CN113387509A - 一种多级农田排水沟渠生态修复系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级农田排水沟渠生态修复系统，包括设置在农田排水沟渠末端的框架，所述框架上设置有空气发生器，所述沟渠内设置有与其水流方向垂直的曝气帘，所述曝气帘设置在万向液压杆机构上，所述沟渠内且位于所述曝气帘前后两侧均设置有植物修复区，所述沟渠内最前端设置有拦污栅，所述空气发生器连有曝气管，所述曝气帘包括串联式曝气单元、纳米材料净化单元和微生物挂膜降解单元。本发明提供的一种多级农田排水沟渠生态修复系统，简单运行、成本低廉、性能稳定、不影响沟渠灌排功能、并强化吸附和降解水体及底泥中的氮磷和有机污染物。

Description

一种多级农田排水沟渠生态修复系统

技术领域

本发明涉及一种多级农田排水沟渠生态修复系统，属于农业面源污染控制技术领域。

背景技术

为提高粮食产量，我国农田均存在化肥过量施用的现状，导致大量氮磷等营养物质通过农田排水沟渠排入受纳水体，农业面源污染日益严重。目前，随着工业废水、城镇生活污水等点源污染逐步得到治理与控制，河湖水体的农业面源污染日益突显。农田排水沟渠的氮磷等营养物质流入河湖水体，易造成水体富营养化，因此农业面源污染已成为河湖水域的重要污染源之一。由于农田灌溉排水沟渠上承农田面源污染，下至受纳水体的过渡区，在保证农田沟渠灌水和排水功能的同时，也发挥着削减污染物的重要作用，因此成为控制河湖水体富营养化的重要渠道。

乌梁素海位于内蒙古自治区河套灌区尾端，一级流域为黄河流域，二级流域为黄河干流水系，是中国北方最大的内陆湖泊，也是一个具有重要意义的湿地生态系统。乌梁素海是河套灌区水利工程的重要组成部分，是农田排水、工业废水及生活污水唯一的承泄渠道，接纳了河套地区90％以上的农田排水，在控制土地盐碱化、促进区域社会经济发展方面发挥着重要作用。然而，目前每年有大量的氮磷污染物通过农田排水进入乌梁素海，使得湖泊内高浓度的营养盐、可溶性有机物以及矿物盐富集，浮游植物大量生长，湖泊富营养化现象严重。因此，在乌良素海湖流域农田灌区开展农田排水沟渠氮磷及有机污染物削减和生态修复研究，以控制该区域农业面源污染，是十分重要的。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请201510956894.6提出了“一种削减农田排水污染物的双层沟渠处理系统”，通过在原有渠道底部设置下层断面(其中包括陷阱、过滤墙、暗沟和沉淀池)使得农田排水得到净化；中国专利申请201710056426.2提出了“一种防降雨径流冲刷和强化污染物净化的生态沟渠系统”，通过在沟渠设置收集槽、种植沉水植物，并在底部增加曝气装置来降低降雨径流对沟渠的冲刷和净化沟渠排水污染物；中国专利申请201810975159.3提出了“强化氮素去除的基质坝耦合人工湿地一体化沟渠系统”，通过设置第一沟槽，包括SS拦截坝和氨氮拦截坝、设置第二沟槽，为人工湿地系统，结合以上两种设置来实现氨氮高效的硝化作用和吸附作用达到高效脱氮的目的。然而，大部分专利方法侧重于对农田排水沟渠进行改造，这些改造和维护成本较高，并且一定程度上可能会影响农田沟渠的灌排功能，因此难以在实际情况下实现。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的缺陷，提供一种简单运行、成本低廉、性能稳定、不影响沟渠灌排功能、并强化吸附和降解水体及底泥中的氮磷和有机污染物的多级农田排水沟渠生态修复系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种多级农田排水沟渠生态修复系统，包括设置在农田排水沟渠末端的框架，所述框架上设置有空气发生器，所述沟渠内设置有与其水流方向垂直的曝气帘，所述曝气帘设置在万向液压杆机构上，所述沟渠内且位于所述曝气帘前后两侧均设置有植物修复区，所述沟渠内最前端设置有拦污栅，所述空气发生器连有曝气管，所述曝气帘包括串联式曝气单元、纳米材料净化单元和微生物挂膜降解单元，所述串联式曝气单元包括与曝气管连接的多个曝气支管，所述曝气支管连通有大孔曝气管，所述大孔曝气管上设置有曝气头，所述曝气头包括螺纹扣，所述螺纹扣上连通有若干个小孔曝气管，所述曝气头通过所述螺纹扣旋转安装到所述曝气管上；所述纳米材料净化单元包括上下设置的抽拉式进料口和抽拉式出料口，所述抽拉式进料口和抽拉式出料口之间设置有纳米材料包，所述纳米材料包采用串联式悬挂于所述框架上，所述框架底部铺设矩形的底部纳米材料包网格；所述微生物挂膜降解单元包括塑料纤维绳和悬挂介质，在竖直方向间隔设置悬挂介质。

所述框架上设置有太阳能板，所述沟渠两边设置有风力电机，所述风力电机包括风力叶片和尾翼，所述太阳能板和风力电机与所述空气发生器电连接。

所述悬挂介质与所述纳米材料包在垂直水流方向上间隔设置。

所述万向液压杆机构包括竖向埋于底泥内的固定杆，所述固定杆上横向设置有平行的两个横向杆，所述横向杆上套设有压缩弹簧，所述横向杆上设置有用于支撑所述曝气帘上下部的万向固定扣，所述万向固定扣一端固定在所述固定杆上，所述横向杆的前端设置有不锈钢空心半球。

所述纳米材料包和底部纳米材料包网格由纳米沸石、纳米活性炭、煤渣和葵花秆按照1:1:4:4质量比例混合制成。

所述曝气帘在垂直水流方向上交叉布置。

所述植物修复区包括龙须眼子菜或者芦苇。

所述悬挂介质由陶粒和石英砂按体积比8:2制成，其中陶粒的粒径为0.5-3cm，石英砂的粒径为0.2-0.8cm，混匀装进塑料网包袋封口构成。

本发明的有益效果：本发明提供的一种多级农田排水沟渠生态修复系统，该系统依托农田排水沟渠进行布设，设置在农田排水沟渠末端，对排水沟渠灌溉和排水期间的行水速率没有影响；曝气帘交叉布置，使得排水沟渠的水流以Z型经过该区域，万向液压杆可随着水流大小自动调整曝气帘间的距离，使得曝气帘充分接触排水沟渠的水体和底泥，提高了对氮磷及有机污染物吸附和降解的效率；纳米材料包可以使用抽拉式进、出料口进行材料包的投放和更换，可反复多次使用；纳米材料由纳米沸石、纳米活性炭、煤渣和葵花秆以1:1:4:4的比例混合制成，其中，煤渣、葵花秆可就地取材，纳米材料对氮磷的吸附效率高；微生物挂膜降解单元的多孔介质填料的巨大表面积为微生物提供了广阔的生存空间，可以实现对有机污染物的强化分解、吸收、转化；植物修复单元中的沉水植物、挺水植物取自当地的龙须眼子菜、芦苇等优势物种，在吸收农田排水沟渠氮磷污染物的同时，也可以带来经济效益。

附图说明

图1为本发明一种多级农田排水沟渠生态修复系统纵剖面结构示意图；

图2为本发明一种多级农田排水沟渠生态修复系统俯视图；

图3为本发明一种多级农田排水沟渠生态修复系统曝气帘的组合示意图；

图4为本发明一种多级农田排水沟渠生态修复系统万向液压杆串联组合示意图。

图中标记如下：1-太阳能板；2-风力电机；3-空气发生器；4-曝气管；5-曝气帘；6-万向液压杆机构；7-拦污栅；8-植物修复区；9-框架；2-1-风力叶片；2-2-尾翼；5-1-强化降解悬挂介质；5-2-塑料纤维绳；5-3-曝气支管、5-4-抽拉式进料口；5-5-纳米材料包、5-6-大孔曝气管；5-7-抽拉式出料口；5-8-曝气头；底部纳米材料包网格5-9；6-1-不锈钢空心半球；6-2-万向固定扣；6-3-液压杆；6-4-固定杆；5-8-1-小孔曝气管；5-8-2-螺纹扣。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述，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到图3所示，本发明提供一种多级农田排水沟渠生态修复系统，包括设置在农田排水沟渠末端的框架9，框架9的材质为钢筋。框架9上设置有空气发生器3，沟渠内设置有与其水流方向垂直的曝气帘5，曝气帘5设置在万向液压杆机构6上，沟渠内且位于曝气帘5前后两侧均设置有植物修复区8，沟渠内最前端设置有拦污栅7，空气发生器3连有曝气管4。

曝气帘5在垂直水流方向上交叉布置，包括串联式曝气单元、纳米材料净化单元和微生物挂膜降解单元。串联式曝气单元包括与曝气管4连接的多个曝气支管5-3，曝气支管5-3连通有大孔曝气管5-6，大孔曝气管5-6上设置有曝气头5-8，曝气头5-8包括螺纹扣5-8-2，螺纹扣5-8-2上连通有若干个小孔曝气管5-8-1，曝气头5-8通过螺纹扣5-8-2旋转安装到曝气管4上。空气发生器3产生的空气通过曝气管4运输并由曝气头5-8稳定持续地释放到水体中，提升污染水体溶解氧含量。本发明可随时更换曝气帘5中的纳米材料包5-5，清洗曝气管5-6和曝气头5-8以防止堵塞影响曝气效率，安装方便和便于拆卸清洗、更换。

纳米材料净化单元包括上下设置的抽拉式进料口5-4和抽拉式出料口5-7，抽拉式进料口5-4和抽拉式出料口5-7之间设置有纳米材料包5-5，纳米材料包5-5采用串联式悬挂于框架9上，框架9底部铺设矩形的底部纳米材料包网格5-9。

微生物挂膜降解单元包括塑料纤维绳5-2，塑料纤维绳5-2上在竖直方向间隔设置有悬挂介质5-1，悬挂介质5-1用于微生物附着。微生物挂膜强化单元的多孔介质填料的巨大表面积为微生物提供了广阔的生存空间，该单元可以通过微生物挂膜强化降解作用实现对有机污染物的分解、吸收、转化。

悬挂介质5-1与纳米材料包5-5在垂直河流方向上间隔设置，该设置方式保证材料包吸附功能的同时也保证了微生物挂膜降解单元对污染物质的强化降解。悬挂介质5-1由陶粒和石英砂按体积比8:2制成，其中陶粒的粒径为0.5-3cm，石英砂的粒径为0.2-0.8cm，混匀装进塑料网包袋封口构成。

纳米材料包5-5和底部纳米材料包网格5-9由纳米沸石、纳米活性炭、煤渣和葵花秆按照1:1:4:4质量比例混合制成。煤渣和葵花秆可就地取材，同时材料包可通过抽拉式进、出料口进行更换。

框架9上设置有太阳能板1，沟渠两边设置有风力电机2，风力电机2包括风力叶片2-1和尾翼2-2，太阳能板1和风力电机2与空气发生器3电连接。曝气帘5可由卷扬电机带动上升，太阳能板1和风力电机2将太阳能和风能转化为空气发生器3曝气和卷扬电机提升曝气帘5的动力。

植物修复区8包括沉水植物、挺水植物和生长基质，这类植物可以为龙须眼子菜、硬叶水毛茛、芦苇和大茨藻的一种或一种以上，该单元植物种植在生长基质上，保证植物稳定生长。根据实验显示，龙须眼子菜对水体氮磷污染物有较好的吸收能力，同时该植物也可作为药材和牲畜饲料，芦苇可用来造纸等；为保证植物生长环境稳定，该单元设置生长基质，在一定程度上植物修复单元兼顾生态效益的同时也提高了经济效益。另外本发明可以及时对植物修复区8中的植物进行收割或者补种等作业。

如图4所示，万向液压杆机构6包括竖向埋于底泥内的固定杆6-4，固定杆6-4上横向设置有平行的两个横向杆6-3，横向杆6-3上套设有压缩弹簧，横向杆6-3上设置有用于支撑曝气帘5的上下部的万向固定扣6-2，万向固定扣6-2一端固定在固定杆6-4上，横向杆6-3的前端设置有不锈钢空心半球6-1。曝气帘5通过万向液压杆机构6串联的方式进行布置，曝气帘5随水流压力大小自动调整间距，可以增加与水体的接触时间，提高对水体中氮磷营养盐和有机污染物的吸附、降解效率，同时随着水流大小万向液压杆可控制曝气帘间的距离，在一定程度上延长了该单元的使用寿命。

本发明的工作原理为：

(1)农田排水经过拦污栅后进入植物修复单元，该单元布设沉水植物、挺水植物8，使用植物吸收和削减农田排水中氮磷营养盐，其中沉水植物为龙须眼子菜，为当地优势植物，为保证植物稳定生长，该单元设置有生长基质。

(2)经过植物修复单元后，农田排水沟渠水体和底泥中的氮磷和有机污染物在纳米材料净化单元、微生物挂膜降解单元和串联式曝气单元中再次进行吸附和降解。其中，悬挂在水体中的纳米材料包5-5和在沟渠底泥表层铺设的纳米材料包网格5-9分别用于强化吸附水体和底泥中的氮磷污染物，纳米材料包通过通抽拉式进料口5-4进行添加，通过抽拉式出料口5-7取出已使用过的材料包，这也是纳米材料包替换的步骤；沿水流方向间隔布置的悬挂介质5-1用于微生物附着，多孔介质填料的巨大表面积为微生物提供了广阔的生存空间，该单元可以通过微生物挂膜强化降解作用实现对有机污染物的分解、吸收、转化；使用曝气头5-8对水体进行稳定持续增氧，带有曝气头5-8的曝气管5-6布设在纳米材料包之间，曝气头5-8能够将曝气管4中空气生成均匀的小气泡并释放到水体中，稳定增加水体中溶解氧含量，强化富氧，提高水体自净能力。

在沟渠水流量较大时，万向液压杆机构6前端的不锈钢空心半球6-1受到水流冲击会使得液压杆6-3伸长或缩短，在固定杆6-4固定万向液压杆机构6的前提下，这会增加了曝气帘5之间的距离，这样可以增加水体与纳米材料包以及悬挂介质中微生物挂膜的接触时间，提高对污染物的吸附和降解效率。万向液压杆机构6在一定程度上减少了灌溉期间沟渠排水流量较大时单元所承受的水流冲击力，延长其使用寿命。

(3)在吸附、降解和曝气区后设置第二个植物修复单元。农田排水沟渠的水体和底泥经过第一个植物修复单元、串联式曝气单元、纳米材料净化单元和微生物强化降解单元处理后，水质和底泥质量会有很大改善，然后再通过第二个植物修复区8继续修复和净化，也可以在该区域进行水产养殖，提高生态效益和经济效益。

本发明通过高效曝气富氧、植物组合吸收、纳米材料强化吸附和微生物挂膜强化降解四个途径，实现协同组合高效降解，能为农田排水沟渠氮磷营养盐和有机污染物的削减提供新技术，高效削减农业排水沟渠水体和底泥中的氮磷及有机污染物，能够进一步控制农田灌区面源污染，实现排水沟渠水体和底泥的净化和生态修复。本发明具有一次组装、简单运行、成本低廉、性能稳定、长时间使用、不影响沟渠灌排功能、强化吸附和降解水体和底泥中的氮磷及有机污染物，并在对农田排水沟渠进行生态修复的同时兼顾生态效益和经济效益。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多级农田排水沟渠生态修复系统，其特征在于：包括设置在农田排水沟渠末端的框架(9)，所述框架(9)上设置有空气发生器(3)，所述沟渠内设置有与其水流方向垂直的曝气帘(5)，所述沟渠内且位于所述曝气帘(5)前后两侧均设置有植物修复区(8)，所述空气发生器(3)连有曝气管(4)，所述曝气帘(5)包括串联式曝气单元、纳米材料净化单元和微生物挂膜降解单元，所述串联式曝气单元包括与曝气管(4)连接的多个曝气支管(5-3)，所述曝气支管(5-3)连通有大孔曝气管(5-6)，所述大孔曝气管(5-6)上设置有曝气头(5-8)，所述曝气头(5-8)包括螺纹扣(5-8-2)，所述螺纹扣(5-8-2)上连通有若干个小孔曝气管(5-8-1)，所述曝气头(5-8)通过所述螺纹扣(5-8-2)旋转安装到所述曝气管(4)上；所述纳米材料净化单元包括上下设置的抽拉式进料口(5-4)和抽拉式出料口(5-7)，所述抽拉式进料口(5-4)和抽拉式出料口(5-7)之间设置有纳米材料包(5-5)，所述纳米材料包(5-5)采用串联式悬挂于所述框架(9)上，所述框架(9)底部铺设底部纳米材料包网格(5-9)；所述微生物挂膜降解单元包括塑料纤维绳(5-2)，所述塑料纤维绳(5-2)上在竖直方向间隔设置有悬挂介质(5-1)。

2.根据权利要求1所述的一种多级农田排水沟渠生态修复系统，其特征在于：所述框架(9)上设置有太阳能板(1)，所述沟渠两边设置有风力电机(2)，所述太阳能板(1)和风力电机(2)与所述空气发生器(3)电连接。

3.根据权利要求1所述的一种多级农田排水沟渠生态修复系统，其特征在于：所述悬挂介质(5-1)与所述纳米材料包(5-5)在垂直水流方向上间隔设置。

4.根据权利要求1所述的一种多级农田排水沟渠生态修复系统，其特征在于：所述曝气帘(5)设置在万向液压杆机构(6)上，所述万向液压杆机构(6)包括竖向埋于底泥内的固定杆(6-4)，所述固定杆(6-4)上横向设置有平行的两个横向杆(6-3)，所述横向杆(6-3)上套设有压缩弹簧，所述横向杆(6-3)上设置有用于支撑所述曝气帘(5)上下部的万向固定扣(6-2)，所述万向固定扣(6-2)一端固定在所述固定杆(6-4)上，所述横向杆(6-3)的前端设置有不锈钢空心半球(6-1)。

5.根据权利要求1所述的一种多级农田排水沟渠生态修复系统，其特征在于：所述纳米材料包(5-5)和底部纳米材料包网格(5-9)由纳米沸石、纳米活性炭、煤渣和葵花秆按照1:1:4:4质量比例混合制成。

6.根据权利要求1所述的一种多级农田排水沟渠生态修复系统，其特征在于：所述曝气帘(5)在垂直水流方向上交叉布置。

7.根据权利要求1所述的一种多级农田排水沟渠生态修复系统，其特征在于：所述植物修复区(8)包括龙须眼子菜或者芦苇。

8.根据权利要求1所述的一种多级农田排水沟渠生态修复系统，其特征在于：所述悬挂介质(5-1)由陶粒和石英砂按体积比8:2混匀装进塑料网包袋封口，其中陶粒的粒径为0.5-3cm，石英砂的粒径为0.2-0.8cm。

9.根据权利要求1所述的一种多级农田排水沟渠生态修复系统，其特征在于：所述沟渠内最前端设置有拦污栅(7)。

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