CN106698811A - 小流域农田地表径流污染物治理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水污染治理与生态修复技术，具体公开了一种小流域农田地表径流污染物治理系统。包括依次连接的引水系统，沉沙池，人工湿地和氧化塘；所述引水系统由具有缓流、截沙作用的截水沟组成；人工湿地包括终沉集水区和植物吸收区；所述植物吸收区种植有对氮、磷有吸收作用的植物；终沉集水区与植物吸收区之间设置有透水墙。本发明的优点是：1）减少小流域农田地表径流污染物治理系统的占地面积，大大降低该污染物治理系统对地形的依赖；2）出水能达到地表类水要求，对大部分的小流域，不增加受纳水体自净负荷，不增加环境容量。

Description

小流域农田地表径流污染物治理系统

技术领域

本发明涉及一种水污染治理与生态修复技术，尤其是一种地表径流污染物治理系统。

背景技术

目前针对农田面源污染的技术除了种植制度优化、科学施肥、农药减量和残留控制等源头控制技术外，对污染物已经产生后的控制技术有生态田埂、生态拦截带、生态拦截沟、前置库技术、人工湿地技术。

生态田埂是将现有田埂加高10～15cm，可有效防止30～50mm降雨时产生地表径流，或在稻田施肥初期减少灌水以降低表层水深度，从而可减少大部分的农田地表径流。在田埂的两侧可栽种植物，形成隔离带，在发生地表径流时可有效阻截氮、磷养分损失和控制残留农药向受纳水体迁移，但对大面积的农田，改造工程量大，污染物去除率低，措施有效性较低。

生态拦截带是在旱地的周边建一生态隔离带，由地表径流携带的泥沙、氮、磷养分、农药等通过生态隔离带被阻截，将大部分泥沙，部分可溶性氮、磷养分、农药等留在生态拦截带内，拦截带种植的植物可吸收径流中的氮、磷养分，从而减少地表径流携带的氮、磷等向受纳水体迁移。生态拦截带需根据地型、坡度、土壤类型设置不同的宽度，宽度范围从10～150m不等，占地面积大，对土地资源稀缺的地方尤其不利。

生态拦截沟是指具有一定宽度和深度，由水、土壤和生物组成，具有自身独特结构并发挥相应生态功能的农田泥质沟渠生态系统，也称之为农田沟渠湿地生态系统。生态沟渠能够通过截留泥沙、土壤吸附、植物吸收、生物降解等一系列作用，减少水土流失，降低进入地表水中氮、磷的含量。收割植物解决二次污染问题，沟渠中水生植物对污水中的氮、磷有很好的吸收能力，水生植物能被农民收割，解决了二次污染问题。建造灵活、无动力消耗、运行成本低廉。但沟渠中植物需定期收割和补种，沟渠一般尺寸较大，占地面积大，大量的植物对泥沙截留作用易引起沟渠淤堵。

前置库技术是通过调节来水在前置库区的滞留时间，使径流污水中的泥沙和吸附在泥沙上的污染物质在前置库沉降；利用前置库内的生态系统，吸收去除受纳水体和底泥中的污染物。前置库技术因其费用较低、适合多种条件等特点，是目前防治面源污染的有效措施之一，但处理系统庞大，易受地形限制。

人工湿地技术是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，将污水、污泥有控制的投配到经人工建造的湿地上，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中，主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水、污泥进行处理的一种技术。人工湿地是一个综合的生态系统，它应用生态系统中物种共生、物质循环再生原理，结构与功能协调原则，在促进废水中污染物质良性循环的前提下，充分发挥资源的生产潜力，防止环境的再污染，获得污水处理与资源化的最佳效益。但由于农田地表径流中含有大量的泥沙、杂物，这些物质进入人工湿地后，会很快造成堵塞，进而影响人工湿地的处理效果；同时由于降雨的时空不均匀性，会导致人工湿地超负荷运转，或污水停留时间过短，造成污染物去除率低的缺点。

公开号为CN101045585A的专利文件公开了一种河流面源污染物的旁置生物净化方法，该方法所用的污染物治理系统依次包括以下部分：1、拦水闸与引水渠系统；2、平流式沉沙池系统；3、配水系统（配水渠与水下沟）；4、植物强净化系统（湿生带、挺水带、浮叶带、沉水植物带）；5、深水净化系统；6、放水闸系统。该方法采用了一套综合处理系统对河流面源污染物进行净化，一定程度上克服了采用单一方法存在的缺陷。

但如果将这套系统用于治理小流域农田地表径流污染物，其仍然存在许多缺陷，主要体现在以下几个方面：1、该系统中使用的平流式沉沙池的设置需要很大的占地面积，因此用于治理农田地表径流污染物时需要大量征用农田，这在现实情况中是难以实施的，若缩小沉沙池面积，则沉沙效果将达不到处理要求。2、由于农田地表径流中含有大量的氮、磷成分（农作物施肥所致），因此农田地表径流污染物的治理主要还包括了氮、磷成分的去除，在该套治理系统中，氮、磷的去除主要是靠植物强净化系统来完成（平流式沉沙池的氮、磷去除效果非常有限，仅能去除泥沙中夹带的氮、磷），因此需要较庞大的植物强净化系统，这同样在实际情况中难以实施。

发明内容

为解决现有技术中农田地表径流污染物治理系统占地面积大、处理效果差的问题，本发明提供了一种小流域农田地表径流污染物治理系统。

本发明所采用的技术方案是：小流域农田地表径流污染物治理系统，包括依次连接的引水系统，沉沙池，人工湿地和氧化塘；其特征在于：所述引水系统由具有缓流和截沙作用的截水沟组成；所述人工湿地包括终沉集水区和植物吸收区；所述植物吸收区种植有对氮、磷有吸收作用的植物；终沉集水区与植物吸收区之间设置有透水墙。

本发明的目的在于保持良好的农田地表径流污染物治理能力的前提下缩小治理系统的占地面积。因此本发明在现有治理系统的基础上进行了改进。

采用现有技术和方法若要充分去除农田地表径流中的有机物、氮、磷等污染物，达到类水标准，需要建设较庞大的处理系统和增加动力设施（如曝气机）。为缩小处理系统占地面积，减少运行成本，发明人提出：若能够将地表径流瞬时流量大，收集时间短，来水间歇性处理的缺点转化成流量小，来水持续稳定的特点，则能保证地表径流在植物净化系统中有足够停留时间，使植物能充分吸收地表径流中的氮、磷成分，有机物被有效降解，则治理系统的占地面积可大大缩小。为满足上述要求，本发明将人工湿地分为终沉集水区和植物吸收区，并在终沉集水区和植物吸收区之间设置了透水墙，通过透水墙的缓慢透水作用，达到调节水量的时空不均匀性，将短时间收集的地表径流转换成长时间才能透完的水量（如处理20min收集50m³地表径流，转换为处理0～50m³/d的地表径流），流量大大降低，保证植物吸收区的来水水量稳定、均匀和有足够的停留时间，湿地面积大大减少，设施不超负荷运行，处理效果稳定可靠。

需要说明的是，如果沉沙池来水的含沙量或悬浮物含量较高，将很容易导致透水墙孔隙堵塞，导致本方案无法实施。针对这一问题，本发明将沉沙步骤分成了三步，第一步是采用了具有缓流、截沙作用的截水沟，截水沟能对泥沙起到一定的截留作用；第二步即为沉沙池沉沙；第三步是人工湿地的终沉集水区，由于透水墙对来水的拦截作用，进入终沉集水区的沉沙池来水的流速会大大降低，使得水中残留的悬浮物在终沉集水区中更容易沉淀。采用三步沉沙法能大大提高泥沙和悬浮物去除率，以使来水能顺利通过透水墙而不造成透水墙孔隙堵塞。同时三步沉沙还能大大减小沉沙池的负荷，使得即便采用小型沉沙池也能达到很好的沉沙效果，缩小沉沙池面积，从而进一步缩小了整个农田地表径流污染物治理系统的占地面积。

作为本发明的进一步改进，所述人工湿地通过进水渠与沉沙池连通，在进水渠上还连通有可开闭的溢流渠，通过打开溢流渠可将进水渠中的来水导入受纳水体中。由于透水墙对水流的拦截作用，长时间的暴雨可能导致终沉集水区中水位上升使得水体溢出终沉集水区或溢过透水墙。然而根据农田地表径流的特点，径流中的污染物含量集中在降雨初期的0～1h内，降雨后期径流中污染物含量很低。因此人工湿地可只处理降雨初期的地表径流，而降雨后期的地表径流经过截水沟、沉沙池的处理后即可直接排入受纳水体。

作为本发明的进一步改进，所述截水沟的结构为：包括沟渠框架，所述沟渠框架由带有孔穴的硬质水泥板建成。孔穴结构能增大阻力，减缓水速，促进流水携带的颗粒物沉淀。孔穴形状可为多边形、三角形、四边形、圆形等。更佳的，孔穴中可引入苔藓类低矮贴地植物，以增强截水沟的缓流、截沙能力，同时种植的植物还具有吸附氮、磷等污染物的能力，污染物的去除率可达5～20%，减小了后续沉沙池、人工湿地和氧化塘的处理负荷，从而起到缩小系统占地面积的作用。因截水沟内环境较为平顺，不易引起泥沙局部淤积成堆，影响排水功能，同时省略了后期植物收割和补种的工作，简化了后期管理维护工作。截水沟的排水、蓄水功能的偏向可根据实际情况进行比降调整。

作为本发明的进一步改进，所述沉沙池为圆池结构，沉沙池的进水口沿圆池的切线方向设置。沉沙池对农田地表径流悬浮物进行二次沉淀，根据离心沉降原理，采用切线进入方式和圆池结构增强沉沙池的沉沙效率，进一步缩小沉沙池占地面积。

作为本发明的进一步改进，终沉集水区占湿地总面积10～40%，植物吸收区占湿地总面积60～90%。植物吸收区的面积根据透水墙的透水量和设计停留时间进行确定，透水量越小，植物吸收区的面积越小。终沉集水区中还可种植浮水植物，以使终沉集水区具备一定吸收氮、磷等污染物的功能。植物吸收区水位一般在2m以下，若水位太高，种植植物的类型会受到一定限制。

作为本发明的进一步改进，所述透水墙的墙体包覆有用于造型和加固墙体的刚性网笼。透水墙墙体可一体成型并在墙体上设置孔隙，也可以采用分散的颗粒状材料筑成。当透水墙墙体采用分散的颗粒状材料筑成时，可以用刚性网笼包覆墙体，以起到将分散的颗粒状材料进行造型和加固透水墙的目的，同时网笼结构不会对透水墙的透水性能造成影响，可使水流均匀透过透水墙，以调节来水的时空不均匀性，保证透水墙的透水性能，网笼的材质可选用金属材质或其他刚性材质。更佳的，透水墙的墙体材质选自炉渣、沸石、活性炭、碎砖中的一种或任意几种。这些材料均为对氮、磷有较强吸附能力，使透水墙同时具备对氮、磷的吸附的作用，减小植物吸收区负荷，从而进一步减小人工湿地占地面积。透水墙的材料配比和透水率可根据计算和现场进行实验确定。

作为本发明的进一步改进，所述植物吸收区设置有具有导流作用的折流板。设置折流板可避免植物吸收区的水流出现死角和串流。更佳的，折流板也采用炉渣、沸石、活性炭、碎砖等对氮、磷吸附性较强的材质，并设置刚性网笼附于砌墙外侧进行加固，可进一步加强对氮、磷的吸附，从而减小植物吸收区负荷，从而进一步减小人工湿地占地面积。湿地的植物宜根据当地气候、植物污染物吸收率、当地施肥情况等因素进行综合考虑选择，优选种植对氮、磷等污染物有较强吸收作用的沉水、挺水植物。

作为本发明的进一步改进，所述氧化塘采用筑坝形式围成，筑坝高度为高于受纳水体允许最高水位0.5m以上。更佳的，所述筑坝为双层拦水坝，所述双层拦水坝包括内层坝和外层坝，内层坝下部允许水流通过，内层坝高度高于外层坝高度，外层坝高度为高于受纳水体允许最高水位0.5m以上。

氧化塘可以采用橡胶坝或其他形式筑坝形式对小流域的部分区域进行拦截、隔断围成。更进一步的，可利用流域自然地势，采用双层拦水坝围成，内层坝为上部实坝，下部可通过设置有支撑作用的柱体悬空等方法以允许水流通过；外层坝为常规拦水坝。双层拦水坝结构可有效减缓来水在氧化塘中的流速，增加水体停留时间，使水体得到更充分的深层净化。

氧化塘内浅水区域可种植挺水植物，进一步吸收氮、磷等物质；深水区可利用具有高效净化作用的易沉藻类、具有固定化脱氮除磷微生物的漂浮床、曝气增氧、微生物培养以及其他高效人工强化净化技术进一步去除氮、磷和有机污染物等，库区可结合污染物净化要求，进行适度水产养殖，如鲢鱼、鳙鱼等。拦截形成的氧化塘可提升0.5m以上的水位高度，保证出水产生跌水充氧效果，使出水溶解氧浓度在5～8mg/L内，促进水体的自净能力。特点是利用流域自然形态进行改造，不额外增加占地面积，建设成本低；采用双层拦水坝可有效减缓河流流速，保证氧化塘内工程设施不被冲毁、冲走，运行、维护稳定可靠；通过机械增氧和水生植物系统增强水系统污染物去除能力，筑坝提升水位，跌水充氧增加出水氧含量，促进水体自净能力。污染物的去除率达5～30%，最终使出水达到地表III类水要求，尤其适合不泄洪的小流域治理（小流域通常是指二、三级支流以下以分水岭和下游河道出口断面为界集水面积在50km²以下的相对独立和封闭的自然汇水区域。水利上通常指面积小于50 km²或河道基本上是在一个县属范围内的流域。小流域一般面积不超过50km²。小流域的基本组成单位是微流域，是为精确划分自然流域边界并形成流域拓扑关系而划定的最小自然集水单元）。

本发明的有益效果是：1）减少小流域农田地表径流污染物治理系统的占地面积，大大降低该污染物治理系统的设置对地形的依赖；2）透水墙，具有缓流截沙作用的截水沟和具有悬浮物沉淀作用的终沉集水区相互配合作用成为一个有机整体，使本方案的实施成为可能；3）将径流中泥沙沉降分为三步进行，有机物、氮、磷等污染物的降解和吸收分为多步进行（截水沟、终沉集水区、透水墙、植物吸收区、折流板、氧化塘均具有污染物去除功能），使得农田地表径流中有机物、氮、磷等污染物的去除更彻底，并降低治理系统单个部分的处理负荷，形成一个高效、精简、平衡、稳定的污染物治理系统；4）整个系统的各组成部分能根据实际情况灵活调整，环境适应性强；5）治理系统不易淤堵，植物补种方便（仅人工湿地和氧化塘植物需要补种），维护成本低；6）出水能达到地表类水要求，对大部分的小流域，不增加受纳水体自净负荷，不增加环境容量。

附图说明

图1是本发明的设备流程图。

图2是截水沟断面图。

图3是截水沟沟渠框架结构示意图。

图4是沉沙池结构示意图。

图5是人工湿地结构示意图。

图6是氧化塘俯视图。

图7是氧化塘断面图。

图中标记为：1-终沉集水区，2-植物吸收区，3-透水墙，4-进水渠，5-溢流渠，6-受纳水体，7-沟渠框架，8-孔穴，9-折流板，10-出水渠，11-内层坝，12-外层坝。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1～图7所示，本发明的小流域农田地表径流污染物治理系统，包括依次连接的截水沟，沉沙池，人工湿地和氧化塘；截水沟的沟渠框架7由带有孔穴8的硬质水泥板建成，孔穴8的形状为菱形，孔穴8内种植有苔藓植物；沉沙池为圆池结构，沉沙池的进水口沿圆池的切线方向设置；人工湿地通过进水渠4与沉沙池连通，在进水渠4上还连通有可开闭的溢流渠5，通过打开溢流渠5可将进水渠4中的来水导入受纳水体6中；人工湿地包括终沉集水区1和植物吸收区2；终沉集水区1占湿地总面积20%，植物吸收区2占湿地总面积80%；终沉集水区1种植有浮水植物，植物吸收区2种植有挺水植物；终沉集水区1与植物吸收区2之间设置有透水墙3，透水墙3墙体主要材质为颗粒状活性炭，在墙体外侧包覆有金属网笼；植物吸收区2设置有具有导流作用的折流板9，折流板9主要材质为颗粒状活性炭，在板体外侧包覆有金属网笼；氧化塘由两组双层坝拦截而成，内层坝11高度高于外层坝12高度0.5m，外层坝12高度为高于受纳水体6允许最高水位0.5m；氧化塘内浅水区域种植挺水植物；深水区利用具有高效净化作用的易沉藻类、具有固定化脱氮除磷微生物的漂浮床、曝气增氧、微生物培养技术进一步去除氮、磷和有机污染物等，库区进行适度水产养殖。

降雨初期，农田地表径流进入截水沟进行初步沉沙和预处理后进入沉沙池进行沉沙；沉沙池出水进入人工湿地的终沉集水区1，在终沉集水区1中，由于透水墙的拦截作用，水流速度放缓，水中残余的泥沙等悬浮物得到有效沉淀，形成的含固量很低的来水被透水墙3拦截，来水以50m³/d的速率缓慢、均匀地透过透水墙3，同时水中的氮、磷被活性炭材质的透水墙吸收，在透水墙3另一侧的植物吸收区2中形成缓慢、均匀的水流，保证来水在植物吸收区2中有足够的停留时间以使植物吸收区2中种植的挺水植物对氮、磷等污染物进行充分的吸收，植物吸收区2中设置有折流板9，可防止形成死角或串流，折流板9采用活性炭筑成，对氮、磷等污染物有一定吸收能力。若长时间暴雨，因后期雨水污染物浓度很低，则可打开位于人工湿地进水渠4上的溢流渠5，使后期雨水经沉沙池处理后即直接排入受纳水体6。经人工湿地处理后的来水通过出水渠10进入氧化塘，在氧化塘中进行进一步的深度处理，由于氧化塘筑坝高度为高于受纳水体6允许最高水位0.5m，因此溢流出水形成跌水充氧，增加出水氧含量，促进水体自净能力，出水达到地表类水要求。

Claims (12)

1.小流域农田地表径流污染物治理系统，包括依次连接的引水系统，沉沙池，人工湿地和氧化塘；其特征在于：所述引水系统由具有缓流和截沙作用的截水沟组成；所述人工湿地包括终沉集水区（1）和植物吸收区（2）；所述植物吸收区（2）种植有对氮、磷有吸收作用的植物；终沉集水区（1）与植物吸收区（2）之间设置有透水墙（3）。

2.根据权利要求1所述的小流域农田地表径流污染物治理系统，其特征在于：所述人工湿地通过进水渠（4）与沉沙池连通，在进水渠（4）上还连通有可开闭的溢流渠（5），通过打开溢流渠（5）可将进水渠（4）中的来水导入受纳水体（6）中。

3.根据权利要求1所述的小流域农田地表径流污染物治理系统，其特征在于：所述截水沟的结构为：包括沟渠框架（7），所述沟渠框架（7）由带有孔穴（8）的硬质水泥板建成。

4.根据权利要求3所述的小流域农田地表径流污染物治理系统，其特征在于：所述孔穴（8）内种植有贴地植物。

5.根据权利要求1所述的小流域农田地表径流污染物治理系统，其特征在于：所述沉沙池为圆池结构，沉沙池的进水口沿圆池的切线方向设置。

6.根据权利要求1所述的小流域农田地表径流污染物治理系统，其特征在于：终沉集水区（1）占人工湿地总面积10～40%，植物吸收区（2）占人工湿地总面积60～90%。

7.根据权利要求1所述的小流域农田地表径流污染物治理系统，其特征在于：所述透水墙（3）的墙体包覆有用于造型和加固墙体的刚性网笼。

8.根据权利要求1所述的小流域农田地表径流污染物治理系统，其特征在于：所述透水墙（3）的墙体材质选自炉渣、沸石、活性炭、碎砖中的一种或任意几种。

9.根据权利要求1所述的小流域农田地表径流污染物治理系统，其特征在于：所述植物吸收区（2）设置有具有导流作用的折流板（9）。

10.根据权利要求9所述的小流域农田地表径流污染物治理系统，其特征在于：所述折流板（9）的板体材质选自炉渣、沸石、活性炭、碎砖中的一种或任意几种。

11.根据权利要求1～10中任一权利要求所述的小流域农田地表径流污染物治理系统，其特征在于：所述氧化塘采用筑坝形式围成，筑坝高度为高于受纳水体（6）允许最高水位0.5m以上。

12.根据权利要求11所述的小流域农田地表径流污染物治理系统，其特征在于：所述筑坝为双层拦水坝，所述双层拦水坝包括内层坝（11）和外层坝（12），内层坝（11）下部允许水流通过，内层坝（11）高度高于外层坝（12）高度，外层坝（12）高度为高于受纳水体（6）允许最高水位0.5m以上。