CN114230102A - 基于生态拦截与循环净化的农田退水处理系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于生态拦截与循环净化的农田退水处理系统及其方法，系统包括促沉箱、生态沟渠、多级生态调蓄塘、水质自动检测系统和智慧节水灌溉系统；促沉箱设置于农田的排水口处，从该排水口排出的农田退水能全部进入促沉箱中以进行初步沉降；多级生态调蓄塘包括连通的渐扩段和主反应区段；主反应区段包括曝气池以及周围边坡具有生态护坡的沉淀池、第一滤料坝、第二滤料坝和净化池；净化池内均匀固定有若干垂直水流方向悬挂的仿生水草；净化池的出水端处设有用于检测水质达标情况的水质自动检测系统。本发明适用于稻田、茭白等水生植物种植区农田退水面源污染物的拦截，能够有效地减少农田面源污染物的入河量。

Description

基于生态拦截与循环净化的农田退水处理系统及其方法

技术领域

本发明属于农田面源水污染处理领域，具体涉及一种基于生态拦截与循环净化的农田退水处理系统及其方法。

背景技术

长江三角洲地区水系发达，河网密布，是我国重要的水稻生产基地。近年来随着测土配方、肥药双减等措施的大力推进，长江三角洲地区化肥年施用量已逐步实现负增长，但是化肥施用的基数依然庞大，且利用率较低，伴随而来的氮磷流失问题仍旧不容忽视。

有研究表明，农田面源污染主要以地表径流的形式进入受纳水体，沟渠的出现为解决农田面源污染量大面广、难以收集处理的问题提供了新思路。原有沟渠主要发挥排水作用，忽视了其对氮磷营养盐的生态拦截。随着生态文明程度的提高，人们开始重视排水沟渠和水塘的生态化改造来强化沟渠和塘对氮磷的拦截能力。有研究发现，通过在生态沟渠中设置吸附基质和水生植物能够极大降低沟渠出水的氮、磷浓度，但由于氮磷流失量大，沟渠建设质量参差不齐，部分沟渠出水水质仍较差，仅建设生态沟渠不能保证农田退水在汇入受纳水体前达标。因此，为提高农田面源污染物拦截量，保证出水质量，构建一种能够收集并有效处理农田退水，判断水质是否达标，同时在农田区域范围(尤其是生态敏感区附近的农田区域范围)内实现水以及氮磷资源循环利用的生态体系显得尤为重要。

因此，基于长江三角洲地区种植结构以水田为主，农业发达，水源丰富，农田沟渠众多的现状，遵循节约土地理念，充分利用当地原有沟渠、水塘、河浜等条件，开发一种基于生态拦截与循环净化的农田退水处理方法，对于农田面源污染的防控具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有农田退水中污染物量大，直接排入受纳水体易造成污染的问题，针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于生态拦截与循环净化的农田退水处理系统及其方法，使其能够有效拦截农田退水中的氮磷营养盐，并实现氮磷和水资源的循环利用，从而实现农业的可持续绿色发展。

本发明所采用的具体技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种基于生态拦截与循环净化的农田退水处理系统，包括促沉箱、生态沟渠、多级生态调蓄塘、水质自动检测系统和智慧节水灌溉系统；

所述促沉箱设置于农田的排水口处，从该排水口排出的农田退水能全部进入促沉箱中以进行初步沉降；促沉箱内部垂直水流方向的横截面处设有能调节过流水位的闸门系统，促沉箱的出口与生态沟渠连通；所述生态沟渠两侧的边坡具有生态护坡，全程分别间隔设有生态浮岛、沉水植物和挺水植物，尾部沿水流方向依次设有拦水坎、底泥捕获井和用于调节过流水位的节制闸；所述多级生态调蓄塘包括连通的渐扩段和主反应区段；生态沟渠的出口与渐扩段相连通，以均质水流；渐扩段内沿水流横断面设有滤料层，使水流均能通过滤料层作用后流入主反应区段；所述主反应区段包括曝气池以及周围边坡具有生态护坡的沉淀池、第一滤料坝、第二滤料坝和净化池；所述沉淀池中通过若干墙面与水流方向垂直的挡水墙，形成使水流通过的蛇型流道，蛇形流道中种植若干沉水植物和挺水植物，设置生态浮岛，沉淀池的设计增加了水流在多级生态调蓄塘内的水力停留时间，对经生态沟渠收集和生态拦截的农田退水进行沉淀处理，使其中的大颗粒悬浮物沉至池底，降低农田退水浊度，水生植物和生态浮岛可吸收水体中的营养盐；所述沉淀池后方依次设有第一滤料坝、曝气池和第二滤料坝；第一滤料坝和第二滤料坝结构相同，均能将所在处的水流横断面完全覆盖，包括多孔的外墙体和填料，外墙体和池底共同构成上方敞口的槽型结构，槽内填充填料；第一滤料坝设置在沉淀池后，是因为其可以进一步去除和分解细微悬浮物，第二滤料坝设置在曝气池后是因为在曝气过程中，曝气池底的沉淀物质可能因曝气扰动而再次悬浮于水中，第二滤料坝的设置可以进一步去除和分解该部分悬浮物，此外，第一滤料坝和第二滤料坝都有为水流进入曝气池或净化池提供水头和势能的作用；所述第二滤料坝后方设有净化池，净化池内均匀固定有若干垂直水流方向悬挂的仿生水草；仿生水草的一端固定于池体底部，另一端固定有密度小于水的悬浮件，可配合加入硝化细菌、反硝化芽孢杆菌等菌剂；净化池的出水端处设有用于检测水质达标情况的水质自动检测系统；若水质达标，则将净化池的出水通过智慧节水灌溉系统对农田进行灌溉或者将净化池的出水排入受纳水体，若水质不达标，则将净化池的出水通过智慧节水灌溉系统对农田进行灌溉或者将净化池的出水回流至生态沟渠前端。

作为优选，所述闸门系统和节制闸的结构相同，均能将所在处的水流横截面完全覆盖，包括第一闸门、第二闸门和闸门双轨道；闸门双轨道为矩形框架结构，其互不干涉的两条轨道上分别装有能上下滑动的第一闸门和第二闸门，通过调节第一闸门和第二闸门的所在高度并通过限位机构实现高度的锁定，以实现过流水位的调节。

作为优选，所述曝气池内均匀设有若干与曝气机相连的曝气盘，曝气盘距池底0.3m以上；曝气池内设有若干仿生水草，池底与池壁均进行硬化或水泥板护坡。

作为优选，每个所述挡水墙均与沉淀池侧壁之间留有水流通道，相邻两个挡水墙的水流通道分别位于沉淀池两侧，以使沉淀池中形成用于水流通过的蛇型流道；沉淀池内还设有生态浮岛。

作为优选，所述智慧节水灌溉系统采用低压管道输水灌溉，每隔20m设置一个具有出水阀的管道出水口；所有出水阀均能通过控制系统与操作平台连接，通过操作平台控制各出水阀的开闭情况。

作为优选，所述生态沟渠的断面为梯形结构，坡比为2～3:1；靠近所述生态沟渠末端的若干排水口均连接收集管道，通过收集管道将农田退水排放至生态沟渠前端；生态沟渠两侧的边坡通过多孔的护坡构件进行加固，随后于护坡构件的孔隙处种植护坡植物，以形成生态护坡；所述护坡植物采用紫露草、书带草、狗牙根和黑麦草中的一种或多种；生态沟渠中的沉水植物采用马来眼子菜、黑藻、苦草、金鱼藻和绿狐尾藻中的一种或多种，挺水植物采用美人蕉、铜钱草、茭白、千屈菜、芦苇、鸢尾、再力花、菖蒲、水葱和水芹中的一种或多种。

作为优选，所述滤料层采用沸石、火山岩和陶粒中的一种或多种；水质自动检测系统包括用于检测溶解氧、pH、总氮、氨氮、总磷、化学需氧量的检测装置；第一滤料坝和第二滤料坝的坝宽不小于0.2m，坝前设置用于拦截漂浮物的挡网，坝体配有水生植物，填料采用不同粒级的陶粒、火山岩、碎石和活性炭中的一种或多种。

作为优选，所述沉淀池占多级生态调蓄塘总面积的40％以上，曝气池占多级生态调蓄塘总面积的5％-15％，净化池占多级生态调蓄塘总面积的30％以上。

作为优选，所述多级生态调蓄塘的后方还设有用于应急处理的生态净化带；生态净化带为池体结构，包括曝气装置和仿生水草；仿生水草垂直水流方向均匀悬挂于池体中，一端固定于池体底部，另一端固定有密度小于水的悬浮件；曝气装置间隔设于仿生水草之间。

第二方面，本发明提供了一种根据第一方面任一所述农田退水处理系统的农田退水处理方法，具体如下：

农田退水经农田的排水口进入促沉箱中，根据田面水高度预设值，通过闸门系统调节促沉箱中的过流水位；在闸门系统的阻挡作用下，农田退水中的颗粒物实现初步沉降，随后汇流至生态沟渠；农田退水通过生态沟渠的生态拦截作用，实现氮磷的去除，同时，通过控制节制闸以调节生态沟渠的水位和水力停留时间；农田退水随后进入多级生态调蓄塘，由于生态沟渠与多级生态调蓄塘的宽度和深度均不相同，水流流经渐扩段后能均匀水质和减缓流速，防止水流流速过快对多级生态调蓄塘内的设施及微生物造成冲击破坏，同时，渐扩段内设置的滤料层能够减少水中悬浮物含量并提高水体溶解氧含量；

经渐扩段处理后的水体随后进入沉淀池，通过沉淀池中设置的挡水墙的阻挡作用，水流在沉淀池中呈蛇形流动，增加了水力停留时间和水流流程，以使悬浮物得到充分去除；同时，通过沉淀池中设置的沉水植物和挺水植物的吸收作用，以去除水体中的营养盐；经沉淀池处理后的水体随后进入第一滤料坝，在净化水质的同时为水流进入曝气池提供水头和势能；水流在曝气池中通过曝气作用以充分氧化水体中的有机物，随后经第二滤料坝为水流进入净化池提供水头和势能；由于净化池内设有仿生水草，通过配合加入硝化细菌、反硝化芽孢杆菌等微生物菌剂，以使水体中的有机物加快分解；

通过设于净化池中的水质自动检测系统对出水进行水质检测，若水质达标，则将净化池的出水通过智慧节水灌溉系统对农田进行灌溉或者将净化池的出水排入受纳水体，若水质不达标，则将净化池的出水通过智慧节水灌溉系统对农田进行灌溉或者将净化池的出水回流至生态沟渠前端；若遇极端天气导致水量暴涨，则通过设于净化池后方的生态净化带辅助应急处理，以保障净化池进入受纳水体的水质。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

1)本发明通过设置促沉箱，实现了农田退水中泥沙和悬浮物等大颗粒物的初步沉淀截留，并且可灵活控制田面水高度。

2)本发明通过收集生态沟渠末端(距离生态沟渠出口较近)农田排水口排出的农田退水，并通过收集管道排放至生态沟渠中距离出口较远的前端位置，防止了后端农田退水排入沟渠即排出的情况，增加了农田退水在沟渠中的水力停留时间，使沟渠发挥更好地生态拦截效果，提高了氮磷等营养盐的去除率。

3)本发明通过生态沟渠中设有氮磷去除模块的底泥捕获井，可以去除较多的氮磷营养盐，节制闸能够及时调节生态沟渠的水位及水力停留时间；同时，多级生态调蓄塘可以实现蓄水和生态净化的双重功能，能够进一步对生态沟渠的出水进行沉淀、增氧和净化，从而实现农田退水氮磷减排效率的最大化。

4)已有的农田退水处理系统未设置回灌系统或设置了回灌装置但未经判断水质是否达标就回灌至农田，本发明增加用于水质判断的水质自动检测系统，来判断经净化池处理后的农田退水水质是否达标；待达标后，通过智慧节水灌溉系统，将其回灌至农田或排放至受纳水体，否则回灌至农田或通过泵站抽至生态沟渠前端进行二次净化，极大地减少了氮磷等营养盐向受纳水体的排放。

5)本发明中增设水质自动检测系统，为农田退水处理系统的运行维护提供了参考依据，如观测到水质不达标时，即可到现场排查原因，进行氮磷去除模块吸附基质、滤料、生态浮岛等生态拦截设施的更换，对曝气设施运行功率和时间等技术参数及时进行调整。

6)本发明的多级生态调蓄塘中将净化池与智慧节水灌溉系统相结合，可以将生态处理后的农田退水回灌，实现“灌排协同”(回灌或排入受纳水体并行)，极大地减少氮磷流失量，同时形成水循环系统，避免“死水”现象的发生，该智慧节水灌溉装置可以安装电磁阀并由操作平台(如手机APP)控制阀门开启与否，极大地减少了人力。

7)本发明的多级生态调蓄塘中的沉淀池设有交错设置的挡水墙，增加了水流流程和水力停留时间，有助于杂质更好地沉淀；曝气池设有曝气设施和仿生水草，有助于更彻底地氧化有机物；净化池设置仿生水草，并配合加入微生物菌剂，可以加快有机物的分解，提高净水效率；两个滤料坝的前方均设有挡网，有助于垃圾的清除，减少人工投入。

附图说明

图1为农田退水处理系统的一种工程流程图；

图2为农田退水处理系统的另一种工程流程图；

图3为促沉箱结构示意图；

图4为生态沟渠的平面示意图；

图5为连锁式水工砖的组装结构示意图；

图6为多级生态调蓄塘的平面示意图；

图7为仿生水草的安装示意图；

图中：1农田；2促沉箱，2-1第一闸门，2-2第二闸门、2-3闸门双轨道；3生态沟渠，3-1底泥捕获井，3-2氮磷去除模块，3-3拦水坎，3-4收集管道，3-5节制闸；4多级生态调蓄塘，4-1滤料层；5生态净化带，5-1悬浮件，6受纳水体；7水质自动检测系统；8智慧节水灌溉系统；9沉淀池，9-1挡水墙；101第一滤料坝；102第二滤料坝；10-1挡网；11曝气池，11-1曝气机，11-2曝气盘；12净化池；13生态浮岛；14沉水植物；15挺水植物；16仿生水草。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

本发明提供了一种基于生态拦截与循环净化的农田退水处理系统，该农田退水处理系统适用于稻田、茭白等水生植物种植区农田退水面源污染物的拦截，能够有效地减少农田面源污染物的入河量。本发明的农田退水处理系统主要包括促沉箱2、生态沟渠3、多级生态调蓄塘4、水质自动检测系统7和智慧节水灌溉系统8，如图1和图2所示。农田退水从装有促沉箱的农田排水口排出，依次流经生态沟渠和多级生态调蓄塘，农田退水经多级净化处理后，经水质自动检测系统检测满足灌溉水要求后，利用智慧节水灌溉装置将处理后的退水回灌至农田，或排放至受纳水体(通常情况下，非暴雨等极端条件不外排)，当有暴雨等自然天气导致水量过剩时，净化池内多余的水量再流经生态净化带，最终汇入受纳水体。下面将对农田退水处理系统中各模块的结构和连接方式进行具体说明。

由于农田的面积很广，因此会将整块农田划分为若干区块，每个区块设置一个排水口。促沉箱2设置于农田1的排水口处，从该排水口排出的农田退水能全部进入促沉箱2中，促沉箱2的出口与生态沟渠3连通，从而通过促沉箱2将从排水口排出的农田退水全部汇入生态沟渠3中。促沉箱2内部设有能调节过流水位的闸门系统，闸门系统垂直水流方向设置，且能将所在促沉箱2的横截面处完全覆盖，因此，促沉箱2能对农田排水中的泥沙等颗粒物进行初步沉淀。在实际应用时，可以将闸门系统设置为如图3所示的结构，具体如下：闸门系统主要包括第一闸门2-1、第二闸门2-2和闸门双轨道2-3，闸门双轨道2-3为矩形框架结构，相对的两个竖向边框分别固定于促沉箱2的侧壁内部，底部边框固定于促沉箱2的底部；闸门双轨道2-3互不干涉的两条轨道上分别装有能上下滑动的第一闸门2-1和第二闸门2-2，两个闸门上均装有能够锁定高度的限位机构，通过调节第一闸门2-1和第二闸门2-2的所在高度并通过限位机构实现高度的锁定，以实现过流水位的调节。此外，促沉箱可以采用长方体结构，促沉箱上表面可配备盖子，箱体长边的中位线处设置双轨道，且配备密封条，每个闸门高度为长方体高度的一半，两个闸门均可以在轨道上上下方向推拉，水位可调节促沉箱的制作尺寸和安装高度可根据农田实际需要适当调整，以根据作物生长规律控制灌排水。

相比普通闸门，可调节高度的闸门系统可以更加灵活地控制农田水位，当农田需要蓄水时(如稻田存在淹水期)，可将闸门系统关闭，并将第一闸门2-1和第二闸门2-2控制在所需高度，多余水可通过溢流方式排出，需要排水时可以完全将两个闸门提起打开以进行排水。举例说明如下：可以在农田排水口处挖160mm的小坑，随后将制作的高300mm的促沉箱固定在小坑中，当需要控制田面水高100mm时，将第一闸门2-1拉至最低，第二闸门2-2稍向下拉40mm即可；若需要控制田面水高140mm，将第一闸门2-1拉至最低，第二闸门2-2拉至最高即可；当有排水需要时，将两个闸门同时拉至最高即可。

如图4所示，生态沟渠3设置于农田1中，两侧的边坡均具有生态护坡。生态沟渠3全程分别间隔设有生态浮岛13、沉水植物14和挺水植物15，尾部沿水流方向依次设有拦水坎3-3、底泥捕获井3-1和用于调节过流水位的节制闸3-5。生态沟渠3能够收集农田退水，并通过自身的生态拦截装置去除水体中部分氮磷等营养盐，进而提高了氮磷拦截效率。

在实际应用时，可以将生态沟渠3的断面设置为梯形结构，坡比采用2～3:1。靠近生态沟渠3末端的多个排水口均连接收集管道3-4，通过收集管道3-4将农田退水排放至生态沟渠3前端，以保证农田退水在生态沟渠中有足够的水力停留时间并经过尽可能多的生态拦截设施(包括沉水植物、挺水植物、拦水坎、底泥捕获井、节制闸等等)。生态沟渠内应合理配置沉水植物(如马来眼子菜、黑藻、苦草、金鱼藻、绿狐尾藻中的一种或多种)和挺水植物(如美人蕉、铜钱草、茭白、千屈菜、芦苇、鸢尾、再力花、菖蒲、水葱和水芹(冬季)中的一种或多种)，尽量选用三种以上植物种类进行配置，以保证植物的多样性，且植物种植密度不能过大，以免影响效果。生态沟渠3两侧的边坡通过多孔的护坡构件进行加固，随后于护坡构件的孔隙处种植护坡植物，以形成生态护坡。其中，护坡植物可以采用紫露草、书带草、狗牙根(夏季)和黑麦草(冬季)中的一种或多种，护坡构件可以采用连锁式水工砖、六角砖等利于植物定植的护坡构件。如图5所示，为采用连锁式水工砖护坡时的铺设方式，每块连锁式水工砖和与其相邻的六块连锁式水工砖形成超强连锁，空隙处可种植护坡植物，连锁式水工砖的结构不仅极大地增加了生态护坡的稳定性，减少了水土流失的可能性，也为护坡植物提供了较好地生长条件。在生态护坡底部设置底梁，顶部用预制件进行压顶，护坡植物优选采用本土优势植物，并定期进行修剪和刈割。

具体的，拦水坎3-3可以依据沟渠长度、坡度和渠水流向进行设置为堤埂结构，主要用于维持渠底水深以满足沟渠水生植物生长。底泥捕获井3-1是用于聚集并沉淀沟渠水中携带的泥土等杂质的井，井体内部交错安置有多个氮磷去除模块3-2。氮磷去除模块3-2由多孔性矿物等材料组成，主要用于同步去除沟渠水中氮磷。节制闸3-5可以采用与上述闸门系统相同的结构，但尺寸放大至与生态沟渠相适应，设置在生态沟渠3与多级生态调蓄塘4连接处，用于控制生态沟渠3中的水位与水力停留时间。

如图6所示，多级生态调蓄塘4建设在生态沟渠3后方，包括连通的渐扩段和主反应区段。由于多级生态调蓄塘4与生态沟渠3的连接处断面发生变化(包括宽度、深度等改变引起的横断面变化)，因此将生态沟渠3的出口与渐扩段相连通，以均质水流(即均匀水质、减缓流速，以减少水流对后续的冲击等)，并在渐扩段内沿水流横断面设置滤料层4-1，使水流均能通过滤料层4-1作用后再流入主反应区段。滤料层4-1可以采用沸石、火山岩和陶粒中的一种或多种，以促进悬浮物的沉淀，并提高水体的溶解氧含量。

主反应区段包括曝气池11、沉淀池9、第一滤料坝101、第二滤料坝102和净化池12，其中，沉淀池9中通过若干墙面与水流方向垂直的挡水墙9-1，形成使水流通过的蛇型流道，蛇形流道中种植若干沉水植物14和挺水植物15。沉淀池9后方依次设有第一滤料坝101、曝气池11和第二滤料坝102。第一滤料坝101和第二滤料坝102结构相同，均能将所在处的水流横断面完全覆盖，包括多孔的外墙体和填料，外墙体和池底共同构成上方敞口的槽型结构，槽内填充填料。第二滤料坝102后方设有净化池12，净化池12内均匀固定有若干垂直水流方向悬挂的仿生水草16。仿生水草16的一端固定于池体底部，另一端固定有密度小于水的悬浮件5-1。净化池12的出水端处设有用于检测水质达标情况的水质自动检测系统7。若水质达标，则将净化池12的出水通过智慧节水灌溉系统8对农田1进行灌溉或者将净化池12的出水排入受纳水体6，若水质不达标，则将净化池12的出水通过智慧节水灌溉系统8对农田1进行灌溉或者将净化池12的出水回流至生态沟渠3前端。

在实际应用时，可以在多级生态调蓄塘4(除曝气池11)的常水位以下采用连锁式水工砖进行护坡，坡比选择1:2～1:3，常水位以上用草皮护坡，护坡下设置土工垫网，以便于营造多生物性处理环境，利用生物作用增强水质处理效果。为了进一步增强处理效果，多级生态调蓄塘4内可以配置生态浮岛、沉水植物和挺水植物，沉水植物选择生命力强、净化效果好的水生植物作为先锋种，同时配置一些伴生种以增加生物多样性，宜选择金鱼藻、苦草、黑藻、菹草、马来眼子菜、绿狐尾藻等。挺水植物应选择净化功能和景观效果较好的芦苇、黄菖蒲、千屈菜、水生美人蕉、水葱等，种植在水深0～0.5m水深的岸坡上，以防止水土流失，并去除颗粒态营养物质和污染物。在水体较深或透明度较低等沉水植物难以存活的区域，布设不需要光合作用维持生长的仿生水草改善水下生态环境，借助其大的比表面积和较强的吸附力吸附不易自行沉降的微颗粒悬浮物。

在实际应用时，沉淀池最好占多级生态调蓄塘总面积的40％以上，池内通过设置的挡水墙来增加水流流程和滞留时间。每个挡水墙9-1均与沉淀池9侧壁之间留有水流通道，相邻两个挡水墙9-1的水流通道分别位于沉淀池9两侧，以使沉淀池9中形成用于水流通过的蛇型流道。沉淀池内可种植水生植物，设置生态浮岛13，以吸收水体中的营养盐，四周坡岸以草皮绿化。

第一滤料坝101和第二滤料坝102均选用空心砖、碎石等搭建滤料坝外部墙体，坝体内应放置不同粒级滤料，滤料选择陶粒、火山岩、碎石、活性炭等材料。两个滤料坝宽(按内径计算)不小于0.2m，坝高应基本与相邻池高持平。滤料坝前应设置一道挡网10-1，网高与滤料坝持平，以拦截落叶等漂浮物，坝体上可配置水生植物。

曝气池的面积最好占多级生态调蓄塘总面积的5％-15％，曝气池11内均匀设有若干与曝气机11-1相连的曝气盘11-2，曝气盘安装距离宜距池底0.3m以上。曝气池底部与池壁应进行硬化或水泥板护坡，优选的，曝气池内应合理布设一定比例的仿生水草。

净化池面积最好占多级生态调蓄塘设施总面积的30％以上，池内设置仿生水草等材料，仿生水草悬挂方向垂直于水流方向，底部用强度较大的聚乙烯绳或不锈钢丝固定。仿生水草的安装方式选用沉底式，即将仿生水草一端固定在河床底部的框架上，上部悬挂浮球，使仿生水草在水位高时呈垂直状，水位低时呈漂浮状，保证微生物能够与水体接触，仿生水草位置应根据河道深度及水体透明度情况确定，一般布置在水深超过1m的区域，所述仿生水草应在水体过流断面上平均分布，以达到最佳的水利条件，减少断流。净化池内合理配置水生植物，必要时可配合加入微生物菌剂，池壁应采用草皮或低矮灌木进行护坡。

净化池中安装水质自动检测系统，至少包括溶解氧、pH、总氮、氨氮、总磷、化学需氧量的自动检测探头，以判断水质是否可以达标回灌或排放。水质自动检测系统的检测数据最好能够实时上传，以便于通过手机或电脑进行查看。当净化池的水满足排放标准时，可以通过远程控制泵站和智慧节水灌溉装置回灌到农田或自然排放(通常情况下，非暴雨等极端条件不外排)，不达标时可回灌至农田或通过泵站抽至生态沟渠前端进行二次净化，形成水资源生态循环，同时避免“死水”现象的出现。

智慧节水灌溉系统8可以采用低压管道输水灌溉，管道系统包括干管和支管两级固定输水管道及配套设施，每隔约20m设置一个管道出水口，出水口采用低压灌溉出水阀(可调式)，灌溉系统选用地下水、周围河道水和净化池出水三种水源，智慧节水灌溉装置安装电磁阀并由手机APP控制阀门开启与否。

为了应对发生暴雨等自然灾害天气导致的水量突然增大或来水含沙量突然增加的情况，在多级生态调蓄塘4的后方还设有用于应急处理的生态净化带5。生态净化带5为池体结构，包括曝气装置和仿生水草16。仿生水草16垂直水流方向均匀悬挂于池体中，一端固定于池体底部，另一端固定有密度小于水的悬浮件5-1。曝气装置间隔设于仿生水草16之间。同时，可在生态调蓄塘4的沉淀池9中添加可生物降解的壳聚糖等促沉剂，加速悬浮物的沉淀，确保悬浮物的去除。

利用上述农田退水处理系统的农田退水处理方法，具体如下：

农田退水经农田1的排水口进入促沉箱2中，根据田面水高度预设值，通过闸门系统调节促沉箱2中的过流水位。在闸门系统的阻挡作用下，农田退水中的颗粒物实现初步沉降，随后汇流至生态沟渠3。农田退水通过生态沟渠3的生态拦截作用，实现氮磷的去除，同时，通过控制节制闸3-5以调节生态沟渠3的水位和水力停留时间。农田退水随后进入多级生态调蓄塘4，由于生态沟渠3与多级生态调蓄塘4的宽度和深度均不相同，水流流经渐扩段后能均匀水质和减缓流速，防止水流流速过快对多级生态调蓄塘4内的设施及微生物造成冲击破坏，同时，渐扩段内设置的滤料层4-1能够减少水中悬浮物含量并提高水体溶解氧含量。

经渐扩段处理后的水体随后进入沉淀池9，通过沉淀池9中设置的挡水墙9-1的阻挡作用，水流在沉淀池9中呈蛇形流动，增加了水力停留时间和水流流程，以使悬浮物得到充分去除。同时，通过沉淀池9中设置的沉水植物14和挺水植物15的吸收作用，去除水体中的营养盐。经沉淀池9处理后的水体随后进入第一滤料坝101，在净化水质的同时为水流进入曝气池11提供水头和势能。水流在曝气池11中通过曝气作用以充分氧化水体中的有机物，随后经第二滤料坝102净化水质并为水流进入净化池12提供水头和势能。由于净化池12内设有仿生水草16，通过配合加入微生物菌剂，以使水体中的有机物加快分解。

通过设于净化池12中的水质自动检测系统7对出水进行水质检测，若水质达标，则将净化池12的出水通过智慧节水灌溉系统8对农田1进行灌溉或者将净化池12的出水排入受纳水体6，若水质不达标，则将净化池12的出水通过智慧节水灌溉系统8对农田1进行灌溉或者将净化池12的出水回流至生态沟渠3前端。若遇极端天气导致水量暴涨，则通过设于净化池12后方的生态净化带5辅助应急处理，以保障净化池12进入受纳水体6的水质。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于生态拦截与循环净化的农田退水处理系统，其特征在于，包括促沉箱(2)、生态沟渠(3)、多级生态调蓄塘(4)、水质自动检测系统(7)和智慧节水灌溉系统(8)；

所述促沉箱(2)设置于农田(1)的排水口处，从该排水口排出的农田退水能全部进入促沉箱(2)中以进行初步沉降；促沉箱(2)内部垂直水流方向的横截面处设有能调节过流水位的闸门系统，促沉箱(2)的出口与生态沟渠(3)连通；所述生态沟渠(3)两侧的边坡具有生态护坡，全程分别间隔设有生态浮岛(13)、沉水植物(14)和挺水植物(15)，尾部沿水流方向依次设有拦水坎(3-3)、底泥捕获井(3-1)和用于调节过流水位的节制闸(3-5)；所述多级生态调蓄塘(4)包括连通的渐扩段和主反应区段；生态沟渠(3)的出口与渐扩段相连通，以均质水流；渐扩段内沿水流横断面设有滤料层(4-1)，使水流均能通过滤料层(4-1)作用后流入主反应区段；所述主反应区段包括曝气池(11)以及周围边坡具有生态护坡的沉淀池(9)、第一滤料坝(101)、第二滤料坝(102)和净化池(12)；所述沉淀池(9)中通过若干墙面与水流方向垂直的挡水墙(9-1)，形成使水流通过的蛇型流道，蛇形流道中种植若干沉水植物(14)和挺水植物(15)；所述沉淀池(9)后方依次设有第一滤料坝(101)、曝气池(11)和第二滤料坝(102)；第一滤料坝(101)和第二滤料坝(102)结构相同，均能将所在处的水流横断面完全覆盖，包括多孔的外墙体和填料，外墙体和池底共同构成上方敞口的槽型结构，槽内填充填料；所述第二滤料坝(102)后方设有净化池(12)，净化池(12)内均匀固定有若干垂直水流方向悬挂的仿生水草(16)；仿生水草(16)的一端固定于池体底部，另一端固定有密度小于水的悬浮件(5-1)；净化池(12)的出水端处设有用于检测水质达标情况的水质自动检测系统(7)；若水质达标，则将净化池(12)的出水通过智慧节水灌溉系统(8)对农田(1)进行灌溉或者将净化池(12)的出水排入受纳水体(6)，若水质不达标，则将净化池(12)的出水通过智慧节水灌溉系统(8)对农田(1)进行灌溉或者将净化池(12)的出水回流至生态沟渠(3)前端。

2.根据权利要求1所述的农田退水处理系统，其特征在于，所述闸门系统和节制闸(3-5)的结构相同，均能将所在处的水流横截面完全覆盖，包括第一闸门(2-1)、第二闸门(2-2)和闸门双轨道(2-3)；闸门双轨道(2-3)为矩形框架结构，其互不干涉的两条轨道上分别装有能上下滑动的第一闸门(2-1)和第二闸门(2-2)，通过调节第一闸门(2-1)和第二闸门(2-2的)所在高度并通过限位机构实现高度的锁定，以实现过流水位的调节。

3.根据权利要求1所述的农田退水处理系统，其特征在于，所述曝气池(11)内均匀设有若干与曝气机(11-1)相连的曝气盘(11-2)，曝气盘(11-2)距池底0.3m以上；曝气池(11)内设有若干仿生水草(16)，池底与池壁均进行硬化或水泥板护坡。

4.根据权利要求1所述的农田退水处理系统，其特征在于，每个所述挡水墙(9-1)均与沉淀池(9)侧壁之间留有水流通道，相邻两个挡水墙(9-1)的水流通道分别位于沉淀池(9)两侧，以使沉淀池(9)中形成用于水流通过的蛇型流道；沉淀池(9)内还设有生态浮岛(13)。

5.根据权利要求1所述的农田退水处理系统，其特征在于，所述智慧节水灌溉系统(8)采用低压管道输水灌溉，每隔20m设置一个具有出水阀的管道出水口；所有出水阀均能通过控制系统与操作平台连接，通过操作平台控制各出水阀的开闭情况。

6.根据权利要求1所述的农田退水处理系统，其特征在于，所述生态沟渠(3)的断面为梯形结构，坡比为2～3:1；靠近所述生态沟渠(3)末端的若干排水口均连接收集管道(3-4)，通过收集管道(3-4)将农田退水排放至生态沟渠(3)前端；生态沟渠(3)两侧的边坡通过多孔的护坡构件进行加固，随后于护坡构件的孔隙处种植护坡植物，以形成生态护坡；所述护坡植物采用紫露草、书带草、狗牙根和黑麦草中的一种或多种；生态沟渠(3)中的沉水植物(14)采用马来眼子菜、黑藻、苦草、金鱼藻和绿狐尾藻中的一种或多种，挺水植物(15)采用美人蕉、铜钱草、茭白、千屈菜、芦苇、鸢尾、再力花、菖蒲、水葱和水芹中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的农田退水处理系统，其特征在于，所述滤料层(4-1)采用沸石、火山岩和陶粒中的一种或多种；水质自动检测系统(7)包括用于检测溶解氧、pH、总氮、氨氮、总磷、化学需氧量的检测装置；第一滤料坝(101)和第二滤料坝(102)的坝宽不小于0.2m，坝前设置用于拦截漂浮物的挡网(10-1)，坝体配有水生植物，填料采用不同粒级的陶粒、火山岩、碎石和活性炭中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的农田退水处理系统，其特征在于，所述沉淀池(9)占多级生态调蓄塘(4)总面积的40％以上，曝气池(11)占多级生态调蓄塘(4)总面积的5％-15％，净化池(12)占多级生态调蓄塘(4)总面积的30％以上。

9.根据权利要求1所述的农田退水处理系统，其特征在于，所述多级生态调蓄塘(4)的后方还设有用于应急处理的生态净化带(5)；生态净化带(5)位于受纳水体(6)中，包括曝气装置和仿生水草(16)；仿生水草(16)垂直水流方向均匀悬挂于池体中，一端固定于池体底部，另一端固定有密度小于水的悬浮件(5-1)；曝气装置间隔设于仿生水草(16)之间。

10.一种根据权利要求1～9任一所述农田退水处理系统的农田退水处理方法，其特征在于，具体如下：

农田退水经农田(1)的排水口进入促沉箱(2)中，根据田面水高度预设值，通过闸门系统调节促沉箱(2)中的过流水位；在闸门系统的阻挡作用下，农田退水中的颗粒物实现初步沉降，随后汇流至生态沟渠(3)；农田退水通过生态沟渠(3)的生态拦截作用，实现氮磷的去除，同时，通过控制节制闸(3-5)以调节生态沟渠(3)的水位和水力停留时间；农田退水随后进入多级生态调蓄塘(4)，由于生态沟渠(3)与多级生态调蓄塘(4)的宽度和深度均不相同，水流流经渐扩段后能均匀水质和减缓流速，防止水流流速过快对多级生态调蓄塘(4)内的设施及微生物造成冲击破坏，同时，渐扩段内设置的滤料层(4-1)能够减少水中悬浮物含量并提高水体溶解氧含量；

经渐扩段处理后的水体随后进入沉淀池(9)，通过沉淀池(9)中设置的挡水墙(9-1)的阻挡作用，水流在沉淀池(9)中呈蛇形流动，增加了水力停留时间和水流流程，以使悬浮物得到充分去除；同时，通过沉淀池(9)中设置的沉水植物(14)和挺水植物(15)的吸收作用，以去除水体中的营养盐；经沉淀池(9)处理后的水体随后进入第一滤料坝(101)，在净化水质的同时为水流进入曝气池(11)提供水头和势能；水流在曝气池(11)中通过曝气作用以充分氧化水体中的有机物，随后经第二滤料坝(102)为水流进入净化池(12)提供水头和势能；由于净化池(12)内设有仿生水草(16)，通过配合加入微生物菌剂，以使水体中的有机物加快分解；

通过设于净化池(12)中的水质自动检测系统(7)对出水进行水质检测，若水质达标，则将净化池(12)的出水通过智慧节水灌溉系统(8)对农田(1)进行灌溉或者将净化池(12)的出水排入受纳水体(6)，若水质不达标，则将净化池(12)的出水通过智慧节水灌溉系统(8)对农田(1)进行灌溉或者将净化池(12)的出水回流至生态沟渠(3)前端；若遇极端天气导致水量暴涨，则通过设于净化池(12)后方的生态净化带(5)辅助应急处理，以保障净化池(12)进入受纳水体(6)的水质。

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