由土地直接挖掘與開鑿而成的線性型水道,當富含氮磷等污染物的農田污水流入排洪渠后未經任何過濾吸附處理,直接匯入東溪,極易造成東溪總磷超標。而改造后的排洪溝渠是將MET系統覆蓋在傳統排洪溝渠的渠底與渠壁上,通過一系列的物理、化學與生物作用,將飽含氮磷等污染物的農田污水進行及時過濾與吸附,使得農田退水符合相關行業標準后再匯入東溪。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,構建改造后的排洪溝渠。此外,還需在農田兩邊設計抽水——布水系統、回灌系統,以及污染物實時監測系統等,組成結合了MET技術的生態溝渠改造技術工藝。

當氮磷最容易超標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,農田、果園、養殖場等農業面大量污染物在進入受納水體東溪之前流經生態改造溝渠,充分進行了植物吸收作用、基質永久吸附作用和揮發作用等自凈后,再進入東溪水域。本工程方案的工藝流程圖如圖1所示。

圖1 結合MET系統技術的生態改造溝渠設計工藝流程圖

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

對結合MET系統技術的生態改造溝渠進行經濟可行性分析可知,其運營成本較為經濟合理,且可行性高。因為該生態改造過的溝渠無需額外增加碳源和化學藥劑,且擁有超強的自凈能力,氮、磷養分也會被植被較好地吸收,所以日常的運營維護只需做好清淤疏堵,養護植被工作即可。部分農田可能因地處低洼地帶,需采用水泵抽水進入生態溝渠,該環節需消耗一定的電能。

4 結束語

通過對廈門市東溪農田排洪溝渠進行結合MET技術的生態改造,能夠有效削減東溪南門橋斷面上游農田排洪溝渠中的污染,解決東溪農業面源污染中排洪溝渠出水超標問題,今后可以點帶面,將該治理技術推廣到更多地方。