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國家設施農業工程技術研究中心崇明農業示范基地溫室雨水回收及水處理研究

溫室網  來源:周強1 沈崢2陳瑋1(1上海都市綠色工程有限公司 2同濟大學) 閱讀數:953

  水是農業生產的命脈,但是大都市由于大氣、水系等污染現狀,都市農業生產所需要的安全水資源獲取面臨挑戰。國家設施農業工程技術研究中心崇明農業示范基地(以下簡稱“崇明基地”)建設了雨水回收系統,采用砂濾、超濾系統等低成本、低能耗的符合農業生產需求的先進水處理技術,對園區所有農業生產用水進行深度處理,以確保農業生產水質安全,實現溫室作物灌溉水內部自給率100%。基地現有溫室20,000m2,主要用于溫室灌溉的雨水回收蓄水池3座,面積共2,213.5m2(見圖1)。對雨水原水和處理后的水進行了監測分析。

  1 蓄水池中雨水原水水質分析

  本研究選擇崇明基地內的兩個雨水蓄水池作為采樣點,用采樣瓶采集具有代表性的水樣。樣品采集后盡量在取樣當天做檢測,當天來不及檢測分析的水樣按中華人民共和國環境保護部頒發的《水質樣品的保存和管理技術規定》進行處理,并在規定的時間內送至實驗室分析。測試的項目包括溫度、pH值、電導率(EC)、濁度、總氮(TN)、氨氮(NH4+)、總磷(TP)、TOC、陰離子(F-、CL-、NO3-、SO42-)、大腸桿菌、常規金屬(Al、B、Ca、Fe、K、Mg、Na)、金屬(Zn、Cr、Cu、Cd、As、Mn、Pb、Se)。樣品分析方法為:溫度采用溫度計、pH值采用玻璃電極法,電導率采用DDSJ-308F電導率儀,濁度采用哈希便攜式濁度儀,總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB/T11894-1989),總磷采用鉬酸銨分光光度法(GB/T11893-1989),NH4+采用納氏試劑分光光度法(HJ535-2009),TOC采用MultiN/C2100分析儀,陰離子采用離子色譜,大腸桿菌采用濾膜法(HJ/T347-2007),常規金屬采用電感偶合等離子發射光譜法測定(ICP.AES,Perkin.Elmer Optima 2100)、重金屬的測定采用電感偶合等離子體質譜儀測定(ICP-MS,Agilent 7700)。水樣中含有一定量的有機物,樣品在金屬測試之前需進行水樣消解。雨水原水的水質分析結果見表1。

  從表1可知,蓄水池原水的水質要遠優于農田灌溉水標準,基本符合蔬菜無土栽培的原水要求,但在使用時一些指標還需特別注意。如測得濁度為3.07-3.67NTU之間,濁度不僅是感官性狀方面的指標,更重要的是病菌、病原微生物和其他有害物質一般依附在形成濁度的懸浮物和膠體上,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,因此,濁度需進一步去除;大腸桿菌為80-130cfu/100mL之間,大腸桿菌作為水中致病菌指示菌,可以反映水被微生物污染的程度,需要進一步處理控制。

  這在生產中會直接得到反映。如2013年11月底崇明基地溫室開始播種育苗,第一批黃瓜苗即出現5%左右的倒伏,鑒定為猝倒病,原因就在于雨水原水只經過砂濾簡單處理后就用于生產,雨水中致病菌較多,造成生產損失。在采用超濾處理后,猝倒病再也沒有發生過。

  2 蓄水池雨水處理試驗

  從技術上來說,雨水可采用化學處理法、物理處理法、物理化學處理法和膜處理法等。其中膜分離是一門新型的高效分離、濃縮、提純及凈化技術,具有占地面積小,處理后出水水質好,過濾壓力低,易維修,自動化程度高等特點,廣泛的應用于水處理中。超濾去除水中懸浮物、膠體、微生物及大分子有機物等的效果非常好,但很難去除水中的氮磷、溶解性鹽、金屬離子、小分子有機物。超濾膜直接處理受污染比較嚴重水時,會造成超濾膜通量下降,嚴重時會造成膜污染和膜堵塞,影響超濾的處理效果和使用期限,此外,膜直接過濾后處理的水質也難令人滿意,因此超濾膜常常與其他處理技術聯用。在膜處理前投加混凝劑,組成混凝一膜處理工藝,降低膜傳質阻力,提高去除有機物的效果;在膜處理前進行砂濾預處理,組成砂濾-膜處理工藝等,這已為許多試驗所證實。因此,本試驗采用絮凝和砂濾作為預處理。

  2.1 超濾原理

  超濾(簡稱UF)是以壓力為推動力,利用超濾膜不同孔徑對溶液中不同物理直徑大小的物質進行分離的過程,以達到對溶液凈化、分離、提純、濃縮的目的。其分子切割量(CWCO)一般為6000到50萬,孔徑為0.01μm。超濾所用的膜為非對稱膜,其表面活性分離層平均孔徑約為10~200,能夠截留分子量為500以上的大分子與膠體微粒,所用操作壓差在0.1—0.5MPa。超濾技術可以使水體中的懸浮物、膠體、藻類、細菌、病毒等被有效截留,使出水濁度降低到0.1NTU,保證出水的安全性。同時PVC合金超濾膜具有通量大、跨膜壓差小、抗污染、易清洗、化學耐受性好等特點。

  膜分離技術作為一種新興的科學領域,其主要特點表現在以下一個方面:

  (1) 膜分離過程不發生相變,和其他方法相比能耗較低,又稱為節能技術;

  (2) 膜分離技術使用范圍廣,可適用于有機物和無機物,從病毒、細菌到微粒的廣泛分離;

  (3) 膜分離效率高,分離效果好,通常來說分離效果只與膜孔徑的大小有關,與原分離體系的成分以及運行條件無關,能夠得到穩定可靠的分離結果,對于有些成分理論上往往能夠達到100%去除率,是其它常規處理和深度處理所不能比擬的;

  (4) 膜裝置一般由膜組件、進料系統及清洗系統組成,結構簡單且操作方便,易于自動操作且便于維修。

  2.2崇明基地選用的超濾設備

  崇明基地由上海立昇凈水設備有限公司專門研制開發了1套采用超濾技術的循環型無土栽培水凈化設備LG1060×4-D(圖4)。該設備超濾膜系統的產水量為10m3/h,其產水用于無土栽培作物的營養液配制和灌溉,出水目標為濁度(NTU)≤0.1(95%保障率),菌落總數(CFU)≤100/mL(優于生活飲用水衛生標準)。表2為循環型無土栽培水凈化設備性能參數;表3為膜系統的主要參數。

  2.3雨水超濾試驗結果

  根據對崇明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,試驗水質的指標見表4。

  超濾:超濾試驗時,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,如此循環運行。

  微絮凝-超濾:根據杯試試驗,選擇硫酸鋁作為絮凝劑,投加量為8mg/L,在150r/min下攪拌10min后超濾,超濾條件同上。

  為了比較超濾和微絮凝-超濾對雨水的處理效果,選擇最佳的處理方法,分別對超濾、微絮凝-超濾反應時間為0.5h和lh,試驗結果如表5和6。

  從表5和表6,超濾、微絮凝-超濾處理對水樣的溫度、pH、和EC的影響不大,主要是對濁度和大腸桿菌的去除。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;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。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。

  由圖6可知,超濾膜對總大腸菌群的去除率可達99%以上,超濾處理后水中大腸桿菌數在0-1cfu/100mL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。

  從圖7可知,超濾對濁度的去除效果好且穩定,超濾出水濁度為0.20~0.42 NTU,平均為0.29NTU。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。

  3 分析和討論

  近年來,隨著全球水資源利用的日益緊張,國際上成立了國際雨水利用協會,該協會對農業集水的理論和技術體系展開了大量的研究,提出農業集水就是依托現代化農業工程技術解決農田充分蓄存當地自然降雨和徑流貯水,并靠現代化節水灌溉技術把貯水用在作物需水關鍵期和嚴重干旱時段,即做到工程、生物、農藝三項措施的有機結合這樣一個明確的概念。為充分利用雨水資源,發展節水型農業,雨水集蓄利用是緩解設施農業水資源緊缺的重要舉措。設施農業的集雨系統主要包括回收集流系統、輸水系統、凈化儲水系統及其它附屬工程幾部分。降落在集流面上的雨水,通過在溫室、大棚修建集雨槽等設施將雨水收集存儲起來,經過集流系統匯集在輸水管中,經凈化過濾裝置后儲存在儲水池中,收集的雨水最后通過水泵、管道和原有灌溉首部連接,將雨水高效利用于設施農業生產等。

  設施農業集雨利用工程是否可行主要取決于2 個方面:一是收集的雨水(水質和水量) 是否能夠滿足農業生產的需求;二是利用雨水進行農業生產是否能夠節約用水成本。從本研究看,通過超濾等低成本的處理技術,溫室屋面收集的雨水水質能夠滿足大多數農業生產的要求,甚至優于自來水。從雨水利用的經濟可行性來看,當地下水水位較高時,直接取用地下水方便并且成本很低,集雨利用工程不具備經濟可行性。但是,隨著地下水水位不斷降低、水質的惡化以及環境保護的需要,農民使用地下水的成本將快速提高,集雨利用工程將顯示出其優越性。

  以崇明基地為例,現有20,000m2溫室全部按果菜無土栽培計算,栽培面積以80%計,按回收液20%,年灌溉水量約2.5(mL·m-2)/(J·cm-2),年生產期以90%時間統計,年總輻照量4578.5MJ/m2,如循環利用,則總需水量2.5×10-6×4578.5×102×0.9×(1-0.2)×20,000×0.8=13,186 m3。上海年降雨量1,151.7mm,以20,000m2溫室計算,可收集雨水23,040m3。理論上除可滿足溫室內栽培需要外,還可結余近10,000m3雨水用于大田灌溉(圖8)。

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