CN107176698B - 一种去除农田退水农药的活性炭与微生物耦合装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出的是一种去除农田退水农药的活性炭与微生物耦合装置，其结构包括透水安装槽、粗栅格拦截网、嵌入式过滤墙和固定桩；透水安装槽设有卡槽和窄槽，透水安装槽的底部和透水安装槽平行于农田沟渠长度方向的两面分别由底部挡板和侧面挡板封闭，透水安装槽通过固定桩固定于农田排水沟渠中；卡槽内有嵌入式过滤墙；窄槽内插有粗栅格拦截网。优点：1）透水安装槽直接安装于农田排水沟渠中，不存在占地问题；2）农药去除效率高，水体逐层净化彻底；3）不影响原有沟渠的排水能力；4）方便更新处理和循环利用；5）制作简单、实施费用低、维护管理容易。

Description

一种去除农田退水农药的活性炭与微生物耦合装置

技术领域

本发明涉及的是一种去除农田退水农药的活性炭与微生物耦合装置，属于农田农药面源污染控制技术领域。

背景技术

随着近年来农业经营方式的转变以及精细密集农业的发展，世界上农药的使用量显著增加，对防控作物病虫害、提高作物产量、改善农产品品质具有重要作用；农药在田间施用过程中，仅有10~30%被有效利用，超过70%的农药残留于土壤或漂浮于大气中，并通过灌溉后农田退水、降雨、淋溶等途径进入水体环境，严重威胁水生态安全及人类健康；农田退水是农田农药污染输出的主要途径，高效去除农田退水中农药残留是控制农业农药面源污染的关键措施，对水环境质量改善和水生态安全保障具有重要意义。

农田生态系统中蕴藏着丰富的农药降解微生物资源，这些农药降解微生物能够将农药完全矿化或降解为无毒成分。微生物修复因具有无毒高效、无二次污染、高效经济、可大范围适用等优点被认为是最具潜力的农药污染去除途径。已有的农田水体农药控制技术（如人工湿地技术、滨岸缓冲带控制技术、生态沟渠净化技术）其实质就是通过对污染物原位拦截后利用微生物降解作用来达到净化水体的目的；然而，这些技术都存在占地面积大、基建工程多、实施费用高、管理难度大等问题，难以大范围推广应用；此外，由于这些技术中发挥作用的微生物并非对农药具有特异性高效降解作用的菌株，降解效率偏低，难以在短时间内将农药有效去除。

目前已在农田系统中驯化筛选得到对多种农药具有高效降解作用的降解菌株，而微生物固定化技术的发展推动这些降解菌株在原位污染修复中的应用。活性炭因具有多孔强吸附特性，其多孔隙结构为降解菌生长提供栖息地，有利于降解菌在其表面的吸附固定化；如专利申请号201110351867.8公布了一种利用固定化微生物治理有机磷农药废水的方法，将驯化的真菌黑曲霉吸附到直径为5-8 mm的活性炭上后投放入有机磷农药废水，静置7天降解率可达98%；该专利申请虽具有高降解效率，但是负载非土著降解菌的活性炭颗粒却不可直接投放于农田退水中用以去除农药污染，存在回收困难、外源菌体二次污染等弊端；因此，亟需研发一种适用于农田退水环境、不需要或需要较少基建工程、现场安装方便、造价低廉、农药去除效率高、固定化颗粒方便回收且可循环多次利用的装置。

发明内容

本发明提供一种去除农田退水农药的活性炭与微生物耦合装置，其目的为解决农田农药面源污染问题，在农田排水沟渠内固定透水安装槽并安装嵌入式过滤墙，在农田水体逐层流过嵌入式过滤墙时，水体中农药被活性炭-降解菌耦合载体吸附降解，从而降低农田退水农药浓度。

本发明的技术解决方案：一去除农田退水农药的活性炭与微生物耦合装置，其结构包括透水安装槽1、粗栅格拦截网8、嵌入式过滤墙3和固定桩4；透水安装槽1设有卡槽2和窄槽9，透水安装槽1的底部和透水安装槽1平行于农田沟渠长度方向的两面分别由底部挡板10和侧面挡板5封闭，透水安装槽1通过固定桩4固定于农田排水沟渠18中；卡槽2内有嵌入式过滤墙3；窄槽9内插有粗栅格拦截网8。

本发明的优点：

1）透水安装槽直接安装于农田排水沟渠中，基建工程少，不存在占地问题；

2）农田退水流经多层嵌入式过滤墙时，水体内农药被活性炭-微生物耦合载体吸附降解，农药去除效率高，水体逐层净化彻底；

3）透水安装槽的多卡槽设计可用于灵活调节嵌入式过滤墙的数量和间距，若遇下雨期间或洪水期农田排水流量大的情况，为避免堵塞沟渠可以取出或减少嵌入式过滤墙插入数量而不影响原有沟渠的排水能力；

4）嵌入式过滤墙的顶部开启式设计方便活性炭-降解菌耦合载体的更新处理和循环利用；

5）制作简单、实施费用低、维护管理容易、适合大范围推广应用。

附图说明

附图1是本发明的立体图。

附图2是本发明的剖视图。

附图3是本发明的俯视图。

附图4是本发明中嵌入式过滤墙的立体图。

附图5是本发明在农田排水沟渠摆放示意图。

图中的1是透水安装槽，2是卡槽，3是嵌入式过滤墙，4是固定桩，5是侧面挡板，6是固定环，7是手把，8是粗栅格拦截网，9是窄槽，10是底部挡板，11是活性炭-微生物耦合载体，12是铁丝网，13是十字加固架，14是合页，15是不锈钢边框，16是不锈钢闭合盖，17是卡扣，18是农田排水沟渠。

具体实施方式

对照附图，一种去除农田退水中农药的活性炭与微生物耦合装置，其结构包括透水安装槽1、粗栅格拦截网8、嵌入式过滤墙3和固定桩4；透水安装槽1设有卡槽2和窄槽9，透水安装槽1的底部和透水安装槽1平行于农田沟渠长度方向的两面分别由底部挡板10和侧面挡板5封闭，透水安装槽1通过固定桩4固定于农田排水沟渠18中；卡槽2内有嵌入式过滤墙3；窄槽9内插有粗栅格拦截网8。

所述底部挡板10和侧面挡板5的材质均优选为PVC塑料。

所述透水安装槽1由角钢和PVC塑料板制成，透水安装槽1整体呈长方体，透水安装槽1平行于排水沟渠的框架上下四条棱上各有一根角钢，每根角钢的前段和末端均切割出一个窄槽，四根角钢前端的窄槽组成一组窄槽9，四根角钢后端的窄槽组成另一组窄槽9，每根角钢的上切割出若干卡槽2，卡槽2的尺寸根据嵌入式过滤墙3厚度确定，用一块底部挡板10和两块侧面挡板5分别将框架的底部及透水安装槽1平行于农田沟渠长度方向的两面封闭，透水安装槽1的其他三面均为开放状态，用固定桩4将透水安装槽1固定于农田排水沟渠18中。

所述粗栅格拦截网8为钢筋与钢丝网制作，钢丝网密度优选为4.5 kg/m²，根据水流方向选择插入透水安装槽的前段或末端窄槽9中，以防止较大的悬浮物及作物秸秆等直接进入装置发生堵塞。

所述嵌入式过滤墙3为顶部可开启式，包括不锈钢边框15和铁丝网12，嵌入式过滤墙3平行于农田沟渠长度方向的两个侧面是不锈钢边框15，嵌入式过滤墙3垂直于农田沟渠长度方向的两个侧面是铁丝网12，其中一个不锈钢边框15的顶部安装合页14，不锈钢闭合盖16通过合页14与其中一个不锈钢边框15衔接，另一个不锈钢边框15的顶部安装卡扣17用于嵌入式过滤墙3封闭时对不锈钢闭合盖16的锁定，每个铁丝网12上各有一个十字加固架13，通过十字加固架13将铁丝网12与不锈钢边框15固着紧密以保证嵌入式过滤墙3牢固，在不锈钢闭合盖16上安装两个手把7以方便嵌入式过滤墙3在透水安装槽1的插入和取出。

所述嵌入式过滤墙3内部由活性炭-微生物耦合载体11填充，活性炭-微生物耦合载体11填充于嵌入式过滤墙3中，活性炭颗粒大小要大于铁丝网12的孔径。

所述活性炭-微生物耦合载体11的制备：首先通过驯化筛选获得农田土著农药降解菌，将农药降解菌接种至液体培养基扩大培养，将活化后的活性炭颗粒投入菌液中与农药降解菌共培养，即可获得活性炭-微生物耦合载体11。

一种去除农田退水农药的活性炭与微生物耦合装置在使用时，首先根据水流方向将粗栅格拦截网8插入透水安装槽1前段或末端窄槽9中，然后将若干嵌入式过滤墙3分别对应插入透水安装槽1的卡槽2中，安插数量和间距根据农田排水量、水流速度等条件确定，如附图5所示，在农田排水沟渠18中固定若干个本发明耦合装置，水体经过本发明装置时，大颗粒杂质首先被粗栅格拦截网8拦截，然后依次经过若干层嵌入式过滤墙3，其内部填充的活性炭-微生物耦合载体11将水体中农药吸附并高效降解，装置运行一段时间，将嵌入式过滤墙3从透水安装槽1抽出，打开不锈钢闭合盖16，将内置活性炭-微生物耦合载体11从顶部倒出处理并更换；下雨期间或洪水期农田排水流量大时取出粗栅格拦截网8和嵌入式过滤墙3，或者减少嵌入式过滤墙3插入数量，以避免堵塞沟渠，保障农田沟渠水流通畅。

所述透水安装槽根据排水沟渠尺寸用角钢焊接成长方体框架，平行于排水沟渠的框架上下共四根角钢前段和末端均切割出一个窄槽9，中间位置切割出若干卡槽2，卡槽2的尺寸根据嵌入式过滤墙3厚度确定，将一块PVC塑料底部挡板10和两块PVC塑料侧面挡板5分别将框架的底部及带卡槽的两面封闭，其他三面均为开放状态，形成透水安装槽1；透水安装槽1的侧面上有固定环6，将透水安装槽1放置于农田排水沟渠18后，将木质或铁质农田沟渠固定桩4穿过固定环6插入沟渠底部泥土中将透水安装槽1在农田排水沟渠18中固定。

所述粗栅格拦截网8为钢筋与大密度钢丝网制作，根据水流方向选择插入透水安装槽的前段或末端窄槽9中，起到粗格栅作用，以防止较大的悬浮物及作物秸秆等直接进入装置发生堵塞。

所述活性炭-微生物耦合载体11中活性炭为颗粒状，活性炭在负载微生物前需要进行活化处理，活化处理的步骤包括：（1）活性炭经500℃高温焙烧4小时，无菌水冲洗3次每次15分钟；（2）将（1）中获得的活性炭颗粒加入到0.1 M乙二胺四乙酸溶液中25℃浸泡24小时进行改良鳌合，浸泡后将活性炭颗粒从乙二胺四乙酸溶液中取出；（3）用30%的氢氧化钠溶液浸泡第（2）步改良后的活性炭12小时，浸泡后取出活性炭；（4）用30%的盐酸溶液浸泡第（3）步经碱洗过的活性炭12小时，浸泡后取出活性炭；（5）用无菌水冲洗5-6次，每次冲洗15分钟后100℃烘至干燥。

所述活性炭-微生物耦合载体11中微生物是从农田土壤中驯化筛选获得的毒死蜱降解菌Sphingomonas sp. Dsp-2，用LB培养基（LB培养基含胰蛋白胨10 g/L、酵母提取物5g/L、氯化钠10 g/L；pH 7.0）对Sphingomonas sp. Dsp-2菌株在震荡摇床进行扩大培养，摇床转速200 rmp，培养条件为温度30℃，用分光光度计测定吸光度OD600检测降解菌的生长情况，待生长至平台期后，将活化后的活性炭加入到培养系统中，共培养24 小时，Sphingomonas sp. Dsp-2菌体进入活性炭内部微孔并在微孔表面紧密附着，获得活性炭-毒死蜱降解菌耦合载体11。

以下通过具体实施例详细说明发明的实施步骤，目的在于使本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。

实施例

一种去除农田退水中农药毒死蜱的活性炭与微生物耦合装置，由结构包括透水安装槽1、粗栅格拦截网8、嵌入式过滤墙3和固定桩4；透水安装槽1设有卡槽2和窄槽9，透水安装槽1的底部和透水安装槽1平行于农田沟渠长度方向的两面分别由PVC塑料底部挡板10和PVC塑料侧面挡板5封闭，透水安装槽1通过固定桩4固定于农田排水沟渠中；卡槽2内有嵌入式过滤墙3；窄槽9内插有粗栅格拦截网8。

所述透水安装槽1为长80 cm×宽80cm×高60cm，由角钢焊接而成；平行于排水沟渠的上下四根角钢在距前端和后端2cm位置处切割出宽度为0.8 cm的窄槽9，中间位置每间隔15cm切割1个宽度为3.5cm的卡槽2，每根角钢的长度方向不同位置共切割出4个卡槽2；将一块长80 cm×宽80cm的PVC塑料底部挡板10将安装槽底部密封，另用两块长80cm×宽60cm的PVC塑料侧面挡板5将框架带卡槽2的两面封闭，其他三面均为开放状态，形成透水安装槽1；在透水安装槽1四角位置焊接直径为4 cm的固定环6，将直径约为3.5cm的铁制固定桩4穿过固定环6将透水安装槽1固定于农田排水沟渠18的底部。

所述粗栅格拦截网8有钢筋与大密度（4.5 kg/m²）钢丝网焊接制成，尺寸为长79.5cm×高60cm×宽0.5cm。

所述嵌入式过滤墙3为顶部可开启式，尺寸为长79.5cm×高60cm×宽3cm，由宽度为3.0 cm的不锈钢边框15和两面铁丝网12（孔径小于1.5 cm）焊接制成，不锈钢闭合盖16尺寸为长79.5cm×宽3cm，通过合页14与不锈钢边框15衔接，用两根长79.5cm×宽60 cm×高0.2cm的钢条焊接制作十字加固架13，用十字加固架13将铁丝网12与不锈钢边框15固着紧密，在不锈钢闭合盖16上安装两个手把7以方便嵌入式过滤墙3在透水安装槽的插入和取出。

所述活性炭-微生物耦合载体11中活性炭为颗粒状，活性炭颗粒直径大于1.5cm，活性炭在负载微生物前需要进行活化处理，步骤如下：（1）活性炭经500℃高温焙烧4小时，无菌水冲洗3次每次15分钟，冲洗后无需干燥；（2）将（1）中获得的活性炭颗粒加入到0.1 M乙二胺四乙酸溶液中25℃浸泡24小时进行改良鳌合，浸泡后将活性炭颗粒从乙二胺四乙酸溶液中取出，无需干燥；（3）用30%的氢氧化钠溶液浸泡第（2）步改良后的活性炭12小时，浸泡后取出活性炭无需干燥；（4）用30%的盐酸溶液浸泡第（3）步经碱洗过的活性炭12小时，浸泡后取出活性炭无需干燥；（5）用无菌水冲洗5-6次，每次冲洗15分钟后100℃烘至干燥；所述活性炭-微生物耦合载体11中微生物是从农田土壤中驯化筛选获得的毒死蜱降解菌Sphingomonas sp. Dsp-2，用LB培养基（LB培养基含胰蛋白胨10 g/L、酵母提取物5 g/L、氯化钠10 g/L；pH 7.0）对Sphingomonas sp. Dsp-2菌株在震荡摇床进行扩大培养，摇床转速200 rmp，培养条件为温度30℃，用分光光度计测定吸光度OD600检测降解菌的生长情况，待生长至平台期后，将活化后的活性炭加入到培养系统中，共培养24 小时，Sphingomonassp. Dsp-2菌体进入活性炭内部微孔并在微孔表面紧密附着，获得活性炭-毒死蜱降解菌耦合载体11。

使用时，首先根据水流方向将粗栅格拦截网8插入透水安装槽1前段或末端窄槽9中，用于拦截大颗粒悬浮物或者作物秸秆等；然后根据沟渠水流速度灵活调节嵌入式过滤墙3插入透水安装槽1中的数量；如附图5所示，在农田排水沟渠中固定2-10个耦合装置，农田排水中的毒死蜱在流经装置中多个嵌入式过滤墙3后得到逐层净化，达到高效去除水体农药残留，净化水质的目的；运行一段时间后，可将嵌入式过滤墙3从透水安装槽1抽出，打开不锈钢闭合盖16，将内置活性炭-微生物耦合载体11从顶部倒出收集并更换，回收的活性炭-微生物耦合载体11处理时可用高温500℃高温焙烧至少4小时以消解吸附但尚未被降解的农药。

Claims (4)

1.一种去除农田退水农药的活性炭与微生物耦合装置，其特征是包括透水安装槽、粗栅格拦截网、嵌入式过滤墙和固定桩；透水安装槽设有卡槽和窄槽，透水安装槽的底部和透水安装槽平行于农田排水沟渠长度方向的两面分别由底部挡板和侧面挡板封闭，透水安装槽通过固定桩固定于农田排水沟渠中；卡槽内有嵌入式过滤墙；窄槽内插有粗栅格拦截网；所述嵌入式过滤墙的内部填充有活性炭-微生物耦合载体；所述活性炭-微生物耦合载体的制备：首先通过驯化筛选获得农田土著农药降解菌，将农药降解菌接种至液体培养基扩大培养，将活化后的活性炭颗粒投入菌液中与农药降解菌共培养，即可获得活性炭-微生物耦合载体；

所述透水安装槽由角钢和PVC塑料板制成，透水安装槽整体呈长方体，透水安装槽平行于农田排水沟渠的框架上下四条棱上各有一根角钢，每根角钢的前段和末端均切割出一个窄槽，四根角钢前端的窄槽组成一组窄槽，四根角钢后端的窄槽组成另一组窄槽，每根角钢上切割出若干卡槽，卡槽的尺寸根据嵌入式过滤墙厚度确定，用一块底部挡板和两块侧面挡板分别将框架的底部及透水安装槽平行于农田排水沟渠长度方向的两面封闭，透水安装槽的其他三面均为开放状态，用固定桩将透水安装槽固定于农田排水沟渠中。

2.根据权利要求1所述的一种去除农田退水农药的活性炭与微生物耦合装置，其特征是所述粗栅格拦截网为钢筋与大密度钢丝网制作，根据水流方向选择插入透水安装槽的前段或末端窄槽中，以防止较大的悬浮物及作物秸秆直接进入装置发生堵塞。

3.根据权利要求1所述的一种去除农田退水农药的活性炭与微生物耦合装置，其特征是所述嵌入式过滤墙平行于农田排水沟渠长度方向的两个侧面是不锈钢边框，嵌入式过滤墙垂直于农田排水沟渠长度方向的两个侧面是铁丝网，其中一个不锈钢边框的顶部安装合页，不锈钢闭合盖通过合页与其中一个不锈钢边框衔接，另一个不锈钢边框的顶部安装卡扣用于嵌入式过滤墙封闭时对不锈钢闭合盖的锁定，每个铁丝网上各有一个十字加固架，通过十字加固架将铁丝网与不锈钢边框固着紧密以保证嵌入式过滤墙牢固，在不锈钢闭合盖上安装两个把手以方便嵌入式过滤墙在透水安装槽的插入和取出；所述活性炭-微生物耦合载体粒径要大于铁丝网孔径。

4.根据权利要求1所述的一种去除农田退水农药的活性炭与微生物耦合装置，其特征是使用时，首先根据水流方向将粗栅格拦截网插入透水安装槽前段或末端窄槽中，然后将若干嵌入式过滤墙分别对应插入透水安装槽的卡槽中，安插数量和间距根据农田排水量、水流速度确定，水体经过该装置时，大颗粒杂质首先被粗栅格拦截网拦截，然后依次经过若干层嵌入式过滤墙，其内部填充的活性炭-微生物耦合载体将水体中农药吸附并降解，装置运行一段时间，将嵌入式过滤墙从透水安装槽抽出，打开不锈钢闭合盖，将内置活性炭-微生物耦合载体从顶部倒出处理并更换；下雨期间或洪水期农田排水流量大时取出粗栅格拦截网和嵌入式过滤墙，或者减少嵌入式过滤墙插入数量，以避免堵塞沟渠，保障农田排水沟渠水流通畅。