CN107986539A - 一种农田首级退水水质渗滤净化装置 - Google Patents

一种农田首级退水水质渗滤净化装置 Download PDF

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Abstract

本发明是一种农田首级退水水质渗滤净化装置，其结构包括固定支架、渗滤净化箱、排水挡板、纳米净化网、阻水块、纳米复合材料、固着底板；其中，固定支架固定安装在农田排水口处，支架两侧对应设有三排凹槽，分别为净化网安装槽、挡板安装槽和和净化箱安装槽，依次对应安装纳米净化网，排水挡板和渗滤净化箱，安装时保证净化网安装槽在农田排水来水一侧；农田非排水期，插入排水挡板，排水口附近水体污染物可被纳米净化网降解去除；在农田排水时，取下排水挡板，并根据田间水位要求在净化箱安装槽内安装阻水块后再叠加放入若干个渗滤净化箱，形成一列渗滤墙；渗滤净化箱为可开启式，方便纳米复合材料的更新回收。

Description

一种农田首级退水水质渗滤净化装置
技术领域
本发明涉及的是一种农田首级退水水质渗滤净化装置，属于农田面源污染控制技术领域。
背景技术
在以“增产增收”为核心的农业发展模式下，我国农业生产中农药、化肥大量施用，所喷洒的农药一般只有10%-20%附着在作物上，而施用的化肥作物吸收率仅在30%左右。那些未被作物利用的化肥和农药，相当大一部分随灌溉后的农田退水或雨后径流流入地表水体，已成为河湖水质恶化的主要原因。
农田首级排水沟中的污染物浓度高，首级净化是控制污染输移扩散的前提，为了避免农田面源污染进一步扩大，在农田首级排水沟中布置净化装置是十分必要的，在农田面源污染的源头对污染物进行截留降解处理，对保障生态系统的安全有重要意义。
目前水质净化技术中，光催化降解因降解效率高、寿命长、环境友好等优点成为最具潜力的水污染修复技术。而这种技术目前原位应用仍较少，在农田水体修复中的应用更加有限；专利CN100485131公开了一种农田排水排渍控制箱以及田面水自动控制系统，针对农田排水和田面水，上述专利在主箱体内填充对氮、磷营养元素有一定吸收能力且易形成生物膜的吸附材料，但箱体受水流冲击容易变形，且长时间使用后对氮磷的去除效果下降，更换材料十分困难。再如专利CN103964566A提出一种旱作物农田首级退水水质强化净化装置，能够调节田间的地下水位和控制农田退水中氮、磷浓度，虽然水体经该装置净化后氮磷浓度有效降低，但对一些难降解的有机污染物（如有机农药）去除效果不佳；此外，该装置结构复杂，安装时工程量较大，各组件不可调节，净化材料更换困难。利用纳米光催化剂对污染物的高效降解性能，在农田首级排水沟设计一种结构简单、可灵活组装、易回收更换的水质渗滤净化装置，对高效去除水体污染物、控制农业面源污染具有重要意义。
发明内容
本发明提供一种农田首级退水水质渗滤净化装置，其目的旨在针对农田首级退水水体污染问题，通过在首级排水口安装渗滤净化装置，构建生态净污型排水口，利用装置内填充的纳米复合材料的光催化性能，高效去除农田首级退水中的氮、磷、农药等污染物。
本发明的技术解决方案：一种农田首级退水水质渗滤净化装置，其结构包括固定支架1、渗滤净化箱2、排水挡板3、纳米净化网4、阻水块5、纳米复合材料6；其中，固定支架1固定安装在农田排水口处，固定支架1两侧设有三排凹槽，分别为净化网安装槽7、挡板安装槽8和净化箱安装槽9；净化网安装槽7、挡板安装槽8和和净化箱安装槽9依次用于对应安装纳米净化网4、排水挡板3和渗滤净化箱2，安装时保证净化网安装槽7在农田排水来水一侧；农田非排水期，在挡板安装槽8内插入排水挡板3，农田排水口附近水体污染物被纳米净化网4降解去除；在农田排水时，取下排水挡板3，并根据田间水位要求在净化箱安装槽9内安装阻水块5后再叠加放入若干个渗滤净化箱2，形成一列渗滤墙；所述渗滤净化箱2内填充纳米复合材料6，渗滤净化箱2为可开启式。
本发明的优点：
（1）本发明直接安装在农田排水口处，能够利用纳米复合材料和纳米净化网对农田首级退水中污染物进行高效净化处理，对农业面源污染进行源头阻控；
（2）本发明的渗滤净化箱2数量可根据田间所需水位和排水水量灵活调节；
（3）本发明的渗滤净化箱2为可开启式，方便纳米复合材料6的替换更新，保证净化效果的持久性和高效性；
（4）本发明仅需对农田排水口进行简单改造安装，基建成本低，占地面积小，可大面积推广使用。
附图说明
附图1是本发明的立体图。
附图2是本发明的俯视图。
附图3是本发明的固定支架1立体图。
附图4是本发明的纳米净化网4示意图。
附图5是本发明的渗滤净化箱2的立体图。
附图6是本发明在农田排水口摆放的示意图。
附图中1是固定支架，2是渗滤净化箱，3是排水挡板，4是纳米净化网，5是阻水块，6是纳米复合材料，7是净化网安装槽、8是挡板安装槽，9是净化箱安装槽，10是固着底板，11是农田首级退水水质渗滤净化装置。
具体实施方式
一种农田首级退水水质渗滤净化装置，其结构包括固定支架1、渗滤净化箱2、排水挡板3、纳米净化网4、阻水块5、纳米复合材料6；其中，固定支架1固定安装在农田排水口处，固定支架1两侧设有三排凹槽，分别为净化网安装槽7、挡板安装槽8和净化箱安装槽9；净化网安装槽7、挡板安装槽8和和净化箱安装槽9依次用于对应安装纳米净化网4、排水挡板3和渗滤净化箱2，安装时保证净化网安装槽7在农田排水来水一侧；农田非排水期，在挡板安装槽8内插入排水挡板3，农田排水口附近水体污染物被纳米净化网4降解去除；在农田排水时，取下排水挡板3，并根据田间水位要求在净化箱安装槽9内安装阻水块5后再叠加放入若干个渗滤净化箱2，形成一列渗滤墙；所述渗滤净化箱2内填充纳米复合材料6，渗滤净化箱2为可开启式，方便纳米复合材料6的更新回收。
所述固定支架1材质为不锈钢，尺寸与农田排水口吻合，支架两侧下部的固着底板10可插入土壤中以便将固定架固定在农田排水口处，固定支架1有三排凹槽，依次为净化网安装槽7、挡板安装槽8和净化箱安装槽9，分别用于对应安装纳米净化网4，排水挡板3和渗滤净化箱2，所述固定支架1两侧的三排凹槽的大小分别根据渗滤净化箱2、排水挡板3、纳米净化网4的宽度确定，固定支架1厚度整体均匀，以保证机械强度。
所述阻水块5优选不透水塑料块，根据排水时田间需保持的水位确定阻水块的个数N（1≤N≤3），在渗滤净化箱2安装前，阻水块5嵌合安装在固定支架1上的净化箱安装槽9中，位于装置底部用于维持田间水位。
所述渗滤净化箱2材质优选为PVC塑料，其内填充纳米复合材料6，所述渗滤净化箱2为多孔净化箱，渗滤净化箱2箱体上的孔径应小于纳米复合材料6，优选孔径范围10目～30目，渗滤净化箱2有可开启式上盖，方便更换回收纳米复合材料6。
所述渗滤净化箱2在固定支架1中的安放个数M（1≤M≤6）可根据农田排水时农田水位高度确定，叠加安装后可形成一列水质净化渗滤墙。
所述纳米净化网4安装在净化网安装槽7处，可在农田非排水期对排水口附近水体进行净化，纳米净化网4的纳米光催化剂优选纳米二氧化钛，净化网载体材质可为绵、涤纶、玻璃纤维或碳纤维，优选涤纶材质，具体制备方法为：
（1）采用溶胶-凝胶法制备纳米光催化剂溶胶：具体为在磁力搅拌器转速为1000rpm搅拌条件下搅拌下，将前驱体钛酸正丁酯的异丙醇溶液以120滴/分钟的速度匀速滴加到pH为2.5的稀硝酸水溶液中，硝酸与钛酸正丁酯的摩尔比分别为76：1.42，75℃恒温搅拌（300rpm），回流24小时后用旋转蒸发去除醇类，最终得到纳米光催化剂溶胶,即:锐钛矿型纳米TiO2负载液；
（2）净化网载体的预处理：具体为将净化网在开水中煮沸 10 min后用冷水彻底清洗，在室温下晾干；
（3）浸轧液的准备，具体为向步骤（1）制备的光催化溶胶中加入终浓度（各自在最终形成的浸渍液中的浓度）为30 g/L的有机硅添加剂和2 g/L 的脂肪醇聚氧乙烯醚，以提高后续浸轧步骤中光催化剂与净化网强度；所述终浓度为各自在最终形成的浸渍液中的浓度；
（4）负载纳米光催化剂的网格帘制备，具体为首先将经步骤（2）处理后的净化网浸入步骤（3）制备的浸轧液中，浸渍15-20分钟后取出过轧车，轧液率为70%，重复以上浸渍-轧液步骤两次，使净化网带液均匀，最后将净化网经100℃预烘 2分钟，150℃焙烘 1分钟。
所述排水挡板3材质为PVC塑料板，安装在固定支架1的挡板安装槽8内，在农田非排水期在挡板安装槽8中嵌合插入排水挡板3，当农田排水时将排水挡板3抽出放水通行。
所述纳米复合材料6的制备方法优选浸渍-提拉法，纳米光催化剂优选纳米二氧化钛，载体材料可为多孔陶粒、多孔玻璃球、玻璃纤维等，纳米复合材料6的制备步骤包括：
（1）采用溶胶-凝胶法制备光催化剂溶胶：同纳米净化网4的方法，此处不再赘述。
（2）纳米光催化剂-载体负载，具体为用坩锅钳或其他可起到加持作用的工具固定装有载体材料的过滤器，浸入锐钛矿型纳米TiO2负载液中5 min后提出液体表面静置15min，重复4～5次后用纯水漂洗10 min以去除未紧密附着的锐钛矿型纳米TiO2；室温干燥24h后用高温（温度根据载体材料性质选择）焙烧2 h，即可获得负载有锐钛矿型纳米TiO2负载层的纳米复合材料6。
一种农田首级退水水质渗滤净化装置应用时，具体包括以下步骤;
（1）固定支架安装：安装固定支架1需保证净化网安装槽7在农田排水来水一侧，支架两侧下部的固着底板10可插入一定深度的土壤中，以便将固定架固定在农田排水口处。
（2）将纳米复合材料6装入渗滤净化箱2中，将排水挡板3安装在固定支架1上的挡板安装槽8中，纳米净化网4安装在固定支架1上的净化网安装槽7中，根据田间水位要求在净化箱安装槽9内放置一定数量的阻水块5后再叠加放入若干个渗滤净化箱2，形成一列渗滤墙。
（3）农田非排水期，插入排水挡板3阻水，排水口附近水体污染物可被纳米净化网4降解去除；在农田排水时，取下排水挡板3，水体流过渗滤墙时，其内填充的纳米复合材料6发挥水体污染物净化截留的作用。
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
一种农田首级退水水质渗滤净化装置，其结构包括固定支架1、渗滤净化箱2、排水挡板3、纳米净化网4、阻水块5、纳米复合材料6、固着底板10；其中，固定支架1固定安装在农田排水口处，支架两侧对应设有三排凹槽，分别为净化网安装槽7、挡板安装槽8和和净化箱安装槽9，依次对应安装纳米净化网4，排水挡板3和渗滤净化箱2，安装时保证净化网安装槽7在农田排水来水一侧；农田非排水期，插入排水挡板3，排水口附近水体污染物可被纳米净化网4降解去除；在农田排水时，取下排水挡板3，并根据田间水位要求在净化箱安装槽9内安装阻水块5后再叠加放入若干个渗滤净化箱2，形成一列渗滤墙；渗滤净化箱2为可开启式，方便纳米复合材料6的更新回收。
所述固定支架1材质为不锈钢，高度为100cm，支架两侧下部的固着底板10高度为50cm，可插入土壤中以便将固定支架1固定在农田排水口处，固定支架1有三排凹槽，依次为净化网安装槽7、挡板安装槽8和净化箱安装槽9，凹槽深度为5cm，依次对应固定渗滤净化箱2、排水挡板3和纳米净化网4，凹槽宽度分别为20cm、5cm、5cm，固定支架1厚度整体均匀，壁厚为1cm。
所述阻水块5为不透水塑料块，长度为140cm，宽度为20cm，高度为20cm根据排水时田间需保持的水位确定阻水块的个数N（1<N<3），在渗滤净化箱2安装前，嵌合安装在固定支架1上的净化箱安装槽7中，位于装置底部用于维持田间水位。
所述渗滤净化箱2材质优选为PVC塑料，长度为140cm，宽度为20cm，高度为20cm，其内装有纳米复合材料6，渗滤净化箱2的孔径应小于纳米复合材料6，孔径为20目，多孔净化箱2有可开启式上盖，方便更换回收纳米复合材料6。
所述渗滤净化箱2在固定支架1中的安放个数N（1<N<6）可根据农田排水时农田水位高度确定，叠加安装后可形成一列水质净化渗滤墙。
所述纳米净化网4安装在凹槽7处，框架厚度为5cm，整体高度为100cm，宽度为140cm，可在农田非排水期对排水口附近水体进行净化，纳米净化网4的光催化剂为纳米二氧化钛，净化网载体材质为涤纶材质，具体制备方法为：
（1）采用溶胶-凝胶法制备光催化剂溶胶：具体为在磁力搅拌器转速为1000rpm搅拌条件下搅拌下，将前驱体钛酸正丁酯的异丙醇溶液以120滴/分钟的速度匀速滴加到pH为2.5的稀硝酸水溶液中，硝酸与钛酸正丁酯的摩尔比分别为76：1.42，75℃恒温搅拌（300 rpm），回流24小时后用旋转蒸发去除醇类，最终得到光催化剂溶胶；
（2）净化网载体的预处理：具体为将净化网在开水中煮沸 10 min后用冷水彻底清洗，在室温下晾干；
（3）浸轧液的准备，具体为向步骤（1）制备的光催化溶胶中加入终浓度（各自在最终形成的浸渍液中的浓度）为30 g/L的有机硅添加剂和2 g/L 的脂肪醇聚氧乙烯醚，以提高后续浸轧步骤中光催化剂与净化网强度;
（4）负载光催化剂的网格帘制备，具体为首先将经步骤（2）处理后的净化网（3）制备的浸轧液中，浸渍15-20分钟后取出过轧车（轧液率为70%），重复以上浸渍-轧液步骤两次，使净化网带液均匀，最后将净化网经100℃预烘 2分钟，150℃焙烘 1分钟。
所述排水挡板3材质为PVC塑料板，长度为140cm，宽度为5cm，高度为100cm，安装在固定支架1的挡板安装槽8内，当农田非排水期在挡板安装槽8中嵌合插入排水挡板3，当农田排水时将排水挡板3抽出放水通行。
所述纳米复合材料6的制备方法优选浸渍-提拉法，纳米光催化剂优选纳米二氧化钛，载体材料为多孔玻璃球，纳米复合材料6的制备步骤包括：
（1）采用溶胶-凝胶法制备光催化剂溶胶：同纳米净化网4的方法，此处不再赘述;
（2）纳米光催化剂-载体负载，具体为用坩锅钳或其他可起到加持作用的工具固定装有多孔玻璃球的过滤器，浸入锐钛矿型纳米TiO2负载液中5 min后提出液体表面静置15 min，重复4～5次后用纯水漂洗10 min以去除未紧密附着的锐钛矿型纳米TiO2；室温干燥24h后用高温400度焙烧2 h，即可获得负载有锐钛矿型纳米TiO2负载层的纳米复合材料6。
一种农田首级退水水质渗滤净化装置应用时，具体包括以下步骤;
（1）安装固定支架1需保证净化网安装槽7在农田排水来水一侧，支架两侧下部的固着底板10插入50cm深度的土壤中，以便将固定架固定在农田排水口处;
（2）将纳米复合材料6装入多孔净化箱2中，将排水挡板3安装在固定支架1上的挡板安装槽8中，纳米净化网4安装在固定支架1上的净化网安装槽7中，根据田间水位要求在净化箱安装槽9内安装1个阻水块5后再叠加放入3个渗滤净化箱2，形成一列渗滤墙;
（3）农田非排水期，插入排水挡板3阻水，排水口附近水体污染物可被纳米净化网4降解去除；在农田排水时，取下排水挡板3，水体经过渗滤墙后，其内填充的纳米复合材料6发挥水体污染物净化截留的作用。

Claims (10)

1.一种农田首级退水水质渗滤净化装置，其特征是包括固定支架、渗滤净化箱、排水挡板、纳米净化网、阻水块、纳米复合材料；其中，固定支架固定安装在农田排水口处，固定支架两侧设有三排凹槽，分别为净化网安装槽、挡板安装槽和净化箱安装槽；净化网安装槽、挡板安装槽和净化箱安装槽依次用于对应安装纳米净化网、排水挡板和渗滤净化箱，安装时保证净化网安装槽在农田排水来水一侧；农田非排水期，在挡板安装槽内插入排水挡板，农田排水口附近水体污染物被纳米净化网降解去除；在农田排水时，取下排水挡板，并根据田间水位要求在净化箱安装槽内安装阻水块后再叠加放入若干个渗滤净化箱，形成一列渗滤墙；所述渗滤净化箱内填充纳米复合材料，渗滤净化箱为可开启式。
2.根据权利要求1所述的农田首级退水水质渗滤净化装置，其特征是所述固定支架两侧下部各有一个固着底板，所述固定支架材质为不锈钢，尺寸与农田排水口吻合，使用时固定支架两侧下部的固着底板插入土壤中以便将固定支架固定在农田排水口处，所述固定支架两侧的三排凹槽大小分别根据纳米净化网、排水挡板、渗滤净化箱的宽度确定；固定支架厚度整体均匀，以保证机械强度。
3.根据权利要求1所述的农田首级退水水质渗滤净化装置，其特征是所述阻水块为不透水塑料块，根据排水时田间需保持的水位确定阻水块的个数N，1≤N≤3；在渗滤净化箱安装前，阻水块嵌合安装在固定支架上的净化箱安装槽中，阻水块位于装置底部用于维持田间水位。
4.根据权利要求1所述的农田首级退水水质渗滤净化装置，其特征是所述渗滤净化箱材质为PVC塑料，其内填充纳米复合材料，所述渗滤净化箱为多孔净化箱，多孔净化箱箱体上的孔径小于纳米复合材料的粒径，多孔净化箱箱体上的孔径范围为10目～30目，多孔净化箱有可开启式上盖，方便更换回收纳米复合材料。
5.根据权利要求1所述的农田首级退水水质渗滤净化装置，其特征所述渗滤净化箱在固定支架中安放的个数为M，M根据农田排水时农田水位高度确定，1≤M≤6，叠加安装后形成一列水质净化渗滤墙。
6.根据权利要求1所述的农田首级退水水质渗滤净化装置，其特征是所述纳米净化网安装在净化网安装槽处，在农田非排水期对排水口附近水体进行净化；所述纳米净化网包括净化网载体和在净化网载体上负载的纳米光催化剂；纳米光催化剂为纳米二氧化钛，净化网载体材质为绵、涤纶、玻璃纤维、碳纤维中的一种；
所述纳米净化网的具体制备方法为包括：
（1）采用溶胶-凝胶法制备纳米光催化剂溶胶；
（2）净化网载体的预处理：具体为将净化网在开水中煮沸 10 min后用冷水彻底清洗，在室温下晾干；
（3）浸轧液的准备，具体为向步骤（1）制备的纳米光催化剂溶胶中加入终浓度为30 g/L的有机硅添加剂和2 g/L 的脂肪醇聚氧乙烯醚，以提高后续浸轧步骤中光催化剂与净化网强度；所述终浓度为各自在最终形成的浸渍液中的浓度；
（4）负载纳米光催化剂的网格帘制备，具体为首先将经步骤（2）处理后的净化网浸渍在步骤（3）制备的浸轧液中，浸渍15-20分钟后取出过轧车，轧液率为70%；重复以上浸渍-轧液步骤两次，使净化网带液均匀，最后将净化网经100℃预烘 2分钟，150℃焙烘 1分钟。
7.根据权利要求1所述的农田首级退水水质渗滤净化装置，其特征是所述排水挡板材质为PVC塑料板，安装在固定支架的挡板安装槽内，在农田非排水期在挡板安装槽中嵌合插入排水挡板，当农田排水时将排水挡板抽出放水通行。
8.根据权利要求1所述的农田首级退水水质渗滤净化装置，其特征是所述纳米复合材料包括纳米光催化剂和载体材料；所述纳米复合材料的制备方法为浸渍-提拉法，纳米光催化剂为纳米二氧化钛，载体材料为多孔陶粒、多孔玻璃球、玻璃纤维中的一种；
所述纳米复合材料的制备步骤包括：
（1）采用溶胶-凝胶法制备纳米光催化剂溶胶；
（2）纳米光催化剂-载体负载，具体为用坩锅钳或其他起到加持作用的工具固定装有载体材料的过滤器，浸入锐钛矿型纳米TiO2负载液中5 min后提出液体表面静置15 min，重复4～5次后用纯水漂洗10 min以去除未紧密附着的锐钛矿型纳米TiO2；室温干燥24h后用焙烧2 h，即可获得负载有锐钛矿型纳米TiO2负载层的纳米复合材料6。
9.根据权利要求1所述的农田首级退水水质渗滤净化装置，其特征是应用时，具体包括以下步骤：
（1）固定支架安装：安装固定支架需保证净化网安装槽在农田排水来水一侧，支架两侧下部的固着底板插入土壤中，以便将固定架固定在农田排水口处；
（2）将纳米复合材料装入渗滤净化箱中，将排水挡板安装在固定支架上的挡板安装槽中，纳米净化网安装在固定支架上的净化网安装槽中，根据田间水位要求在净化箱安装槽内放置一定数量的阻水块后再叠加放入若干个渗滤净化箱，形成一列渗滤墙；
（3）农田非排水期，插入排水挡板阻水，排水口附近水体污染物可被纳米净化网降解去除；在农田排水时，取下排水挡板，水体流过渗滤墙时，其内填充的纳米复合材料发挥水体污染物净化截留的作用。
10.根据权利要求6或8所述的农田首级退水水质渗滤净化装置，其特征所述采用溶胶-凝胶法制备纳米光催化剂溶胶：具体为在磁力搅拌器转速为1000rpm搅拌条件下搅拌下，将前驱体钛酸正丁酯的异丙醇溶液以120滴/分钟的速度匀速滴加到pH为2.5的稀硝酸水溶液中，硝酸与钛酸正丁酯的摩尔比分别为76：1.42，75℃恒温300 rpm搅拌，回流24小时后用旋转蒸发去除醇类，最终得到锐钛矿型纳米TiO2负载液。
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