生態(tài)農(nóng)莊污廢水循環(huán)處理利用系統(tǒng)的構(gòu)建方法與實(shí)踐

李華斌，徐玲娥，盛晟，金熠

(中國電建集團(tuán) 華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

生態(tài)農(nóng)莊是指以綠色、生態(tài)、環(huán)保為目標(biāo)，以資源有效利用為載體，以科技創(chuàng)新為支撐，以市場化運(yùn)作為手段，集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)深加工與觀光旅游為一體的集約化農(nóng)業(yè)公司[1]，也是種植、養(yǎng)殖、加工等綜合性農(nóng)業(yè)技術(shù)充分發(fā)揮作用的場所[2]。生態(tài)農(nóng)莊以循環(huán)經(jīng)濟(jì)的基本理論為基礎(chǔ)，遵循減量化(Reduce)、再利用(Reuse)、資源化(Resycle)的“3R”原則，走良性生態(tài)農(nóng)業(yè)循環(huán)發(fā)展之路[3]。

生態(tài)農(nóng)莊在生產(chǎn)和經(jīng)營過程中會(huì)產(chǎn)生大量的固體廢棄物和污廢水。目前，生態(tài)農(nóng)莊常用的循環(huán)農(nóng)業(yè)路線一般都是用沼氣池對固體廢棄物進(jìn)行處理，如將作物秸稈、畜禽糞便、加工廢物、廚余垃圾等進(jìn)行綜合利用，打造資源循環(huán)利用體系[1,4-6]。生態(tài)農(nóng)莊在經(jīng)營中普遍存在水資源浪費(fèi)、污水未處理、污水回用率偏低即外排等問題[7]，排水水質(zhì)通常較差，多為 Ⅴ 類和劣Ⅴ類[8]。對于生態(tài)農(nóng)莊污廢水，主要集中在現(xiàn)狀調(diào)查、處理方式等方面的研究，而對生態(tài)農(nóng)莊污廢水回用方面的研究較少，少數(shù)此類研究和應(yīng)用也較為零碎、不系統(tǒng)。如將農(nóng)莊的洗浴廢水通過凈化后用于澆灌或作為景觀用水，糞便污水通過沼氣池發(fā)酵處理后作為肥料[9]。也有研究提出建立中水回用系統(tǒng)的設(shè)想，充分利用雨水和生活污水等資源，將農(nóng)莊產(chǎn)生的污水和雨水通過處理后回用，達(dá)到水資源在農(nóng)莊系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)利用的目的[10]，但并未開展具體設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

中國人均水資源短缺，僅為世界平均水平的28%。2017年農(nóng)業(yè)用水占全國用水總量的62.3%[11]。我國的農(nóng)業(yè)面源污染是水體污染的主要原因，其貢獻(xiàn)超過工業(yè)和城市生活點(diǎn)源污染[12-13]。生態(tài)農(nóng)業(yè)是21世紀(jì)中國農(nóng)業(yè)發(fā)展的基本方向，生態(tài)農(nóng)莊是生態(tài)農(nóng)業(yè)的基石[2]。因此，構(gòu)建生態(tài)農(nóng)莊污廢水循環(huán)處理利用系統(tǒng)，對我國農(nóng)業(yè)的節(jié)水工作和面源污染治理，具有良好的示范作用。

1 構(gòu)建方法

1.1 構(gòu)建生態(tài)農(nóng)莊污廢水循環(huán)處理利用系統(tǒng)的需求基礎(chǔ)

生態(tài)農(nóng)莊的主要用水需求一般有生活用水、生產(chǎn)用水以及生態(tài)景觀用水。一方面，生態(tài)農(nóng)莊的生產(chǎn)、生活以及生態(tài)景觀都需要大量的水資源，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也需要施用大量的有機(jī)質(zhì)、氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)；另一方面，生態(tài)農(nóng)莊排放的各種污廢水中含有大量的有機(jī)質(zhì)、氮、磷等污染物。污廢水外排既浪費(fèi)了農(nóng)作物所需的營養(yǎng)物質(zhì)，又可能對外部水體造成污染。

因此，將生態(tài)農(nóng)莊的各種污廢水適當(dāng)處理后進(jìn)行循環(huán)利用，可同時(shí)解決污廢水排放問題，滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水和生態(tài)景觀用水需求；既可充分利用資源，又可減少污染，是一項(xiàng)既經(jīng)濟(jì)又生態(tài)的解決方案。

1.2 生態(tài)農(nóng)莊污廢水類型及特征

根據(jù)污廢水來源，生態(tài)農(nóng)莊的污廢水主要有3種類型：生活污水、養(yǎng)殖廢水和農(nóng)田排水。

生活污水主要包括餐廚、洗滌和排泄等污水，含有各種食物殘?jiān)?、蛋白質(zhì)、油脂、洗滌劑、消毒劑等，主要污染指標(biāo)有化學(xué)需氧量、氨氮、生化需氧量、總磷和陰離子表面活性劑等。養(yǎng)殖廢水主要來自畜禽排泄物及養(yǎng)殖場地清洗廢水，主要污染指標(biāo)有化學(xué)需氧量、氨氮、總磷等。農(nóng)田排水主要污染物來自于農(nóng)田退水中攜帶的肥料、農(nóng)藥等成分，污染指標(biāo)有總氮、氨氮、總磷、化學(xué)需氧量等。

1.3 系統(tǒng)構(gòu)建的目標(biāo)

生態(tài)農(nóng)莊污廢水循環(huán)處理利用系統(tǒng)構(gòu)建的目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)資源消耗減量化、價(jià)值再利用和廢棄物質(zhì)再循環(huán)，實(shí)現(xiàn)水資源從“供水—用水—排水”的單向代謝系統(tǒng)向“供水—用水—排水—處理回用”的閉環(huán)式循環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。

1.4 系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)方案

生態(tài)農(nóng)莊一般包含有生活區(qū)、養(yǎng)殖區(qū)、農(nóng)田區(qū)、景觀水體等組成部分，在上述組成基礎(chǔ)上構(gòu)建生態(tài)農(nóng)莊污廢水循環(huán)處理利用系統(tǒng)。系統(tǒng)包括4個(gè)子系統(tǒng)：引水子系統(tǒng)、生活污水處理子系統(tǒng)、養(yǎng)殖廢水處理子系統(tǒng)、農(nóng)田排灌子系統(tǒng)。

引水子系統(tǒng)：包括泵站、引水渠、輸水管道、凈水設(shè)施、蓄水池等，將外部水源引入生活區(qū)、養(yǎng)殖區(qū)、農(nóng)田區(qū)、景觀水體等用水區(qū)域。

生活污水處理子系統(tǒng)：包括污水管網(wǎng)、化糞池、人工濕地等，用于生活污水的凈化。

養(yǎng)殖廢水處理子系統(tǒng)：包括污水管網(wǎng)、格柵、厭氧池、好氧池和人工濕地、曝氣設(shè)施等，用于養(yǎng)殖廢水的凈化。

農(nóng)田排灌子系統(tǒng)：包括節(jié)水灌溉子系統(tǒng)和農(nóng)田排水凈化子系統(tǒng)2部分，其中節(jié)水灌溉子系統(tǒng)包括噴灌、滴灌等技術(shù)設(shè)施，用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉；農(nóng)田排水凈化子系統(tǒng)包括生態(tài)溝渠和生態(tài)塘等，用于農(nóng)田排水的凈化和處理。

生態(tài)農(nóng)莊污廢水循環(huán)處理利用系統(tǒng)總體流程如圖1。根據(jù)生態(tài)農(nóng)莊實(shí)際用水區(qū)塊，設(shè)置引水子系統(tǒng)，根據(jù)需要將水源分別引入生活區(qū)、養(yǎng)殖區(qū)、農(nóng)田區(qū)和景觀水體等，分別作為生活用水、養(yǎng)殖用水、灌溉用水、生態(tài)及景觀用水。針對生活污水、養(yǎng)殖廢水和農(nóng)田排水等3種污水類型，設(shè)置生活污水處理子系統(tǒng)、養(yǎng)殖廢水處理子系統(tǒng)和農(nóng)田灌排子系統(tǒng)等3個(gè)平行子系統(tǒng)。生活污水處理子系統(tǒng)和養(yǎng)殖廢水處理子系統(tǒng)分別處理生活污水和養(yǎng)殖廢水后，將尾水統(tǒng)一輸入農(nóng)田區(qū)用作農(nóng)田灌溉；農(nóng)田灌溉采用噴滴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)，提高水肥利用效率，減少農(nóng)田排水；農(nóng)田排水經(jīng)農(nóng)田排水凈化子系統(tǒng)處理后，非洪水情況下進(jìn)入生態(tài)塘，若發(fā)生洪水則外排下游水系。景觀水體排水在非洪水情況下進(jìn)入生態(tài)塘，若發(fā)生洪水則外排下游水系。生態(tài)塘中的水一般情況下可根據(jù)需要作為灌溉用水回用，若發(fā)生洪水則外排下游水系。

圖1 生態(tài)農(nóng)莊污廢水循環(huán)處理利用系統(tǒng)的總體流程

2 實(shí)踐案例

柘溪山村位于建德市，原為一個(gè)山區(qū)小自然村。柘溪山有農(nóng)田近20 hm2、山坡地近35 hm2、山林近135 hm2、小水庫1座。根據(jù)脫貧下山政策，該村農(nóng)民整體遷移。某公司通過土地流轉(zhuǎn)，利用該村土地建設(shè)生態(tài)農(nóng)莊，主要產(chǎn)業(yè)包括果蔬種植、畜禽養(yǎng)殖和休閑旅游等。

在生態(tài)農(nóng)莊前期規(guī)劃設(shè)計(jì)中，建設(shè)單位積極引入循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，設(shè)計(jì)并實(shí)施了污廢水循環(huán)處理利用系統(tǒng)。農(nóng)莊的生產(chǎn)、生活和景觀用水引自小水庫。生產(chǎn)生活過程中產(chǎn)生的生活污水和養(yǎng)殖廢水利用污水管網(wǎng)收集，經(jīng)化糞池、人工濕地等設(shè)施初步處理后，與經(jīng)過生態(tài)溝渠初步凈化后的農(nóng)田排水一并暫蓄在生態(tài)塘中，作為農(nóng)業(yè)灌溉水源。農(nóng)田果蔬生產(chǎn)采用噴滴灌技術(shù)，提高水資源利用率，節(jié)約用水，減少農(nóng)田排水。同時(shí)，根據(jù)“以種定養(yǎng)”的原則，合理確定養(yǎng)殖規(guī)模，避免出現(xiàn)養(yǎng)殖廢水無法全部消納利用的情況。

經(jīng)過近一年時(shí)間的運(yùn)行，除洪水期將雨水直接排至下游水系外，其余時(shí)段基本實(shí)現(xiàn)了污廢水零排放。同時(shí)，將初步凈化處理后的污廢水用于農(nóng)業(yè)灌溉，減少了化肥施用量，也減少了灌溉所需的外部水源。實(shí)踐證明，生態(tài)農(nóng)莊污廢水循環(huán)處理利用系統(tǒng)具有良好的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3 問題與建議

“以種定養(yǎng)”是本系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提之一。在規(guī)劃設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)農(nóng)莊的種植規(guī)模、種類，計(jì)算灌溉需水量和氮磷等主要營養(yǎng)物質(zhì)的需求量，以此推算養(yǎng)殖規(guī)模和種類，并適當(dāng)留有余地。

未經(jīng)處理的生活污水、養(yǎng)殖廢水中含有大量的有害生物，不可直接用于灌溉，必須通過發(fā)酵等措施滅活后方可作為灌溉用水。初步凈化處理后的污廢水暫蓄在生態(tài)塘中，生態(tài)塘應(yīng)具有一定的調(diào)蓄能力。應(yīng)根據(jù)污廢水的排放量，結(jié)合作物灌溉頻次和單次灌溉量，計(jì)算生態(tài)塘規(guī)模，并適當(dāng)留有余地。

生活污水處理子系統(tǒng)、養(yǎng)殖廢水處理子系統(tǒng)和農(nóng)田排灌子系統(tǒng)不必完全分開，可根據(jù)農(nóng)莊實(shí)際情況將部分處理設(shè)施予以合并，以減少工程投資、簡化運(yùn)行管理。如生活污水和養(yǎng)殖廢水可使用同一套人工濕地進(jìn)行凈化處理。