CN105129899B - 镉污染灌溉水入田前快速净化装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镉污染灌溉水的入田前快速净化装置和方法，其中装置包括：壳体，所述壳体上具有进水口和出水口；净化材料层，由填充于壳体内的净化介质形成，所述净化材料层位于进水口和出水口之间，所述净化材料层为一层或多层，由进水口流入的灌溉水流经净化材料层后从出水口流出；所述净化介质为氧化铁颗粒、油菜秸秆、石灰石颗粒和沸石颗粒中的至少一种。本发明有效降低灌溉水中重金属镉的含量。

Description

镉污染灌溉水入田前快速净化装置和方法

技术领域

本发明涉及水净化技术领域，尤其涉及一种镉污染灌溉水的入田前快速净化装置和方法。

背景技术

农田土壤重金属镉污染是外源镉增加和土壤退化两者综合作用的结果。而外源镉一旦进入土壤，修复代价、治理难度均极高。污染土壤中的重金属镉易被植物吸收，从而造成农产品镉含量超标，这将直接对我国粮食安全和食品卫生造成威胁。镉在环境中迁移活跃，可通过食物链和饮用水等途径进入人体，威胁人类健康。所以土壤镉污染治理应该放在土壤-植物-管理协同治理系统中来，使源头控制、过程阻断、末端调节三者协同进行，特别是源头控制。农田土壤重金属镉输入主要有畜禽粪便、大气沉降、磷肥及秸秆、灌溉水、农用污泥等。其中大气干湿沉降较为复杂、调控难度极大；磷肥、农用秸秆、畜禽粪便、污泥中的重金属镉可以通过制定行业标准、控制市场准入、调整农业政策等措施加以调节和控制；而灌溉水中重金属镉治理问题长久来未受到重视、也没有形成有效解决措施。

当前重金属镉净化技术多集中于工业废水净化和饮用水领域，一些成熟的设施、工艺及材料不适用于灌溉水中重金属镉的净化工作。

目前，工业废水及饮用水重金属镉治理领域的现有技术主要有沉淀法、离子交换法、电化学及膜处理法、生物法及净化法5种。其中沉淀法对水体扰动较大，且共沉淀分离较难，成本较高；离子交换法及膜处理法材料成本和运行成本昂贵，且在低镉污水上净化效益较差，设备维护困难；电化学法能耗较大，农田条件无法满足；生物法工程量大，程序复杂，占地多，耗时长，生物残体处理不当有二次污染风险，难以实现规模化；净化法控制条件多，实际操作难度大。总之，现有污水镉净化技术难以直接适用于灌溉污水。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种镉污染灌溉水的入田前快速净化装置和方法，主要目的是降低灌溉水中重金属镉的含量。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

一方面，本发明实施例提供了一种镉污染灌溉水的入田前快速净化装置，包括：

壳体，所述壳体上具有进水口和出水口；

净化材料层，由填充于壳体内的净化介质形成，所述净化材料层位于进水口和出水口之间，所述净化材料层为一层或多层，由进水口流入的灌溉水流经净化材料层后从出水口流出；

所述净化介质为氧化铁颗粒、油菜秸秆、石灰石颗粒和沸石颗粒中的至少一种。

作为优选，每层净化材料层的净化介质为氧化铁颗粒、油菜秸秆、石灰石颗粒和沸石颗粒中的一种，所述净化材料层至少为两层。

作为优选，所述至少两层净化材料层分别为不同净化介质时，所述净化介质自进水口至出水口排列的优先顺序为：氧化铁颗粒＞石灰石颗粒＞沸石颗粒＞油菜秸秆。

作为优选，所述净化材料层包括自进水口至出水口顺次排列的净化介质不同的第一净化材料层、第二净化材料层和第三净化材料层；其中，所述第一净化材料层的净化介质为氧化铁颗粒、石灰石颗粒或沸石颗粒，所述第二净化材料层的净化介质为石灰石颗粒、沸石颗粒或油菜秸秆，所述第三净化材料层的净化介质为石灰石颗粒、沸石颗粒或油菜秸秆。

作为优选，单层净化材料层的厚度为5-10cm。

作为优选，所述氧化铁颗粒、石灰石颗粒和沸石颗粒的粒径分别为5-8mm。

作为优选，净化材料层的过滤截面面积、进水口的截面面积与出水口的截面面积的比为400：25：16。

作为优选，所述壳体自进水口至出水口分为进水仓、过滤仓和出水仓，所述过滤仓与进水仓和出水仓分别可拆卸连接，所述进水口设于进水仓，所述出水口设于出水仓，所述过滤仓的底为筛网，所述过滤仓内填充的净化介质形成净化材料层。

作为优选，所述过滤仓由至少两段过滤段连接而成，每段过滤段的底均为筛网，所述每段过滤段内分别填充有净化介质形一层净化材料层。

作为优选，所述筛网的孔径为0.4cm。

作为优选，所述氧化铁颗粒的固体组分及按重量份的配比如下：

氧化铁粉 50～70份；

硅藻土 45～50份；

氧化钠或氧化钙粉 4～5份。

作为优选，所述固体组分与粘结剂混均后进行造粒，造粒后放于阴暗处稳定2小时左右，然后110℃烘烤3小时。

作为优选，所述粘结剂为体积百分浓度为30％的聚氨酯丙烯酸酯(PUA)水溶液。

作为优选，所述固体组分与粘结剂的固液比100g/20mL。另一方面，本发明实施例提供了一种镉污染灌溉水的入田前快速净化方法，以氧化铁颗粒、油菜秸秆、石灰石颗粒和沸石颗粒中的至少一种作为净化介质对灌溉水进行过滤净化。

作为优选，所述方法采用上述装置对灌溉水进行净化。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明实施例提供的镉污染灌溉水的入田前快速净化装置和方法具有高效、快速的特点，灌溉水可以快速通过，不对灌溉活动造成影响，同时灌溉水中重金属镉显著降低；本发明实施例的装置和方法采用净化介质采用农畜业废弃物，来源广泛、具有成本优势；本发明实施例的装置结果简单，操作方便，易于推广使用；本发明实施例的装置和方法从源头上降低灌溉水重金属镉，且对水体固有组分影响较小，不造成二次污染，是一种环保型治污技术。

附图说明

图1为本发明实施例的镉污染灌溉水的入田前快速净化装置的结构透视图；

图2为本发明另一实施例的镉污染灌溉水的入田前快速净化装置的结构透视图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

本发明实施例的装置用于灌溉水净化，因此应保证足够的出水量，本领域技术人员可根据需要确定大小及过滤面积、进水口的截面面积与出水口的截面面积的比等，必要时可将多个装置串联或并联使用以增加其净化效果或增加总的出水量。

本发明实施例中采用的净化介质分别如下：

氧化铁颗粒：主要成分为氧化铁粉等，经简便造粒工艺制备而成。

石灰石颗粒及沸石颗粒：由石灰石和沸石经粉碎、筛分获得。

油菜秸秆：将风干的油菜秸秆裁剪为一定长度备用，一般裁剪长度为5-10cm。

图1和图2分别为本发明实施例的净化灌溉水中重金属镉的装置的结构透视图，图1中尚未填充净化介质，图2中已填充净化介质。图1显示的壳体为圆筒形，图2显示的壳体为横截面为正方形的长方体。

实施例1

请参照图1和图2。净化灌溉水中重金属镉的装置，包括：

壳体100，壳体100上具有进水口200和出水口300；

净化材料层400，由填充于壳体内的净化介质形成，净化材料层400位于进水口200和出水口300之间，由进水口200流入的灌溉水流经净化材料层400后从出水口300流出；

形成净化材料层400的净化介质为粒径为5-8mm的氧化铁颗粒。本实施例中通过在壳体100内填充作为净化介质的氧化铁颗粒形成净化材料层400，净化材料层400的厚度为20cm，净化材料层400的容重1.29g/cm³。

实施例2

本实施例与实施例1不同仅在于净化介质为粒径为5-8mm的石灰石颗粒，净化材料层400的容重1.29g/cm³。

实施例3

本实施例与实施例1不同仅在于净化介质为油菜秸秆，油菜秸秆为束状，且油菜秸秆的轴向与水流方向一致填充于壳体100内。净化材料层400的容重0.08g/cm³。

净化净化实施例4

本实施例与实施例1不同仅在于净化介质为粒径为5-8mm的沸石颗粒，净化材料层400的容重1.43g/cm³。

实验室配制重金属镉含量＝60ug/L，电导率(25℃)＝1.42mS/cm，pH值＝6.0的灌溉水模拟溶液。模拟溶液离子组成参考自然河水离子组成，具体配方为：CaC1₂ 0.5mmo1/L、Ca(NO₃)₂ 0.5mmol/L、MgCl₂ 0.5mmol/L、Na₂SO₄ 0.1mmol/L和KCl 0.1mmol/L。按照实施例1-5的方案制备得到内径3厘米，进水流量5.0L/min(换算至内径40厘米，流量约为54方/h)的实验室用净化装置。测定流出液中重金属镉含量随净化时间的变化情况。净化介质镉固持量、镉固持速率常数等相关参数见下表1。

表1

表中K表示材料重金属镉吸附速率常数；t_a表示流出液为10ug/L时的净化时间；M_ad表示重金属镉吸附总量；M_m和M_v分别表示单位质量和单位体积材料重金属镉吸附量。P_t表示3小时内材料重金属镉净化效率，计算公式为P_t＝M_ad*100/净化水体镉总量。

上述试验表明，3小时内5种材料净化后流出液镉含量均显著降低至10ug/L以下；3小时内每立方米的氧化铁颗粒、石灰石颗粒、油菜秸秆和沸石颗粒分别可固持重金属镉354.0g、348.7g、358.2g和344.4g；3小时内重金属净化效率90.2-93.8％，这表明本发明实施例的净化介质能够应用于农田灌溉水中重金属镉快速净化。

本发明实施例采用的净化介质中，氧化铁颗粒可有效净化水中的Cd²⁺、Hg²⁺、Pb²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺等重金属离子，F^－及PO₃ ^4-等无机污染物，是一种清洁高效净水材料。易于与污染水体的分离，既保留了材料净化性能，又保证了良好的透水性能。油菜秸秆中富含巯基化合物，能与重金属镉发生专性螯合作用。油菜秸秆作为一种农业废弃资源，不仅清洁环保，而且来源广泛、价格低廉，彰显了取之于农、用之于农的科学理念。此外，油菜秸秆腐解释放出有机小分子、矿物离子等随灌溉水进入农田土壤，一定程度上有利于提升土壤有机质，调理土壤理化条件。净化石灰石颗粒和沸石颗粒不但具有良好的净化性能，而且石灰石可调节土壤酸碱，是一种较清洁材料。

本发明实施例中的净化材料层400可以为一层，也可以是多层(至少两层)的组合。每层由单一的净化介质构成。每层净化材料层用单一的净化介质空隙均匀度易于控制、对净化效果及速度的影响易于计算，便于设计，操作简单、装置参数易于实现。并且多层组合时，每层的净化介质不同可以增加净化效果。

实施例5至实施例10分别为采用与实施例1至实施例4相同的净化介质进行组合，并分别装填至图1和图2所示的壳体内。其中图1中，壳体100自进水口至出水口分为进水仓110、过滤仓120和出水仓130，过滤仓120与进水仓110和出水仓130分别可拆卸连接，进水口200设于进水仓110，出水口300设于出水仓130，过滤仓120内填充净化介质形成净化材料层400。通过将壳体100分为多段，便于净化介质的填充和更换。当过滤仓120内的净化介质净化饱和后，将过滤仓120拆下，换上预先填装好净化介质的备用过滤仓即可，更换迅速。壳体100的各部分之间的连接可根据需要从现有技术中选取适当的方式，优选拆卸方便、密封性能好的连接方式。本实施例中过滤仓120和进水仓110以及和出水仓130之间分别通过搭扣实现快速连接和拆卸，为进一步提高连接部的密封性能，在过滤仓120和进水仓110以及和出水仓130的连接部分别设置密封圈或密封垫等。壳体100的各部分之间采用插接方式，相邻两部分中的一个的内壁上具有环形承托台阶以对插入部分的端部进行承托并可实现密封，或相邻两部分中的插入部分的外壁具有环形限位凸棱一对另一部分套于外侧的端部限位并可实现密封。过滤仓120以筛网500为底，使过滤仓120形成上端敞口的容器，将净化介质从上部填装即可。使用时，进水口200位于上方，因此，净化介质的上方可不覆盖筛网等，当然也可覆盖筛网等物避免因水流冲击导致净化介质移动。净化介质上方的筛网可作为进水仓110的底板，连接时自然进行覆盖。壳体100的相邻两部分插接后用搭扣锁定即可。过滤仓120一般由一段、两段或多段的过滤段连接而成，每段过滤段的底为筛网500，筛网500承托净化介质，并不妨碍灌溉水通过。每段过滤段内填充净化介质后即可形成一层净化材料层，任意组合后即可得到本发明实施例的装置的整个净化材料层400。过滤仓120由多个过滤段组成，每一过滤段内填充单一的净化介质，利于不同净化介质的组合。图1和图2所示的实施例中，过滤仓120由三段过滤段组成，过滤仓120由自上而下第一过滤段121、第二过滤段122和第三过滤段123依次连接而成，每一过滤段均以筛网作为底，每一过滤段的高度为10cm，这样每一过滤段内填充相应的净化介质后按设计的顺序连接即可。如图2，第一过滤段121、第二过滤段122和第三过滤段123内分别填充净化介质形成第一净化材料层410、第二净化材料层420和第三净化材料层430。当然，每一过滤段的高度可以根据需要确定，一般每层高度为5-10cm，并且过滤介质不一定将过滤段填充满，如一个过滤段的高度为15cm，但净化介质仅填充至8cm或10cm等。过滤仓120可以根据需要将两段或多段的过滤段进行组合，不同的过滤段可填充不同的净化介质。各过滤段之间同样也可采用搭扣进行连接。作为一种替换，可以采用具有网孔的容器预先填充净化介质后作为滤芯，滤芯与壳体100内部相适配，使用时将滤芯装配于壳体100即可使用。同样，滤芯可以组合使用。总之，净化介质在壳体100内形成净化材料层400的具体形式不限。如图1所示的实施例中进水口的内径为10cm，出水口的内径为8cm，壳体100为圆筒形，壳体的内径为40cm。出水口300和进水口200的高度差为70cm，壳体的整体高度为75cm。所用的筛网的孔径为0.4cm。图2所示实施例的壳体为横截面边长为40cm的正方形的筒体，其他尺寸与上述图1所示实施例相同。各实施例具体填料组合及顺序及镉净化总量(g)见表2。

表2

表2中“圆形”表示采用图1所示装置，“方形”表示采用图2所示装置。具体参数如前述。

将实施例5至实施例10的净化灌溉水种重金属镉的装置进行实地测试，灌溉水管型号为DN50(内径5cm、外径6cm)消防水管，田间水头总阀最大出水流量64.8方每小时，最大流速为9.16米每秒。同时还将净化介质的粒径按照5-6mm和6-8mm分别填装，以及每层的填装高度按5cm和10cm进行区分，并将五种净化介质进行其他组合形式。将灌溉水通过顶端进水口导入装置中，进水口不密封，保持常压。灌溉水通过前首先确使装置水饱和，然后同时打开水头总阀和装置出水口阀门，测定净化装置的最大允许进水流量。结果表明，灌溉水头总阀保持最大流量时，不同材料装填方案下净化装置均不发生阻滞现象，顶端进水口没有灌溉水溢出。这表明，田间条件下本装置最大允许流量大于64.8m³/h。

将上述实施例的净化装置置于田间，实地验证其对污灌污水中重金属镉的净化效果。田间验证分别于河北石家庄、湖南长沙两处同时展开。装置组装完毕后，按操作规程运行净化装置，间隔一定时间，采集净化后灌溉水水样，测定重金属镉、pH等相关指标，研究净化后灌溉水中重金属镉含量等指标随净化时间的变化情况。结果表明，经本装置净化处理后，灌溉水中重金属镉显著降低至10ug/L以下，且净化效果相对稳定；净化装置处理效果随净化时间的延长而缓慢降低，材料镉净化量最终达到饱和。各地资源禀赋不同，可因地制宜，灵活配置净化装置材料配方。如实施5、6的净化介质的组合方式以无机材料为主，有机材料油菜秸秆为辅，结构疏松，成本合理，提升灌溉水pH能力较强。实施例7、8的净化介质的组合方式以纯无机材料组合，结构稳定，水稳性较强。实施例9、10的净化介质的组合方式以纯天然材料组合，简便高效，来源广泛。

本发明实施例的净化灌溉水中重金属镉的装置的本体部分(除净化介质以外的部分)的材质可以是金属也可以是塑料等，壳体各部分之间的连接处理上述方式之外也可采用诸如螺纹连接等形式。

本发明实施例中净化材料层400的总厚度一般15-30cm即可达到净化要求，又可保证水头满足灌溉要求。当净化材料层400由多层组成时，单层的厚度一般为5-10cm。

同一层由不同材料混合组成可行性较差，一方面受限各地资源禀赋，另一方面，多材料配比尤其是有机材料与无机材料混合，材料配比复杂、过滤层空隙均匀度难以保证、对净化效果及速度的影响复杂、操作困难、装置参数不易实现。多层组合一般为3层，总厚度15-30cm。单一滤层可填充同一种材料。多层结构且每层为单一材料时，4种材料在多层滤层中装填的优先顺序为：氧化铁颗粒＞石灰石颗粒＞沸石颗粒＞油菜秸秆。油菜秸秆与水流方向一致。

装置进水口截面积、材料滤层截面积、出水口截面积三者比例基本决定了装置的总最大过水量。根据装置不影响灌溉水速的设计要求，最大过水量需近似60方每小时。进水口截面积由农田应用实际情况确定。装置截面积(圆半径20，方边长20)经理论推导、实验验证，综合设计要求加以最终确定如上参数。装置截面积过大，一方面过水量过大，灌溉水基本为不饱和流，对材料资源是一种浪费，另一方面，装置过大过于笨重田间运输不便且占用太多空间。

本发明实施例的氧化铁颗粒的固体组分及按重量份的配比如下：

氧化铁粉50～70份、硅藻土45～50份以及氧化钠或氧化钙粉4～5份。

固体组分均过40目筛，充分混匀；粘结剂与固体组分混均后进行造粒，粒径为5-8cm。造粒后放于阴暗处稳定2小时左右，然后110℃烘烤3小时即可。粘结剂可从现有的粘结剂中选取，本实施例中以聚氨酯丙烯酸酯与水按3：7的体积比混合得到的体积百分比浓度为30％的聚氨酯丙烯酸酯水溶液作为粘结剂。本实施例中固体组分与粘结剂固液比100g/20mL。

本发明实施例的氧化铁颗粒不需要超高温烘烤，因此不破坏材料固有组分及原有性质，净化性能更佳；颗粒有良好的水稳定性；并且具备一定的缓释OH⁺的能力，在净化重金属镉的同时可在一定程度上调节灌溉水酸解度。并且制备工艺操作简单。

净化灌溉水中重金属镉的方法，以氧化铁颗粒、油菜秸秆、石灰石颗粒和沸石颗粒中的至少一种作为净化介质对灌溉水进行过滤净化。具体净化介质的组合以及净化过程采用的装置等可参考上述关于净化装置的叙述。

本发明实施例的净化灌溉水种重金属镉的装置及方法采用的净化介质清洁环保，来源广泛，净化过程对灌溉水原组分扰动较小。最后贴合农业技术及农田应用实际，灌溉水重金属镉净化无论是技术成本还是原料成本都很低，操作难度低，整体结构轻巧高效。本发明实施例的装置及方法不但可以降低水体镉离子，而且当采用氧化铁颗粒和石灰石颗粒时，缓释OH⁺及其他碱性物质可提升灌溉水pH值，进一步降低土壤中镉活度，尤其对南方酸性土壤改良意义较明显。同时还可以净化固持灌溉水中其他种类繁多的有机、无机有害物质，从而可以从多方面提高灌溉水质，保障农产品及产地安全。

本发明实施例的装置既响应了国家政策和社会需求，也填补了市场空白，意义深远。对于保障我国农产品产地安全意义重大，有益于保障我国粮食安全，降低人民健康风险。变废为宝，发展了一种资源节约、环境友好、可持续新型治污模式，区别于传统水污染技术，治污理念超前，具有明显的先进性。成本低廉，更契合于农业实际，前景明朗；从源头着手一次性降低灌溉水中的镉含量，切断其进入农田土壤的通道，不造成“二次污染”。

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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.镉污染灌溉水的入田前快速净化装置，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体上具有进水口和出水口；

净化材料层，由填充于壳体内的净化介质形成，所述净化材料层位于进水口和出水口之间，所述净化材料层为一层或多层，由进水口流入的灌溉水流经净化材料层后从出水口流出；

所述净化介质包含第一净化介质和第二净化介质，其中，所述的第一净化介质为氧化铁颗粒，所述的氧化铁颗粒的固体组分及按重量份的配比为，氧化铁粉50～70份，硅藻土45～50份，氧化钠或氧化钙粉4～5份；所述的第二净化介质为油菜秸秆、石灰石颗粒和沸石颗粒中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的镉污染灌溉水的入田前快速净化装置，其特征在于，单层净化材料层的厚度为5-10cm。

3.根据权利要求1所述的镉污染灌溉水的入田前快速净化装置，其特征在于，所述氧化铁颗粒、石灰石颗粒和沸石颗粒的粒径分别为5-8mm。

4.根据权利要求1所述的镉污染灌溉水的入田前快速净化装置，其特征在于，净化材料层的过滤面积、进水口的截面面积与出水口的截面面积的比为400：25：16。

5.根据权利要求1所述的镉污染灌溉水的入田前快速净化装置，其特征在于，所述壳体自进水口至出水口分为进水仓、过滤仓和出水仓，所述过滤仓与进水仓和出水仓分别可拆卸连接，所述进水口设于进水仓，所述出水口设于出水仓，所述过滤仓的底为筛网，所述过滤仓内填充的净化介质形成净化材料层。

6.根据权利要求5所述的镉污染灌溉水的入田前快速净化装置，其特征在于，所述过滤仓由至少两段过滤段连接而成，每段过滤段的底均为筛网，所述每段过滤段内分别填充有净化介质形成一层净化材料层。

7.根据权利要求5或6所述的镉污染灌溉水的入田前快速净化装置，其特征在于，所述筛网的孔径为>0.4cm。

8.根据权利要求1所述的镉污染灌溉水的入田前快速净化装置，其特征在于，所述氧化铁颗粒的固体组分与粘结剂混均后进行造粒，造粒后放于阴暗处稳定2小时左右，然后110℃烘烤3小时。

9.根据权利要求8所述的镉污染灌溉水的入田前快速净化装置，其特征在于，所述粘结剂为体积百分浓度为30％的聚氨酯丙烯酸酯水溶液。

10.根据权利要求8所述的镉污染灌溉水的入田前快速净化装置，其特征在于，所述固体组分与粘结剂的固液比100g/20mL。

11.镉污染灌溉水的入田前快速净化方法，以净化介质对灌溉水进行过滤净化，所述的净化介质包含第一净化介质和第二净化介质，所述的第一净化介质为氧化铁颗粒，所述的氧化铁颗粒的固体组分及按重量份的配比为，氧化铁粉50～70份，硅藻土45～50份，氧化钠或氧化钙粉4～5份；所述的第二净化介质为油菜秸秆、石灰石颗粒和沸石颗粒中的至少一种。

12.根据权利要求11所述的镉污染灌溉水的入田前快速净化方法，其特征在于，采用权利要求1-10任一项所述的装置对灌溉水进行净化。