CN101696059B

CN101696059B - 一种阻控农业面源污染的生态沟渠

Info

Publication number: CN101696059B
Application number: CN2009102723381A
Authority: CN
Inventors: 毕永红; 胡征宇
Original assignee: Institute of Hydrobiology of CAS
Current assignee: Institute of Hydrobiology of CAS
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2029-09-29
Also published as: CN101696059A

Abstract

本发明公开了一种阻控农业面源污染的生态沟渠，其步骤：A、在流域集水区构建汇集农业污水和农田地表径流的人工沟渠，沟渠分污水径流入口和干渠；B、人工沟渠的宽度60-240cm，深度40-70cm，长度不限；C、沟渠形状依据集水区地形设定；D、沟渠的污水入口处依据集水区污水水量和地表径流量设置；E、入口为梯形敞口，入口处有物理隔珊、小生物球和沉淀池，物理格珊分粗格珊和细格珊；干渠的两侧壁镶嵌大生物球，渠内种植挺水、漂浮和沉水植物，污水中接种附生藻类和浮游藻类。本发明适用于山地、丘陵农业耕作区的流域中对水体污染物质的阻拦、降解、吸收、利用。

Description

一种阻控农业面源污染的生态沟渠

技术领域

本发明涉及面源污染控制和水污染生物处理技术领域，更具体涉及一种阻控农业面源污染的生态沟渠，适用于农业污染严重的传统耕作区，尤其是山地丘陵地区以及坡耕地农业区的污染处置，如三峡库区和丹江口库区农业耕作区。

背景技术

在我国，随着对点源污染控制的重视及治理能力的提高，面源污染已成为影响水环境的一个重要因素；农业面源污染正在成为我国农村生态环境恶化的主要原因之一，严重制约农业和农村经济环境的可持续发展。农业面源污染影响了土壤、水体和大气的环境质量。首先是累积于饮用水源和土壤中的化肥和农药对沿海省份的广大居民健康构成了威胁。2002年有六个省2个直辖市(北京、上海、山东、江苏、浙江、福建、广东、湖北)的农业面源污染处于高风险水平，预计到2010年，将增加到15个省、直辖市(增加了河北、天津、河南、安徽、陕西、宁夏、湖南)。其次是引起农业土壤、水体(河流、湖泊、海湾)和大气的环境质量衰退，尤其是引起湖泊、河流、浅海水域生态系统的富营养化，导致水华和赤潮的频繁发生。同时，氮肥的气态损失(目前中国农田施用化肥和有机肥产生的N₂O气体逸失量约占世界的1/3)作为温室气体影响了气候变化。此外，过量施肥和施用农药增加了生产成本，降低了我国农产品在国际市场的竞争力，影响了农民的净收益。导致农业面源污染的主要原因包括：过量使用化肥和农药，利用效率低下(中国在占世界不到1/10的耕地上使用的氮肥量占世界的1/3)；过量灌溉引起损失，特别是蔬菜种植业；广泛使用的肥料品种易于形成面源污染；施肥技术落后，施肥不平衡；化肥和农药包装没有使用说明或者说明不恰当；缺乏推广服务，农民缺乏相关的施肥知识；公众尤其是农民缺乏环境意识。

国内外在治理面源污染的过程中，逐渐认识到生态工程是面源污染治理的有效措施，目前技术较成熟和应用较多的生态工程有：人工湿地、前置库、植被缓冲带、水陆交错带、水土保持和农业生态工程等。国内诸多学者通过构建人工湿地处理面源污水，或利用污水进行水稻免耕栽培培育人工经济湿地以减轻面源污染。国外已有学者采用地下渗滤系统对面源污水的处理效果进行了研究，丹麦乡村污水处理主要趋势是采用湿地径流，该系统中BOD₅和氨氮的去除率分别达到95％和90％；也有报道，通过恢复河岸森林植被带有效地截留来自农田的养分和泥沙，使地表径流总氮和总磷显著减少。这些技术由于需要较大的占地面积，难以在大范围推广应用，尤其是不适用于我国人多地少的国情。

生态沟渠的发明和构建可以很好地解决人地之间的矛盾，但由于农业面源污染的区域差异和地区经济发展水平的不同，目前还没有普遍适用于不同农业耕作区的生态沟渠。CN ZL98102839.X公开了一种河流或沟渠污水生态强化自净方法，其特点是利用河道(渠)空间，通过建立若干级基堰形成湿地氧化塘，每级基堰由堤坡植被、景观曝气、喷灌曝气、湿地、基堰和基堰前后的沉淀沟所构成，河流污水依次通过各级基堰湿地氧化塘中的各种水生动植物和堤坡土壤生物作用，得到净化。CN ZL 200610097845.2公开了一种生态沟渠污水净化方法，其特征是将城镇生活污水和农田排水进行混合处理，城镇生活污水依次流经粗格栅、沉砂池、细格栅、微生物处理池、酸化水解池、风车增氧曝气池、砾石拦截与生物接触氧化床后与农田排水混合，经过由复合介质过滤吸附床层区净化后得到可排放的净化水。这些发明依然需要很宽的沟渠或空地建设湿地和氧化塘，或者基建工程较多，技术要点复杂，不利于沟渠原貌修复和重建，运行的经济成本和管理成本较高，推广困难。

文献方面，近年来国内外诸多学者研究了利用排水沟进行污水处理的效果，如：陈辅利等在沟中顺水流方向设置固定微生物载体，其污水处理率可达到或超过一般生物膜法的水平；尹澄清等在白洋淀的研究表明长290m宽4.2m的有植被沟渠对地表径流TN、TP和COD处理效率分别为42％，65％和14％。曲向荣等研究表明，污水流经6km沟渠后的营养物质N、P和COD自净效率为41.7～64.7％。Mersie等，Dabney等，Sanderson等报道了柳枝稷耐洪能力强，能有效消减径流中的除草剂、沉积物和营养物。Bouldin对美国密西西比河三角洲景观农业排水系统调查结果显示，具有有限或没有植被缓冲带的排水沟渠，水体营养水平最高，随着覆盖度的增加，悬浮物质减少。Mats Astr6m通过两小溪流水的物理化学属性(西芬兰)对比，一条溪流的上游林地经过挖沟处理，另一条没有(成对流域方法)，研究发现虽然人工排水沟对流量过程线没有任何重要影响，但是它导致水中Mn、Ca、Mg、悬浮物质和碱度的增加，TOC和H₃O⁺浓度的降低。虽然很多学者对生态沟渠的水污染治理作用进行了深入研究探讨，但是这些研究仅仅是对自然沟渠的研究，或者对污染治理不是作为一个完整的技术手段，仅仅是污染治理的一个前处理环节，无法完成直接在沟渠内部强化净化污染物的目的。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种阻控农业面源污染的生态沟渠，针对农业面源污染污染物分散、污染成分复杂、污染途径多样、污染负荷季节变化大等特点，基于生态学原理和生物学特性，人为提高沟渠生命有机体的生物量，利用微生物、水草和藻类的生命活动规律，实现对水体污染物质的阻拦、降解、吸收、利用，达到降低和减少水体污染负荷的目的。

本发明的技术解决方案为：一种阻控农业面源污染的生态沟渠，其特征是在流域集水区构建收集农业污水和农田地表径流的人工沟渠，在污水和径流的入口处设置物理格珊，粗格珊和细格珊间放置生物球，格珊下部为沉淀池，沟渠内种植挺水植物、漂浮植物和沉水植物，沟渠两侧壁上镶嵌生物球，污水中接种附生藻类和浮游藻类。构建人工沟渠的基本过程及具体的技术参数详细介绍如下：

首先对构建沟渠的小流域地形开展实地考察和调查，掌握小流域的地形地貌特点，了解该流域的主要集水区以及水系分布情况，并对小流域的农业污染状况有全面深入的认识，在此基础上，选择具体的沟渠建造地点，确定沟渠的形状，污水入口的具体地点以及入口数量，绘制设计图纸，并计算沟渠建造的基本成本，着手开展具体的建造工作。

一种阻控农业面源污染的生态沟渠，其步骤是：

A、在流域集水区构建收集农业污水和农田地表径流的人工沟渠，沟渠分污水径流入口和干渠两部分。在污水径流的入口处设置物理格珊，粗格珊和细格珊间放置小生物球，细格珊下部为沉淀池；干渠中布设大生物球、水生植物和藻类。

B、人工沟渠的宽度60-240cm，深度40-70cm，长度不限(＞3000m处理效果较好)。

C、沟渠形状依据集水区的具体地形设定，以多弯曲的S形为宜。实际情况表明，在有限的小流域范围内，沟渠的处理效果与沟渠长度具有密切关系，沟渠长度越长，对营养物质(N、P)和农药除草剂(甲拌磷、乙拌磷、久效磷、对硫磷、甲胺磷、氧化乐果、治螟磷、蝇毒磷、水胺硫磷、磷胺、内吸磷、甲基异柳磷、苯线磷、特丁硫磷、甲荃硫环磷、克百威(呋喃丹)、涕灭威、灭多威、杀虫脒、除草醚、草枯醚......)等其他污染物的去除率越高。

D、沟渠的污水入口处依据集水区的污水水量和地表径流量的具体情况设置，入沟渠水量多(每月平均流速＞0.8m/s，每日平均流量＞100m³/h)的区域每500m设置一个入口，入沟渠水量少的地方每1000-3000m设置一个入口。入口处为T形的敞口，便于最大量接纳污水。

E、沟渠污水入口处的物理格珊分粗格珊和细格珊，粗格珊长60-250cm，宽40-70cm，细格珊长50-200cm，宽40-70cm，粗细格珊间的直线距离为50-100cm；粗细格珊上部加不锈钢或铝合金材质的顶盖，形成一个笼形结构用于装载生物球。笼形结构中放置的生物球为直径2.0-3.0cm，中间镂空表面均匀密布类似纤毛杆状物的塑料小球，每个粗细格珊间放置此类小生物球200-500个。小球可在流水的冲击下自由运动。细格珊下部沟渠污水入口处的沉淀池规格为长边为50-200cm，短边45-180cm，两边距离为50-70cm，高40-70cm的梯形结构。

F、干渠内种植挺水植物、漂浮植物和沉水植物，沟渠两侧壁上镶嵌大生物球，污水中接种附生藻类和浮游藻类。

G、沟渠内种植挺水植物为水芹、茭白和菖蒲，漂浮植物为风眼莲、空心菜，沉水植物为伊乐藻、苦草，依据美观和自然的原则合理布置。于沟渠两侧壁上镶嵌的生物球为直径20.0-30.0cm，中间镂空表面均匀密布类似纤毛杆状物的塑料球，两球的间隔为25.0-40.0cm。污水中接种的附生藻类为蓝藻门的席藻、绿藻门的刚毛藻以及硅藻门的舟形藻，浮游藻类为绿藻门的小球藻。

本发明中涉及的水体污染物的去除原理在于：一些个体较大的垃圾、漂浮物和农业废弃物等经过物理格珊阻隔，可由管理人员人为清除；污水中所含的大部分泥沙以及悬浮颗粒物质等经由沉淀池沉淀去除；笼形物理粗细格珊间的生物球和镶嵌在沟渠两侧壁上的生物球在有限的体积内具有最大的比表面积，在缓慢水流的作用下，富集微生物形成稳定的生物膜，可降解、分解、吸收利用一些污染物质，降低污染物的浓度；沟渠中种植的水生植物以及接种的藻类在其生长增殖的过程中会大量吸收利用水体中的生源要素，降低水体N、P物质的含量，对农药除草剂也有一定的阻控作用，减少这些物质在水体中的含量，降低面源污染的总负荷量。

本发明的优点是建成后的生态沟渠没有丧失一般沟渠应有的功能，依然是集水和排水的通道，不影响地表径流和农田污水排水畅通，不改变农业生产的格局，但由于人为地增加了沟渠的植被覆盖度和沟渠生物量，提高了沟渠对水污染的处理能力，同时所种植的部分水生植物还是时令蔬菜，可变废为宝，获得较好的副产品。本方法中的沟渠，可在小流域集水区新建，也可利用原有农田排水沟进行适当改造，不占用耕地资源。本沟渠针对特征性农业污染物的处理，所选用的水生生物对化肥、农药、除草剂等均有利好的降解、吸收利用效果，针对性强；且设计简单，施工容易，建设成本低廉，运行管理维护简单易行，污水处理效果好，同时有一定的景观效果，具备良好的推广应用价值。

附图说明

图1为一种生态沟渠的结构示意图，图中1粗格珊，2小生物球，3细格珊，4沉淀池，5藻类(附生藻类和浮游藻类)，6大生物球，7水生植物(挺水植物、漂浮植物和沉水植物)，箭头所示为水流方向。

图2为一种生物球示意图，大生物球、小生物球的内部结构一致，仅仅是大小规格不相同。图中8绒毛样杆状突起，9球体空腔，10球体内往复回环的褶皱样结构。生物球的结构有助于增加表面积，扩大水生微生物的存在空间，提高处理效率。

具体实施方式

实施例1：

下面根据附图对本发明作进一步详细描述：

一种阻控农业面源污染的生态沟渠，其步骤是：

A、在流域集水区构建收集农业污水和农田地表径流的人工沟渠，沟渠分污水径流入口和干渠两部分。在污水和径流的入口处设置物理格珊，粗格珊1和细格珊3(粗格珊1和细格珊3间放置小生物球2)，细格珊下部为沉淀池4，这些设施是顺水流方向自上而下依次布设的。

B、人工沟渠的宽度90.0cm，深度70.0cm，沟渠位于山地农耕区的下部，呈现以多弯曲的S形，可有效汇集来自农耕区的地表径流和农业污水，沟渠长3300.0m。

C、沟渠形状依据集水区的具体地形设定，以多弯曲的S形为宜。实际情况表明，在有限的小流域范围内，沟渠的处理效果与沟渠长度具有密切关系，沟渠长度越长，对营养物质(N、P)和农药除草剂等其他污染物的去除率越高。

D、沟渠的污水入口处依据集水区的污水水量和地表径流量的具体情况设置，入沟渠水量多(每月平均流速＞0.8m/s，每日平均流量＞100m³/h)的区域每500m设置一个入口，入沟渠水量少的地方每1000-3000m设置一个入口，共有污水径流入口4个。入口处为T形的敞口，便于最大量接纳污水。

E、沟渠污水入口处物理格珊分粗格珊1和细格珊3，粗格珊1长100.0cm，宽70.0cm；距离粗格珊1下部60.0cm为细格珊3，长70.0cm，宽70.0cm；粗格珊1、细格珊3上部加铝合金材质的顶盖，形成一个笼形结构用于装载有小生物球2。笼形结构中放置的小生物球2为直径2.0cm，中间镂空表面均匀密布类似纤毛杆状物的小生物球2(塑料小球)，每个粗格珊1、细格珊3间放置此类小生物球2(300个)；细格珊3下部沟渠污水入口处的沉淀池4规格为长边70.0cm，短边50cm，两边距70.0cm，高70.0cm。

F、干渠内种植挺水植物、漂浮植物和沉水植物7，沟渠两侧壁上镶嵌大生物球6，污水中接种藻类5包括附生藻类和浮游藻类。

G、沟渠内种植挺水植物为水芹、茭白和菖蒲，漂浮植物为凤眼莲、空心菜，沉水植物为伊乐藻、苦草，依据美观和自然的原则合理布置，挺水植物和漂浮植物相间布设，沉水植物栽种在它们的空隙中(挺水植物、漂浮植物和沉水植物7)。于沟渠两侧壁上镶嵌大生物球6为直径25.0cm，中间镂空表面均匀密布类似纤毛杆状物的塑料球，两球的间隔为25.0cm，大生物球6有较大的比表面积，水体微生物附生在生物球上形成生物膜结构具备高效水质净化作用。污水中接种的藻类5包括附生种类和浮游种类，附生藻类为蓝藻门的席藻、绿藻门的刚毛藻以及硅藻门的舟形藻，浮游藻类为绿藻门的小球藻，浮游藻类漂浮在水体中，附生藻类和沉水植物交织在一起。

H、小生物球2与大生物球6的内部结构相同，仅仅是大小规格不一样。生物球外表面为绒毛样杆状突起8，生物球球体内部为空腔结构9，空腔结构内为多次往复回环的褶皱样结构10。生物球的这种结构设计有助于增加表面积，扩大水生微生物的存在空间，提高处理效率。

Claims

1.一种阻控农业面源污染的生态沟渠，其步骤是：

A、在流域集水区构建汇集农业污水和农田地表径流的人工沟渠，沟渠分污水径流入口和干渠，在污水径流入口处设置物理格栅，包括粗格栅(1)和细格栅(3)以及粗格栅(1)和细格栅(3)间放置的小生物球(2)，细格栅(3)下部为沉淀池(4)；

B、人工沟渠的宽度60-240cm，深度40-70cm，长度不限；

C、沟渠形状依据集水区的地形设定；

D、沟渠的污水入口处为梯形敞口，入口数量依据集水区的污水水量和地表径流量设置，入沟渠水量多的区域每500m设置一个入口，入沟渠水量少的地方每1000-3000m设置一个入口；

E、沟渠污水入口处的粗格栅(1)长60-250cm，宽40-70cm，细格栅(3)长50-200cm，宽40-70cm，粗细格栅间的直线距离为50-100cm；粗格栅(1)和细格栅(3)上部加不锈钢或铝合金材质的顶盖，形成一个笼形结构用于装载小生物球(2)；

F、干渠内种植挺水植物、漂浮植物和沉水植物(7)，沟渠两侧壁上镶嵌大生物球(6)，污水中接种藻类(5)包括附生藻类和浮游藻类；

G、沟渠内种植挺水植物为水芹、茭白和菖蒲，漂浮植物为凤眼莲、空心菜，沉水植物为伊乐藻、苦草，于沟渠两侧壁上镶嵌大生物球(6)为直径20.0-30.0cm，中间镂空表面均匀密布类似纤毛杆状物的塑料球，两球的间隔为25.0-40.0cm。

2.根据权利要求1所述的一种阻控农业面源污染的生态沟渠，其特征在于：所述的细格栅(3)下部沟渠污水入口处的沉淀池(4)规格为长边为50-200cm，短边45-180cm，两边距离为50-70cm，高40-70cm的梯形结构。

3.根据权利要求1所述的一种阻控农业面源污染的生态沟渠，其特征在于：所述的附生藻类为蓝藻门的席藻、绿藻门的刚毛藻以及硅藻门的舟形藻，浮游藻类为绿藻门的小球藻。