崇明设施农业雨水利用与处理的试验研究

张郁慧　刘　莉　沈　峥　张亚雷

（1同济大学环境科学与工程学院上海2000922上海新能源科技成果转化与产业促进中心上海200001）

崇明设施农业雨水利用与处理的试验研究

张郁慧1，2刘莉1沈峥1张亚雷1

（1同济大学环境科学与工程学院上海2000922上海新能源科技成果转化与产业促进中心上海200001）

设施农业为农作物生长提供可控的、优化的环境，使农作物不受季节的影响在最适宜的环境中生长。目前自动化、机械化的植物工厂和无土栽培是都市农业主要形式。一方面我国要发展设施农业，另一方面我国水资源短缺严重，而南方地区雨水充足，雨水是一种非常规、经济的水资源。在此情况下，本文对崇明设施农业示范基地雨水采样进行实验研究，首先收集了示范基地雨水，进行测定，根据设施农业的要求进行了处理，达到了无土栽培水质要求。解决设施农业雨水利用的难题，提高农业生产的效率和质量，适应现代农业发展需求。

雨水；超滤；微絮凝-超滤

我国是一个农业大国，近年来农业发展取得了举世瞩目的成就，设施农业因具有高投入高产出、抗灾害能力强、科技含量高等优点，而且具有相当明显的经济效益和社会效益，设施农业未来前景非常好。然而水资源不足是当前制约农业发展的主要因素。我国南方地区的耕地占全国总耕地面积的35.2%，但水资源占全国总水资源的80%；在设施农业领域，雨水收集和储存尚处于初级利用阶段，对于雨水处理和提高雨水水质的研究有待进一步发展。针对以上问题，本论文以雨水处理和利用分析为前提，在崇明设施农业示范基地对天然雨水进行收集、水质分析和研究。首先测定雨水和蓄水池水质情况。

1　试验装置与方法

1.1试验装置

试验装置在上海崇明县港沿镇崇明设施农业示范基地温室进行，温室总面积21000m2，占地共220亩。示范基地的连栋温室配有完备雨水收集系统。温室室顶25m，宽11m，温室两侧各有4根雨水排水管，雨水通过连栋温室的圆弧顶面经过棚顶天沟－支管－干管，最终流入蓄水池。前来说，超滤技术在饮用水深度处理中的应用非常广泛，超滤膜具有纳米级的孔径，可有效去除水中藻类、悬浮物、大分子有机物、细菌甚至是病毒微生物等，而且具有去除效率高、化学药剂使用量少、运行简易可靠性高，占地面积小等优点，所以本研究采用超滤处理法。

1.2示范基地雨水水质特征

在降雨期间，雨水淋洗大气时，将空气中的烟尘、废气、粉尘和可溶性有害气体等携带至地面，造成雨水径流污染降雨历时也会对雨水水质有一定的影响。崇明作为上海农产品供应基地，工业不发达，空气质量良好，但毗邻崇明的上海、江苏工业发达，是酸雨重灾区，由于崇明夏季降雨多伴随台风，将上海、江苏产生的污染物质吹到崇明上空，形成酸雨。

对天然雨水进行分析测定，可以确定示范基地污染物背景值。从2014年不同采样期，国家设施农业示范基地的天然雨水各指标值可看出，示范基地的天然雨水pH在4.5～6.2之间，属于国家环保部认为的酸雨的范围，EC、浊度、总氮、总磷、大肠杆菌水质指标良好，Fe和Zn的含量也在合理范围，B、Cr、Cu、Cd和Pb虽有检出，但含量很低。，如EC在12.4μs/cm～24.3μs/cm之间，浊度在2.3NTU～5.9NTU之间，总氮在0.27mg/L～4.77 mg/L之间，总磷在0.020～0.049 mg/L之间大肠杆菌在140cf u/L～350 cf u/L之间，Fe在78.234μg/L～255.243μg/L之间，Zn在24.977μg/L～70.864μg/L之间，B、Cr、Cu、Cd和Pb虽有检出，但含量很低。

总体而言，经过淋洗大气后的雨水一种污染较轻的水资源。需降低浊度和去除大肠杆菌设施农业示范基地天然雨水水质很好，基本符合配制营养液的原水要求。

1.3蓄水池中雨水的监测与分析

示范基地通过集雨槽、输水管、蓄水池等收集连栋温室顶雨水，从两个雨水蓄水池里雨水作为配制无土栽培营养液的原水。用采样瓶采集具有代表的性的水样。

由于无土栽培对营养液原水水质要求非常严格，在配制营养液时，需对配制营养液的原水水质先进行检测。

从检测结果可知，浊度为3.07NTU～3.67 NTU之间。浊度不仅可以作为感官性状方面的指标，更重要的是可以衡量病菌、病原微生物和其他有害物质依附在形成浊度的悬浮物和胶体上的程度。根据对崇明设施农业示范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，选试下列水质指标作为试验指标，试验水质指标见表1。

表1　试验水质指标

由上表可知，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，需进一步去除。大肠杆菌为80cf u/L～130 cf u/L之间，大肠杆菌作为反映水被微生物污染的程度的指示菌，可以，需要进一步处理控制。总的来说，除浊度和大肠杆菌外，大部分水质指标达到我国饮用水水质标准，设施农业示范基地蓄水池的雨水水质很好，基本符合配制营养液的原水要求。

2　结果与分析

2.1微絮凝－超滤工艺参数

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。超滤处理系统为全量过滤，超滤试验时，选择硫酸铝作为絮凝剂，超滤运行参数为：投加量为8mg/L，在150r/min下搅拌10min后超滤，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，过滤和顺冲压力为0.10 M Pa～0.20M Pa，反冲洗压力为0.20M Pa，流速为30L/h，如此循环运行。

2.22组工艺的出水水质比较

为了比较处理效果，用直接超滤和微絮凝－超滤进行对比，具体水质处理结果见表2和表3。

表2　超滤处理雨水1h试验

由表2可知，超滤膜对总大肠菌群的去除率可达90%，超滤处理后水中大肠杆菌数在10 cf u/L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。

表3　微絮凝-超滤处理雨水1h试验

从表2.2可知，超滤对浊度的去除效果好且稳定，超滤出水浊度为0.16 NTU～0.22 NTU，平均为0.19 NTU。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。

2.32组工艺的处理效果对比结果与讨论

表4　工艺处理效果对比

实验结果可知，超滤、微絮凝-超滤处理对水样的温度、pH、和EC的影响不大，主要是对大肠杆菌和浊度的去除。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。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；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。

3　结语

崇明农业示范基地连栋温室蓄水池收集储存的雨水经实验探索，超滤法处理后完全能满足无土栽培水源要求。上海城区屋面雨水水质比崇明连栋温室的雨水水质差，不宜直接超滤，砂滤预处理后，浊度和大肠杆菌得到明显去除，但大肠杆菌需进一步去除，经超滤处理后，大肠杆菌去除率达到99%以上，且处理后水中大肠杆菌在10cf u/L左右，可用于设施农业灌溉。

总的来说，雨水有机物含量低属于轻污染水，经处理或净化后可满足设施农业对水质的不同要求。设施农业在国外发展迅速，与发达国家相比，中国设施农业还处于发后发展阶段，因此，不断探索和推广无土栽培技术、设施农业用水的净化处理，从而推进中国农业可持续发展，加速中国农业现代化进程。

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