CN105417867B - 一种水稻田面源污染控制与氮磷回收利用系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水稻田面源污染控制与氮磷回收利用系统和方法，属于污染防治技术领域。本发明的系统包括集水单元、格栅过滤单元、缓冲单元、氮磷吸附单元、水流通断控制单元、人工湿地、自然蓄水设施、水利回灌单元；水稻田排水时，水流依次经过各单元，通过氮磷吸附物质对氮磷吸附，并通过人工湿地吸收进一步降低水中氮磷物质含量，达到降低水体富营养化发生风险的目的；稻田灌溉时，水流经吸附单元进入灌溉沟渠，吸附物质通过脱附作用将吸附的氮磷物质释放到灌溉水中，重新进入稻田被利用。与现有技术相比，本发明在最大化地控制水体污染的同时，实现了氮磷物质的回收利用以及设施与自然的和谐相处，达到污染控制与节约施肥成本的目的。

Description

一种水稻田面源污染控制与氮磷回收利用系统和方法

技术领域

本发明涉及一种水稻田面源污染控制与氮磷回收利用系统和方法，属于污染防治技术领域。

背景技术

在广大农村，农业面源污染是水环境污染的重要来源，其主要污染物质为氮磷，它是造成水体富营养化的主要物质。农业氮磷面源污染的主要来源包括农田施肥、动物粪尿以及生产生活污水等，其中农田施肥占比最大。

在农作物种植过程中，人们大量使用化肥等富含氮磷的有机或无机化学肥料，由于农作物对氮磷的利用率平均值约为35％，近65％的氮磷通过雨水及灌溉用水等进入自然水体，导致农村池塘等水体的富营养化。因此，解决农业氮磷面源污染问题对减少自然水体富营养化具有十分重要的实际意义。

通过设置氮磷吸附装置用氮磷吸附物质或吸附剂来实现对氮磷的去除，但吸附物质对氮磷的吸附效果并不是十分明显，去除率约为40％，剩余的氮磷则直接排入了自然水体，对水体依旧造成富营养化污染。并且吸附剂需要不断补充，不仅不能实现氮磷的回收利用而且造成了附加污染物质的产生，造成了额外的污染及运营成本。

人工湿地除氮磷技术则通过人工模拟自然湿地的结构功能。利用自然生态系统中的物理和生物协同作用来实现对农田排水中氮磷的去除，不仅能有效组织农田氮磷物质进入自然水体，防止发生水体富营养化，而且能通过合理规划与设计，与周边环境达到和谐相处的效果。不足之处在于氮磷物质被湿地消化吸收且不能回收利用。在农田排水中氮磷元素在农业氮磷施肥中所占比例约为2/3，如果这部分营养物质能全部或部分回用至农田，供作物吸收利用，则将有利于降低施肥成本，具有一定的经济效益。

发明内容

本发明意在解决我国南方水稻田的氮磷面源污染问题而提供一种部分营养物质可回收利用、节约成本，农田排水达标排放至自然水体的水稻田面源污染控制与氮磷回收利用系统和方法。

本发明的第一个目的是提供一种水稻田面源污染控制与氮磷回收利用系统，所述系统依次设有集水单元、格栅过滤单元、缓冲单元、氮磷吸附单元、人工湿地、自然蓄水设施；其中自然蓄水设施通过水利回灌单元与氮磷吸附单元连接；所述氮磷吸附单元与人工湿地之间设有第一水流通断控制单元，水利回灌单元与氮磷吸附单元之间设有第二水流通断控制单元。

所述第一水流通断控制单元在水稻田排水时处于连通状态，以便于水流进入人工湿地；所述第二水流通断控制单元在灌溉时处于连通状态，以便自然蓄水设施中的水流反向进入氮磷吸附单元。

在本发明的一种实施方式中，所述系统中，水稻田的排水通过集水单元进行汇集，依次经格栅过滤单元、氮磷吸附单元、人工湿地处理后进入自然蓄水设施；稻田需要灌溉时，自然蓄水设施中的水流经水利回灌单元依次反向通过氮磷吸附单元、缓冲单元、格栅过滤单元、集水单元，重新进入稻田。

在本发明的一种实施方式中，所述水利回灌单元通过水泵与自然蓄水设施连接。

在本发明的一种实施方式中，所述集水单元为原有稻田的灌溉沟渠。在水田灌溉时用于水田灌溉，降雨或排水时用于水田排水，并可在水量大时起到缓冲调节流速的作用。

在本发明的一种实施方式中，所述格栅过滤单元包括粗格栅和细格栅，接近集水单元的为粗格栅。分别用于拦截水稻田排水中带入的稻田杂物，防止对后续的处理系统造成影响。格栅需要定期进行人工清理，清除拦截下来的杂物，防止堵塞排水沟渠。

在本发明的一种实施方式中，所述格栅过滤单元由不同孔径的不锈钢网制作而成。

在本发明的一种实施方式中，所述缓冲单元由至今在6-14cm的石块组成。

在本发明的一种实施方式中，所述缓冲单元由大小在10cm左右的石块组成，水流从石缝中流过，起到对流速的缓冲作用。在石头上部液位以上的部分可覆盖一定厚度的砂石用于种植适合水生的植物，如小叶女贞等，以达到美化环境及净化水质的目的。

在本发明的一种实施方式中，所述氮磷吸附单元由沸石和/或煤灰渣组成。

在本发明的一种实施方式中，所述氮磷吸附单元使用的吸附材料的吸附容量越大越好；吸附材料的最小用量为水稻田最大量排水完毕时吸附材料的吸附量尚未达到最大吸附值。

在本发明的一种实施方式中，所述第一水流通断控制单元为可人工控制或电动控制的水闸结构，用于阻断水流进入后续处理设施及控制进入流速。

在本发明的一种实施方式中，所述人工湿地中种植氮磷吸收效果较好的空心莲子草及千屈菜，若条件允许可在在人工湿地前部设置一块区域用于种植水葫芦，通过三种湿地植物的根系吸收水中未被氮磷吸附单元吸附的氮磷，降低水中的氮磷含量。

在本发明的一种实施方式中，所述自然蓄水设施为人工修建的水池或自然池塘、河流，用于农田灌溉的汲水，在自然蓄水池中设置有用于水利灌溉的水泵。

在本发明的一种实施方式中，所述水利回灌单元连接自然蓄水设施及水流通断控制单元，用于水稻田灌溉及吸附单元的反冲洗。

本发明的第二个目的是提供一种水稻田面源污染控制与氮磷回收利用方法，是：当水稻田需要排水时，使水稻田中的排水依次经集水单元进行汇集、格栅过滤单元过滤掉水中的杂质、缓冲单元平缓水流降低流速、氮磷吸附单元吸附水中的氮磷物质，到达人工湿地，经人工湿地处理后排放到自然蓄水设施；当水稻田需要灌溉时，自然蓄水设施中的水经水利回灌单元反向通过氮磷吸附单元，使氮磷吸附单元中的氮磷物质发生脱附作用，被脱附的氮磷物质随水流依次通过缓冲单元、格栅过滤单元、集水单元，然后重新进入稻田。

在本发明的一种实施方式中，所述氮磷吸附单元与人工湿地之间设有第一水流通断控制单元，水利回灌单元与氮磷吸附单元之间设有第二水流通断控制单元。

在本发明的一种实施方式中，所述第一水流通断控制单元在水稻田排水时处于连通状态，以便于水流进入人工湿地；所述第二水流通断控制单元在灌溉时处于连通状态，以便自然蓄水设施中的水流反向进入氮磷吸附单元。

在本发明的一种实施方式中，所述集水单元、格栅过滤单元、氮磷吸附单元吸附等等的连接与组成与前面提及的水稻田面源污染控制与氮磷回收利用系统一致。

本发明通过集水单元、格栅过滤单元、缓冲单元、氮磷吸附单元、人工湿地、自然蓄水设施实现了水稻田排水中氮磷物质的有效吸附、利用，同时通过水利回灌单元反向进入氮磷吸附单元使吸附物质中的氮磷发生脱附作用，再进入到水稻田被水稻再吸收利用，实现了氮磷等营养物质的回收再利用。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、通过物质吸附及植物吸收利用，在实现部分氮磷物质重复利用的同时，有效降低排放水中的氮磷含量，降低自然水体富营养化发生概率的同时，实现营养物质的回收利用，降低生产成本，资源再利用率在40％以上；

2、氮磷吸附单元采用生产生活废料—煤灰渣及低成本的沸石作为吸附材料，具有低成本及废物再利用的效果；

3、集水单元采用原有稻田灌溉沟渠，人工湿地亦可在原有滩涂、泥沼地的基础上进行改造，设施建设成本较低；

4、人工湿地与周围环境和谐相处，可根据地理位置设计成为水上公园，在实现氮磷消除的基础上实现与周边环境的和谐相处；

5、与传统氮磷消除灌溉技术相比，本发明没有增加额外成本，具有投资少、免维护管理的特点。

附图说明

图1为本发明一种水稻田面源污染控制与氮磷回收利用系统和方法工艺流程图；

图2为本发明一种水稻田面源污染控制与氮磷回收利用系统和方法实施示意图。

具体实施方式

下面结合具体实例，进一步阐述本发明。应理解，这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

结合本发明的工艺流程图及具体实施示意图对本发明进行如下详述：

如图1所示为本发明的工艺流程图。

在稻田排水时，稻田水经灌溉沟渠汇集到集水单元进行集中处理，现场若无条件则使用原有的稻田灌溉沟渠作为集水使用，以达到调节水质的目的；

稻田排水经格栅过滤单元中的粗格栅过滤掉水中的杂草等大体积垃圾，经细格栅过滤掉排放水中的细小杂质，防止对后续的缓冲单元及吸附单元造成堵塞；

经格栅过滤单元过滤后的无杂质排水经缓冲单元减缓水流速度、平缓水流，最大可能地降低水流速度，防止对后续的氮磷吸附单元造成水流冲击；

经缓冲单元平缓流速后的排水进入氮磷吸附单元，由吸附单元中的沸石和煤灰渣对水中的氮磷物质进行吸附，水流速度越慢，吸附物质与水的接触面积越大，吸附效果越好；

经氮磷吸附单元吸附后，水中的氮磷物质含量下降约40％，剩余的氮磷物质由后续的人工湿地植物进行吸收利用，水流由吸附单元经水流通断控制单元进入人工湿地，人工湿地种植有对氮磷具有良好吸收效果的空心莲子草及千屈菜，必要时可在人工湿地中种植适量水葫芦以提高氮磷吸收率。在人工湿地中，水流采用上流式方式低速通过人工湿地，在人工湿地中停留时间越长，氮磷吸收率越高，最高可达90％以上。

经人工湿地排出的稻田排水中的氮磷物质去除率可到90％以上，满足自然水体排放要求，不会对自然水体造成富营养化威胁，从而到达稻田面源污染控制的目的。

稻田缺水需灌溉时，关闭吸附单元与人工湿地间的水流通断控制单元，打开水利回灌单元与氮磷吸附单元间的水流通断控制单元，由汲水设备从自然水体中抽取灌溉水进入水利回灌单元，并经氮磷吸附单元、缓冲单元、格栅过滤单元进入集水单元及稻田灌溉沟渠，实现对稻田的灌溉。

水流反向经过氮磷吸附单元时，氮磷吸附物质会进行脱附反应，将吸附的氮磷物质重新释放到灌溉水中，从而实现氮磷物质的回收利用，降低施肥成本，提高氮磷利用率的目的。氮磷的再利用率约占原始排放水中的氮磷含量的40％，即可节约40％的氮磷施肥成本，从而达到节能减排的目的。

如图2所示为本发明的具体实施示意图。

在本发明的具体实施过程中，采用原有的稻田灌溉排水沟渠作为集水单元，用于收集和暂时储存稻田排水，有利于节约建设成本；

稻田排水经灌溉沟渠到达格栅过滤单元，经格栅过滤单元去除水中杂质和垃圾。格栅过滤单元由粗格栅和细格栅组成，格栅采用不锈钢网制作，选择合适的孔径来制作粗细格栅，用于阻挡垃圾和细小物质，防止对后续的缓冲和吸附单元造成阻塞，可根据需要制作多层不同孔径的格栅，以达到最大化去除水中垃圾物质的目的；

为了平缓水流，降低水流速度，减少对氮磷吸附单元的冲击，本发明设置了缓冲单元，缓冲单元采用直径在10厘米左右的石块作为缓冲物，水流经石缝流淌，经缓冲单元后水流趋于平缓，流速减慢，更有利于水中氮磷物质的吸附。

为了降低建设成本，提高发明的实用性，采用对氮磷吸附效果较好的沸石和煤灰渣作为吸附物质，成本较低，更有利于推广使用。

水流通断控制单元在实际应用中采用水闸控制，用于控制水流与人工湿地及水利回灌单元间的通断，在排水时开启氮磷吸附单元与人工湿地间的水闸允许水流通过人工湿地，关闭氮磷吸附单元与水利回灌单元间的水闸防止水流进入水利回灌单元。稻田灌溉时则关闭氮磷吸附单元与人工湿地间的水闸阻断水流进入人工湿地，开启氮磷吸附单元与水利回灌单元间的水闸使灌溉用水通过氮磷吸附单元进入灌溉沟渠。

人工湿地种植氮磷吸收效果较好的空心莲子草及千屈菜，若条件允许可在在人工湿地前部设置一块区域用于种植水葫芦，通过三种湿地植物的根系吸收水中未被氮磷吸附单元吸附的氮磷，降低水中的氮磷含量。其中水葫芦对水中营养成分的吸收能力较强，但生产过快，需要合理控制其生长范围，避免造成生物泛滥及新的生态危害。人工湿地的建设可与周边环境整治协同进行，将人工湿地建成一个公园的形式，最大化地延长排水在湿地中的停留时间，在实现氮磷去除的同时为人们营造一个良好的生活环境。

经人工湿地吸收利用后的稻田排水可实现达标排放至自然水体，不会对自然水体造成富营养化污染。自然水体为稻田灌溉的取水点，在稻田缺水需要进行灌溉时，开启吸附单元与水利回灌单元间的水闸，关闭吸附单元与人工湿地间的水闸防止水倒流进人工湿地。

水泵开启后，水流随水利回灌单元进入氮磷吸附单元，氮磷吸附物质进行脱附作用，将吸附的氮磷物质释放回水中，并随水流进入稻田灌溉，降低氮磷施肥成本，提高氮磷肥的利用率。

以上所述实施例仅用于对本发明相关的技术方案进行说明，而非对其进行限制；相关领域的专业技术人员能够根据本发明所述技术方案进行修改和实现，或对其中的部分参数信息进行等同替换；而这些等同替换方案的本质与本发明所述技术方案本质相同。因此，本发明并不局限于本文所述实施例，而是与本文公开的原理和新颖特点相一致的最宽权利范围。

Claims (6)

1.一种水稻田面源污染控制与氮磷回收利用系统，其特征在于，所述系统依次设有集水单元、格栅过滤单元、缓冲单元、氮磷吸附单元、人工湿地、自然蓄水设施；其中自然蓄水设施通过水利回灌单元与氮磷吸附单元连接；所述氮磷吸附单元与人工湿地之间设有第一水流通断控制单元，水利回灌单元与氮磷吸附单元之间设有第二水流通断控制单元；所述格栅过滤单元包括粗格栅和细格栅，由不同孔径的不锈钢网制作而成，用于阻拦杂质进入后续处理单元；所述氮磷吸附单元由沸石和煤灰渣作为吸附质，水流反向通过时能发生脱附作用；所述缓冲单元由直径在6-14厘米的石头组成，水流从石缝中流过，用于平缓水流降低流速。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一水流通断控制单元在水稻田排水时处于连通状态，以便于水流进入人工湿地；所述第二水流通断控制单元在灌溉时处于连通状态，以便自然蓄水设施中的水流反向进入氮磷吸附单元；水稻田排水通过集水单元进行汇集，依次经格栅过滤单元、氮磷吸附单元、人工湿地处理后进入自然储水设施；稻田需要灌溉时，自然蓄水设施中的水流经水利回灌单元依次反向通过氮磷吸附单元、缓冲单元、格栅过滤单元、集水单元，重新进入稻田。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述水利回灌单元通过水泵与自然蓄水设施连接。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述集水单元为原有的稻田灌溉排水沟渠。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述人工湿地中种植植物，通过植物根系吸收未被吸附的氮磷物质，降低排放水中的氮磷含量。

6.一种应用权利要求1-5任一所述水稻田面源污染控制与氮磷回收利用系统的方法，其特征在于，所述方法是：当水稻田需要排水时，使水稻田中的排水依次经集水单元进行汇集、格栅过滤单元过滤掉水中的杂质、缓冲单元平缓水流降低流速、氮磷吸附单元吸附水中的氮磷物质，到达人工湿地，经人工湿地处理后排放到自然蓄水设施；当水稻田需要灌溉时，自然蓄水设施中的水经水利回灌单元反向通过氮磷吸附单元，使氮磷吸附单元中的氮磷物质发生脱附作用，被脱附的氮磷物质随水流依次通过缓冲单元、格栅过滤单元、集水单元，然后重新进入稻田。