CN108911060A - 一种基于电渗法的减缓稻田渗流排水及其氨氮排放的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电渗法的减缓稻田渗流排水及其氨氮排放的方法；该方法主要包括：分别在田垄紧邻稻田和排水沟一侧分别布置阴极和阳极，以太阳能供电系统供电，形成集电极‑田垄土壤‑土壤中水为一体的电渗系统；一方面减缓稻田通过田垄入沟的渗流排水；另一方面通过阳极周围发生的电化学氧化反应，将渗流到阳极附近水中的氨氮（稻田排水含较高的氨氮）氧化为无污染的氮气和水，达到从减少渗流水量和降低氮素浓度两个方面起到减少稻田面源污染物排放的目的。该方法具有结构简单，施工方便，易操作，成本低廉，利用太阳能等优点，为利用电渗和电化学方法开展农田面源污染防控提供新的思路。

Description

一种基于电渗法的减缓稻田渗流排水及其氨氮排放的方法
技术领域
本发明公开了一种基于电渗法的减缓稻田渗流排水及其氨氮排放的方法，涉及农业水利与农业面源污染减排技术领域。
背景技术
21世纪以来，我国土壤和水体污染及农产品质量安全风险日益加剧，一方面是由于工矿业和城乡生活污染向农业转移排放，导致农产品产地环境质量下降；另一方面也由于化肥、农药长期不合理且过量使用，畜禽粪便、农作物秸秆和农田残膜等农业废弃物不合理处置，造成农业面源污染日益严重。加强农业面源污染治理，是转变农业发展方式、推进现代农业建设、实现农业可持续发展的重要任务。农田面源污染作为土壤、水体、河流、湖泊等生态系统富营养化的最重要因素之一，主要由农田排水及其中的氮磷污染物引起。因此，寻求一种既能减缓农田排水又能降低氮磷污染源的技术成为解决农业面源污染和维持可持续农业的必然选择。
目前，关于农田(尤其是稻田)面源污染防控技术的研究，国内外相关学者已经从田间技术和排水离开田间后(生态沟、渠或湿地)的处理技术等方面开展了大量的研究。其中在田间技术方面，已经从灌溉方式、灌水量，肥料种类、施用量等水肥管理角度开展了大量的试验，并提出了采用控制灌溉、生物肥料、发展缓释、控释肥等措施能够有效降低灌溉用水量，实现农田排水减少、肥料利用效率提高的目的。但由于该技术仍存在着实施周期长、见效慢、甚至作物减产等缺点，因此在实际应用中受到了一定的限制。而在后处理技术方面，相关学者研究通过研发多种水质净化系统(包括闸堰，净化箱，透水平石等)使农田面源污染得到有效控制，但受成本、结构、技术难度等因素的制约，大面积推广应用仍需一段时间。此外，考虑到在实际农田面源污染系统中，农田排水(尤其是稻田)主要以地表径流和岸坡渗流(占总排水75％以上)形式进入下一级生态系统(排水沟)，且排水过程主要发生在农田与排水沟的交界面(田垄)，而针对临界面开展农田面源污染防控技术的研究还未见报道。因此，针对上述研究不足，本发明重点以稻田田垄这个临界面为研究对象，以电渗技术为基础，利用电渗系统的电渗作用和电化学氧化作用发明一种既能减缓稻田渗流排水又能降低排水中氮素含量的方法。本方法中，一方面从电渗能够定向加快多孔介质(淤泥)排水的逆向思维出发，通过合理布置电极位置，利用电渗在抬高水位的基础上通过降低渗水速率来减缓排水；另一方面通过优选电极(尤其是阳极)材料，利用电渗系统附加的电化学作用，实现对排水中氨氮去除的目的，同时使太阳能发电得到有效利用。该发明对于解决农田渗流排水量大、氮素面源污染严重等问题提供了一种技术手段。对于开展农田面源污染防控提供了一种新思路。
发明内容
本发明针对上述背景技术中的缺陷，提供一种基于电渗法的减缓稻田渗流排水及其氨氮排放的方法，从减少稻田渗流排水量和降低排水中氮素含量两个方面减缓稻田面源污染排放。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于电渗法的减缓稻田渗流排水及其氨氮排放的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：选择供电场地位置，在供电场地上铺设水泥砂浆面层，进行供电场地整平，铺设太阳能供电系统，并在供电场地周围建立围栏和警示牌；
步骤二：在稻田和排水沟之间的田垄上插入两排导电块，排水沟一侧为阳极导电块，田稻田一侧为阴极导电块。
步骤三：通过电缆将阳极导电块和阴极导电块分别与太阳能供电系统相连，再通电电渗。
进一步的，步骤一中所述太阳能供电系统包括：太阳能光伏板、充电控制器和蓄电池，所述太阳能光伏板的正极连接蓄电池的负极，所述太阳能光伏板的负极连接蓄电池的正极，所述太阳能光伏板与蓄电池之间电性连接充电控制器，形成一个完整的供电系统，设置供电电压为24V，在晴天，蓄电池直接利用太阳能板进行充电；在阴雨天和晚上，储存在蓄电池中的电能可以保证电渗系统持续工作。
进一步的，将所述阳极导电块通过电缆连接蓄电池正极，所述阴极导电块通过电缆连接蓄电池负极，将开关串接于所述蓄电池和导电块之间连接，同极导电块之间串接。
进一步的，所述电缆线插入PVC管中，然后铺设至各个稻田排一端，所述电缆需埋至5～10cm深土层中，并在所述电缆铺设路径周围设立明显标记物。
进一步的，所述供电场地距离稻田的直线距离不宜超过20m。
进一步的，所述阴极导电块与阳极导电块的插入深度为25～35cm，表面露出5～10cm，阴极导电块与阳极导电块之间的距离为10～15cm。
进一步的，其特征在于，阳极导电块采用IrO2制成，阴极导电块采用石墨制成。
进一步的，所述阴、阳极导电块采用长方形固定装置进行固定，固定装置由U型槽不锈钢加工制作，包括左侧的固定直板、右侧的可拆卸直板，以及上下两侧的刻度板；固定直板上安装两排螺纹杆，螺纹杆上分别穿套多组阴、阳极导电块(导电块上有两排孔)，最后将右侧可拆卸直板安装在螺纹杆上，并通过螺母夹紧阴、阳极导电块。
有益效果：本装置通电时，稻田中的水向排水沟的自动渗透过程经过田垄上的电渗系统，在电场的作用下，水流从阳极侧(排水沟侧)向阴极测(稻田侧)渗透，水流方向与稻田自身排水方向相反，减缓了稻田水流渗透入排水沟的速度，延长了水在稻田间的储存时间，提高了灌溉效率。
本发明稻田内渗水排至阳极侧附近时，水中大量的铵根离子被氧化生成N2释放到空气中，减少了排水沟中的氨氮(NH4 +-N)浓度，避免了排水沟水流汇集后的水体富营养化。
附图说明
图1是本方法采用装置的整体结构示意图；
图2是本发明中阴极侧和阳极侧的电渗和电化学反应示意图；
图3是本发明的一次典型降雨过程中排水沟排水量动态变化过程；
图4是本发明的一次典型降雨过程中排水沟NH4 +-N浓度变化过程。
具体实施方式
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供的一种实施例：一种基于电渗法的减缓稻田渗流排水及其氨氮排放的方法，包括以下步骤：
步骤一：选择供电场地位置，所述供电场地距离稻田7的直线距离不宜超过20m，减少电能输送消耗，场地周围避免有高大建筑物、树木、电线杆等能投影到太能能板上的遮蔽物，以最大限度的接收到太阳能辐射，在供电场地上铺设水泥砂浆面层，进行供电场地整平，铺设太阳能供电系统，所述太阳能供电系统包括：太阳能光伏板1、充电控制器2和蓄电池3，所述太阳能光伏板1的正极连接蓄电池3的负极，所述太阳能光伏板1的负极连接蓄电池3的正极，所述太阳能光伏板1与蓄电池3之间电性连接充电控制器2，将所述阳极导电块8通过电缆连接蓄电池3正极，所述阴极导电块9通过电缆连接蓄电池3负极，将开关4串接于所述蓄电池3和导电块之间连接，同极导电块之间串接，形成一个完整的供电系统，设置供电电压为24V；
步骤二：在稻田7和排水沟5之间的田垄6上插入两排导电块，排水沟5一侧为阳极导电块8，田稻田7一侧为阴极导电块9，所述阴、阳极导电块8采用U型槽固定，所述U型槽包括左侧的固定直板、右侧的可拆卸直板，以及上下两侧的刻度板；固定直板上安装两排螺纹杆，螺纹杆上分别穿套多组阴、阳极导电块8，最后将右侧可拆卸直板安装在螺纹杆上，并通过螺母夹紧阴、阳极导电块8，所述阳极导电块8采用IrO2制成，阴极导电块9采用石墨制成。
步骤三：通过电缆将阳极导电块8和阴极导电块9分别与太阳能供电系统相连，述阴极导电块9与阳极导电块8的插入深度为25～35cm，表面露出5～10cm，阴极导电块9与阳极导电块8之间的距离为10～15cm，所述电缆线插入PVC管中，然后铺设至各个稻田7排一端，所述电缆需埋至5～10cm深土层中，再接通开关4，通电电渗。
如图2所示，本装置通电时，稻田中的水向排水沟的自动渗透过程经过田垄上的电渗系统，在电场的作用下，水流从阳极侧(排水沟侧)向阴极测(稻田侧)渗透，水流方向与稻田自身排水方向相反，减缓了稻田水流渗透入排水沟的速度，延长了水在稻田间的储存时间，提高了灌溉效率。
本发明稻田内渗水排至阳极侧附近时，水中的化学肥料中的大量的铵根离子被氧化生成N2释放到空气中。
如图3、图4所示，(排水中氨态氮浓度单位为mg L-1,百分比为实验组与对照组的浓度变化幅度，采用％表示)以一次降雨过程为例，分析了对照组(无电渗系统)和试验组(有电渗系统)排水沟(排水沟埂上设置一套电渗系统)的排水量和铵态氮浓度变化，实验数据见表1和表2；
表1：排水量(mm)变化幅度
表2：NH4 +-N浓度(mg L-1)变化幅度
如表1，表2可知，当7天的总降雨量为175.4mm时，试验组的总排水量和NH4 +-N浓度分别较对照组的值降低了11.01％和16.21％；且二者的下降幅度在降雨后的观测前期和后期略大于观测中期；与对照组相比，试验组排水量的最大下降幅度为86.4％、NH4 +-N浓度的最大下降幅度为33.61％。
本发明通过上述部分的有机结合，该方法可以在不施加外部能源的条件下实现减缓稻田渗流排水，同时降低排水中氨态氮含量，从抑制渗流排水量速度和降低氮素含量两个方面起到减少稻田面源污染物排放的目的，为利用电渗和电化学方法开展农田面源污染防控提供了新思路
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于电渗法的减缓稻田渗流排水及其氨氮排放的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：选择供电场地位置，在供电场地上铺设水泥砂浆面层，进行供电场地整平，铺设太阳能供电系统，并在供电场地周围建立围栏和警示牌；
步骤二：在稻田和排水沟之间的田垄上插入两排导电块，排水沟一侧为阳极导电块，田稻田一侧为阴极导电块；
步骤三：通过电缆将阳极导电块和阴极导电块分别与太阳能供电系统相连，再通电电渗。
2.根据权利要求1中的一种基于电渗法的减缓稻田渗流排水及其氨氮排放的方法，其特征在于，步骤一中所述太阳能供电系统包括：太阳能光伏板、充电控制器和蓄电池，所述太阳能光伏板的正极连接蓄电池的负极，所述太阳能光伏板的负极连接蓄电池的正极，所述太阳能光伏板与蓄电池之间电性连接充电控制器。
3.根据权利要求2中的一种基于电渗法的减缓稻田渗流排水及其氨氮排放的方法，其特征在于，将所述阳极导电块通过电缆连接蓄电池正极，所述阴极导电块通过电缆连接蓄电池负极，将开关串接于所述蓄电池和导电块之间连接，同极导电块之间串接。
4. 根据权利要求3中的一种基于电渗法的减缓稻田渗流排水及其氨氮排放的方法，其特征在于，所述电缆线插入PVC管中，然后铺设至各个稻田排一端，所述电缆需埋至5~10 cm深土层中，并在所述电缆铺设路径周围设立明显标记物。
5.根据权利要求1中的一种基于电渗法的减缓稻田渗流排水及其氨氮排放的方法，其特征在于，所述供电场地距离稻田的直线距离不宜超过20m。
6.根据权利要求1中的一种基于电渗法的减缓稻田渗流排水及其氨氮排放的方法，其特征在于，所述阴极导电块与阳极导电块的插入深度为25~35cm，表面露出5~10cm，阴极导电块与阳极导电块之间的距离为10~15cm。
7.根据权利要求1中的一种基于电渗法的减缓稻田渗流排水及其氨氮排放的方法，其特征在于，阳极导电块采用IrO2制成，阴极导电块采用石墨制成。
8.根据权利要求1中的一种基于电渗法的减缓稻田渗流排水及其氨氮排放的方法，其特征在于，所述阴、阳极导电块采用长方形固定装置进行固定，固定装置由U型槽不锈钢加工制作，包括左侧的固定直板、右侧的可拆卸直板，以及上下两侧的刻度板；固定直板上安装两排螺纹杆，螺纹杆上分别穿套多组阴、阳极导电块，最后将右侧可拆卸直板安装在螺纹杆上，并通过螺母夹紧阴、阳极导电块。
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