CN101844832B

CN101844832B - 往复式植物栅格系统及其应用

Info

Publication number: CN101844832B
Application number: CN 201010159899
Authority: CN
Inventors: 刘凌; 燕文明; 刘玉洪; 刘俊伟; 马惠群; 黄兴国
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2010-04-29
Filing date: 2010-04-29
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2030-04-29
Also published as: CN101844832A

Abstract

往复式植物栅格系统及其应用属于农村面源污染处理工艺技术领域；一种往复式植物栅格系统，其特征在于包括植物栅格区(1)、蓄水区(2)与固定连接转轴(3)；所述的固定连接转轴(3)底部固定于蓄水区(2)内，固定连接转轴(3)上设有套件(6)，该套件(6)沿固定连接转轴(3)做上下自由运动，套件(6)与所述的植物栅格区(1)连接；植物栅格区(1)的自身重量大于或等于在污水中的浮力；本发明的栅门启闭状态随沟渠水位变化自行往复运动；该系统具有简易，灵活，美观，占地面积少，易于更换与清洁，N、P去除效果好，运行费用低，易于管理等特点。

Description

往复式植物栅格系统及其应用

技术领域

本发明涉及一种随水位变化自动启闭的农田沟渠面源污染物削减系统及其构建方法，属于农业面源污染物削减技术领域，可广泛应用于农田沟渠或村镇河流之中，有效去除面源污染物，而且不阻碍水体流动。

背景技术

利用生物-生态修复技术有效削减农业非点源污染物是防治水环境污染的重要手段，以生态护坡技术为代表。该技术能够固土保水、绿化景观、净化水质；但是，生态护坡受分布位置影响，只能是沿水流流向上与部分水体接触，当农田沟渠水位较低时，护坡与水体的接触面积会大幅减小，从而降低了净水效率，因此需要辅助其它生态修复技术，实现对污染物的高效去除。

人工浮床是运用无土栽培技术，以有机高分子材料或无机滤料等为基质，采用现代农业和生态工程措施综合集成的污水生态工程治理技术。人工浮床一般由框架、基质、固定装置以及特定的植物构成。该技术利用浮床植物根系的吸收、吸附以及根部系统的氧化作用和物种互生共生机制机理，并通过收获植物的方法及依赖基质微生物生长削减水中富集的N、P等污染物，从而达到净化水质的效果。但是，由于浮床植物的生长要求，人工浮床的布置需要固定在较为宽阔的水面，适用于宽的河道或湖泊。而农田所涉及的沟渠宽度小，且水位和流速变化幅度较大，不能满足浮床植物的生长要求，一般农田沟渠难以实现其放置要求。

发明内容

发明目的

提供一种治理农业面源污染的方法，尤其是提供削减农田沟渠水体面源污染物的技术措施，主要是针对去除农田径流中N、P等营养元素问题。利用本发明提供的往复式植物栅格，不仅能有效拦截农田排水中的污染物质，同时可以保障沟渠水流的畅通，能有效的克服现有技术中存在的阻碍水流通畅、占地面积大等缺点，解决了现有植物修复技术不能适应农田沟渠多变水深的问题。本发明具有简易、灵活、美观，占地面积少，N、P去除效果好，易于清洗与更换，运行费用低，易于管理等特点。

发明内容

一种往复式植物栅格系统，其特征在于包括植物栅格区、蓄水区与固定连接转轴；所述的固定连接转轴底部固定于蓄水区内，固定连接转轴上设有套件，该套件沿固定连接转轴活动连接，所述的植物栅格区设于套件上，并且植物栅格区与套件固定连接；植物栅格区的自身重量大于或等于在污水中的浮力。

作为一种优化选择调节植物栅格区的自身重量使得所述的植物栅格区的植物生长区处于水平面以上。

所述的蓄水区的容积大于所述的植物栅格体的体积，且蓄水区底边的最短的一边大于植物栅格区的对角线长度，在水位上升后，所述的植物栅格体由于浮力作用通过套件沿固定连接转轴做向上运动，当水位下降时又可恢复到起始位置。所述套件可以沿固定连接转轴按一定角度进行偏转运动，也可以自由上下运动。套件可以嵌入到固定连接转轴内沿一定弧形轨迹运动，或套件直接套在固定连接转轴外，以固定固定连接转轴为轴自由上下运动。

所述的植物栅格区包括植物生长区、微生物处理区和栅格框架，栅格框架内由下到上依次为微生物处理区和植物生长区。

所述的微生物处理区铺设吸附性填料，吸附性填料外设有网状体。以沸石和陶粒为例，底部铺设8～30cm厚，粒径为0.5～1cm的陶粒；其上部铺设3～10cm厚，粒径为1～3cm的沸石，所述陶粒层和沸石层外分别设有5～10cm厚的网状体如天然椰棕纤维等，在使用时可以将陶粒与沸石放置在用网状体如天然椰棕纤维构建的抽屉内，在陶粒与沸石的过渡位置需注意颗粒级配的均布以防结构变形，并保证栅格体在水中移动时重心的稳定，所种植的植物可以在天然椰棕纤维构建的装有沸石的抽屉上平面生长。当沸石和陶粒中充有大量的营养物质和泥沙颗粒时，将微生物处理区的抽屉取出，并予以清洗或更换抽屉里面的沸石和陶粒，清洗沸石和陶粒的水可再次用于农田之中，提供农作物生长所需的营养盐。该微生物处理区的功能是提供微生物生长场所，为植物根系提供空间，为便于移动以轻质石料为主辅助沸石铺设以稳定重心。栅格体所受浮力大于或等于整个栅格体的重量，即：ρgV≥(m₁+m₂+m₃)g，其中ρ是水密度，g是重力加速度，V是栅格体的体积，m₁为高吸附性填料载体的质量，m₃所种植物可达到的最大质量，m₂为构建植物栅框架所用的镀锌铁丝、藤条、竹子、木片等的总质量。

所述植物为对N、P吸收效果较好植物的一种或几种，并根据季节进行选择，所述的植物生长区为微生物处理区的椰棕纤维上种植蕹菜、香根草、茭白、香蒲，水芹或多花黑麦草等，如春夏季节选择蕹菜、香根草、茭白、香蒲等，秋冬季选择水芹、多花黑麦草等，种植密度为50～120株/m²。植物栅格框架上端前后边缘设栏，栏高为植物成熟期高度的1/2～2/3，以限制植物的横向生长，防止植物上部超出基座，落叶形成二次污染，以及上重下轻的不稳定现象。

植物栅框架可为圆柱型、椭圆柱型、棱柱型、花瓶型或曲线型，以竹子、木条、聚四氟乙烯材料或有机玻璃为主体原料，外径根据栅格体大小确定，外径一般控制在3～6cm；植物栅框架的底面与侧面由孔径为0.5～1.0cm的网状结构如镀锌铁丝网、藤条编织网或竹片编织网构建而成。当沟渠水流缓慢时透水，使植物栅格体与水体充分接触，达到拦截与去除污染物的目的；当水流急速且水位上升时，植物栅格自动升降，充分保障沟渠水流的畅通。

作为一种优选方式在沟渠底部用混凝土构建深度为0.15米的蓄水区，蓄水区的面积根据沟渠大小确定。

有益效果

1、理念创新：静水时净化水体，灌溉及暴雨时期不阻碍水流。

2、构建方法创新：整体结构特征创新，栅格体随水位变化自由升降，本发明与现有技术相比，采用生物膜工艺，在微生物处理区采用沸石与陶粒，实现功能互补，提高污染物去除效果，无需考虑系统的抗冲击能力，水位上涨之后，栅格自动避让，不阻碍水体流动。

3、所述植物栅格区的椰棕纤维上种植对N、P营养元素有较强吸收能力的植物。在农田沟渠构建植物栅格系统治理面源污染，其特点为投资少、见效快、成本低、净化效果好、无二次污染。

4、工程材料为天然材料，使用寿命长，对环境影响小，符合生态学原理。系统运行无需外加动力，运转成本低廉。日常管理维护简单。

5、对水体水位和流速变化的适应性较好，且构建方便，材料易得，有较大的推广价值。

6、植物的生长吸收水体中的N、P营养物质，进而达到去除水体污染物的目的，且所种植的水芹等植物可以带来一定的经济收益。

7、在水流低速流动时，沸石、陶粒等高吸附性填料的表面以及植物根系区为微生物生长提供了良好的生存环境，大量悬浮物被填料和植物根系阻挡截留，有机物则通过生物膜的吸收、同化和异化作用被一定程度上去除。填料内部及其周边环境将呈现好氧、缺氧和厌氧多种状态，保证了水中的N、P作为营养成分被植物和微生物直接吸收，并可通过硝化、反硝化作用及微生物对磷的过量积累作用将污染物质从水体中去除。

附图说明

图1为直五棱柱型往复式植物栅格系统示意图

图2为固定连接转轴的剖面示意图

图3为固定连接转轴和套件示意图

图4为套件连接示意图

图5为直五棱柱型往复式植物栅格系统装配前和装配后的示意图

图6为直五棱柱型的往复式植物栅格示意图

图7为圆柱型往复式植物栅格系统示意图

图8为花瓶型往复式植物栅格系统示意图

其中1、植物栅格区；2、蓄水区；3、固定连接转轴；4、植物生长区；5、微生物处理区；6、套件；7、栅格框架；8、围栏；S为固定连接转轴的槽，分布于轴两侧，槽的顶端部分和底端部分为竖直槽，中间部分为弧形槽；T1-T4为套件6的变形体；

具体实施方式

以下结合附图并通过实例对本发明作进一步说明。

实施例1

构建往复式植物栅格系统见图1、6；以直五棱柱体作为植物栅格体形状为例进行具体实施方式的说明；直五棱柱体A₁A₂A₃A₄A₅-A₁’A₂’A₃’A₄’A₅’，棱柱侧面A₃A₄B₄B₃与沟渠横断面的夹角为θ，棱A₃A₄(A₃’A₄)、棱A₄A₅(A₄’A₅’)的长度分别为l、b，五棱柱体的其他三组棱长均可用l、b、θ描述，

用竹子或木头构建植物栅格框架的主体，竹子或木条的外径控制在6cm，各部件间用镀锌铁丝和铁钉连接，在使用中将陶粒与沸石放置在用椰棕纤维构建的抽屉内，自下而上依次为陶粒、层沸石层，并且用并在顶部种植相应植物，然后在框架顶部边缘设栏，完成对植物栅格区的构建；

(1)根据面源污染实际情况及河段地形特征确定栅格系统规模。栅格体底面棱A₄A₅(A₄’A₅’)，棱A₃A₄(A₃’A₄’)的长度(其中，

L是沟渠渠底宽度)。

(2在农田沟渠控制河段构筑边坡预处理设施，用木桩修建垂直挡土墙作为栅格系统的控制边界，控制长度为1～1.5米。

(3)根据当地气候条件和灌排习惯，确定蓄水槽开挖规模，其深度一般为沟渠深度的1/5～1/4，底部用水泥浆砌衬。

(4)植物栅格体开启方向与水流方向一致；固定链接接转轴选用强度较高的材料，结构采用硬质中空薄壁管，在管壁上镂空栅格旋转上升轨迹为植物栅格提供往复运动轨道，底部固定于蓄水槽内。套件设有固定连接转轴上，并可以沿所述轨迹运动，套件与植物栅格体固定连接。

室内设计一水箱，水箱的特征为长×宽×高＝120cm×50cm×80cm，进行水箱实验。构建的直五棱柱型的往复式植物栅格(图5)，栅格体的体积为0.049m³；栅格体底面各棱的长度分别为21cm、21cm、38cm、30cm、55cm；陶粒的铺设厚度为27.5cm；沸石铺设厚度为4cm；将陶粒和沸石分别置于5cm厚天然椰棕纤维构建的抽屉内，在陶粒与沸石的过渡位置需注意颗粒级配的均布以防结构变形，并保证栅格体在水中移动时重心的稳定；植物栅格区的自身重量大于或等于在污水中的浮力；沸石层位于陶粒层之上；植物选用茭白，种植密度为120株/m²，种植于沸石层的天然椰棕纤维上；固定连接转轴用PVC管构建，其外径为5cm，长80cm，连接转轴槽顶部距离转轴顶端15cm，连接转轴槽底部距离转轴底端35cm，上部竖直槽10cm，下部竖直槽10cm，弧形槽的竖直距离10cm。植物栅框架的底面与侧面由孔径为0.5～1.0cm的网状结构如镀锌铁丝网、藤条编织网或竹片编织网构建而成。进水的各指标浓度分别为：COD 344.55mg/L、TN 26.51mg/L、TP 5.01mg/L、NH₃-N 13.73mg/L、SS 15mg/L。植物种植两周后进行水质参数分析，进行了两次循环实验，两次实验的平均去除率为TN65.7％、TP 59.8％、NH₃-N 30.84％、COD 36.5％、SS 49.4％。水深大于37cm时，栅格体自动升起，水深达到57cm时旋转完毕，水体顺畅流动。

实施例2

室内设计一水箱，水箱的特征为长×宽×高＝120cm×50cm×80cm，进行水箱实验。构建的椭圆柱型的往复式植物栅格(图7)，用聚四氟乙烯的水桶经过打孔、固定改装而成，栅格体的体积约为0.0624m³；栅格体高度为45cm；陶粒的铺设厚度为22cm；沸石铺设厚度为3.5cm；陶粒；植物栅格区的自身重量大于或等于在污水中的浮力；植物选用水芹，种植密度为100株/m²；固定连接转轴用PVC管构建，其外径为5cm，长80cm，连接转轴槽顶部距离转轴顶端15cm，连接转轴槽底部距离转轴底端35cm，上部竖直槽10cm，下部竖直槽10cm，弧形槽的竖直距离10cm。植物栅框架的底面与侧面由孔径为0.5～1.0cm的网状结构如镀锌铁丝网、藤条编织网或竹片编织网构建而成。进水的各指标浓度分别为：COD 344.55mg/L、TN26.51mg/L、TP 5.01mg/L、NH₃-N 13.73mg/L、SS 15mg/L。植物种植两周后进行水质参数分析，实验的平均去除率为TN 62.6％、TP 63.0％、NH₃-N 55.2％、COD 46.1％、SS 39.2％。水深大于35cm时，栅格体自动升起，水深达到55cm时旋转完毕，水体顺畅流动，栅格体可随水位继续抬升。

实施例3

室内设计一水箱，水箱的特征为长×宽×高＝120cm×50cm×80cm，进行水箱实验。构建的花瓶型的往复式植物栅格(图8)，栅格体的体积约为0.056m³；栅格体高度为50cm；陶粒的铺设厚度为25cm；沸石铺设厚度为5cm；椰棕纤维垫10cm；植物栅格区的自身重量大于或等于在污水中的浮力；花瓶型往复式植物栅格框架用聚四氟乙烯材料和有机玻璃定做而成，框架所用材料的外径为2～3cm；用空的聚四氟乙烯瓶调节栅格体的平衡；植物选用蕹菜，种植密度为50株/m²；固定连接转轴用PVC管构建，其外径为5cm，长80cm，连接转轴槽顶部距离转轴顶端15cm，连接转轴槽底部距离转轴底端35cm，上部竖直槽10cm，下部竖直槽10cm，弧形槽的竖直距离10cm。进植物栅框架的底面与侧面由孔径为0.5～1.0cm的网状结构如镀锌铁丝网、藤条编织网或竹片编织网构建而成。水的各指标浓度分别为：COD 344.55mg/L、TN 26.51mg/L、TP 5.01mg/L、NH₃-N 13.73mg/L、SS 15mg/L。植物种植两周后进行水质参数分析，实验的平均去除率为TN 69.1％、TP 51.6％、NH₃-N 41.7％、COD 51.2％、SS 46.7％。水深大于35cm时，栅格体自动升起，水深达到55cm时旋转完毕，水体顺畅流动，栅格体可随水位继续抬升。

如上所述，我们完全按照本发明的宗旨进行了说明，但本发明并非局限于上述实施例和实施方法。相关技术领域的从业者可在本发明的技术思想许可的范围内进行不同的变化及实施。

Claims

1.一种往复式植物栅格系统，其特征在于包括植物栅格区(1)、蓄水区(2)与固定连接转轴(3)；所述的固定连接转轴(3)底部固定于蓄水区(2)内，固定连接转轴(3)上设有套件(6)，该套件(6)沿固定连接转轴(3)活动连接，所述的植物栅格区(1)设于套件(6)上，并且植物栅格区(1)与套件(6)固定连接；植物栅格区(1)的自身重量大于或等于在污水中的浮力；所述的蓄水区(2)的容积大于所述的植物栅格区(1)的体积，且蓄水区(2)底边的最短的一边大于植物栅格区(1)的对角线长度。

2.根据权利要求1所述的一种往复式植物栅格系统，其特征在于所述的植物栅格区(1)由植物生长区(4)、微生物处理区(5)和栅格框架(7)组成，在栅格框架(7)内由下到上依次设有微生物处理区(5)和植物生长区(4)。

3.根据权利要求2所述的一种往复式植物栅格系统，其特征在于所述的微生物处理区(5)铺设吸附性填料，吸附性填料外设有网状体。

4.根据权利要求3所述的一种往复式植物栅格系统，其特征在于所述的吸附性填料由8～30cm厚的陶粒层和3～10cm厚的沸石层组成，其沸石层位于陶粒层之上。

5.根据权利要求2所述的一种往复式植物栅格系统，其特征在于所述的植物生长区(4)为微生物处理区(5)的网状体上种植蕹菜、香根草、香蒲、茭白、水芹或多花黑麦草中的任一种或任意多种，其种植密度为50～120株/m²。