專利名稱：農(nóng)田生態(tài)干渠－人工濕地水質(zhì)改善與生態(tài)系統(tǒng)重建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬水、廢水或污水的生物處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及用植物等對(duì)高負(fù)荷的城郊與農(nóng)田面源污水中N、P等富營(yíng)養(yǎng)化物質(zhì)的削減處理技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著農(nóng)業(yè)化肥用量的不斷增加，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中氮含量和氮的流失也在不斷增加，給農(nóng)業(yè)環(huán)境管理和氮肥的有效利用帶來(lái)了很大的風(fēng)險(xiǎn)(嚴(yán)登華，2001；張水龍，1998；楊林章，2002；楊金玲，2003；夏立忠，2003；徐琪，1998；曹湊責(zé)，1998；Cao，1996；Ekholm，2000；Sharpley，1999)，氮肥的大量流失會(huì)加劇受納地表水體的富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)或者增加地下水的硝酸鹽含量等，許多學(xué)者對(duì)此紛紛表示關(guān)注(石登榮，2000；李榮剛，2000；陳荷生，2001；金相燦，2001；郭紅巖，2004；高超，2000，2001；Carpenter，1998)。研究表明，農(nóng)田中氮的流失主要是通過(guò)地表徑流或滲漏進(jìn)行的(苑韶峰，2004)。馬立珊等(1997)采用點(diǎn)面結(jié)合方法對(duì)太湖平原水網(wǎng)地區(qū)的大面積試驗(yàn)表明，農(nóng)業(yè)的面源負(fù)荷與農(nóng)田排水和滲漏損失緊密相關(guān)，農(nóng)業(yè)面源氮素污染負(fù)荷量隨年降水量和灌溉量的增加而增大。晏維金等(1999)也得出類似結(jié)論。面源污染已成為世界各國(guó)的一種主要污染源。在美國(guó)，60％的水環(huán)境污染是由面源污染造成，其中農(nóng)業(yè)面源污染占了75％左右.在我國(guó)，隨著對(duì)點(diǎn)源污染控制的重視及治理能力的提高，面源污染已成為影響水體環(huán)境質(zhì)量的一個(gè)重要因素。過(guò)量使用化肥是產(chǎn)生面源污染的主要原因.太湖流域的化肥使用量已從80年代中期的400kg/hm2左右增加到90年代末的800kg/hm2(高超，2002)，幾乎翻了一番，而氮肥的利用率只有25～35％(李世鵑，2001)、磷肥的利用率為10～20％。20～25％當(dāng)季使用的氮肥將隨降雨徑流和滲漏排入溝渠(黃漪平，2001；徐謙，1996)。在滇池入湖污染負(fù)荷中，農(nóng)村面源還沒(méi)有得到有效控制，農(nóng)業(yè)面源污染的氮、磷貢獻(xiàn)率已超過(guò)50％(段永蕙，2003)。
為了節(jié)約土地資源和因地制宜地開(kāi)展面源污染控制，很多學(xué)者在治理面源污染時(shí)，開(kāi)發(fā)了溝渠濕地系統(tǒng)。由于排水溝渠系統(tǒng)具有排水和濕地生態(tài)系統(tǒng)的雙重功效，溝渠濕地系統(tǒng)在面源污染治理上被廣泛應(yīng)用。姜翠玲等人在南京浦口一條寬20～30m，長(zhǎng)600m的天然溝渠濕地研究了溝渠濕地對(duì)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染物的凈化能力，結(jié)果表明溝渠濕地可通過(guò)底泥截留吸附、植物吸收和微生物降解凈化農(nóng)田排水匯集的非點(diǎn)源污染物，蘆葦(Phragmites communis)和茭草(Zizanialatifolia)是長(zhǎng)江下游地區(qū)溝渠中自然生長(zhǎng)的兩種主要挺水植物，能有效吸收N、P營(yíng)養(yǎng)成分，是濕地凈化非點(diǎn)源污染物的主要機(jī)制.蘆葦和茭草收割以后，每年可帶走463～515kg/hm2的N和127～149kg/hm2的P，相當(dāng)于當(dāng)?shù)?13～312hm2農(nóng)田流失的氮肥、113～310hm2農(nóng)田流失的磷肥(姜翠玲，2004，)。楊林章等(2005)針對(duì)太湖流域農(nóng)田非點(diǎn)源污染嚴(yán)重的現(xiàn)狀，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況提出了一種新的生態(tài)工程學(xué)解決方法生態(tài)攔截型溝渠系統(tǒng)，它主要由工程部分和植物部分組成，能減緩水速，促進(jìn)流水?dāng)y帶顆粒物質(zhì)的沉淀，有利于構(gòu)建植物對(duì)溝壁、水體和溝底中逸出養(yǎng)分的立體式吸收和攔截，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田排出養(yǎng)分的控制。試驗(yàn)區(qū)溝渠植物具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，且景觀效果良好。目前絕大部分溝渠濕地(包括生態(tài)溝渠、生態(tài)攔截溝等)僅僅停留在處理農(nóng)田排水的層面上，而對(duì)于由生活污水和地表徑流構(gòu)成的混合污水很難達(dá)到凈化效果。因此，開(kāi)發(fā)研究針對(duì)村鎮(zhèn)、農(nóng)田混合污水的溝渠凈化系統(tǒng)很有應(yīng)用和推廣價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，根據(jù)我國(guó)的實(shí)際情況，提供一種將城郊村鎮(zhèn)的生活污水及少量工業(yè)廢水，在與農(nóng)田排水混合排放后的綜合水質(zhì)強(qiáng)化凈化和生態(tài)系統(tǒng)重建技術(shù)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案為一種農(nóng)田生態(tài)干渠-人工濕地水質(zhì)改善與生態(tài)系統(tǒng)重建方法，其特征在于將城郊村鎮(zhèn)的生活污水及少量工業(yè)廢水匯集，匯集的污水(I)依次流經(jīng)粗格柵(1)，沉砂池(2)，細(xì)格柵(3)，水解池(4)預(yù)處理后，流向農(nóng)田生態(tài)干渠(5)，與農(nóng)田排水(F)在農(nóng)田生態(tài)干渠(5)中混合、凈化處理之后，經(jīng)集水生物塘(7)調(diào)控水量，并流入人工濕地(8)中進(jìn)一步強(qiáng)化凈化。
本發(fā)明水質(zhì)強(qiáng)化凈化的原理如下村鎮(zhèn)生活污水、少量工業(yè)廢水組成的混合污水(I)先經(jīng)粗格柵(1)去除一些形體比較大的固體垃圾；再經(jīng)過(guò)布設(shè)了人工水草的沉砂池(2)，其目的是沉降混合污水中的懸浮物質(zhì)，這個(gè)過(guò)程中，人工水草表面的生物膜還將吸收、吸附一些污染物質(zhì)，降低部分污染物質(zhì)的濃度；再經(jīng)過(guò)用微生物固定化的生物膜載體，利用微生物來(lái)降解污染物；過(guò)細(xì)格柵(3)；再經(jīng)過(guò)一個(gè)水解池(4)，其目的就是加速反硝化反應(yīng)過(guò)程，促進(jìn)脫氮；預(yù)處理過(guò)的村鎮(zhèn)生活污水和少量工業(yè)廢水流入農(nóng)田生態(tài)干渠(5)中，經(jīng)過(guò)設(shè)在農(nóng)田生態(tài)干渠(5)中的生物攔截壩，生物攔截壩中充填的介質(zhì)填料包括煤渣、粉煤灰、木炭、竹炭、沸石、碎石和陶粒等。干渠溝底復(fù)填的介質(zhì)填料表面還零星種植一些水生植物，利用生物攔截壩上的生物膜和植物的吸收、吸附作用來(lái)降解污染物質(zhì)濃度。預(yù)處理過(guò)的村鎮(zhèn)生活污水和少量工業(yè)廢水與農(nóng)田排水(F)在農(nóng)田生態(tài)干渠(5)中混合、凈化處理之后，經(jīng)過(guò)多節(jié)的生物攔截壩以及溝底栽種的植物區(qū)后，混合污水再進(jìn)入一個(gè)集水生物塘(7)，集水生物塘(7)由干渠拓寬挖深而成，集水生物塘(7)中種植一些沉水和挺水植物，為了防止高溫季節(jié)水體發(fā)生“水華”現(xiàn)象，集水生物塘(7)內(nèi)還放養(yǎng)一些濾食性魚類，濾食性魚類主要為鰱魚和鳙魚。設(shè)計(jì)集水生物塘(7)的另一目的是在干旱季節(jié)儲(chǔ)水，以保證人工濕地有穩(wěn)定可靠的水源。經(jīng)過(guò)集水生物塘(7)收集的水再由泵提升至人工濕地(8)中進(jìn)行深度凈化，人工濕地根據(jù)生態(tài)干渠周邊可利用的農(nóng)田荒廢土地建設(shè)，或者在干渠末端利用小片土地建設(shè)。人工濕地中種植多種水生植物，包括挺水植物、浮水植物和沉水植物。生態(tài)干渠溝壁表面還可以種植一些景觀植物，如花卉、小型木本植物、灌木植物等。
這種在生態(tài)干渠中以一定間隔放置生物攔截壩與水生植物的方式造成了水中光照、溶解氧等環(huán)境條件的交替變化，相當(dāng)于多個(gè)好氧/厭氧環(huán)境的串聯(lián)，有利于微生物對(duì)流水中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的生物降解。農(nóng)田生態(tài)干渠-人工濕地在上述效果的聯(lián)合作用下，可以有效的降解村鎮(zhèn)生活污水、少量工業(yè)廢水以及農(nóng)田排水的污染物質(zhì)。根據(jù)實(shí)際工程設(shè)計(jì)需要，可以在不同處理單元設(shè)計(jì)水位調(diào)節(jié)板。在水體污染程度很重的情況下，還可以在生物攔截壩上投入微生物，以便水體得到最佳的凈化。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，建設(shè)后的農(nóng)田生態(tài)干渠-人工濕地系統(tǒng)不影響地表徑流和生活污水以及農(nóng)田排水暢通，還對(duì)村鎮(zhèn)污水和農(nóng)田排水組成的高負(fù)荷混合污水具有很強(qiáng)的凈化作用，并且重建的生態(tài)系統(tǒng)可以恢復(fù)溝渠濕地的生物多樣性。在昆明滇池流域的工程實(shí)例顯示對(duì)氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的削減率為40～90％，對(duì)有機(jī)物(COD)的削減率不小于56％，對(duì)氨氮的削減率不小于50％。
本方法中提及的農(nóng)田生態(tài)干渠和人工濕地，是在原有農(nóng)田泄洪干渠以及農(nóng)田中的一些零星荒地中構(gòu)建，不占用寶貴的農(nóng)田可耕地資源。本方法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，施工方便，成本低廉，運(yùn)行管理與維護(hù)簡(jiǎn)單易行，水質(zhì)凈化效果好，且能明顯改善生態(tài)環(huán)境。由于我國(guó)絕大多數(shù)的湖泊流域都存在“村鎮(zhèn)-農(nóng)田-河流-湖泊”的格局方式，因此，農(nóng)田生態(tài)干渠-人工濕地水質(zhì)改善與生態(tài)系統(tǒng)重建方法可以很好地凈化“村鎮(zhèn)-農(nóng)田”的高負(fù)荷混合污水，恢復(fù)溝渠濕地的生物多樣性，而且具有極其廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。
四

圖1為農(nóng)田生態(tài)干渠-人工濕地水質(zhì)改善與生態(tài)系統(tǒng)重建的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中(1)為粗格柵，(2)為沉砂池，(3)為細(xì)格柵，(4)為水解池，(5)為農(nóng)田生態(tài)干渠，(6)為農(nóng)田支渠，(7)為集水生物塘，(8)為人工濕地，(I)為村鎮(zhèn)污水，(F)為農(nóng)田排水；圖2為農(nóng)田生態(tài)干渠(5)的橫截面示意圖，圖中(9)為礫石層區(qū)，(10)為竹炭攔截壩區(qū)，(11)為人工土濾料床區(qū)，(12)為擋水閘門，(A-A)為原始溝底平面，(W)為水流方向。
五具體實(shí)施例方式
典型實(shí)施例滇池北岸大清河流域中段是居民區(qū)-農(nóng)業(yè)區(qū)構(gòu)成的混合區(qū)，該區(qū)內(nèi)沒(méi)有修建專門的污水管網(wǎng)，農(nóng)村生活污水及少量小型企業(yè)的廢水直接排向村周邊的排水支溝或者排水干渠，最終，由生活污水、小企業(yè)排放的廢水、地表徑流、垃圾等產(chǎn)生的污水以及農(nóng)田排水形成的混合污水經(jīng)干渠排向大清河中。支溝渠改造為排灌和復(fù)合污水凈化功能的生態(tài)溝渠，使得水質(zhì)得到改善，但是要使水質(zhì)達(dá)到景觀用水和農(nóng)灌水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，有必要改造和生態(tài)重建農(nóng)田干渠和泵站，將支溝-干渠—泵站連為一體，形成完整的排灌-混合污水凈化系統(tǒng)。
利用現(xiàn)有排灌干渠、荒廢土地進(jìn)行農(nóng)田生態(tài)干渠-人工濕地水質(zhì)改善與生態(tài)系統(tǒng)重建改造，工程規(guī)模為干渠總長(zhǎng)度550m，可利用濕地面積約為230m2，整個(gè)農(nóng)田生態(tài)干渠-人工濕地水質(zhì)改善與生態(tài)系統(tǒng)重建系統(tǒng)如附圖1所示。
1.沉砂池施工要求和參數(shù)沉砂池(2)直接接納經(jīng)過(guò)粗格柵的城鎮(zhèn)混合污水，沉砂池深1.25m(以原始溝底平面A-A為參照，高出干渠溝底10cm，低于干渠溝底部分深115cm)，長(zhǎng)20m，寬4.0m。沉砂池中布設(shè)微生物(包括光合微生物、硝化和反硝化細(xì)菌，比例大致為2∶1∶1)固定化的纖維基人工水草。
2.水解池施工要求和參數(shù)水解池(4)長(zhǎng)5m，寬2m，深2.25m(以原始溝底平面A-A為參照，高出干渠溝底10cm，低于干渠溝底部分深215cm)，水解池墻體采用磚砌結(jié)構(gòu)，磚墻用水泥砂漿抹面，水解池用鋼筋混凝土預(yù)制板蓋頂，在水解池的前端預(yù)留一個(gè)直徑約為15cm的圓孔為充氣口。水解池比后續(xù)的干渠內(nèi)置礫石床和生物竹炭攔截壩標(biāo)高要高10cm，利于水解池的水能夠直接流向生物竹炭攔截壩。水解池的內(nèi)部用磚墻在中間將水解池的上部分割成兩部分，讓進(jìn)入水解池的水能經(jīng)過(guò)水解池的底部后再出水，水解池用水泥預(yù)制板蓋頂。
3.農(nóng)田生態(tài)干渠施工要求和參數(shù)農(nóng)田生態(tài)干渠(5)的橫截面示意圖參見(jiàn)附圖2，干渠總長(zhǎng)495m，溝底均寬1.5m，深1.0m。連接水解池(4)之后的一段(15m)采用礫石(夾帶少量廢棄的石膏，比例約為3∶1)墊高20cm，形成礫石層區(qū)(9)；礫石層區(qū)(9)之后的一段(10m)采用20cm厚的生物竹炭壩墊高。之后的8m將原干渠下挖10cm，然后用生物竹炭壩墊高10cm。接下來(lái)的20m，采用下挖原干渠的方法，然后用生物竹炭壩墊與原溝底等高，形成一段長(zhǎng)約38m的竹炭攔截壩區(qū)(10)。
竹炭攔截壩區(qū)(10)后的全部干渠溝底深挖10cm，并立即復(fù)填10cm厚的人工土層，形成人工土濾料床區(qū)(11)。人工土采用粗砂、礫石與本地土以及其它填料混合而成，在人工土濾料床表面靠近溝壁的兩邊零星種植一些植物，植物可選擇馬蹄蓮、慈菇、水蔥、燈心草、水芹、傘草、竹節(jié)草、木賊，種植密度大于0.5m×0.5m。
生態(tài)干渠的溝壁用相距1.0m的木樁固定竹籬，防止斜坡土壤下滑。溝壁種植灌木柳和四倍體黑麥草。預(yù)留的農(nóng)田排水口用磚塊砌成，并設(shè)置擋板和竹籬格柵。
4.集水生物塘施工要求和參數(shù)集水生物塘(7)長(zhǎng)35m，寬4.0m，以原始溝底平面A-A為參照，深2.0m。整個(gè)集水生物塘都種植植物，周邊為茭白或香蒲、水蔥，種植密度為0.5m×0.5m，放養(yǎng)鰱魚魚苗3.2kg，鳙魚魚苗1.0kg，中間種植沉水植物，有馬萊眼子萊，黑藻等。
5.垂直流人工濕地施工要求和參數(shù)整個(gè)濕地系統(tǒng)(8)利用4塊并聯(lián)的垂直流人工濕地構(gòu)成，每塊垂直流濕地由兩塊下行池人工濕地(水流方向至上向下)構(gòu)成。垂直流人工濕地各池子都采用磚砌成(18墻)，池底采用混凝土(50標(biāo)號(hào))(厚100mm)鋪底，并用水泥砂漿抹平。整個(gè)濕地系統(tǒng)沿著水流方向的坡度為0.6％，下行池-1系列深度為0.55m，下行池-2系列深度為0.65m。當(dāng)農(nóng)田生態(tài)干渠(5)的標(biāo)高比濕地系統(tǒng)高時(shí)，需要采用泵提升進(jìn)水，整個(gè)濕地系統(tǒng)最大負(fù)荷為200～300m3/d.。
整個(gè)復(fù)合人工濕地表面采用無(wú)土栽培的方式栽種植物，栽種的植物分別為美人蕉(紅、黃、橙)、再力花、燈心草、鳶尾草、水蔥、香蒲等。
收集垂直流人工濕地周邊出水的集水溝用磚砌成，表面抹水泥砂漿，集水溝寬0.5m，從南到北(出水口)，即從濕地4到濕地1的方向，溝底坡度為2％，收集到的人工濕地出水可流入蓄水井并直接達(dá)標(biāo)排放。
權(quán)利要求
1.一種農(nóng)田生態(tài)干渠-人工濕地水質(zhì)改善與生態(tài)系統(tǒng)重建方法，其特征在于將城郊村鎮(zhèn)的生活污水及少量工業(yè)廢水匯集，匯集的污水(I)依次流經(jīng)粗格柵(1)，沉砂池(2)，細(xì)格柵(3)，水解池(4)預(yù)處理后，流向農(nóng)田生態(tài)干渠(5)，與農(nóng)田排水(F)在農(nóng)田生態(tài)干渠(5)中混合、凈化處理之后，經(jīng)集水生物塘(7)調(diào)控水量，并流入人工濕地(8)中進(jìn)一步強(qiáng)化凈化。
2.如權(quán)利要求1所述農(nóng)田生態(tài)干渠-人工濕地水質(zhì)改善與生態(tài)系統(tǒng)重建方法，其特征在于農(nóng)田生態(tài)干渠(5)中依次設(shè)有礫石層區(qū)(9)、竹炭攔截壩區(qū)(10)和人工土濾料床區(qū)(11)。
全文摘要
一種農(nóng)田生態(tài)干渠－人工濕地水質(zhì)改善與生態(tài)系統(tǒng)重建方法，其特征在于將匯集的村鎮(zhèn)生活污水及少量工業(yè)廢水經(jīng)預(yù)處理后流入農(nóng)田生態(tài)干渠，與農(nóng)田排水混合、凈化處理之后，經(jīng)集水生物塘調(diào)控水量并流入人工濕地中進(jìn)一步強(qiáng)化凈化。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是重建后污水處理生態(tài)系統(tǒng)不影響地表徑流和生活污水以及農(nóng)田排水暢通，還對(duì)生活污水和農(nóng)田排水組成的高負(fù)荷混合污水具有很強(qiáng)的凈化作用，重建的生態(tài)系統(tǒng)還可以恢復(fù)溝渠濕地的生物多樣性。
文檔編號(hào)C02F3/32GK1951841SQ20061009784
公開(kāi)日2007年4月25日 申請(qǐng)日期2006年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月15日
發(fā)明者吳永紅, 胡正義, 楊林章 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所