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国家设施农业工程技术研究中心崇明农业示范基地温室雨水回收及水处理研究

温室网  来源:周强1 沈峥2陈玮1(1上海都市绿色工程有限公司 2同济大学) 阅读数:867

  水是农业生产的命脉,但是大都市由于大气、水系等污染现状,都市农业生产所需要的安全水资源获取面临挑战。国家设施农业工程技术研究中心崇明农业示范基地(以下简称“崇明基地”)建设了雨水回收系统,采用砂滤、超滤系统等低成本、低能耗的符合农业生产需求的先进水处理技术,对园区所有农业生产用水进行深度处理,以确保农业生产水质安全,实现温室作物灌溉水内部自给率100%。基地现有温室20,000m2,主要用于温室灌溉的雨水回收蓄水池3座,面积共2,213.5m2(见图1)。对雨水原水和处理后的水进行了监测分析。

  1 蓄水池中雨水原水水质分析

  本研究选择崇明基地内的两个雨水蓄水池作为采样点,用采样瓶采集具有代表性的水样。样品采集后尽量在取样当天做检测,当天来不及检测分析的水样按中华人民共和国环境保护部颁发的《水质样品的保存和管理技术规定》进行处理,并在规定的时间内送至实验室分析。测试的项目包括温度、pH值、电导率(EC)、浊度、总氮(TN)、氨氮(NH4+)、总磷(TP)、TOC、阴离子(F-、CL-、NO3-、SO42-)、大肠杆菌、常规金属(Al、B、Ca、Fe、K、Mg、Na)、金属(Zn、Cr、Cu、Cd、As、Mn、Pb、Se)。样品分析方法为:温度采用温度计、pH值采用玻璃电极法,电导率采用DDSJ-308F电导率仪,浊度采用哈希便携式浊度仪,总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB/T11894-1989),总磷采用钼酸铵分光光度法(GB/T11893-1989),NH4+采用纳氏试剂分光光度法(HJ535-2009),TOC采用MultiN/C2100分析仪,阴离子采用离子色谱,大肠杆菌采用滤膜法(HJ/T347-2007),常规金属采用电感偶合等离子发射光谱法测定(ICP.AES,Perkin.Elmer Optima 2100)、重金属的测定采用电感偶合等离子体质谱仪测定(ICP-MS,Agilent 7700)。水样中含有一定量的有机物,样品在金属测试之前需进行水样消解。雨水原水的水质分析结果见表1。

  从表1可知,蓄水池原水的水质要远优于农田灌溉水标准,基本符合蔬菜无土栽培的原水要求,但在使用时一些指标还需特别注意。如测得浊度为3.07-3.67NTU之间,浊度不仅是感官性状方面的指标,更重要的是病菌、病原微生物和其他有害物质一般依附在形成浊度的悬浮物和胶体上,降低浊度对于控制这些有毒有害物质具有非常重要的意义,因此,浊度需进一步去除;大肠杆菌为80-130cfu/100mL之间,大肠杆菌作为水中致病菌指示菌,可以反映水被微生物污染的程度,需要进一步处理控制。

  这在生产中会直接得到反映。如2013年11月底崇明基地温室开始播种育苗,第一批黄瓜苗即出现5%左右的倒伏,鉴定为猝倒病,原因就在于雨水原水只经过砂滤简单处理后就用于生产,雨水中致病菌较多,造成生产损失。在采用超滤处理后,猝倒病再也没有发生过。

  2 蓄水池雨水处理试验

  从技术上来说,雨水可采用化学处理法、物理处理法、物理化学处理法和膜处理法等。其中膜分离是一门新型的高效分离、浓缩、提纯及净化技术,具有占地面积小,处理后出水水质好,过滤压力低,易维修,自动化程度高等特点,广泛的应用于水处理中。超滤去除水中悬浮物、胶体、微生物及大分子有机物等的效果非常好,但很难去除水中的氮磷、溶解性盐、金属离子、小分子有机物。超滤膜直接处理受污染比较严重水时,会造成超滤膜通量下降,严重时会造成膜污染和膜堵塞,影响超滤的处理效果和使用期限,此外,膜直接过滤后处理的水质也难令人满意,因此超滤膜常常与其他处理技术联用。在膜处理前投加混凝剂,组成混凝一膜处理工艺,降低膜传质阻力,提高去除有机物的效果;在膜处理前进行砂滤预处理,组成砂滤-膜处理工艺等,这已为许多试验所证实。因此,本试验采用絮凝和砂滤作为预处理。

  2.1 超滤原理

  超滤(简称UF)是以压力为推动力,利用超滤膜不同孔径对溶液中不同物理直径大小的物质进行分离的过程,以达到对溶液净化、分离、提纯、浓缩的目的。其分子切割量(CWCO)一般为6000到50万,孔径为0.01μm。超滤所用的膜为非对称膜,其表面活性分离层平均孔径约为10~200,能够截留分子量为500以上的大分子与胶体微粒,所用操作压差在0.1—0.5MPa。超滤技术可以使水体中的悬浮物、胶体、藻类、细菌、病毒等被有效截留,使出水浊度降低到0.1NTU,保证出水的安全性。同时PVC合金超滤膜具有通量大、跨膜压差小、抗污染、易清洗、化学耐受性好等特点。

  膜分离技术作为一种新兴的科学领域,其主要特点表现在以下一个方面:

  (1) 膜分离过程不发生相变,和其他方法相比能耗较低,又称为节能技术;

  (2) 膜分离技术使用范围广,可适用于有机物和无机物,从病毒、细菌到微粒的广泛分离;

  (3) 膜分离效率高,分离效果好,通常来说分离效果只与膜孔径的大小有关,与原分离体系的成分以及运行条件无关,能够得到稳定可靠的分离结果,对于有些成分理论上往往能够达到100%去除率,是其它常规处理和深度处理所不能比拟的;

  (4) 膜装置一般由膜组件、进料系统及清洗系统组成,结构简单且操作方便,易于自动操作且便于维修。

  2.2崇明基地选用的超滤设备

  崇明基地由上海立昇净水设备有限公司专门研制开发了1套采用超滤技术的循环型无土栽培水净化设备LG1060×4-D(图4)。该设备超滤膜系统的产水量为10m3/h,其产水用于无土栽培作物的营养液配制和灌溉,出水目标为浊度(NTU)≤0.1(95%保障率),菌落总数(CFU)≤100/mL(优于生活饮用水卫生标准)。表2为循环型无土栽培水净化设备性能参数;表3为膜系统的主要参数。

  2.3雨水超滤试验结果

  根据对崇明基地蓄水池水质的监测、无土栽培营养液配制对原水的要求和试验条件的有关考虑,试验水质的指标见表4。

  超滤:超滤试验时,将需处理的雨水置于原水箱中,用蠕动泵将水样抽送至超滤装置。超滤运行参数为:超滤处理系统为全量过滤,过滤30min,顺冲10s,反冲40s,顺冲10s,如此循环运行。

  微絮凝-超滤:根据杯试试验,选择硫酸铝作为絮凝剂,投加量为8mg/L,在150r/min下搅拌10min后超滤,超滤条件同上。

  为了比较超滤和微絮凝-超滤对雨水的处理效果,选择最佳的处理方法,分别对超滤、微絮凝-超滤反应时间为0.5h和lh,试验结果如表5和6。

  从表5和表6,超滤、微絮凝-超滤处理对水样的温度、pH、和EC的影响不大,主要是对浊度和大肠杆菌的去除。从对浊度去除效果的数据来看,微絮凝-超滤的去除效果比较好;从对大肠杆菌去除效果的数据来看,超滤和微絮凝-超滤的去除效果差不多。考虑投加絮凝剂会引入新的物质,且在处理中不能完全去除,超滤对浊度的去除效果虽然比微絮凝-超滤略差,但处理后的浊度已经很低,故对雨水的处理工艺选择超滤。

  由图6可知,超滤膜对总大肠菌群的去除率可达99%以上,超滤处理后水中大肠杆菌数在0-1cfu/100mL左右,与饮用水标准相当。超滤膜对水中致病微生物的去除效果主要依赖于膜孔径的筛选和截留作用。有研究表明,大肠杆菌的大小约为几微米,而实验采用的超滤膜的孔径比大肠杆菌小的多,因此,超滤膜对大肠杆菌的截留去除效果很好。

  从图7可知,超滤对浊度的去除效果好且稳定,超滤出水浊度为0.20~0.42 NTU,平均为0.29NTU。超滤膜对浊度优异而稳定的去除效果其主要原因是超滤过程是物理筛分过程,能有效截留无机颗粒物及大分子有机物等,超滤膜对浊度去除具有良好的保障作用。

  3 分析和讨论

  近年来,随着全球水资源利用的日益紧张,国际上成立了国际雨水利用协会,该协会对农业集水的理论和技术体系展开了大量的研究,提出农业集水就是依托现代化农业工程技术解决农田充分蓄存当地自然降雨和径流贮水,并靠现代化节水灌溉技术把贮水用在作物需水关键期和严重干旱时段,即做到工程、生物、农艺三项措施的有机结合这样一个明确的概念。为充分利用雨水资源,发展节水型农业,雨水集蓄利用是缓解设施农业水资源紧缺的重要举措。设施农业的集雨系统主要包括回收集流系统、输水系统、净化储水系统及其它附属工程几部分。降落在集流面上的雨水,通过在温室、大棚修建集雨槽等设施将雨水收集存储起来,经过集流系统汇集在输水管中,经净化过滤装置后储存在储水池中,收集的雨水最后通过水泵、管道和原有灌溉首部连接,将雨水高效利用于设施农业生产等。

  设施农业集雨利用工程是否可行主要取决于2 个方面:一是收集的雨水(水质和水量) 是否能够满足农业生产的需求;二是利用雨水进行农业生产是否能够节约用水成本。从本研究看,通过超滤等低成本的处理技术,温室屋面收集的雨水水质能够满足大多数农业生产的要求,甚至优于自来水。从雨水利用的经济可行性来看,当地下水水位较高时,直接取用地下水方便并且成本很低,集雨利用工程不具备经济可行性。但是,随着地下水水位不断降低、水质的恶化以及环境保护的需要,农民使用地下水的成本将快速提高,集雨利用工程将显示出其优越性。

  以崇明基地为例,现有20,000m2温室全部按果菜无土栽培计算,栽培面积以80%计,按回收液20%,年灌溉水量约2.5(mL·m-2)/(J·cm-2),年生产期以90%时间统计,年总辐照量4578.5MJ/m2,如循环利用,则总需水量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温室计算,可收集雨水23,040m3。理论上除可满足温室内栽培需要外,还可结余近10,000m3雨水用于大田灌溉(图8)。

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