CN103011497A - 可反冲洗组合式农田面源污染截流净化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可反冲洗组合式农田面源污染截流净化系统，它通过利用部分沟渠（河浜）床构建导流溢流堰、可反冲洗立式填料、生态沉降坑等结构，梯度配置挺水植物和藻类，形成物理-植物-微生物的三元立体净化体系，使得沟渠（河浜）内水力条件大为改善，水力停留时间得以延长，农田面源污染物得到有效拦截与沉降，并最终在生物协同作用下于生态沉降坑内被分解净化；每隔一段使用时间，将可反冲洗立式填料反向放置，即可自行清除淤堵，继续发挥拦截功效，人工管理作业得以减轻；，同时在大雨量径流或洪水位情况下，该净化系统不影响沟渠（河浜）行洪。根据具体地形地势，可以将这种截流净化系统串连使用，使得水体能得到多级净化。

Description

可反冲洗组合式农田面源污染截流净化系统

技术领域

本发明涉及河浜水环境治理及生态修复领域，特别涉及一种适用于靠近受农田面源污染较重的沟渠（河浜）在正常水位下具有反冲洗功能的组合式物理-生物生态农田面源污染截流净化系统。

背景技术

近年来，农业面源污染已成为我国重大的水环境问题，化肥的过量施用导致了氮磷等营养物质的大量流失，造成湖泊等水体的富营养化，使之失去生产和生活的使用价值，并可能造成地下水污染甚至食品污染。农业面源COD、N、P的污染负荷已占水体污染负荷中的1/2～2/3。据报道，钱塘江流域水体污染负荷中工业水污染源占6.38%，生活污染源15.61%，农业面源占78.01%。我国农田化肥平均施用水平375公斤/公顷，大大超出发达国家设置的225公斤/公顷的安全上限；加之施肥结构不合理，化肥利用率不高，导致在降雨和排灌后流失严重，含有大量氮磷养分的径流直接排入沟渠河道或湖库，加剧湖库富营养化程度。而由于氮磷是植物生长的营养元素，水体中氮磷含量的大量增加，势必引起水生生物和某些藻类的过度生长和繁殖，从而造成水体中溶解氧含量下降，引发水生动物和水生植物的大量死亡，而腐败的生物体又会加剧水体的污染，给环境带来很大风险。

太湖蓝藻事件暴发后，关于农田面源径流、渗漏养分的生态拦截技术的研究兴起。长期以来，专家学者针对沟渠（河浜）岸、沟渠（河浜）床以及沟渠（河浜）道水体三者的不同特点提出了众多面源污染原位拦截和生态修复的技术与方法，其中以生态缓冲岸坡、水生植物强化修复、生态透水坝等较为突出。然而这些实施方案中均不同程度存在着弊端：一方面，对于缓冲岸坡或其他不使用基质填料的方案，由于水力条件的先天不足，在过水流速较快的情况下（如降雨径流），其对污染物的拦截净化效果较差；而对于使用基质填料的方案，尽管基质填料的疏松多孔性质的存在使得水利条件大大改善，物理过滤吸附作用也使得其对污染物尤其是颗粒态污染物的拦截效果有着明显提升，但随着使用时间的推进，颗粒态物质对基质填料空隙的堵塞将逐渐严重，使得整体净化效果逐渐降低，如果不能及时的进行人工清理，将有可能因为彻底堵塞而最终完全失效；同时，对于类似于生态透水坝结构的拦截净化系统，其填料的安置装填体积通常较大，人工清理、管理也十分的不便和低效。

发明内容

本发明的目的，在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种能够适用于水位变化的、可反冲洗的组合式物理-生物生态农田面源污染截流净化系统，它通过利用部分沟渠（河浜）床构建导流溢流堰、可反冲洗立式填料、生态沉降坑等结构，梯度配置挺水植物和藻类，形成物理-植物-微生物的三元立体净化体系，在减轻人工管理作业的情况下，有效的拦截沟渠（河浜）上游而来的污染物质；同时在大雨量径流或洪水位情况下，该净化系统不影响沟渠（河浜）行洪。

本发明通过如下技术方案予以实现。

一种可反冲洗组合式农田面源污染截流净化系统，包括渠壁或者河堤以及填料，其特征在于，所述渠壁或者河堤沿下游夹角为40°～60°处设置有导流溢流堰1，导流溢流堰1整体垂直水流横向投影长度为渠道或者河道宽度的1/3-1/2，厚度为30～50cm，为钢筋混凝土结构，其堰顶高程高于渠道或者河道正常水位10-25cm，但不高于大雨量径流水位和行洪水位；沿导流溢流堰1远离渠壁或者河堤一端所指方向的垂直距离40～60cm的对岸设置有第一级生态沉降坑4，坑深为40～60cm，长度为渠道或者河道宽度的1/3～1/2，宽度为沿水流方向40～60cm,坑内铺设粒径1～2mm的细质沙石填料6，铺设厚度为坑深的一半；在第一级生态沉降坑4的下游设置有第二级生态沉降坑5，第二级生态沉降坑5的结构和几何尺寸与第一级生态沉降坑4相同；所述两生态沉降坑之间设置有可反冲洗立式填料A2，所述可反冲洗立式填料A2为立方体结构，外表面设置有金属丝网加以固定包裹，其长度与生态沉降坑长度相同，内部填充粒径为2-3cm的碎石或炉渣，填料的厚度粒径比为5～15，厚度控制在15～40cm，填料顶高程与导流溢流堰1相同；在第二级生态沉降坑5的下游设置有可反冲洗立式填料B3，可反冲洗立式填料B3的结构和几何尺寸与可反冲洗立式填料A2相同；所有生态沉降坑与可反冲洗立式填料相邻的内壁与填料外表面均处于同一铅垂面内，即生态沉降坑与可反冲洗立式填料呈紧密排列，间距为0；在可反冲洗立式填料A2与可反冲洗立式填料B3之间设置有可拆卸固定杆9；

在第一级生态沉降坑4和第二级生态沉降坑5内的沙石填料中均匀设置有植株较为高大的挺水植物7，该挺水植物的植株顶部高于所述可反冲洗立式填料A2和可反冲洗立式填料B3的顶部；在第一级生态沉降坑4和第二级生态沉降坑5内的沙石填料中还均匀设置有沉水藻类植物8。

该净化系统可以由两个以上可反冲洗立式填料和相应的生态沉降坑组成。

该净化系统在实际应用中采用沿渠道或者河道由两个以上净化系统对称串连使用，使得水体能得到多级净化。

所述可拆卸固定杆9为硬质PVC实心杆。

本发明的有益效果是：（1）净化系统通过导流溢流堰将上游来水集中有效的导入生态沉降坑-可反冲洗立式填料区，在节省材料和施工费用的情况下使得更多渠（河）水在正常水位下即可以得到有效净化，水力条件大为改善。（2）当携带泥沙的面源污染水流进入主净化区时，大颗粒污染物于开始阶段即可被第一级填料拦截、沉降入坑中；对于小颗粒污染物，由于两级填料之间形成了相对稳流沉降区，这就使得颗粒污染物的沉降时间都有所延长，进而增强了拦截的效果；而对于细微颗粒污染物，填料本身的吸附作用即可将其去除。（3）由于水生挺水植物、沉水藻类植物的存在，使得生态沉降坑内的微环境趋于好氧环境，这不仅便于好氧微生物生存，也使得沉降下来的颗粒态污染物在植物-微生物的协同作用下最终被分解净化；同时由于生态沉降坑有着蓄水作用，能够有效地延长水体的水力停留时间，这也有助于植物-微生物对占总污染物比例较小的溶解态污染物的去除。（4）每过一定使用时间，将可反冲洗立式填料反向放置使用，由于其内部填料粒径较大、孔隙率较大，且厚度较小，因此先前被大颗粒污染物堵塞的迎水面可被水流反向冲开，此设计不仅节省了人工管理作业，还使填料过滤拦截作用得以长期高效保持。（5）净化系统利用渠（河）道的横向自然空间，没有过多的构筑物，投资小，效果好，在充分原位净化水体的同时营造了独特的景观效果。（6）根据具体的渠（河）道的具体地形地势，可以将这种截流净化系统串连使用，使得水体能得到多级净化。

附图说明

图1为可反冲洗组合式农田面源污染截流净化系统平面示意图；

图2为可反冲洗组合式农田面源污染截流净化系统主体净化区剖面示意图。

本发明附图标记如下：

1——导流溢流堰             2——可反冲洗立式填料A

3——可反冲洗立式填料B      4——第一级生态沉降坑

5——第二级生态沉降坑       6——细质沙石填料

7——挺水植物               8——沉水藻类植物

9——可拆卸固定杆

具体实施方式

下面结合附图对本发明做作进一步描述。

图1是可反冲洗组合式农田面源污染截流净化系统平面示意图，由图中可以看出，沿渠壁或者河堤下游夹角为40°～60°处设置有导流溢流堰（1），导流溢流堰（1）整体垂直水流横向投影长度为渠道或者河道宽度的1/3-1/2，厚度为30～50cm，；沿导流溢流堰（1）远离渠壁或者河堤一端所指方向的垂直距离40～60cm的对岸设置有第一级生态沉降坑（4），在第一级生态沉降坑（4）的下游设置有第二级生态沉降坑（5），第二级生态沉降坑（5）的结构和几何尺寸与第一级生态沉降坑（4）相同；所述两沉降坑之间设置有可反冲洗立式填料A（2），其长度为渠道或者河道宽度的1/3～1/2，厚度为15～40cm（两生态沉降坑间距与其厚度相同，即与反冲洗立式填料A（2）均为0距离）；在第二级生态沉降坑（5）的下游设置有可反冲洗立式填料B（3），可反冲洗立式填料B（3）的结构和几何尺寸与可反冲洗立式填料A（2）相同，与第二级生态沉降坑（5）为0距离；在可反冲洗立式填料A（2）与可反冲洗立式填料B（3）之间设置有可拆卸固定杆（9）。该净化系统在实际应用中采用沿渠道或者河道由两个以上净化系统对称串连使用，使得水体能得到多级净化。

图2是可反冲洗组合式农田面源污染截流净化系统主体净化区剖面示意图，可以看出，导流溢流堰（1）的堰顶高程高于渠道或者河道正常水位，第一级生态沉降坑（4）及第二级生态沉降坑（5）的坑内铺设粒径1～2mm的细质沙石填料(6)，铺设厚度为坑深的一半；两生态沉降坑的结构和几何尺寸相同；在第一级生态沉降坑（4）和第二级生态沉降坑（5）内的沙石填料中均匀设置有植株较为高大的挺水植物(7)，该挺水植物的植株顶部高于所述可反冲洗立式填料A（2）和可反冲洗立式填料B（3）的顶部；在第一级生态沉降坑（4）和第二级生态沉降坑（5）内的沙石填料中还均匀设置有沉水藻类植物(8)。

实施本发明时，首先，在拟建该净化系统所在位置的沟渠上下游设置围堰，抽取围堰内的水体。然后，在清理淤泥的基础上，构造导流溢流堰1并挖掘第一级生态沉降坑（4）和第二级生态沉降坑（5），两生态沉降坑之间间距预留为20cm；导流溢流堰1的一端与沟渠一侧的渠岸连接，其整体与渠道水流方向呈45°，另一端指向第一级生态沉降坑4，堰顶高程高于沟渠正常水位10cm左右。每套净化系统中生态沉降坑数量设置为2个，长度设置为沟渠宽度的一半，深度60cm，宽度50cm。两生态沉降坑之间设置有可反冲洗立式填料A（2），在第二级生态沉降坑（5）的下游设置有可反冲洗立式填料B（3）（与第二级生态沉降坑（5）为0距离），可反冲洗立式填料B（3）的结构和几何尺寸与可反冲洗立式填料A（2）相同；填料顶高程与导流溢流堰1堰顶高程相一致，长度为沟渠宽度一半，厚度为20cm（两生态沉降坑间距与其厚度相同，即与反冲洗立式填料A（2）均为0距离），于金属网罩中紧密装填平均粒径2cm左右的炉渣。在可反冲洗立式填料A（2）与可反冲洗立式填料B（3）之间设置有可拆卸固定杆（9），为连接固定，也可以额外增加可拆卸固定杆9的数量。

在第一级生态沉降坑（4）和第二级生态沉降坑（5）内装填平均粒径2mm左右的细质沙石填料6，层厚为30cm左右，并均匀培植一种或多种当地优势挺水植物7和沉水藻类植物8，挺水植物7顶部应高于可反冲洗立式填料的填料顶。

另外，根据具体沟渠的具体地形地势，将两个以上净化系统对称串连使用，使水体能够得到多级过滤净化。

每隔一段使用时间，将可反冲洗立式填料沿水流方向前后两面对调一次，可在水流的冲洗下，将先前迎水面孔隙中堵塞的泥沙或大颗粒污染物自行冲击脱落，以实现多次使用、减少人工管理作业的目的。

本发明的截流净化系统的构建，不但能保证正常水位下水体得到全断面净化，同时不妨碍大雨量期沟渠、河道的正常排水泄洪功能。

Claims (4)

1.一种可反冲洗组合式农田面源污染截流净化系统，包括渠壁或者河堤以及填料，其特征在于，所述渠壁或者河堤沿下游夹角为40°～60°处设置有导流溢流堰（1），导流溢流堰（1）整体垂直水流横向投影长度为渠道或者河道宽度的1/3-1/2，厚度为30～50cm，为钢筋混凝土结构，其堰顶高程高于渠道或者河道正常水位10-25cm，但不高于大雨量径流水位和行洪水位；沿导流溢流堰（1）远离渠壁或者河堤一端所指方向的垂直距离40～60cm的对岸设置有第一级生态沉降坑（4），坑深为40～60cm，长度为渠道或者河道宽度的1/3～1/2，宽度为沿水流方向40～60cm,坑内铺设粒径1～2mm的细质沙石填料(6)，铺设厚度为坑深的一半；在第一级生态沉降坑（4）的下游设置有第二级生态沉降坑（5），第二级生态沉降坑（5）的结构和几何尺寸与第一级生态沉降坑（4）相同；所述两生态沉降坑之间设置有可反冲洗立式填料A（2），所述可反冲洗立式填料A（2）为立方体结构，外表面设置有金属丝网加以固定包裹，其长度与生态沉降坑长度相同，内部填充粒径为2-3cm的碎石或炉渣，填料的厚度粒径比为5～15，厚度控制在15～40cm，填料顶高程与导流溢流堰（1）相同；在第二级生态沉降坑（5）的下游设置有可反冲洗立式填料B（3），可反冲洗立式填料B（3）的结构和几何尺寸与可反冲洗立式填料A（2）相同；所有生态沉降坑与可反冲洗立式填料相邻的内壁与填料外表面均处于同一铅垂面内，即生态沉降坑与可反冲洗立式填料呈紧密排列，间距为0；在可反冲洗立式填料A（2）与可反冲洗立式填料B（3）之间设置有可拆卸固定杆（9）；

在第一级生态沉降坑（4）和第二级生态沉降坑（5）内的沙石填料中均匀设置有植株较为高大的挺水植物(7)，该挺水植物的植株顶部高于所述可反冲洗立式填料A（2）和可反冲洗立式填料B（3）的顶部；在第一级生态沉降坑（4）和第二级生态沉降坑（5）内的沙石填料中还均匀设置有沉水藻类植物(8)。

2.根据权利要求1的可反冲洗组合式农田面源污染截流净化系统，其特征在于，该净化系统可以由两个以上可反冲洗立式填料和相应的生态沉降坑组成。

3.根据权利要求1的可反冲洗组合式农田面源污染截流净化系统，其特征在于，该净化系统在实际应用中采用沿渠道或者河道由两个以上净化系统对称串连使用，使得水体能得到多级净化。

4.根据权利要求1的可反冲洗组合式农田面源污染截流净化系统，其特征在于，所述可拆卸固定杆（9）为硬质PVC实心杆。 

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