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水产养殖尾水及农田退水等农业面源污染由于来源广泛且分散、成分复杂、排除途径多样等特点,是农村水环境治理的痛点[1-3]。农田退水沟渠是重要的基础水利设施,是存在于广大农田与受纳水体间的过渡地带,不仅承担着汇水、排水的作用,还具备一定程度的湿地净化水质功能,逐渐成为研究农业面源污染防控技术的热点[4-5]。
ALEXANDER等[6]、PETERSON 等[7]提出小型河道是氮、磷污染物控制的重要场所。目前,在养殖尾水和农田退水净化方面,已有研究通过对排水沟渠进行改造,使其兼具排水和湿地净化作用。田昌等[8]发现生态沟渠在小流域农田排水中对总氮(TN)的拦截率达47%以上,对总磷(TP)的拦截率达54%以上。秦沂樟等[9-10]研究发现长江流域农田不同类型生态排水沟渠对TN、TP的平均去除率分别为47.72%~58.18%、53.53%~58.22%。刘兴国等[11]等实验发现生态沟渠对养殖水体中TN、TP、COD的去除率分别达到18.35%、17.39%、18.18%。
从已有研究来看,农田退水沟主要单独用于养殖尾水或者农田退水水质净化,目前鲜有将养殖尾水与农田退水统筹考虑、系统设计的工程案例。而实际上,水稻生长的需肥旺期与养殖需换水周期存在一定关联[12],通过合理规划,一方面可以充分利用农田及其退水沟的净化功能,另一方面减少养分流失,充分利用养殖尾水中的N、P等营养物质。
基于此,本研究设计了一套水产养殖-农田退水农业面源污染联合净化工艺,充分利用研究地块现状设施及资源,设计了包括生态净化沟渠、农田净化系统、景观湿地林在内的3个主要模块,旨在净化水体的同时利用污水中的营养物质,使得地块在原有生产功能的基础上兼具水质净化及景观风貌等功能。本研究成果和工程案例可为农业面源污染的联合净化处理提供借鉴。
水产养殖尾水-农田退水联合净化工艺设计
Design of combined purification process for aquaculture tailwater and return water of farmland
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摘要: 水产养殖尾水和农田退水是农业面源污染的主要来源之一。本研究基于466 666.7 m2现代农业地块,设计了一套水产养殖尾水和农田退水联合净化工艺,主要包括生态净化沟渠模块、农田净化模块以及景观湿地林模块。其中,生态净化沟渠旨在充分利用小型河道排水系统控制N、P等污染物浓度,包括生态集水预处理沟、悬浮生态床沟、生态输水廊道及调节稳定生态沟。结合水产养殖尾水和农田退水水质特点,设计出水水质目标为化学需氧量(COD)≤40 mg·L−1、总氮(TN)≤3 mg·L−1、总磷(TP)≤0.5 mg·L−1。经一年跟踪监测,出水水质达到设计目标,此外,除TN指标,COD和TP均有8个月能够满足《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)III类水质要求。工程实施后,地块在保留原有生产功能的基础上兼具了水质净化及景观风貌功能。本工艺设计理念及工程实践可为其他农村地区农业面源污染控制,尤其是养殖尾水-农田退水联合净化提供借鉴。Abstract: Aquaculture wastewater and return water of farmland are two major sources of non-point source pollution in agriculture. In the study, a combined purification process for aquaculture wastewater and return water of farmland was designed based on a 466 666.7 m2 modern agricultural site. This process included three types of modules: ecological purification ditch, farmland purification, and landscape wetland forest. Of which, the ecological purification ditch aims to utilize small-scale river drainage systems to control the concentration of pollutants such as nitrogen and phosphorus. It consists of ecological collection and pre-treatment ditches, suspended ecological bed ditches, ecological water conveyance corridors, and regulating and stabilizing ecological ditches. Taking into account the water quality characteristics of aquaculture wastewater and return water of farmland, the effluent water quality were set as follows: chemical oxygen demand (COD) ≤ 40 mg·L−1, total nitrogen (TN) ≤ 3 mg·L−1, total phosphorus (TP) ≤ 0.5 mg·L−1. After one year of tracking and monitoring, the effluent water quality reached the design targets. In addition, except for TN, both COD and TP could meet the Class III water quality requirements specified in the Environmental Quality Standards for Surface Water (GB 3838-2002) for eight months. After implementing this engineering project, the agricultural site not only retains its original production function but also incorporates water purification and landscape aesthetics. The design concept and engineering practices of this process can serve as a reference for controlling agricultural non-point source pollution, particularly in the combined purification of aquaculture wastewater and return water of farmland in other rural areas.
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表 1 长三角部分地区农田退水水质现状
Table 1. Water quality of return water of farmland in some areas of China mg·L−1
省(市) 地区 COD 氨氮 TN TP 文献来源 江苏省 苏州 — 0.38~1.08 2.96~5.66 0.18~0.39 [13] 高邮 — — 10.99~11.2 0.15~0.3 [14] 南通 22 6.28 — 3.08 [15] 无锡 — 0.85~3.73 4.93~8.94 1.08~2.07 [16] 江苏北部 13~37.4 0.18~2.18 0.84~5.98 0.046~1.59 [17] 竺山湖 — — 2.0~12.0 0.29~0.80 [18] 浙江省 杭嘉湖平原 — — 6.1~17.0 0.19~4.3 [19] 湖州 — 1.70~8.45 0.65~10.96 0.03~1.13 [20] 上海市 青浦 — 7.64~14.27 9.76~19.8 — [13] 金山 — 4.5 7.8 0.7 [21] 表 2 不同环境管理水质标准比较
Table 2. Different water quality standards of environmental management
执行标准 管理等级 COD/( mg·L−1) TN/( mg·L−1) TP/( mg·L−1) 《淡水养殖废水排放标准》(SC/T 9101-2007) 一级 ≤40 ≤3.0 ≤0.5 《农田灌溉水质标准》(GB 5084-2021) 水田作物 ≤150 不作要求 不作要求 《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002) Ⅲ类 ≤20 ≤1.0 ≤0.2 表 3 净化沟渠模块设计参数
Table 3. Design parameters of purification ditch module
设计板块 HRT/d 槽蓄容量/m3 混合填料/m3 挺水植物/m2 沉水植物/m2 水生动物/kg 微孔曝气装置/台 生态浮床/m2 集水预处理沟 2.5 8 640 312 1 300 3 000 1 000 无 300 悬浮生态床沟 5 26 884 450 560 2 000 1 000 6 2 160 生态输水廊道 1.5 5 000 16.5 200 1 500 200 无 108 稳定调节沟 1 3 840 无 300 250 100 无 54 -
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