CN111320275A - 一种利用废弃水产养殖塘拦截农业面源污染生态沟渠系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用废弃水产养殖坑塘拦截农业面源污染生态沟渠系统及方法，包括:利用废弃水产养殖坑塘改为生态塘，包括好氧塘、兼氧塘和厌氧塘，纵向生态沟渠中设置有截流层拦截结构。其中，生态塘中有挺水植物、浮叶植物、沉水植物和底栖动物，纵向截留沟具有截流层拦截结构，截流层拦截结构中生物填料基质中微生物可以缓慢进入水体，整个截留过程各种污染物经过基质吸附、过滤、沉淀等物理过程，及微生物的转化、氧化分解等生化过程，最终截留水体中农业面源污染物质。该方法够有效减缓污水在沟渠中的流速，延长污水在生态沟渠的水力停留时间，提高农业面源污染中氮磷去除率。
Description
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，具体的说，涉及一种利用废弃水产养殖塘拦截农业面源污染生态沟渠系统及方法。
背景技术
氮、磷是农业发展的根本要素，也是造成河道富营养化的主要因素，尽管目前减少对农田氮磷肥料的过量投入，然而，由于田内沟渠硬化或农田缓冲带、生态沟塘等拦截功能的缺失，依然存在着农田氮磷流失，流出的氮磷排入地表水系统，从而加剧河道-湖库甚至地下水富营养化污染进程。农田缓冲带、沟和塘是农田生态系统重要的构成要素，它对丰富农田生物多样性，美化田园景观，保水固土，调蓄农田系统水量，降低地表径流所携带的氮、磷浓度，拦截农田氮磷流失发挥着重要作用。
目前，随着现代农业的发展，土质沟渠杂草丛生、水流不畅问题突出，一些土质沟渠被改造成“三面光”硬化沟渠，致使沟渠内水流过快，无缓冲时间，同时硬化沟渠内缺少植物、底泥和微生物，不能吸附、降解农田尾水中的氮磷，致使沟渠对农田尾水中氮磷拦截净化功能缺失。农田系统沟渠径流过程中截留沟或塘系统和缓冲带的缺失，使得沟渠径流中氮磷未能充分拦截、净化，直接流出农田系统进入地表水体，造成农田系统氮磷流失负荷增加，成为农田周边河网区水体富营养化的重要原因。可见，缓冲带、农田沟塘是农田系统发挥氮磷径流拦截的重要组成部分。
为了适应当前环保要求，保持河道湖库水质环境，目前全国各地纷纷出台政策禁止在河道周边进行水产养殖，基于此，目前河道周边出现多个废弃养殖塘，通过改造废弃养殖塘，形成生态沟塘的优化布局和生态化构建，实现有效拦截农田径流，净化农田尾水氮磷，降低农田氮磷流失对水环境的污染。
本发明利用废弃水产养殖塘拦截农业面源污染生态沟渠系统及方法。主要对农田尾水中氮磷拦截和净化功能。该发明方法适用于多种类型农田排水削减氮磷的修复工作，大大简化水体环境恢复难度，省去大量改造工程的实施，免去使用大型机械截污所需要的大量投入成本，有效提高水体净化效率，净水同时获得经济效。
发明内容
为了克服背景技术中存在的问题，本发明提供了一种利用废弃水产养殖塘拦截农业面源污染生态沟渠系统及方法，该技术充分利用废弃水产养殖塘，优化“农田缓冲带-生态沟-生态塘”在农田生态系统中的结构和功能，实现农田氮磷径流的拦截净化，提升农田对氮磷面源污染的自净能力和景观效果。
为实现上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的：
一种利用废弃水产养殖塘拦截农业面源污染生态沟渠系统，其特征在于它包括多级生态塘、多级生态塘之间和截留沟中设置截流层拦截结构；
其中所述的多级生态塘包括：依次连接有厌氧塘3、兼氧塘4、好氧塘5，多级生态塘之间以及截留沟中设置截流层拦截结构，多级生态塘2中种植挺水、浮叶和沉水植物，水体中投加底栖动物；
所述的截流层拦截结构包括：砾石层601、生物填料基质层602、种植层603；防水层604、植物605；其中砾石层601设置在最底层、生物填料基质层602上部设置种植层603，砾石层01：生物填料基质层602：种植层603厚度比为1:2:1，防水层604设置在生态沟渠的底部及边坡种植层下，种植层603上种植植物605；
所述的生物填料基质层，它是由下述重量份数的原料粘合而成：粉煤灰和砂石各3份；混凝土外加剂 0.05份；固化剂0.05份；微生物粉状菌剂3份；硅酸盐1份，以上物料按照比例混配，通过造粒机形成10-20mm颗粒状生物填料基质；所述的微生物粉状菌剂指的是：脱磷除氮菌副球菌：絮凝菌土壤杆菌：COD降解菌芽孢杆菌和假单胞菌组成的粉状菌剂；其中脱磷除氮菌副球菌：COD降解菌芽孢杆菌：假单胞菌：絮凝菌土壤杆菌重量份数比3：3：3：1。
本发明进一步公开了利用废弃水产养殖塘拦截农业面源污染生态沟渠系统进行修复的方法，其特征在于按如下的步骤进行：
（1）多级生态塘
所述的多级生态塘为废弃水产养殖塘改造而成，通过改造，生态塘沿水流方向交替设置为浅水/深水区形成好氧塘、兼氧塘、厌氧塘；其中20%区域设置水深为2.0米为厌氧塘，其次30%生态塘水深为1-1.5米设置为兼氧塘，50%生态塘水深为0.5-1.0米设置为好氧塘；
（2）生态沟渠截流层
在所述的截留沟的结构和生态塘之间也设置有截流层拦截结构，截流层拦截结构其特征在于底部设置砾石层、生物填料基质层、生物填料基质层的上部设置有种植层，其中砾石层：生物填料基质层：种植层厚度比为1:2:1；防水层604设置在生态沟渠的底部及边坡种植层下，种植层603上种植植物605。
砾石层为粒径5-25mm的砾石，所述生态沟渠设置在基土内，生态沟渠与基土之间设置有膨润土防水层，所述防水层纵向贯穿设置在生态沟渠的底部及边坡上，砾石层、生物填料基质层设置在防水层的上部；所述种植层为当地土壤，其铺设厚度为30-50cm；生态沟渠截流层中砾石、生物填料基质层自然形成了缺氧、厌氧、好氧的生物内环境；
（3）所述的生物填料基质渠截流层中生物填料基质，它是由下述重量份数的原料粘合而成：粉煤灰和砂石各3份；混凝土外加剂 0.05份；固化剂0.05份；微生物粉状菌剂3份；硅酸盐1份，以上物料按照比例混配，通过造粒机形成10-20mm颗粒状生物填料基质；
所述的微生物粉状菌剂指的是：脱磷除氮菌副球菌：絮凝菌土壤杆菌：COD降解菌芽孢杆菌和假单胞菌组成的粉状菌剂；其中脱磷除氮菌副球菌：COD降解菌芽孢杆菌：假单胞菌：絮凝菌土壤杆菌重量份数比3：3：3：1；
（4）植物及底栖动物
根据水深浅自然构建生物群落，最终会形成岸边挺水植物、近岸处沉水植物和浮叶植物，水体中种植苦草、黑藻、狐尾藻沉水植物和水葫芦、浮萍浮叶植物；生态塘水体内部投加野生的底栖动物；泥鳅、草鱼、鲢鱼，底栖动物；泥鳅、草鱼、鲢鱼。
本发明更进一步公开了利用废弃水产养殖塘拦截农业面源污染生态沟渠系统进行修复方法在截留农业面源污染物和氮、磷方面的应用。特别是在改善水体环境，提高水体透明度方面的应用。实验结果显示----------------------------------------
本发明更加详细的描述如下：
一种利用废弃水产养殖塘拦截农业面源污染生态沟渠系统，它包括多级生态塘、多级生态塘之间和截留沟中设置有截流层拦截结构。其中所述的多级生态塘包括好氧塘、兼氧塘、厌氧塘；多级生态塘之间和截留沟中具有截流层拦截结构；生态塘中种植挺水、浮叶和沉水植物，水体中投加底栖动物；
所述的截流层拦截结构包括：砾石层；生物填料基质层；种植层；防水层；植物；其中，在砾石层、生物填料基质层、生物填料基质层的上部设置有种植层，生态沟渠的边坡和生态沟渠的种植层种植植物。
所述的生物填料基质层，它是由下述重量份数的原料粘合而成：粉煤灰和粘土各3份；混凝土外加剂 0.05份；微生物粉状菌剂3份；硅酸盐1份，以上物料按照比例混配，通过造粒机形成10-20mm颗粒状生物填料基质。所述的微生物粉状菌剂指的是：脱磷除氮菌副球菌：絮凝菌土壤杆菌：COD降解菌芽孢杆菌和假单胞菌组成的粉状菌剂；其中脱磷除氮菌副球菌：COD降解菌芽孢杆菌：假单胞菌：絮凝菌土壤杆菌重量份数比3：3：3：1。
本发明进一步利用废弃水产养殖塘拦截农业面源污染生态沟渠系统进行修复的方法：
（1）多级生态塘
所述的多级生态塘为废弃水产养殖塘改造而成，通过改造，生态塘沿水流方向交替设置为浅水/深水区形成好氧塘、兼氧塘、厌氧塘。废弃水产养殖塘正常运行时水深为0-3米，改造后，其中20%区域设置水深为小于2.0米为厌氧塘，其次30%生态塘水深为1-1.5mi设置为兼氧塘，50%生态塘水深为0.5-1.0米设置为好氧塘。
根据水深自然构建生物群落，最终会形成岸边挺水植物、近岸处沉水植物和浮叶植物，水体中种植如苦草、黑藻、狐尾藻等沉水植物和水葫芦、浮萍等浮叶植物，植物具有净化能力、同时兼具景观效果的物种，对水体进行进一步净化作用。植物的根系也可以作为微生物载体，具有生物膜功能，提高水中微生物活性。生态塘水体内部投加野生的底栖动物；如泥鳅、草鱼、鲢鱼，可以分解水中营养物质，明显改善水体环境、提高水体透明度，强化水体的自身净化能力，逐步改善水体生态环境，实现整个水体生态系统的恢复。
（2）生态沟渠截流层
生态沟渠的底部纵向设置砾石层、生物填料基质层、生物填料基质层的上部设置有种植层，生态沟渠的边坡和生态沟渠的底部的种植层种植植物。厚度比为1:2:1。砾石层为粒径5-25mm的砾石。所述生态沟渠设置在基土内，生态沟渠与基土之间设置有膨润土防水层。所述防水层纵向贯穿设置在生态沟渠的底部及边坡上，砾石层、生物填料基质层设置在防水层的上部。所述种植层为当地土壤，其铺设厚度为30-50cm。生态沟渠截流层中砾石、生物填料基质层自然形成了缺氧、厌氧、好氧的生物内环境，有效的去处农业面源污染中的机污染物、氮、磷污染物。
生物填料基质渠截流层中生物填料基质，它是由下述重量份数的原料粘合而成：粉煤灰和粘土各3份；混凝土外加剂 0.05份；微生物粉状菌剂3份；硅酸盐1份，以上物料按照比例混配，通过造粒机形成10-20mm颗粒状生物填料基质。
所述的微生物粉状菌剂指的是：脱磷除氮菌副球菌：絮凝菌土壤杆菌：COD降解菌芽孢杆菌和假单胞菌组成的粉状菌剂；其中脱磷除氮菌副球菌：COD降解菌芽孢杆菌：假单胞菌：絮凝菌土壤杆菌重量份数比3：3：3：1；所述的混凝土外加剂，在制作填料过程中可以在混合物搅拌过程中能引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡。生物填料基质中微生物，对水质有机污染物及氮磷物质进行高效去除。
附图说明
图1 为本发明的结构示意图；
图2为截流层拦截结构示意图；
图中：1-河道/湖库；2-多级生态塘；3-厌氧塘；4-兼氧塘；5-好氧塘；6-截流层拦截结构；601-砾石；602-生物填料基质层；603-种植层；604-防水层；605-植物。
具体实施方法
下面通过具体的实施方案叙述本发明。除非特别说明，本发明中所用的技术手段均为本领域技术人员所公知的方法。另外，实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的范围，本发明的实质和范围仅由权利要求书所限定。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种改变或改动也属于本发明的保护范围。其中本发明所用其它原料及试剂均有市售。本发明所用原料的来源如下：
粘土、粉煤灰、外加剂、硅酸盐从市场购买；所述的混凝土外加剂市场均有销售。
本发明用到的脱磷除氮菌副球菌、絮凝菌土壤杆菌、COD降解菌芽孢杆菌、假单胞菌的获得来源于实验室，详见文献报道（1-4），文献描述了芽孢杆菌、副球菌、絮凝菌的获得方法和生化特性。菌株保存完好，天津市环境保护科学研究院可以免费对外提供。
实施例1
一种利用废弃水产养殖塘拦截农业面源污染生态沟渠系统，它包括多级生态塘、多级生态塘之间和截留沟中设置截流层拦截结构；其中所述的多级生态塘2包括：依次连接有厌氧塘3、兼氧塘4、好氧塘5，多级生态塘之间以及截留沟中设置截流层拦截结构6，多级生态塘2中种植挺水、浮叶和沉水植物，水体中投加底栖动物；
所述的截流层拦截结构包括：砾石层601、生物填料基质层602、种植层603；防水层604、植物605；其中砾石层设置在最底层、生物填料基质层上部设置种植层，砾石层（01：生物填料基质层：种植层厚度比为1:2:1，防水层设置在生态沟渠的底部及边坡种植层下，种植层上种植植物；
所述的生物填料基质层，它是由下述重量份数的原料粘合而成：粉煤灰和砂石各3份；混凝土外加剂 0.05份；固化剂0.05份；微生物粉状菌剂3份；硅酸盐1份，以上物料按照比例混配，通过造粒机形成10-20mm颗粒状生物填料基质；所述的微生物粉状菌剂指的是：脱磷除氮菌副球菌：絮凝菌土壤杆菌：COD降解菌芽孢杆菌和假单胞菌组成的粉状菌剂；其中脱磷除氮菌副球菌：COD降解菌芽孢杆菌：假单胞菌：絮凝菌土壤杆菌重量份数比3：3：3：1。
实施例2
天津某区一级河道1，河道30米周围的水产养殖塘废弃，周边为农田，废弃养殖塘改为了生态塘，所述的多级生态塘2为废弃水产养殖塘改造而成，通过改造，生态塘沿水流方向交替设置为浅水/深水区形成好氧塘、兼氧塘、厌氧塘。废弃水产养殖塘正常运行时水深为0-3米，改造后，其中20%区域设置水深为小于2.0米为厌氧塘，其次30%生态塘水深为1-1.5mi设置为兼氧塘，50%生态塘水深为0.5-1.0米设置为好氧塘。
实施例3
天津某农田截留沟通过改造，其底部纵向设置砾石层、生物填料基质层；生物填料基质层的上部设置有种植层，生态沟渠的边坡和生态沟渠的底部的种植层种植植物。厚度比为1:2:1。砾石层为粒径5-25mm的砾石。所述生态沟渠设置在基土内，生态沟渠与基土之间设置有膨润土防水层。所述防水层纵向贯穿设置在生态沟渠的底部及边坡上，砾石层、生物填料基质层设置在防水层的上部。所述种植层为当地土壤，其铺设厚度为30-50cm。生态沟渠截流层中砾石、生物填料基质层自然形成了缺氧、厌氧、好氧的生物内环境，有效的去处农业面源污染中的机污染物、氮、磷污染物。
实施例4
天津某区一级河道周边河道30米周围的水产养殖塘废弃5个，周边为农田， 5个废弃水产养殖塘改造而成5个生态塘，一个为厌氧塘，塘深度为2.0米，其2个生态塘水深为1-1.5米设置为兼氧塘，2个生态塘水深为0.5-1.0米设置为好氧塘。5个生态塘之间设置有截留层结构。纵向农田截留沟通过改造，其底部纵向设置砾石层、生物填料基质层、生物填料基质层的上部设置有种植层，生态沟渠的边坡和生态沟渠的底部的种植层种植植物。厚度比为1:2:1。砾石层为粒径5-25mm的砾石。生态沟渠与基土之间设置有膨润土防水层。所述防水层纵向贯穿设置在生态沟渠的底部及边坡上，砾石层、生物填料基质层设置在防水层的上部。种植层为当地土壤，其铺设厚度为50cm。生态沟渠截流层中砾石、生物填料基质层自然形成了缺氧、厌氧、好氧的生物内环境，有效的去处农业面源污染中的机污染物、氮、磷污染物，具体见表1：
表1截留沟水质指标
在冬季非农田生产季节，水体保持在类IV类水水质标准，在夏季农耕种季节，水体维持在V类水水质。
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2、郑先强,刘桂梅,刘沐之等.一种新型絮凝剂产生菌的筛选方法及其应用.城市环境与城市生态,2008，(3)：21-25
3、段云霞，郑先强，吕晶华，等，甲苯降解菌的降解特性及生物强化作用的研究，环境污染与防治，2011，7（33）：50-53。
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Claims (4)
1.一种利用废弃水产养殖塘拦截农业面源污染生态沟渠系统，其特征在于它包括多级生态塘、多级生态塘之间和截留沟中设置截流层拦截结构；
其中所述的多级生态塘（2）包括：依次连接有厌氧塘（3）、兼氧塘（4）、好氧塘（5），多级生态塘之间以及截留沟中设置截流层拦截结构（6），多级生态塘（2）中种植挺水、浮叶和沉水植物，水体中投加底栖动物；
所述的截流层拦截结构（6）包括：砾石层（601）、生物填料基质层（602）、种植层（603）；防水层（604）、植物（605）；其中砾石层（601）设置在最底层、生物填料基质层（602）上部设置种植层（603），砾石层（601）：生物填料基质层（602）：种植层（603）厚度比为1:2:1，防水层（604）设置在生态沟渠的底部及边坡种植层下，种植层（603）上种植植物（605）；
所述的生物填料基质层，它是由下述重量份数的原料粘合而成：粉煤灰和砂石各3份；混凝土外加剂 0.05份；固化剂0.05份；微生物粉状菌剂3份；硅酸盐1份，以上物料按照比例混配，通过造粒机形成10-20mm颗粒状生物填料基质；所述的微生物粉状菌剂指的是：脱磷除氮菌副球菌：絮凝菌土壤杆菌：COD降解菌芽孢杆菌和假单胞菌组成的粉状菌剂；其中脱磷除氮菌副球菌：COD降解菌芽孢杆菌：假单胞菌：絮凝菌土壤杆菌重量份数比3：3：3：1。
2.一种采用权利要求1所述利用废弃水产养殖塘拦截农业面源污染生态沟渠系统进行修复的方法，其特征在于按如下的步骤进行：
（1）多级生态塘
所述的多级生态塘为废弃水产养殖塘改造而成，通过改造，生态塘沿水流方向交替设置为浅水/深水区形成好氧塘、兼氧塘、厌氧塘；其中20%区域设置水深为2.0米为厌氧塘，其次30%生态塘水深为1-1.5米设置为兼氧塘，50%生态塘水深为0.5-1.0米设置为好氧塘；
（2）生态沟渠截流层
在所述的截留沟的结构和生态塘之间也设置有截流层拦截结构，截流层拦截结构其特征在于底部设置砾石层、生物填料基质层、生物填料基质层的上部设置有种植层，其中砾石层：生物填料基质层：种植层厚度比为1:2:1；防水层（604）设置在生态沟渠的底部及边坡种植层下，种植层（603）上种植植物（605）；
砾石层为粒径5-25mm的砾石，所述生态沟渠设置在基土内，生态沟渠与基土之间设置有膨润土防水层，所述防水层纵向贯穿设置在生态沟渠的底部及边坡上，砾石层、生物填料基质层设置在防水层的上部；所述种植层为当地土壤，其铺设厚度为30-50cm；生态沟渠截流层中砾石、生物填料基质层自然形成了缺氧、厌氧、好氧的生物内环境；
（3）所述的生物填料基质渠截流层中生物填料基质，它是由下述重量份数的原料粘合而成：粉煤灰和砂石各3份；混凝土外加剂 0.05份；固化剂0.05份；微生物粉状菌剂3份；硅酸盐1份，以上物料按照比例混配，通过造粒机形成10-20mm颗粒状生物填料基质；
所述的微生物粉状菌剂指的是：脱磷除氮菌副球菌：絮凝菌土壤杆菌：COD降解菌芽孢杆菌和假单胞菌组成的粉状菌剂；其中脱磷除氮菌副球菌：COD降解菌芽孢杆菌：假单胞菌：絮凝菌土壤杆菌重量份数比3：3：3：1；
（4）植物及底栖动物
根据水深浅自然构建生物群落，最终会形成岸边挺水植物、近岸处沉水植物和浮叶植物，水体中种植苦草、黑藻、狐尾藻沉水植物和水葫芦、浮萍浮叶植物；生态塘水体内部投加野生的底栖动物；泥鳅、草鱼、鲢鱼，底栖动物；泥鳅、草鱼、鲢鱼。
3.权利要求2所述利用废弃水产养殖塘拦截农业面源污染生态沟渠系统进行修复方法在截留农业面源污染物和氮、磷方面的应用。
4.权利要求2所述利用废弃水产养殖塘拦截农业面源污染生态沟渠系统进行修复方法在改善水体环境，提高水体透明度方面的应用。
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