CN105621786A - 一种处理农业面源污染的上升流垂直人工湿地系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种处理农业面源污染的上升流垂直人工湿地系统，包括上升流垂直人工湿地和与其出水口连接的储水箱，人工湿地的填料从下到上依次为：碎石填料层、铁碳陶粒微电解填料层和砾石填料层，砾石填料层上种植有挺水植物；储水箱用于存储经过人工湿地处理后的废水，由进水管，出水管、浮球及箱体组成，进水管设在箱体上部，其上连接有四通管，水平管的一端与人工湿地的出水口连接，另一端通向受纳水体，垂直管向下的管口设有浮球网篮，浮球设在网篮内；箱体的底部设有出水管与农业排灌系统相连。本系统吸取人工湿地和微电解工艺各自去除难降解有毒有机污染物废水的优势，将两者进行耦合，达到在同一系统内有效去除农药污染物的目的。

Description

一种处理农业面源污染的上升流垂直人工湿地系统

技术领域

本发明属于环境工程污水生态处理技术领域，具体是一种处理农业面源污染的上升流垂直人工湿地系统，其不仅针对农业面源污染中的氮磷污染控制，而且对农业面源污染径流中携带的农药成分进行有效降解，避免农药二次污染的形成。

背景技术

农药作为一种重要的农业生产资料，在保护农业生产、提高农业综合生产能力、保护农业生态环境、促进粮食稳定增产和农民持续增收上，发挥着极其重要的作用。我国既是农药生产大国又是农药使用大国。农药的大量使用一方面为农业生产做出了重要贡献,然而农药的利用率只有10%～20%,其余可随雨水或灌溉水向水体迁移或者在农药使用过程中形成雾滴或粉尘微粒随风漂移沉降进入水体。由于农药毒性强、残留量大、残毒期和生物学半衰期长、能经过食物链浓集，并且能在环境中循环和积蓄，给生态环境造成了严重污染。

农业生产中的农药通过农业径流对水环境造成面源污染影响，其废水产生的机制复杂，传统的处理技术难以适用，各国对人工湿地治理因农田径流带来的面源污染问题己经开展了诸多的研究及应用。人工湿地是20世纪70年代发展起来的新型污水处理和水环境修复技术，常为由土壤或人工填料(如碎石等)和生长在其上的水生植物所组成的独特的土壤-植物-微生物-动物生态系统。人工湿地系统中微生物的分解、利用、异化，基质的吸附、过滤，及植物的吸收、转化等过程都有可能对水体中的农药污染物起到净化的作用。

虽然人工湿地作为处理农业废水的一种有效方式，经过多年的逐步改进，许多应用实例也都表明用人工湿地可有效处理农业径流中的杀虫剂和除草剂。人工湿地系统有效去除农药的机理之一就是截留农业径流中吸附农药的悬浮颗粒，根据农药不同的生物可降解性，农药成份在人工湿地系统沉积物中残留累积量随之变化。有机氯农药和含硫有机磷农药如甲基对硫磷、甲基嘧啶磷、丙溴磷、乐果、马拉硫磷等不易被微生物降解，可生化性差，生物学半衰期长。这些特性决定了农药污染物可长期积蓄在人工湿地沉积物中，尤其是厌氧状态的沉积物中。在雨季时，暴雨会把累积的难降解农药的沉积物冲刷出人工湿地系统，造成对环境的二次污染。此外，富含农药的农业废水具有较大的生物毒性，难降解、成分复杂。

近年来，人工湿地系统和其它处理技术的优化组合成为新型废水处理技术的研究热点。以零价铁（如海绵铁、铁屑、铁刨花）作为人工湿地部分基质层，和砾石、砂、红壤等基质层构建零价铁耦合人工湿地系统；还有以铁屑、粉煤灰、炉渣组成微电解填料组成人工湿地基质，形成微电解和人工湿地系统的结合，实现了有效去除废水中污染物的目的。然而此类零价铁层和微电解填料层易于板结和钝化，从而造成人工湿地基质层堵塞，极大的影响人工湿地的正常运行，给维护带来较高的成本。

微电解法污水处理技术是利用金属腐蚀原理，形成原电池对废水进行处理的良好工艺。它充分利用铁-炭体系形成的微原电池对水中难降解污染物进行处理，提高难降解有机物的可生化性。其机理主要包括:(1)铁屑的吸附作用；(2)Fe的还原作用；(3)微电解产物Fe²⁺、氢的还原作用；(4)Fe²⁺/Fe³⁺的絮凝作用。铁碳微电解法处理农药废水时主要机理有：电化学富集、氧化还原、物理吸附、铁离子混凝。铁碳微电解法能有效去除农药混合废水的色度、气味和悬浮物，对化学需氧量COD的去除率可达42%左右，降低后续处理成本及负荷。如向铁碳体系中加入一定量的Mn²⁺和Zn²⁺，使之吸附于活性炭表面，会产生一定催化氧化有机物的作用，有利于产生絮凝作用，取得良好的试剂效果。铁碳微电解法对乙草胺和久效磷农药废水的处理也十分有效,废水的COD_cr去除率可达67%以上。采用铁屑和焦炭为填料的微电解法处理农药废水,COD_Cr、色度、As、氨氮、有机磷和总磷去除率分别可达76.2%、80%、69.2%、55.7%、82.7%和62.8%,废水的BOD₅/COD_Cr(可生化性)从0.29提高到0.5。

如果以铁碳微电解填料作为人工湿地的基质成分的一部分，将微电解和人工湿地工艺耦合，可增强微电解人工湿地联合体系对农药污染物的净化能力，利用微电解技术破坏有机农药的化学结构，实现有机污染物的开环、断链，提高废水的可生化降解性。同时利用人工湿地中植物、微生物协同作用将剩余有机物彻底降解。此外，微电解过程产生铁离子能促进微生物繁殖和酶的分泌，不仅可显著提高生物脱氮效果，还有利于净化污水中的磷。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，而提供一种处理农业面源污染的上升流垂直人工湿地系统，采用铁碳陶粒作为人工湿地基质的组成部分，可有效避免湿地基质中铁碳层易于板结、钝化所带来的问题，以铁碳陶粒构建耦合微电解人工湿地，为农业面源污染的有效治理提供一种新方法。

实现本发明目的的技术方案是：

一种处理农业面源污染的上升流垂直人工湿地系统，包括上升流垂直人工湿地和与其出水口连接的储水箱，所述上升流垂直人工湿地的填料从下到上依次为：碎石填料层、铁碳陶粒微电解填料层和砾石填料层，砾石填料层上种植有挺水植物；

所述上升流垂直人工湿地的进水口设在湿地池体的底部，出水口设在湿地池体的顶部。

所述储水箱用于存储经过人工湿地处理后的废水，由进水管，出水管、浮球及箱体组成，进水管设在箱体上部，其上连接有四通管，水平管的一端与人工湿地的出水口连接，另一端通向受纳水体，垂直管向下的管口设有浮球网篮，浮球设在网篮内；箱体的底部设有出水管与农业排灌系统相连。

所述碎石填料层的高度为15～20cm，碎石粒径为4～5cm；铁碳陶粒微电解填料层的高度为30～35cm，铁碳陶粒微电解填料的粒径为1～2cm；砾石填料层的高度为25～35cm，砾石粒径为0.5～1cm。

所述的挺水植物为芦苇、香蒲、美人蕉、扇形草等湿地植物。

所述的铁碳陶粒是以高纯铁粉、高纯碳粉、高岭石粉、及多种活性金属（如铜、镍、锌）为原料，经过造粒，以氮气为保护气，在高温下焙烧所制成。

所述储水箱内设有最大蓄水位，当水位没有达到最大蓄水位时，浮球在网篮下部，人工湿地处理后的废水进入储水箱；当水位达到最大蓄水位时，浮球上升堵塞管口，人工湿地处理后的废水排入受纳水体。储水箱的顶部设有观察口，底部设有出水管与农业排灌系统相连，经过处理后的清洁水可作为灌溉水源。

应用本发明系统处理农业面源污染，在受纳水体的区域内建立至少一个本发明的处理系统，含农药的面源污水经系统处理净化后再排放到受纳水体，经过处理的清洁水也可作为灌溉水源，实现水资源的循环利用。

为防止农业面源污染径流中固体颗粒物阻塞系统管路，在农业排灌站出口端设置植被浅沟相连接，利用地表植物和土壤来截留净化农业面源污染径流污染物。当面源污染废水流过植被浅沟，污染物在过滤、渗透、吸收及生物降解的联合作用下被去除，植被同时也降低了面源污染废水流速，使颗粒物得到沉淀，达到初步控制面源污染废水径流水质的目的。在植被浅沟后设置本发明上升流垂直人工湿地系统，可对废水中的不易降解的农药进行有效去除。

本发明系统依据人工湿地和电解法去除农药污染物过程中的机理和特点，吸取人工湿地和微电解工艺各自去除难降解有毒有机污染物废水的优势，将两者进行耦合，达到在同一系统内有效去除农药污染物的目的。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中，A.为上升流垂直人工湿地B.为储水箱1.进水口2.碎石填料层3.铁碳陶粒微电解填料层4.砾石填料层5.挺水植物6.出水口7.储水箱进水管8.四通管9.浮球网篮10.浮球11.储水箱最大蓄水位12.储水箱出水管13.观察口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步的说明，但不是对本发明的限定。

参照图1，一种处理农业面源污染的上升流垂直人工湿地系统，包括上升流垂直人工湿地A和与其出水口6连接的储水箱B，所述上升流垂直人工湿地A的填料从下到上依次为：碎石填料层2、铁碳陶粒微电解填料层3和砾石填料层4，砾石填料层4上种植有挺水植物5。

上升流垂直人工湿地A的进水口1设在湿地池体的底部，出水口5设在湿地池体的顶部。

储水箱B用于存储经过人工湿地处理后的废水，由进水管7，出水管12、浮球10及箱体组成，进水管7设在箱体上部，其上连接有四通管8，四通管8水平管的一端与人工湿地的出水口6连接，另一端通向受纳水体，四通管8垂直管向下的管口设有浮球网篮9，浮球10设在网篮内；箱体的底部设有出水管12与农业排灌系统相连。

碎石填料层2的高度为15～20cm，碎石粒径为4～5cm；铁碳陶粒微电解填料层3的高度为30～35cm，铁碳陶粒微电解填料的粒径为1～2cm；砾石填料层4的高度为25～35cm，砾石粒径为0.5～1cm。

挺水植物5为芦苇、香蒲、美人蕉、扇形草等湿地植物。

铁碳陶粒以高纯铁粉、高纯碳粉、高岭石粉、及多种活性金属（如铜、镍、锌）为原料，经过造粒，以氮气为保护气，在高温下焙烧所制成。

储水箱B内设有最大蓄水位11，当水位没有达到最大蓄水位时，浮球10在网篮9下部，人工湿地处理后的水进入储水箱B；当水位达到最大蓄水位11时，浮球10上升堵塞管口，人工湿地处理后的水排入受纳水体。储水箱B的顶部设有观察口13，底部设有出水管12与农业排灌系统相连，经过处理后的清洁水可作为灌溉水源。

Claims (3)

1.一种处理农业面源污染的上升流垂直人工湿地系统，包括上升流垂直人工湿地和与其出水口连接的储水箱，其特征在于：所述上升流垂直人工湿地的填料从下到上依次为：碎石填料层、铁碳陶粒微电解填料层和砾石填料层，砾石填料层上种植有挺水植物；

所述上升流垂直人工湿地的进水口设在湿地池体的底部，出水口设在湿地池体的顶部；

所述储水箱用于存储经过人工湿地处理后的废水，由进水管，出水管、浮球及箱体组成，进水管设在箱体上部，其上连接有四通管，水平管的一端与人工湿地的出水口连接，另一端通向受纳水体，垂直管向下的管口设有浮球网篮，浮球设在网篮内；箱体的底部设有出水管与农业排灌系统相连。

2.根据权利要求1所述的处理农业面源污染的上升流垂直人工湿地系统，其特征在于：碎石填料层2的高度为15～20cm，碎石粒径为4～5cm；铁碳陶粒微电解填料层的高度为30～35cm，铁碳陶粒微电解填料的粒径为1～2cm；砾石填料层4的高度为25～35cm，砾石粒径为0.5～1cm。

3.根据权利要求1所述的处理农业面源污染的上升流垂直人工湿地系统，其特征在于：所述储水箱的顶部设有观察口，底部设有出水管与农业排灌系统相连，经过处理后的清洁水可作为灌溉水源。