CN105967339A - 一种重金属污染灌溉水的生态塘净化处理的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种重金属污染灌溉水的生态塘净化处理的方法及装置，步骤是：1、地点选择；2、构建三级生态塘；对原有池塘或低洼地或撂荒地进行扩容、加深、防渗、隔断处理；3、构建吸附净化池；在二级生态塘的末端设置水泥池；4、投放吸附材料；在吸附净化池的底部填入吸附重金属的材料；5、一级生态塘：种植水生植物；6、二级生态塘；种植水生植物；7、三级生态塘；种植水生植物，对灌溉水进行三级净化。该装置它由生态塘、吸附净化池、挡墙、生态护坡、防渗土工布、土壤层、进水管、进水量调节阀门、水生植物、吸附材料、出水管组成。适用范围广，净化效率高，结构简单，容易操作和管理，有效降低了重金属污染灌溉水处理的成本。
Description
技术领域
本发明属于重金属污染修复和水净化处理领域，更具体涉及一种重金属污染灌溉水的生态塘净化处理的方法，同时还涉及一种重金属污染灌溉水的生态塘净化处理的装置，它适用于我国南方重金属污染耕地修复中，在灌溉水进入稻田前，通过水生植物多级净化和吸附净化装置处理，使灌溉水中重金属浓度降到安全生产范围以内，是降低灌溉水中的镉等重金属污染的费用低、容易操作和管理的有效方法。
背景技术
随着中国经济的快速发展，部分地区由于矿山开采、工业污水无序排放、农药化肥过度施用等造成了严重的水体重金属污染，直接威胁到农业用水安全。据我国农业部进行的全国污灌区调查，在约140万公顷的污水灌区中，遭受重金属污染的土地面积占污水灌区面积的64.8％，其中轻度污染的占46.7％，中度污染的占9.7％，严重污染的占8.4％。目前全国受污染的耕地约有1.5亿亩，合计约占耕地总面积的10％。全国每年因重金属污染的粮食达1200万吨，造成的直接经济损失超过200亿元。因此，农田灌溉水重金属污染去除是当前亟待妥善解决的突出环境问题。
大量研究发现农田灌溉水具有以下特点：(1)重金属的含量低，大部分赋存于悬浮物中。(2)重金属含量常受污染排放状况与水力学条件影响，在时间和分布上不规则，即并不是每个区域、每个时间段都超标。(3)水体中重金属的检出与水相pH值有关。一般在碱性条件下,易受泥沙吸附而沉淀；在酸性条件下,底泥中的重金属会向水体释放。(4)重金属在表面微层水中的富集显著；沉积物孔隙水中Cu、Pb、Zn、Cd的含量远高于过滤水和原水,远远大于它们在上覆水中的浓度。由此可见，水体中悬浮物是重金属污染物迁移的主要载体,沉积物则成为污染物的主要储存场所。水体中重金属污染的去除主要在于降低水体悬浮物含量、加速悬浮物沉降、加强水生动植物对沉积物中重金属污染物的吸收等。此外，农田灌溉水还具有使用量大，时间不连续等特点，并且灌溉水净化处理作为粮食安全生产的源头控制环节，要求在处理过程中不能使用有毒有害物质等。
经中国专利网与相关论文网站检索，发现目前已有一些关于重金属污染灌溉水净化处理的报道。王八英在“一种处理重金属污水组合型人工湿地系统”[CN201320301718.5]中提到使用两个人工湿地组合对重金属污水进行处理，该方法对氮磷去除效果好，但对重金属去除效果不理想；戴会超等在“适用于水库岸边处理重金属污染库水的人工湿地系统”[CN201220501174.2]中提到采用碱性反应池和两级人工湿地处理重金属污染库水，但该方法适用范围有限且出水量小，难以满足农田灌溉用水的需求；刘建国等在“一种组合湿地植物高效净化重金属污染废水的方法”[CN201010290684.5]中提到栽种稗、空心莲子草、茭笋、鸭舌草、柳叶箬、辣蓼对废水中的重金属进行净化，但此方法仅适用于浅水湿地条件下，并且空心莲子草作为一种入侵植物，有一定的生态风险。因此，建立一种净化重金属污染灌溉水的高效、低沉本、环境友好的方法就显得尤为迫切。
发明内容
针对当前重金属污染灌溉水处理成本高、稳定性差、生态风险高等技术难点，本发明的目的是在于提供了一种重金属污染灌溉水的生态塘处理的方法，适用范围广，净化效率高，满足在耕地重金属污染修复中对灌溉水源进行净化处理的需要。
本发明的另一个目的是在于提供了一种重金属污染灌溉水的生态塘净化处理的装置，结构简单，运行能耗小，容易操作和管理，有效降低了重金属污染灌溉水处理的成本，并且环境友好。
为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：
一种重金属污染灌溉水的生态塘净化处理的方法，其步骤是：
(1)地点选择；选择稻田周边自然分布的池塘或低洼地或撂荒地等。
(2)构建三级生态塘；对原有池塘或低洼地或撂荒地进行扩容、加深、防渗、隔断等处理，建成首尾相连的三级生态塘。生态塘之间通过挡墙隔离，并通过管道和阀门相连。为防止渗漏，在生态塘的底部铺设防渗土工布，上面铺约8.0－12.0cm厚的土壤。为防止生态塘的岸坡坍塌，对生态塘的岸坡做护坡处理。生态塘的容积根据地形条件、灌溉面积等确定，深度不宜超过1.5米。
(3)构建吸附净化池；在二级生态塘的末端设置二个可安放约1吨吸附材料的水泥池，底部安装出水阀门连通下一级生态塘。
(4)投放吸附材料；在吸附净化池的底部填入吸附重金属的材料。
所述的吸附材料为天然斜发沸石或人造沸石中的一种。
(5)一级生态塘；种植穗花狐尾藻、金鱼藻、菹草、篦齿眼子菜、野菱、紫背浮萍其中的三种或三至六种的任意组合，对灌溉水中的悬浮物进行吸收、吸附和沉降。种植密度为每平方米1千克鲜草(穗花狐尾藻、金鱼藻、菹草、篦齿眼子菜、野菱、紫背浮萍)，水力停留时间3-4天。
(6)二级生态塘；种植轮叶黑藻、菹草、马来眼子菜、龙须眼子菜、浮萍、水鳖其中的三种或三至六种的任意组合，对水体中的重金属进行二级净化。种植密度为每平方米1千克鲜草(轮叶黑藻、菹草、马来眼子菜、龙须眼子菜、浮萍、水鳖)，停留2-3天。
(7)三级生态塘；种植苦草、轮叶黑藻、大茨藻、菹草、睡莲其中的两种或二至四种的任意组合，对灌溉水进行三级净化，作为备用灌溉水源。种植密度为每平方米1千克鲜草(苦草、轮叶黑藻、大茨藻、菹草)，停留时间1天或以上。
一种重金属污染灌溉水的生态塘净化处理的装置，它由一级生态塘、二级生态塘、三级生态塘、吸附净化池、第一挡墙、第二挡墙、第一生态护坡、第二生态护坡、第一防渗土工布、第二防渗土工布、第三防渗土工布、第一土壤层、第二土壤层、第三土壤层、一级生态塘进水管、一级生态塘进水量调节阀门、一级生态塘水生植物组合、二级生态塘进水管、二级生态塘进水量调节阀门、二级生态塘水生植物组合、吸附净化池进水管、吸附净化池进水量调节阀门、吸附材料、三级生态塘进水管、三级生态塘进水量调节阀门、三级生态塘水生植物组合、三级生态塘出水量调节阀门、三级生态塘出水管组成。
其连接关系是：一级生态塘进水量调节阀门分别与一级生态塘进水管、一级生态塘相连，在一级生态塘底层依次装有第一防渗土工布、第一土壤层，生态护坡与第一防渗土工布相连，在一级生态塘中种植一级生态塘水生植物(穗花狐尾藻、金鱼藻、菹草、篦齿眼子菜、野菱、紫背浮萍其中的三种或三至六种的任意组合)，一级生态塘与二级生态塘通过第一挡墙、二级生态塘进水管相连，二级生态塘进水量调节阀门安装在二级生态塘进水管上，在二级生态塘底层依次装有第二防渗土工布、第二土壤层，在二级生态塘种植二级生态塘水生植物(黑藻、菹草、马来眼子菜、龙须眼子菜、浮萍、水鳖其中的三种或三至六种的任意组合)，二级生态塘与三级生态塘通过第二挡墙相连，吸附净化池与二级生态塘通过吸附净化池进水管相连，吸附净化池进水量调节阀门安装在吸附净化池进水管上，吸附净化池内安装吸附材料(天然斜发沸石或人造沸石中的一种)，吸附净化池与三级生态塘通过三级生态塘进水管相连，三级生态塘进水量调节阀门安装在三级生态塘进水管上，在三级生态塘底层依次装有第三防渗土工布、第三土壤层，生态护坡与第三防渗土工布相连，在三级生态塘种植三级生态塘水生植物(苦草、轮叶黑藻、大茨藻、菹草、睡莲其中的两种或二至四种的任意组合)，三级生态塘出水量调节阀门分别与三级生态塘出水管、三级生态塘相连。
一级生态塘、二级生态塘和三级生态塘的主要作用是蓄水和为水生植物提供生长空间；吸附净化池的主要作用是安装吸附材料，并防止吸附材料外泄；挡墙的主要作用是把生态塘分成三级；生态护坡的主要作用是防止生态塘的岸坡坍塌；防渗土工布的主要作用是防止生态塘渗漏；土壤层的主要作用是为水生植物提供生长基质；一级生态塘进水管和调节阀门的主要作用是将待处理灌溉水引入一级生态塘并控制流速和流量；一级生态塘水生植物组合的主要作用是对灌溉水中的重金属进行吸收、吸附和沉降；二级生态塘进水管和调节阀门的主要作用是控制进入二级生态塘的水量和流速；二级生态塘水生植物组合的主要作用是对灌溉水中的重金属进一步净化；吸附净化池进水管和调节阀门是控制进入吸附净化池的的水量和流速；吸附材料的主要作用是对灌溉水中的重金属进行吸附净化；三级生态塘进水管和调节阀门主要作用是控制进入三级生态塘的水量和流速；三级生态塘水生植物组合的主要作用是对灌溉水中的重金属进行进一步净化，并起到一定的景观效果；三级生态塘出水管和调节阀门是控制三级生态塘的出水水量和流速。
重金属污染灌溉水生态塘净化处理的详细过程是：待处理灌溉水经一级生态塘进水管进入一级生态塘，经过一级生态塘水生植物组合的吸收、吸附和沉降等净化处理后，通过二级生态塘进水管进入二级生态塘，经过二级生态塘水生植物组合的净化后，通过吸附净化池进水管进入吸附净化池，通过吸附材料的吸附净化后，通过三级生态塘进水管进入三级生态塘，通过三级生态塘水生植物组合进一步净化，作为备用灌溉水源，由三级生态塘出水管和调节阀门控制出水水量和流速。
本发明建立了一个适用范围广、高效率的净化镉等重金属污染灌溉水的方法，本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
(1)适用范围比较广：我国南方地区农田周边池塘、低洼地等分布比较广，面积大。因此本发明适用的范围比较广。
(2)构建费用低、运行能耗小、容易操作和管理。本发明主要通过改造未被充分利用的池塘、低洼地，因此成本比较低。除了灌溉水从沟渠进入生态塘需要机械动力外，其余均不需要机械动力，因此运行能耗小。三级生态塘建成后，仅需定期对水生植物进行收获和管理，容易操作和管理。
(3)效果非常好：利用本发明所建立的方法对镉浓度为0.18ug/L的灌溉水进行净化处理后，灌溉中的镉浓度下降到0.017ug/L，去除效率达到90％以上。
附图说明
图1为一种重金属污染灌溉水的生态塘净化处理的装置的结构示意图。
图2为一种重金属污染灌溉水的生态塘净化处理的装置中的三级生态塘俯视示意图。
图中，1为一级生态塘，2为二级生态塘，3为三级生态塘，4为吸附净化池，5为第一挡墙和第二挡墙、6为第一生态护坡和第二生态护坡，7第一防渗土工布和第二防渗土工布及第三防渗土工布，8为第一土壤层和第二土壤层及第三土壤层，9为一级生态塘进水管，10为一级生态塘进水量调节阀门，11为一级生态塘水生植物(组合)，12为二级生态塘进水管，13为二级生态塘进水量调节阀门；14为二级生态塘水生植物(组合)，15为吸附净化池进水管，16为吸附净化池进水量调节阀门，17为吸附材料，18为三级生态塘进水管，19为三级生态塘进水量调节阀门，20为三级生态塘水生植物(组合)，21为三级生态塘出水量调节阀门，22为三级生态塘出水管。
具体实施方式
以下将结合本发明的实施例参照附图进行详细叙述。
下面申请人将结合湖南省长沙县北山镇荣合桥社区建设的生态塘处理镉污染灌溉水的实例对本发明方法做进一步的详细说明，目的在于使本领域技术人员对本发明方法有更详尽的理解和认识，以下实施例不应在任何程度上被理解为对本发明请求保护范围的限制。
实施例1：
一种重金属污染灌溉水的生态塘净化处理的方法，其步骤是：
(1)构建三级生态塘。将原有低洼稻田改造成容积为2700m3左右的蓄水池，按5:3:2建成三级生态塘。一级生态塘深度约1.5米，二级生态塘深度约1.2米，三级生态塘深度约1米。如图1所示，相邻生态塘之间通过挡墙5隔开，生态塘的坡岸采用连锁生态砖进行护坡6，每级生态塘的底部铺设防渗土工布7，上面再铺设约10cm厚的土壤8。
(2)吸附净化池。在二级生态塘的末端角上各设置1个1m×1m×1.2m(长×宽×高)的水泥池4，在每个水泥池填入尼龙袋装斜发沸石约1吨。
(3)水生植物组合配置。一级生态塘水生植物11为穗花狐尾藻、金鱼藻、野菱、菹草；二级生态塘水生植物14为马来眼子菜、龙须眼子菜、菹草、水鳖；三级生态塘水生植物20为苦草、轮叶黑藻、菹草。
(4)待处理灌溉水经进水管9进入一级生态塘1，经水生植物组合11的吸收、吸附和沉降等净化处理后，由进水管12进入二级生态塘2，经水生植物14净化后，由进水管15进入吸附净化池4，通过斜发沸石的吸附净化后，由进水管18进入三级生态塘3，经水生植物组合20的净化后，作为备用灌溉水源，灌溉时由出水管22进入稻田。
(5)水力停留时间：通过水量调节阀门控制水力停留时间，一级生态塘的水力停留时间为3天；二级生态塘的水力停留时间为2天；进入三级生态塘后作为备用水源，灌溉时由出水管22进入灌渠。
各级生态塘的进水和出水的重金属含量比较见表1.
表1.湖南省长沙县北山镇荣合桥社区三级生态塘对灌溉水中4种重金属的净化效果
| 重金属种类 | 未处理灌溉水 | 一级生态塘 | 二级生态塘 | 三级生态塘 |
| 镉(ug/L) | 0.18 | 0.06 | 0.04 | 0.017 |
| 铬(ug/L) | 5.70 | 4.24 | 2.67 | 2.27 |
| 铅(ug/L) | 2.48 | 1.33 | 1.27 | 1.04 |
| 锌(ug/L) | 1.58 | 1.02 | 0.27 | 0.22 |
由表1可见，三级生态塘对灌溉水中的四种主要重金属均有一定的净化效果，其中对镉和锌的净化效果非常好，去除率分别达到90.6％和86.1％；对铬和铅的净化效果较差些，但也分别达到了60.2％和58.1％。
实施例2：
一种重金属污染灌溉水的生态塘净化处理的装置，它由一级生态塘1、二级生态塘2、三级生态塘3、吸附净化池4、第一挡墙5、第二挡墙5、第一生态护坡6、第二生态护坡6、第一防渗土工布7、第二防渗土工布7、第三防渗土工布7、第一土壤层8、第二土壤层8、第三土壤层8、一级生态塘进水管9、一级生态塘进水量调节阀门10、一级生态塘水生植物11、二级生态塘进水管12、二级生态塘进水量调节阀门13、二级生态塘水生植物14、吸附净化池进水管15、吸附净化池进水量调节阀门16、吸附材料17、三级生态塘进水管18、三级生态塘进水量调节阀门19、三级生态塘水生植物20、三级生态塘出水量调节阀门21、三级生态塘出水管22组成。
其连接关系是：一级生态塘进水量调节阀门10分别与一级生态塘进水管9、一级生态塘1相连，在一级生态塘1底层依次装有第一防渗土工布7、第一土壤层8，第一生态护坡6与第一防渗土工布7相连，在一级生态塘1中种植一级生态塘水生植物11(穗花狐尾藻、金鱼藻、菹草、篦齿眼子菜、野菱、紫背浮萍其中的三种或三至六种的任意组合)，一级生态塘1通过第一挡墙5和二级生态塘进水管12与二级生态塘2相连，二级生态塘进水量调节阀门13安装在二级生态塘进水管12上，在二级生态塘2底层依次装有第二防渗土工布7、第二土壤层8，在二级生态塘2种植二级生态塘水生植物14(黑藻、菹草、马来眼子菜、龙须眼子菜、浮萍、水鳖其中的三种或三至六种的任意组合)，二级生态塘2与三级生态塘3通过第二挡墙5相连，吸附净化池4与二级生态塘2通过吸附净化池进水管15相连，吸附净化池进水量调节阀门16安装在吸附净化池进水管15上，吸附净化池4内安装吸附材料17(天然斜发沸石或人造沸石中的一种)，吸附净化池4与三级生态塘3通过三级生态塘进水管18相连，三级生态塘进水量调节阀门19安装在三级生态塘进水管18上，在三级生态塘3底层依次装有第三防渗土工布7、第三土壤层8，第二生态护坡6与第三防渗土工布7相连，在三级生态塘3种植三级生态塘水生植物20(苦草、轮叶黑藻、大茨藻、菹草、睡莲其中的两种或二至四种的任意组合)，三级生态塘出水量调节阀门21分别与与三级生态塘出水管22、三级生态塘3相连。
一级生态塘1、二级生态塘2和三级生态塘3的主要作用是蓄水和为水生植物提供生长空间；吸附净化池4的主要作用是安装吸附材料，并防止吸附材料外泄；挡墙5的主要作用是把生态塘分成三级；生态护坡6的主要作用是防止生态塘的岸坡坍塌；防渗土工布7的主要作用是防止生态塘渗漏；土壤层8的主要作用是为水生植物提供生长基质；一级生态塘进水管9和调节阀门10的主要作用是将待处理灌溉水引入一级生态塘1并控制流速和流量；一级生态塘水生植物11的主要作用是对灌溉水中的重金属进行吸收、吸附和沉降；二级生态塘进水管12和调节阀门13的主要作用是控制进入二级生态塘2的水量和流速；二级生态塘水生植物14的主要作用是对灌溉水中的重金属进一步净化；吸附净化池进水管15和调节阀门16的主要作用是控制进入吸附净化池4的的水量和流速；吸附材料17的主要作用是对灌溉水中的重金属进行吸附净化；三级生态塘进水管18和调节阀门19主要作用是控制进入三级生态塘3的水量和流速；三级生态塘水生植物20的主要作用是对灌溉水中的重金属进行进一步净化，并起到一定的景观效果；三级生态塘出水量调节阀门21和出水管22的主要作用是控制三级生态塘3的出水水量和流速。
重金属污染灌溉水净化的详细过程是：待处理灌溉水经一级生态塘进水管9进入一级生态塘1，经过一级生态塘水生植物11的吸收、吸附和沉降等净化处理后，通过二级生态塘进水管12进入二级生态塘2，经过二级生态塘水生植物14的净化后，通过吸附净化池进水管15进入吸附净化池4，通过吸附材料17的吸附净化，通过三级生态塘进水管18进入三级生态塘3，通过三级生态塘水生植物20进一步净化，作为备用灌溉水源，灌溉时由三级生态塘出水管22进入灌渠。
所述的吸附材料为天然斜发沸石或人造沸石中的一种。
Claims (3)
1.一种重金属污染灌溉水的生态塘净化处理的方法，其步骤是：
(1)地点选择；选择稻田周边自然分布的池塘或低洼地或撂荒地；
(2)构建三级生态塘；对原有池塘或低洼地或撂荒地进行扩容、加深、防渗、隔断处理，建成首尾相连的三级生态塘，生态塘之间通过挡墙隔离，通过管道和阀门相连，在生态塘的底部铺设防渗土工布，上面铺8.0－12.0cm厚的土壤，对生态塘的岸坡做护坡处理，生态塘的容积根据地形条件、灌溉面积确定，深度不超过1.5米；
(3)构建吸附净化池；在二级生态塘的末端设置二个安放1吨吸附材料的水泥池，底部安装出水阀门连通下一级生态塘；
(4)投放吸附材料；在吸附净化池的底部填入吸附重金属的材料；
(5)一级生态塘；种植穗花狐尾藻、金鱼藻、菹草、篦齿眼子菜、野菱、紫背浮萍其中的三种或三至六种的任意组合，对灌溉水中的悬浮物进行吸收、吸附和沉降，种植密度为每平方米1千克鲜草，水力停留时间3-4天；
(6)二级生态塘；种植轮叶黑藻、菹草、马来眼子菜、龙须眼子菜、浮萍、水鳖其中的三种或三至六种的任意组合，对水体中的重金属进行二级净化，种植密度为每平方米1千克鲜草，停留2-3天；
(7)三级生态塘；种植苦草、轮叶黑藻、大茨藻、菹草、睡莲其中的两种或二至四种的任意组合，对灌溉水进行三级净化，作为备用灌溉水源，种植密度为每平方米1千克鲜草，停留时间1天。
2.权利要求1所述的一种重金属污染灌溉水的生态塘净化处理的装置，它包括一级生态塘(1)、二级生态塘(2)、三级生态塘(3)、吸附净化池(4)、一级生态塘进水管(9)、一级生态塘进水量调节阀门(10)、一级生态塘水生植物(11)、二级生态塘进水管(12)、二级生态塘进水量调节阀门(13)、二级生态塘水生植物(14)、吸附净化池进水管(15)、吸附净化池进水量调节阀门(16)、吸附材料(17)、三级生态塘进水管(18)、三级生态塘进水量调节阀门(19)、三级生态塘水生植物(20)、三级生态塘出水量调节阀门(21)、三级生态塘出水管(22)，其特征在于：一级生态塘进水量调节阀门(10)分别与一级生态塘进水管(9)、一级生态塘(1)相连，在一级生态塘(1)底层依次装有第一防渗土工布(7)、第一土壤层(8)，第一生态护坡(6)与第一防渗土工布(7)相连，在一级生态塘(1)中种植一级生态塘水生植物(11)，一级生态塘(1)通过第一挡墙(5)和二级生态塘进水管(12)与二级生态塘(2)相连，二级生态塘进水量调节阀门(13)安装在二级生态塘进水管(12)上，在二级生态塘(2)底层依次装有第二防渗土工布(7)、第二土壤层(8)，在二级生态塘(2)种植二级生态塘水生植物(14)，二级生态塘(2)与三级生态塘(3)通过第二挡墙(5)相连，吸附净化池(4)与二级生态塘(2)通过吸附净化池进水管(15)相连，吸附净化池进水量调节阀门(16)安装在吸附净化池进水管(15)上，吸附净化池(4)内安装吸附材料(17)，吸附净化池(4)与三级生态塘(3)通过三级生态塘进水管(18)相连，三级生态塘进水量调节阀门(19)安装在三级生态塘进水管(18)上，在三级生态塘(3)底层依次装有第三防渗土工布(7)、第三土壤层(8)，第二生态护坡(6)与第三防渗土工布(7)相连，在三级生态塘(3)种植三级生态塘水生植物(20)，三级生态塘出水量调节阀门(21)分别与与三级生态塘出水管(22)、三级生态塘(3)相连。
3.根据权利要求2所述的一种重金属污染灌溉水的生态塘净化处理的装置，其特征在于：所述的吸附材料(17)为天然斜发沸石或人造沸石中的一种。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |