基於植物籬及多層滲濾塘的農業面源汙染控制系統與工藝的製作方法

2023-06-14 15:48:41

專利名稱：基於植物籬及多層滲濾塘的農業面源汙染控制系統與工藝的製作方法
技術領域：
本發明專利屬於環境工程中的面源汙染控制技術，主要針對中國日益嚴峻的農業面源汙染，尤其是農業面源汙染中的氮磷汙染進行控制，具體涉及一種基於植物籬及多層滲濾塘的農業面源汙染控制系統與工藝。
背景技術：
隨著我國經濟的發展，環保問題日益嚴峻，以往人們大多針對點源汙染進行治理，但是隨著人們對於環境問題認識的深入，面源汙染問題逐漸引起人們的重視。在面源汙染中，農業面源汙染是一塊非常重要的汙染源，過量使用化肥農藥，農村分散式住宅區生活汙水未經處理或者經過簡單處理排入河流，這些都對當地河流湖泊造成了極大的影響。例如全國矚目的南水北調中線工程渠首在丹江口水庫，丹江口庫區及上遊範圍涉及陝西、湖北、河南3省8個地(市)的43個縣(市、區)，土地面積約8.93萬km2。總人口1266.4萬人，其中，農業人口 1016.99萬人，農業勞動力503.53萬人，農業人口密度114人/km2。人口主要分布在丹江口庫周、漢江丹江幹流沿岸、盆地和壩地，秦嶺南麓和大巴山北麓大部分屬中山區，人口分布較少。根據地方政府上報的數據統計，2008年，水源區面源汙水入河量約為4357.7萬t、COD入河量約為4.8萬t、NH3-N入河量約為6450.7t。丹江口庫區及上遊區域的汙染負荷主要來自農村的面源汙染，包括農田面源汙染、畜禽養殖汙染和農村生活汙染，由於該地區土質疏鬆、降雨集中、農藥和化肥施用量大，水土流失夾帶的農業生產、農村生活和畜禽養殖等面源汙染物隨地表徑流進入河流及水庫，加劇水體汙染。按照不同作物面積、單只畜禽和農村個人C0D、NH3-N產生量統計，確定水源區面汙染源年COD發生量為2.2萬t, NH3-N發生量為0.4萬t。
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全國類似於丹江口水庫這樣重要的水源地有很多，但是這些水源地周邊的湖泊河流都面臨著農業面源汙染的威脅。可以說，如果沒有一整套切實可行的控制農業面源汙染的方法，我國多數水源地周邊的河流及湖泊水質將會逐漸惡化。

發明內容
為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種基於植物籬及多層滲濾塘的農業面源汙染控制系統與工藝，針對農業面源汙染，尤其是農業面源汙染中的氮磷汙染進行控制，防止農業面源汙染對河流湖泊造成危害。為了達到上述目的，本發明採用的具體技術方案為:—種基於植物籬及多層滲濾塘的農業面源汙染控制系統，包括:在坡地上沿開設的梯田邊緣種植的植物籬，用於防風固沙，防止水土流失；沿坡地下緣挖掘設置的植草溝，長度30±5米，寬度I米，高度I米，用於進一步沉澱泥沙並實現存水復用；在自然水體區域與植草溝之間，與植草溝平行設置的多層滲濾塘，用於吸附溢流出植草溝的水中的磷和氮；
在自然水體區域外圍，在淺層地表水匯聚通路上設置的反硝化牆，寬度為50±5cm，高度I米，用於將淺層地下水中的硝態氮反硝化為氮氣。所述植物籬中植物為紫穗槐和/或黃荊和/或紫花苜蓿。每一層梯田邊緣的植物籬為多排，排間距為lm，行間距為3(T70cm。所述植草溝中設置有水泵，用於在不降雨的時候將存水泵入坡地上緣。所述多層滲濾塘底部鋪有活性炭、生物炭、硅藻土或者高嶺土。所述多層滲濾塘最底部鋪設氮吸附材料層，氮吸附材料層之上鋪設磷吸附材料層，每層聞度40 60cm。所述反硝化牆主要由生物炭組成，所述生物炭是由秸杆在300°C，缺氧燃燒3個小時製備而得。本發明基於植物籬及多層滲濾塘的農業面源汙染控制工藝，包括:在坡地上沿開設的梯田邊緣種植植物籬，用於防風固沙，防止水土流失；沿坡地下緣挖掘設置植草溝，長度30±5米，寬度I米，高度I米，用於進一步沉澱泥沙並實現存水復用；在自然水體區域與植草溝之間，與植草溝平行設置多層滲濾塘，分為兩層，上層填有吸附磷的材料，下層填有去除氮的材料，每層高度4(T60cm，用於吸附溢流出植草溝的水中的憐和氣；在自然水體區域外圍，在淺層地表水匯聚通路上設置反硝化牆，反硝化牆主要組成是未完全碳化的生物炭，寬度為50±5cm，高度I米，用於將淺層地下水中的硝態氮反硝化為氮氣。本發明與現有農業面源汙染中總氮去除相比有以下顯著特點及優勢:(I)本發明充分利 用農村當地地形，充分利用農村現有的坑塘進行面源汙染控制。(2)本發明聯合了植物籬，植草溝，多層滲濾塘，反硝化牆技術，在最大程度上避免了面源汙染中的ss，C0D，氮磷對水體的汙染。(3)本發明創新性地應用了不完全碳化的生物炭進行反硝化，使得同樣一種物質，既能夠吸附氨氮，又能夠充當緩釋碳源進行反硝化。同時生產生物炭的原料就是植草溝中生長的植被，這樣既解決了生物炭的原料問題，也解決了這些植被的處理問題。(4)本發明將農業面源汙染產生的廢水在不同時期，進行不同的處理，這樣既能夠使得水資源充分利用，也能夠將因為降雨徑流而流失的氮磷等營養元素得到循環利用，節約資源，保護環境。綜上，本發明通過將植物籬，植草溝，多層滲濾塘，反硝化牆技術相組合，同時在實際應用過程中，對同樣一種面源汙染地表徑流在不同時期進行不同的處理，由於這部分水富含氮磷等營養物質，在旱季將這部分水回灌到坡地上遊，在雨季很大的時候，才將溢流的水進行後續的處理，這樣既能夠減輕處理的負荷，又能夠將營養物質，水資源循環利用。


附圖是本發明系統示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明做進一步詳細說明。實施例1:如圖1所示，一種基於植物籬I及多層滲濾塘3的農業面源汙染控制系統，在坡地上沿開設的梯田邊緣種植紫穗槐構成植物籬1，每一層梯田邊緣的植物籬I為多排，排間距為lm，行間距為3(T70cm，共有三層；沿坡地下緣挖掘設置植草溝2，植草溝2種植是當地的植被，植草溝2長30米、高I米左右、寬I米左右；在自然水體區域4與植草溝2之間，與植草溝2平行設置多層滲濾塘3，多層滲濾塘3第一層填料為活性炭，層高50cm，第二層填料是生物炭，層高50cm ;在自然水體區域4外圍，層寬I米；在淺層地表水5匯聚通路上設置反硝化牆6，牆寬50cm，牆高I米，主要由生物炭組成，生物炭是由秸杆在300°C，缺氧燃燒3個小時製備而得。降一場20mm的雨水，本實施例工藝可削減90%以上的SS進入水體，削減90%的總磷，削減85%的總氮。實施例2:如圖1所示，一種基於植物籬I及多層滲濾塘3的農業面源汙染控制系統，在坡地上沿開設的梯田邊緣種植黃荊構成植物籬1，每一層梯田邊緣的植物籬I為多排，排間距為lm，行間距為3(T70cm，共有三層；沿坡地下緣挖掘設置植草溝2，植草溝2種植是當地的植被，植草溝2長30米、高I米左右、寬I米左右；在自然水體區域4與植草溝2之間，與植草溝2平行設置多層滲濾塘3，多層滲濾塘3第一層填料為高嶺土，層高70cm，第二層填料是生物炭，層高70cm ;在自然水體區域4外圍，層寬1.2米，在淺層地表水5匯聚通路上設置反硝化牆6，牆寬60cm，牆高I米，主要由生物炭組成，生物炭是由秸杆在300°C，缺氧燃燒3個小時製備而得。降一場20mm的雨水，本實`施例工藝削減90%以上的SS進入水體，削減95%的總磷，削減90%的總氮。實施例3:如圖1所示，一種基於植物籬I及多層滲濾塘3的農業面源汙染控制系統，在坡地上沿開設的梯田邊緣種植紫花苜蓿構成植物籬1，每一層梯田邊緣的植物籬I為多排，排間距為lm，行間距為3(T70cm，共有三層；沿坡地下緣挖掘設置植草溝2，植草溝2種植是當地的植被，植草溝2長30米、高I米左右、寬I米左右；在自然水體區域4與植草溝2之間，與植草溝2平行設置多層滲濾塘3，多層滲濾塘3第一層填料為高嶺土，層高50cm，第二層填料是生物炭，層高50cm ;在自然水體區域4外圍，層寬80cm，在淺層地表水5匯聚通路上設置反硝化牆6，牆寬50cm，牆高I米，主要由生物炭組成，生物炭是由秸杆在300°C，缺氧燃燒3個小時製備而得。降一場20mm的雨水，本實施例工藝削減90%以上的SS進入水體，削減85%的總磷，削減75%的總氮。實施例4:如圖1所示，一種基於植物籬I及多層滲濾塘3的農業面源汙染控制系統，在坡地上沿開設的梯田邊緣混合種植紫穗槐/黃荊/紫花苜蓿構成植物籬I，每一層梯田邊緣的植物籬I為多排，排間距為lm，行間距為3(T70cm，共有三層；植物籬I起到的作用是防風固沙，防止水土流失，由於在農業面源汙染中，一旦形成降雨徑流，泥土中將會夾雜著大量的汙染物衝到河流，所以該工藝的第一道防護措施是利用植物籬I將絕大部分泥沙擋住，防止泥沙直接進入水體，同時使得泥沙上面附著的汙染物被截留。沿坡地下緣挖掘設置植草溝2，植草溝2種植是當地的植被，植草溝2長30米、高I米左右、寬I米左右，其中內置水泵；植草溝2的作用是進一步沉澱泥沙，同時過濾一部分C0D，將一些汙染物沉澱。當不下雨的時候，可以用泵將植草溝2的水抽到植物籬I以及坡地上，由於植草溝2中儲存的雨水衝刷過農業土地，所以富含氮磷等營養物質，所以這部分水可以循環利用，為坡地上的植物提供氮磷等營養元素，廢物利用。在自然水體區域4與植草溝2之間，與植草溝2平行設置多層滲濾塘3，多層滲濾塘3第一層填料為娃藻土,層高50cm,第二層填料是活性炭,層高50cm ;當降雨很大的時候，植草溝2不能夠受納所有地表徑流，溢流出來的雨水或者汙水將流入多層滲濾塘3。在坑塘下面第一層填入的是吸附磷的材料，再下一層是吸附氮的材料。這是由於磷酸根比氨氮或者硝態氮更容易被吸附，所以先吸附磷，再吸附氮。在自然水體區域4 外圍，在淺層地表水5匯聚通路上設置反硝化牆6，牆寬50cm，牆高I米，主要由生物炭組成，生物炭是由秸杆在300°C，缺氧燃燒3個小時製備而得。這樣製備生物炭的好處是，生物炭中既含有無機物質，又含有有機物質，無機成分能夠高效快速的吸附重金屬，有機汙染物，磷酸根，氨氮等，有機物質由於經過預處理之後，釋放碳的速率較慢，可以充當緩釋碳源，在土壤中微生物的利用下，將淺層地下水中的硝態氮反硝化為氮氣。反硝化牆6主要是針對逐漸下滲到地下的雨水，當這些雨水夾雜著汙染物進入淺層地表水5的時候，往往會對下遊的河流或者水庫造成一定的危害，這也是農業面源汙染中被人忽視的部分。降一場200mm的雨水，本實施例工藝削減80%以上的SS進入水體，削減80%的總磷，削減70%的總氮。
權利要求
1.一種基於植物籬及多層滲濾塘的農業面源汙染控制系統，其特徵在於，包括: 在坡地上沿開設的梯田邊緣種植的植物籬，用於防風固沙，防止水土流失； 沿坡地下緣挖掘設置的植草溝，長度30±5米，寬度I米，高度I米，用於進一步沉澱泥沙並實現存水復用； 在自然水體區域與植草溝之間，與植草溝平行設置的多層滲濾塘，用於吸附溢流出植草溝的水中的磷和氮； 在自然水體區域外圍，在淺層地表水匯聚通路上設置的反硝化牆，寬度為50±5cm，高度I米，用於將淺層地下水中的硝態氮反硝化為氮氣。
2.根據權利要求1所述基於植物籬及多層滲濾塘的農業面源汙染控制系統，其特徵在於，所述植物籬中植物為紫穗槐和/或黃荊和/或紫花苜蓿。
3.根據權利要求1或2所述基於植物籬及多層滲濾塘的農業面源汙染控制系統，其特徵在於，每一層梯田邊緣的植物籬為多排，排間距為lm，行間距為3(T70cm。
4.根據權利要求1所述基於植物籬及多層滲濾塘的農業面源汙染控制系統，其特徵在於，所述植草溝中設置有水泵，用於在不降雨的時候將存水泵入坡地上緣。
5.根據權利要求1所述基於植物籬及多層滲濾塘的農業面源汙染控制系統，其特徵在於，所述多層滲濾塘底部鋪有活性炭、生物炭、硅藻土或者高嶺土。
6.根據權利要求1所述基於植物籬及多層滲濾塘的農業面源汙染控制系統，其特徵在於，所述多層滲濾塘最底部鋪設氮吸附材料層，氮吸附材料層之上鋪設磷吸附材料層，每層高度40 60cm。
7.根據權利要求1所述基於植物籬及多層滲濾塘的農業面源汙染控制系統，其特徵在於，所述反硝化牆主要由生物炭組成，所述生物炭是由秸杆在300°C，缺氧燃燒3個小時製備而得。
8.一種基於植物籬及多層滲濾塘的農業面源汙染控制工藝，其特徵在於，包括: 在坡地上沿開設的梯田邊緣種植植物籬，用於防風固沙，防止水土流失； 沿坡地下緣挖掘設置植草溝，長度30 ±5米，寬度I米，高度I米，用於進一步沉澱泥沙並實現存水復用； 在自然水體區域與植草溝之間，與植草溝平行設置多層滲濾塘，分為兩層，上層填有吸附磷的材料，下層填有去除氮的材料，每層高度4(T60cm，用於吸附溢流出植草溝的水中的磷和氮； 在自然水體區域外圍，在淺層地表水匯聚通路上設置反硝化牆，寬度為50±5cm，高度I米，用於將淺層地下水中的硝態氮反硝化為氮氣。
9.根據權利要求8所述基於植物籬及多層滲濾塘的農業面源汙染控制工藝，其特徵在於，所述植物籬中植物為紫穗槐和/或黃荊和/或紫花苜蓿。
10.根據權利要求8所述基於植物籬及多層滲濾塘的農業面源汙染控制工藝，其特徵在於，所述反硝化牆主要由生物炭組成，所述生物炭是由秸杆在300°C，缺氧燃燒3個小時製備而得。
全文摘要
一種基於植物籬及多層滲濾塘的農業面源汙染控制系統，包括在坡地上沿開設的梯田邊緣種植的植物籬，用於防風固沙，防止水土流失；沿坡地下緣挖掘設置的植草溝，用於進一步沉澱泥沙並實現存水復用；在自然水體區域與植草溝之間，與植草溝平行設置的多層滲濾塘，用於吸附溢流出植草溝的水中的磷和氮；在自然水體區域外圍，在淺層地表水匯聚通路上設置的反硝化牆，用於將淺層地下水中的硝態氮反硝化為氮氣，本發明通過將植物籬，植草溝，多層滲濾塘，反硝化牆技術相組合，同時在實際應用過程中，對同樣一種面源汙染地表徑流在不同時期進行不同的處理，既能夠減輕處理的負荷，又能夠將營養物質，水資源循環利用。
文檔編號C02F9/14GK103073151SQ201310002728
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月5日 優先權日2013年1月5日
發明者左劍惡, 劉峰林, 楊波, 邢薇, 邢麗楠, 王佩 申請人:清華大學