CN109987716B

CN109987716B - 一种阻控农业面源污染的生态绿沟基质材料及生态绿沟的构建方法

Info

Publication number: CN109987716B
Application number: CN201910333634.1A
Authority: CN
Inventors: 王文华; 王成言; 邬龙; 任东红; 吕红波; 郭英卓; 任喜龙; 廖先容; 席力蒙; 秦敏敏
Original assignee: China Water Resources Beifang Investigation Design and Research Co Ltd
Current assignee: China Water Resources Beifang Investigation Design and Research Co Ltd
Priority date: 2019-04-24
Filing date: 2019-04-24
Publication date: 2022-01-04
Anticipated expiration: 2039-04-24
Also published as: CN109987716A

Abstract

本发明公开了一种阻控农业面源污染的生态绿沟基质材料及生态绿沟的构建方法，包括糠醛渣20％～45％、活性污泥固定化小球20％～35％、吸附材料15％～30％、高渗透性材料10％～25％、缓释氧材料1％～20％、pH缓冲材料1％～20％。将生态绿沟基质材料铺设于农田灌排水沟渠的底部和两侧边坡并压实，压实度为80％～100％，铺设厚度为农田排水沟渠中水深的10％～35％，在铺设有生态绿沟基质材料的沟底和边坡种植植物，农田排水在沟渠停留时间保持在48h以上。生态绿沟基质材料去除农田排水中污染物提供了微生物种群，可形成局部高浓度微生物降解环境，有益于有机物、氮、磷等被微生物降解。

Description

一种阻控农业面源污染的生态绿沟基质材料及生态绿沟的构建方法

技术领域

本发明属于面源污染控制技术领域，具体涉及一种阻控农业面源污染的生态绿沟基质材料及生态绿沟的构建方法。

背景技术

随着环境执法监管力度的不断加强和公众环保意识的提高，我国点源污染正逐步得到全面控制，面源污染特别是农业面源污染已成为地表水体污染的主要污染源。我国耕地面积占世界耕地总面积的7％，但我国氮肥施用量却占到全世界施用量的30％以上，氮肥利用率平均约为45％，远低于发达国家的60％利用率水平。农业面源污染物来源分散复杂，包含农田径流、农户生活污水中的氮、磷营养物质、农药及其它有机或无机污染物质等。根据《第一次全国污染源普查公报》显示，农业面源污染贡献的化学需氧量(COD)、总氮(TN)和总磷(TP)分别占地表水体污染总负荷的43.7％、57.2％和67.3％，农业面源污染严重影响我国水生态环境安全，威胁着我国的饮用水安全，是制约现代农业和经济社会可持续发展的重大障碍，对于农业面源污染的防控是今后农业和生态环境领域工作的重点和难点。

目前治理农业面源污染的措施主要有农业生态工程、人工湿地、前置库、植被缓冲带、生态丁型潜坝等，这些技术可以有效的阻控农业面源污染，但由于需要较大的占地面积，难以大范围推广应用，尤其是不适用于我国人多地少的国情。农田灌排水沟渠是农田生态系统的重要组成部分，其在农业生产中主要起到灌溉、蓄水甚至防洪的作用。近年来有研究者提出将农田灌排水沟渠进行生态化改造，通过植物吸收和土壤吸附等作用过滤净化农业面源污染物。如CN102659248A公开了一种西北地区控污阻盐的生态沟渠，将芦苇和香蒲作为生物净化介质与农排沟渠结合起来应用，使得污染的水体流经沟渠时即可得到控污阻盐的净化作用，防止污染物进入下流水源，减少对下流水源的污染。CN 104193009 A公开了一种用于净化农业废水的生态沟渠，通过在沟渠中种植挺水植物、浮萍植物，在池底养殖螺类蛙类来处理农业废水。CN 103086513 A公开了一种控制农业面源污染提高农田N、P利用率的生态沟渠，主要以水生植物的种植为核心，通过生态沟渠、生态板和植物栅栏来控制农业面源污染。然而，以上单独以植物种植为核心的生态沟渠由于植物吸收能力有限，随着下次退水或强降雨过程，面源污染物会继续进入河道或湖泊等水体，造成对地表水体的污染。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种原料来源丰富、制备方法简单、成本低廉的阻控农业面源污染的生态绿沟基质材料及生态绿沟的构建方法。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：一种阻控农业面源污染的生态绿沟基质材料，包括以下质量百分比的组分：

所述活性污泥固定化小球制备方法为：将取自于采用厌氧-缺氧-好氧法、氧化沟、循环式活性污泥法工艺的城市生活污水处理厂好氧池污泥进行自然沉降，然后将沉降后的污泥在3500～4000转/分钟下离心20～30分钟，得到浓缩活性污泥；将浓缩活性污泥与壳聚糖、生物炭按照质量比5:4:1均匀混合，将混合液均匀滴入含质量体积比浓度为2％CaCl₂的硼酸饱和溶液中，Na₂CO₃水溶液调节pH至7.0，搅拌2～6小时，放置于4℃下交联24小时，得到活性污泥固定化小球。

所述糠醛渣来源于含有聚戊糖成分的玉米芯、玉米秆、稻壳、棉籽壳水解生产糠醛产生的生物质类废弃物，粒径为1～5mm。

所述吸附材料包括活性炭、生物炭、沸石这三种基料中的任一种或多种的组合，粒径为0.15～0.25mm。

所述生物炭制备方法为：将玉米芯、稻壳、棉籽壳、锯末或木屑原料风干晾晒干燥，粉碎后装入密闭充满氮气的容器中，加热至500～700℃炭化3～4小时，待冷却后即得生物炭。

所述高渗透性材料包括石英砂、凹凸棒石、硅藻土这三种基料中的任一种或多种的组合，粒径为0.15～0.25mm。

所述缓释氧材料包括过氧化钙、过氧化镁这两种基料中的一种或两种。

所述pH缓冲材料包括粉煤灰、电气石、高岭土这三种基料中的任一种或多种的组合，粒径为0.15～0.25mm。

上述阻控农业面源污染的生态绿沟基质材料的生态绿沟的构建方法，将生态绿沟基质材料铺设于农田灌排水沟渠的底部和两侧边坡并压实，压实度为80％～100％，铺设厚度为农田排水沟渠中水深的10％～35％，在铺设有生态绿沟基质材料的沟底和边坡种植植物，农田排水在沟渠停留时间保持在48h以上。

所述生态绿沟，根据农田最大灌排水量确定沟渠深度，沟渠横截面为梯形，两侧边坡坡度应不高于45°，边坡种植植物包括狗牙根草、香根草、小冠花草本植物，沟底种植芦苇、香蒲、鸢尾挺水植物。

本发明的有益效果为：

(1)生态绿沟基质材料中的活性污泥固定化小球为生态绿沟基质去除农田排水中污染物提供了微生物种群，好氧微生物利用缓释氧材料释放的氧气生长繁殖，并在其他基质的共同作用下，可形成局部高浓度微生物降解环境，有益于有机物、氮、磷等被微生物降解。

(2)生态绿沟基质材料中所含的吸附材料和高渗透性材料具有较大的比表面积、孔容和孔隙率，农田排水中污染物可随水流穿透到材料空隙中，使得污染物与材料充分接触，利用吸附、离子交换等作用提高氮、磷的去除率。

(3)生态绿沟中种植的草本植物和水生植物对农田排水中的有机物、氮、磷等具有吸收作用，可增强污染物的净化效果。通过功能化基质材料和植物的共同作用实现污染物的阻控，减少农田排水对水体、环境的污染。

(4)生态绿沟基质制备原料来源广泛、简单易得、成本低廉，便于大规模推广应用。利用糠醛渣丰富的孔结构和较大的比表面积，可以达到以废治废的目的，实现社会效应、经济效益及环境效益的和谐统一。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

本发明的阻控农业面源污染的生态绿沟基质材料，包括以下质量百分比的组分：

在糠醛渣中依次掺入活性污泥固定化小球、吸附材料、高渗透性材料、缓释氧材料、pH缓冲材料，掺杂过程中，不断搅拌，均匀混合，即得生态绿沟基质材料。

含有上述阻控农业面源污染的生态绿沟基质材料的生态绿沟的构建方法，将生态绿沟基质材料铺设于农田灌排水沟渠的底部和两侧边坡并压实，压实度为80％～100％，铺设厚度为农田排水沟渠中水深的10％～35％，在铺设有生态绿沟基质材料的沟底和边坡种植植物，农田排水在沟渠停留时间保持在48h以上。

实施例1

所述的生态绿沟基质材料包括质量百分比为32％的糠醛渣、35％的活性污泥固定化小球、15％的吸附材料、10％的高渗透性材料、7％的缓释氧材料和1％的pH缓冲材料。在糠醛渣中依次掺入活性污泥固定化小球、吸附材料、高渗透性材料、缓释氧材料、pH缓冲材料，掺杂过程中，不断搅拌，均匀混合，即构成生态绿沟基质材料。

在本实施例1中，活性污泥取自于天津市纪庄子污水处理厂好氧池，污泥泥水混合液首先进行自然沉降，然后将沉降后的污泥在3500转/分钟下离心30分钟，得到浓缩活性污泥。将浓缩活性污泥与壳聚糖、生物炭按照5:4:1(w/w)均匀混合，生物炭由玉米芯在氮气保护下，500℃炭化4小时制得。将混合液均匀滴入含2％CaCl₂(w/v)的硼酸饱和溶液中，Na₂CO₃水溶液调节pH至7.0，搅拌4小时，放置于4℃下交联24小时，得到活性污泥固定化小球。

在本实施例1中，吸附材料采用天然斜发沸石，粒径为0.15mm，购自于浙江省缙云县；高渗透性材料采用凹凸棒石，粒径为0.20mm，购自于江苏省盱眙县；缓释氧材料采用过氧化钙，购自于天津市某化工技术有限公司；pH缓冲材料采用高岭土，粒径为0.15mm，购自于天津市某化工技术有限公司。

生态绿沟阻控农田面源污染实验在有机玻璃槽内完成，有机玻璃槽长1.5m，上顶宽80cm，下底宽20cm，高30cm，将按上述方法制备出的基质材料均匀铺设于有机玻璃槽内，压实度为100％，压实后基质高度控制在10cm，在有机槽两侧种植香根草，底部种植芦苇，农田排水取自天津市宁河区某沟渠，该农田排水中化学需氧量(COD)、氨氮(NH₃-N)和总磷(TP)起始浓度分别为57.0mg/L、20.2mg/L、2.32mg/L，构建好的生态绿沟经过半个月左右的驯化期后进行实验，经过该生态绿沟10天净化后，对流出的水体进行检测，发现该生态绿沟对COD、NH₃-N和TP的去除率分别为61.2％、52.4％和56.8％，而未铺设基质材料的普通沟渠对COD、NH₃-N和TP的去除率仅分别为11.5％、22.8％和12.5％，说明基于本发明制备出的基质材料能够强化普通生态沟渠对农田排水中污染物的去除效果，可以进行大规模推广应用。

实施例2

所述的生态绿沟基质材料包括质量百分比为40％的糠醛渣、20％的活性污泥固定化小球、20％的吸附材料、10％的高渗透性材料、5％的缓释氧材料和5％的pH缓冲材料。在糠醛渣中依次掺入活性污泥固定化小球、吸附材料、高渗透性材料、缓释氧材料、pH缓冲材料，掺杂过程中，不断搅拌，均匀混合，即构成生态绿沟基质材料。

在本实施例2中，活性污泥取自于天津市西青区大寺污水处理厂好氧池，污泥泥水混合液首先进行自然沉降，然后将沉降后的污泥在4000转/分钟下离心25分钟，得到浓缩活性污泥。将浓缩活性污泥与壳聚糖、生物炭按照5:4:1(w/w)均匀混合，生物炭由锯末在氮气保护下，700℃炭化3小时制得。将混合液均匀滴入含2％CaCl₂(w/v)的硼酸饱和溶液中，Na₂CO₃水溶液调节pH至7.0，搅拌6小时，放置于4℃下交联24小时，得到活性污泥固定化小球。

在本实施例2中，吸附材料采用椰壳活性炭，粒径为0.25mm，购自于河南省巩义市；高渗透性材料采用石英砂，粒径为0.25mm，购自于河南省巩义市；缓释氧材料采用过氧化钙，购自于天津市某化工技术有限公司；pH缓冲材料采用粉煤灰，粒径为0.25mm，购自于河南省巩义市。

生态绿沟阻控农田面源污染实验在有机玻璃槽内完成，有机玻璃槽长1.5m，上顶宽80cm，下底宽20cm，高30cm，将按上述方法制备出的基质材料均匀铺设于有机玻璃槽内，压实度为100％，压实后基质高度控制在10cm，在有机槽两侧种植狗牙根草，底部种植香蒲，农田排水取自天津市宁河区某沟渠，该农田排水中化学需氧量(COD)、氨氮(NH₃-N)和总磷(TP)起始浓度分别为24.0mg/L、2.70mg/L和1.77mg/L，构建好的生态绿沟经过半个月左右的驯化期后进行实验，经过该生态绿沟10天净化后，对流出的水体进行检测，发现该生态绿沟对COD、NH₃-N和TP的去除率分别为53.5％、46.4％和37.1％，而未铺设基质材料的普通沟渠对COD、NH₃-N和TP的去除率仅分别为24.8％、17.7％和15.3％，说明基于本发明制备出的基质材料能够强化普通生态沟渠对农田排水中污染物的去除效果，可以进行大规模推广应用。

实施例3

所述的生态绿沟基质材料包括质量百分比为20％的糠醛渣、28％的活性污泥固定化小球、25％的吸附材料、25％的高渗透性材料、1％的缓释氧材料和1％的pH缓冲材料。在糠醛渣中依次掺入活性污泥固定化小球、吸附材料、高渗透性材料、缓释氧材料、pH缓冲材料，掺杂过程中，不断搅拌，均匀混合，即构成生态绿沟基质材料。

在本实施例3中，活性污泥取自于天津市咸阳路污水处理厂好氧池，污泥泥水混合液首先进行自然沉降，然后将沉降后的污泥在3500转/分钟下离心30分钟，得到浓缩活性污泥。将浓缩活性污泥与壳聚糖、生物炭按照5:4:1(w/w)均匀混合，生物炭由木屑在氮气保护下，600℃炭化4小时制得。将混合液均匀滴入含2％CaCl₂(w/v)的硼酸饱和溶液中，Na₂CO₃水溶液调节pH至7.0，搅拌2小时，放置于4℃下交联24小时，得到活性污泥固定化小球。

在本实施例3中，吸附材料采用天然斜发沸石，粒径为0.20mm，购自于浙江省缙云县；高渗透性材料采用硅藻土，粒径为0.22mm，购自于云南省腾冲市；缓释氧材料采用过氧化镁，购自于天津市某化工技术有限公司；pH缓冲材料采用电气石，粒径为0.20mm，购自于河北省石家庄市。

生态绿沟阻控农田面源污染实验在有机玻璃槽内完成，有机玻璃槽长1.5m，上顶宽80cm，下底宽20cm，高30cm，将按上述方法制备出的基质材料均匀铺设于有机玻璃槽内，压实度为100％，压实后基质高度控制在10cm，在有机槽两侧种植狗牙根草，底部种植芦苇，农田排水取自天津市宁河区某沟渠，该农田排水中化学需氧量(COD)、氨氮(NH₃-N)和总磷(TP)起始浓度分别为46.0mg/L、3.11mg/L、0.37mg/L，构建好的生态绿沟经过半个月左右的驯化期后进行实验，经过该生态绿沟10天净化后，对流出的水体进行检测，发现该生态绿沟对COD、NH₃-N和TP的去除率分别为65.5％、58.4％和36.9％，而未铺设基质材料的普通沟渠对COD、NH₃-N和TP的去除率仅分别为20.5％、18.1％和22.7％，说明基于本发明制备出的基质材料能够强化普通生态沟渠对农田排水中污染物的去除效果，可以进行大规模推广应用。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims

1.一种阻控农业面源污染的生态绿沟基质材料，其特征在于，包括以下质量百分比的组分：

所述活性污泥固定化小球制备方法为：将取自于采用厌氧-缺氧-好氧法、氧化沟、循环式活性污泥法工艺的城市生活污水处理厂好氧池污泥进行自然沉降，然后将沉降后的污泥在3500～4000转/分钟下离心20～30分钟，得到浓缩活性污泥；将浓缩活性污泥与壳聚糖、生物炭按照质量比5:4:1均匀混合，将混合液均匀滴入含质量体积比浓度为2％CaCl₂的硼酸饱和溶液中，Na₂CO₃水溶液调节pH至7.0，搅拌2～6小时，放置于4℃下交联24小时，得到活性污泥固定化小球；

2.根据权利要求1所述阻控农业面源污染的生态绿沟基质材料，其特征在于，所述糠醛渣来源于含有聚戊糖成分的玉米芯、玉米秆、稻壳、棉籽壳水解生产糠醛产生的生物质类废弃物，粒径为1～5mm。

3.根据权利要求1所述阻控农业面源污染的生态绿沟基质材料，其特征在于，所述吸附材料包括活性炭、生物炭、沸石这三种基料中的任一种或多种的组合，粒径为0.15～0.25mm。

4.根据权利要求1所述阻控农业面源污染的生态绿沟基质材料，其特征在于，所述高渗透性材料包括石英砂、凹凸棒石、硅藻土这三种基料中的任一种或多种的组合，粒径为0.15～0.25mm。

5.根据权利要求1所述阻控农业面源污染的生态绿沟基质材料，其特征在于，所述缓释氧材料包括过氧化钙、过氧化镁这两种基料中的一种或两种。

6.根据权利要求1所述阻控农业面源污染的生态绿沟基质材料，其特征在于，所述pH缓冲材料包括粉煤灰、电气石、高岭土这三种基料中的任一种或多种的组合，粒径为0.15～0.25mm。