CN104481017B - 利用生态沟塘系统防治山区/半山区农村面源污染的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用生态沟塘系统防治山区/半山区农村面源污染的方法，步骤如下：步骤一、确定村落居民区实际面积、人口数量、养殖数量，地面径流系数，地表硬化度参数；并确定农村居民区污水产生量；步骤二、改造农村居民区排水沟渠，使得农村居民区域的面源污水只有一个出水口；步骤三、在农村居民区污水出水口处建设污水分流装置、均化调节装置及无害化处理装置；该方法在山区/半山区村庄原有自然沟道基础上进行系统化完善，实现村庄面源污水的面收集，均化调节，无害化处理，农田利用后再进入下游河湖的系统方法，有效降低山区/半山区农村污水对水体的影响。

Description

利用生态沟塘系统防治山区/半山区农村面源污染的方法

技术领域

本发明属于环境保护技术领域，特别涉及一种利用生态沟塘系统防治山区/半山区农村面源污染的方法。

背景技术

农村水环境是指分布在广大农村的河流、湖沼、沟渠、池塘、水库等地表水体、土壤水体和地下水体的总称(段忠清.我国农村面源污染的成因及其治理[J].无锡职业技术学院学报，2004，3(3):49-51)。农村水环境既是农村大地的脉管系统，对雨涝旱涝起着调节作物用，又是农村生产的生命之源。因此保护农村水环境是保障农村生产发展的基础，然而近十几年来，农村水环境污染严重，水环境状况愈加恶化，并且这种恶化有上升的趋势。比如湖泊有滇池、巢湖及太湖是富营养化较严重的代表，洱海是富营养化初期湖泊的代表，在一些特殊的区域由于区域水环境的恶化，直接威胁着居住在广大农村地区居民的身体健康。

目前我国96％的村庄没有排水沟渠和污水处理系统，超过2500万t的农村生活污水几乎直接排放(苏扬.中国农村环境污染调查[R].人民网，2006)。农村每年有90％未经任何处理的生活污水，直接排放进附近的水体，我国9亿多农村人口每年产生生活垃圾超过16400万t，其中89％的垃圾堆放在房前屋后、路边、甚至水源地、泄洪道，无人负责垃圾收集与处理，大部分露天堆放，不但占有大量可用耕地，并且其渗漏液污染地表水的同时还会污染地下水(卑志钢，胡铁松，刘镜婧等.农村区域水环境污染模式及控制对策研究[J].中国农村水利水电，2009，12:15-19)。

随着社会经济的发展，农村与城镇的经济条件和基础设施建设差距越来越大，与城镇相比，农村居民区不仅是农民居住、娱乐等场所，还是养殖的主要场所(比如洱海流域农村人均养牛0.3头，养猪0.45头，胡万里，2013年洱海流域农业面源污染负荷调查报告)，农村居民区没有完善的清污分离设施，生活和生产废水难以分开并形成混排。一方面在农田非用肥时期，畜禽粪便随意堆放在房前屋后，并且都接近沟渠，加剧了村庄氮磷污染物排放量。另一方面，我国大部分区域属于大陆性季风气候，具有雨热同期、干湿明显、旱季蒸发量大等特点，由于旱季蒸发量较大农村污水难以形成地表径流直接流出村庄，所产生的氮磷污染物在村庄内部沟渠中大量沉积，同时这些沟渠担负着村庄的排水和泄洪双重作用，在雨季尤其是初期暴雨时期，所沉积在沟渠中的氮磷污染物被村庄地表径流冲刷而直接进入周边水体，直接威胁到区域水环境安全。

当暴雨径流发生时，沟渠中大量沉淀的氮磷污染物伴随着村庄地表径流直接进入区域水体，而这些地表径流具有水量大、突发性、瞬时性等特点，形成了难以治理的局面。目前针对农村面源污染治理采用分散式点源治理模式，仅仅局限在对农村居民生活污水收集处理，没有考虑到居民区面源污水(农村居民区生活用水所产生的氮磷污染物是居民区面源污水中氮磷污染物来说是较少的一部分)，并且主要采用的处理技术有厌氧、好氧及兼氧生物处理法(厌氧消化、水解酸化池、UASB等)处理效果良好，但污水处理量较小，且投资成本较高，不适合农村的大面积推广；自然条件下的生物处理法(稳定塘、生态系统塘、人工湿地)，污水处理成本较低，处理效果良好，优于传统的二级处理标准，但占地面积大，要求污水停留时间长，并且受气候要求影响较大，在冬季寒冷区不适合应用；土壤处理法(土壤净化槽，土壤快速渗滤、土壤慢速渗滤)污水处理投资少，处理效果良好，但同样占地面积大，对土壤质地有要求，受到气候影响。

因此，基于农村区域性面源污水，研究一种污水处理效果好、占地面积小、建设投资成本低、氮磷污染物循环利用效率高的利用生态沟塘系统防治山区/半山区农村面源污染的方法，对于有效解决农村区域性面源污染的水环境问题有十分重要的意义。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种利用生态沟塘系统防治山区/半山区农村面源污染的方法，该方法在山区/半山区村庄原有自然沟道基础上进行系统化完善，实现村庄面源污水的面收集，经过均化、调节无害化处理，农田利用后再进入下游河湖，从而减少污水水量、改善水质，同时提高污水中氮磷元素的循环利用效率。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种利用生态沟塘系统防治山区/半山区农村面源污染的方法，其具体步骤如下：

步骤一、确定村落居民区实际面积、人口数量、养殖数量，地面径流系数，地表硬化度参数；并确定农村居民区污水产生量；

其中：径流系数α(runoff coefficient)是一定汇水面积内总径流量(毫米)与降水量(毫米)的比值；地表硬化度参数是指居民区硬化地面面积与总面积的比，地表状况不同其径流系数不同；地表径流量通过降雨量和径流系数计算，具体计算公式为：径流量Q＝降雨量×径流系数；降雨量采用近10年或者20年降雨量的年均值，径流系数从相关水文部门数据得到；

步骤二、改造农村居民区排水沟渠，使得农村居民区域的面源污水只有一个出水口；

步骤三、在农村居民区污水出水口处建设污水分流装置、均化调节装置及无害化处理装置；污水分流装置一端连接农村居民区污水出水口，另一端之间连接农田自流灌溉系统，第三端经均化调节装置及无害化处理装置连接农田自流灌溉系统；

其中污水分流装置对村庄面源污水/径流水量进行分配调节，当降雨量小于30mm或无降雨时，所有村庄面源污水/径流全部进入均化调节装置，当降雨量大于30mm时，前30mm降雨的面源污水/径流直接进入均化调节装置，30mm之后的面源污水直接进入农田自流灌溉系统；均化调节装置包括厌氧池和均化池，面源污水通过厌氧池处理后进入均化池进行均化调节，使面源污水/径流浓度均匀；无害化处理装置通过紫外光来杀灭污水中的大肠杆菌，使面源污水/径流达到农田灌溉标准；

步骤四、在污水分流装置、均化调节装置及无害化处理装置的下游农田建设农田自流灌溉系统，实现无害化处理过的污水进入农田灌溉利用。

进一步的，所述步骤二中，具体改造包括：

A、对于农村居民区的自然排水沟渠没有汇集形成，有多个排水口的村庄，根据水利建设相关要求完善原有沟渠，保证原有沟渠的排水通畅，在此基础上，新开挖排水沟渠，所述沟渠规格按照水量确定，最终使得整个居民区的面源污水集中为一个排放口；

B、对于农村居民区的自然排水沟渠已经汇集成一个排水口的村庄。根据水利建设中的相关要求完善居民区内部沟渠，使得沟渠排水通畅。

进一步的，所述步骤二中，所述沟渠为倒梯形结构，整体坡度>0.3％以保证水的顺畅流动；

沟渠两侧墙体倾斜度大于3％，用多孔介质砖砌，多孔介质砖用混凝土、生物质材料混合制成，多介质砖的大小尺寸为400mm×400mm、孔径大小30mm×30mm，在多孔介质砖上根据当地乡土物种种植能吸收氮、磷类营养盐的杂草。

进一步的，所述沟渠在通过交通干道处采用相应流量钢管。

进一步的，所述生态沟塘系统中，生态塘为圆形、正方形、长方形及多边形；生态塘在汇流节点处建设，根据节点处的环境条件选择生态塘的形状；

径流量计算：Q＝Sn×q，其中Sn-表示农田汇流面积，q-表示单位面积的流失水量(m³)根据农田沟渠汇流足迹，计算汇流农田面积Sn(亩)，洱源县凤羽河流域中参数q的范围在30m³～50m³，各个地方的径流量都不同，可以从当地相关部研究部分获得相关方面参数。

生态塘容积量计算。Q＝St×h，其中Q-表示塘的容积,单位为立方米；S-表示塘的底面积(m2)；h-表示塘的深度(m)。

生态塘底部。由于农田面源污水属于低浓度面源污水，不需要做任何防渗处理，直接用自然土壤界面。

生态塘墙体。用多孔介质砖，多孔介质砖用混泥土、生物质材料混合制成。多孔介质砖的大小尺寸小于400mm×400mm、孔径大小30mm×30mm。在多孔介质砖上可以根据当地乡土物种种植一些杂草，增加生态塘的生物多样性，同时吸收氮、磷等营养盐。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明一种利用生态沟塘系统防治山区/半山区农村面源污染的方法，该方法在山区/半山区村庄原有自然沟道基础上进系统化行完善，实现村庄面源污水的面收集，经过均化、调节无害化处理，农田利用后再进入下游河湖，从而减少污水水量、改善水质，同时提高污水中氮磷元素的循环利用效率。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明技术方案做进一步详细描述：

本发明的生态沟塘系统防治山区/半山区农村面源污染的方法，具体步骤如下：

步骤1)确定村落居民区实际面积、人口数量、养殖数量，地面径流系数，历年气象、降雨数据确定农村居民区污水产生量。

步骤2)在居民区内部自然的排水沟渠的基础上进行优化改造，使得农村居民区域的面源污水只有一个出水口。

所述步骤2)进一步包括：

A、对于农村居民区的自然排水沟渠没有汇集形成，有多个排水口的村庄。根据水利建设相关要求完善原有沟渠，保证原有沟渠的排水通畅。在此基础上，新开挖排水沟渠，所述沟渠规格按照水量确定，最终使得整个居民区的面源污水集中为一个排放口。

B、对于农村居民区的自然排水沟渠已经汇集成一个排水口的村庄。根据水利建设中的相关要求完善居民区内部沟渠，使得沟渠排水通畅。

所述步骤二中，所述沟渠为倒梯形结构，整体坡度>0.3％以保证水的顺畅流动；

沟渠两侧墙体倾斜度大于3％，用多孔介质砖砌，多孔介质砖用混凝土、生物质材料混合制成，多介质砖的大小尺寸为400mm×400mm、孔径大小30mm×30mm，在多孔介质砖上根据当地乡土物种种植能吸收氮、磷类营养盐的杂草。

所述沟渠在通过交通干道处采用相应流量钢管。

步骤3)在出口的地方建设安置一个分流装置，让高浓度污水完全流入均化调节处理池，在特大暴雨数量太大的时候进行分流(这时排水浓度相对较低)达到保护均化调节处理装置。

步骤4)在分流装置后建设安装一个均化调节处理池，将从分流转置进来氮磷浓度不均匀的污水进行混合均匀，同时采用厌氧生物处理技术和植物生态技术对污水进行处理，为污水无害化处理做准备。

步骤5)在均化调节处理池后端建设安装一个污水无害化处理装置，采用物理消毒的方法去除污水中的有害微生物(大肠杆菌)，为农田灌溉做准备。

步骤6)将无害化过的污水链接到农田灌溉系统中进行农田灌溉后，可以直接进入下游河湖。

所述生态沟塘系统中，生态塘为圆形、正方形、长方形及多边形；生态塘在汇流节点处建设，根据节点处的环境条件选择生态塘的形状；

径流量计算：Q＝Sn×q，其中Sn-表示农田汇流面积，q-表示单位面积的流失水量(m³)根据农田沟渠汇流足迹，计算汇流农田面积Sn(亩)，洱源县凤羽河流域中参数q的范围在30m³～50m³，各个地方的径流量都不同，可以从当地相关部研究部分获得相关方面参数。

生态塘容积量计算。Q＝St×h，其中Q-表示塘的容积,单位为立方米；S-表示塘的底面积(m2)；h-表示塘的深度(m)。

生态塘底部。由于农田面源污水属于低浓度面源污水，不需要做任何防渗处理，直接用自然土壤界面。

生态塘墙体。用多孔介质砖，多孔介质砖用混泥土、生物质材料混合制成。多孔介质砖的大小尺寸小于400mm×400mm、孔径大小30mm×30mm。在多孔介质砖上可以根据当地乡土物种种植一些杂草，增加生态塘的生物多样性，同时吸收氮、磷等营养盐。

实施例1：云南省洱源县凤羽镇上寺自然村沟塘系统示范工程：

云南省洱源县凤羽镇上寺自然村位于凤羽河流域西部，距离凤羽镇5.50公里，海拔2210m，年平均气温13.70℃，年降水量745.00mm，种植作物有水稻、油菜、大蒜、玉米和烤烟等。农民人均纯收入2933.00元。村落面积为203亩，总人口568人，大牲畜314头、其中奶牛161头，生猪305头，农田面积约4000亩，有林地27669亩。村落居民区养殖粪便产生量为4200t/a，生活污水量为5400m3/a。村庄出水口年氮磷负荷排放量为13.5t和0.5t，其中来自养殖的氮磷负荷为12.5t和0.45t、来自居民生活的氮磷负荷为0.6t和0.05t。这些污染物的发生具有突发性、短时性和随机性，治理难度极大。云南省洱源县凤羽镇上寺自然村沟塘系统示范工程即在上寺村通过构建完善的山区/半山区农村面源污染生态沟塘系统防治工程，对农村面源污水收集、均化处理、无害化处理及农田灌溉利用，实现最小经济投入，最大处理效率和氮磷元素的最大利用，达到水环境保护的目的。

表1 上寺村村庄和农田断面排水水质状况

如上表1为上寺村村庄和农田断面排水水质状况。

该示范工程设计能力为：污水年处理利用能力36000m³，其中旱季对整个村庄的面源污水完全收集处理利用，雨季收集处理初期暴雨径流的30以上％。具体内容包括村庄内部200米沟渠完善，容积为6m3的分流池1个，容积为300m3的均化调节处理池一个，容积为6m3的无害化处理池一个。工程总投资为56.7万元。

改示范工程建成后，每年可处理36000m3农村面源污水，减少3t氮污染物和0.15t磷污染物排入凤羽河。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种利用生态沟塘系统防治山区/半山区农村面源污染的方法，其特征在于，其具体步骤如下：

步骤一、确定村落居民区实际面积、人口数量、养殖数量，地面径流系数，地表硬化度参数；并确定农村居民区污水产生量；

其中：径流系数α是一定汇水面积内总径流量与降水量的比值；地表硬化度参数是指居民区硬化地面面积与总面积的比，地表状况不同其径流系数不同；地表径流量通过降雨量和径流系数计算，具体计算公式为：径流量Q＝降雨量×径流系数；降雨量采用近10年或者20年降雨量的年均值，径流系数从相关水文部门数据得到；

步骤二、改造农村居民区排水沟渠，使得农村居民区域的面源污水只有一个出水口；

步骤三、在农村居民区污水出水口处建设污水分流装置、均化调节装置及无害化处理装置；污水分流装置一端连接农村居民区污水出水口，另一端之间连接农田自流灌溉系统，第三端经均化调节装置及无害化处理装置连接农田自流灌溉系统；

其中污水分流装置对村庄面源污水/径流水量进行分配调节，当降雨量小于30mm或无降雨时，所有村庄面源污水/径流全部进入均化调节装置，当降雨量大于30mm时，前30mm降雨的面源污水/径流直接进入均化调节装置，30mm之后的面源污水直接进入农田自流灌溉系统；均化调节装置包括厌氧池和均化池，面源污水通过厌氧池处理后进入均化池进行均化调节，使面源污水/径流浓度均匀；无害化处理装置通过紫外光来杀灭污水中的大肠杆菌，使面源污水/径流达到农田灌溉标准；

步骤四、在污水分流装置、均化调节装置及无害化处理装置的下游农田建设农田自流灌溉系统，实现无害化处理过的污水进入农田灌溉利用。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二中，具体改造包括：

A、对于农村居民区的自然排水沟渠没有汇集形成，有多个排水口的村庄，根据水利建设相关要求完善原有沟渠，保证原有沟渠的排水通畅，在此基础上，新开挖排水沟渠，所述沟渠规格按照水量确定，最终使得整个居民区的面源污水集中为一个排放口；

B、对于农村居民区的自然排水沟渠已经汇集成一个排水口的村庄，根据水利建设中的相关要求完善居民区内部沟渠，使得沟渠排水通畅。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤二中，所述沟渠为倒梯形结构，整体坡度>0.3％以保证水的顺畅流动；

沟渠两侧墙体倾斜度大于3％，用多孔介质砖砌，多孔介质砖用混凝土、生物质材料混合制成，多介质砖的大小尺寸为400mm×400mm、孔径大小30mm×30mm，在多孔介质砖上根据当地乡土物种种植能吸收氮、磷营养盐的杂草。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤二中，所述沟渠在通过交通干道处采用相应流量的钢管。

5.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述生态沟塘系统中，生态塘为圆形或多边形；生态塘在汇流节点处建设，根据节点处的环境条件选择生态塘的形状；

径流量计算：Q＝Sn×q，其中Sn-表示农田汇流面积，q-表示单位面积的流失水量根据农田沟渠汇流足迹，计算汇流农田面积Sn，洱源县凤羽河流域中参数q的范围在30m³～50m³，各个地方的径流量都不同，从当地相关部研究部分获得相关方面参数；

生态塘容积量计算：Q＝St×h，其中Q-表示塘的容积,单位为立方米；St-表示塘的底面积；h-表示塘的深度；

生态塘墙体，用多孔介质砖，多孔介质砖用混凝土、生物质材料混合制成，多孔介质砖的大小尺寸小于400mm×400mm、孔径大小30mm×30mm，在多孔介质砖上根据当地乡土物种种植能吸收氮、磷营养盐的杂草。