基于点-线-面立体配置的面源污染控制技术

摘要

本发明涉及面源污染控制技术领域，具体讲是一种可将农村和农业面源污染物经过点-线-面立体技术配置和工艺处理后使其达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级B标准要求的组合新工艺。针对农村和农业面源时空范围广，不确定性大，成分、过程更复杂，难以控制的特点，氮磷流失的源-流-汇过程出发，同时考虑研究区地形，地貌特征，沿污染物迁移途径，依次布置基于点、线，面的脱氮去磷组合工艺流程和关键技术，其特征在于包括(1)点型配置(前置库处理)技术；(2)线型配置(基于水力格局优化的生态拦截)技术；(3)面型配置(深塘厌氧、浅塘曝氧组合)技术，在削减污染负荷的同时实现美化农户住宅区和农业区景观的目标。

说明书

技术领域

本专利涉及农业非点源污染处理技术领域，具体讲是一种可将农村和农业面源污染物经点-线-面立体配置组合技术处理后使其达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级B标准要求的新工艺。 

背景技术

随着经济社会的发展，农村环境形势较为严峻，农村面源污染成为影响水环境质量的主要污染源之一：农村和农业面源污染也已成为影响水体水质不可忽视的重要因素。我国针对面源污染控制的研究和实践相对国外较为滞后，总体进展缓慢，但近年来仍取得了较为可喜的成果。在以往研究过程中开发了多项具有自主知识产权的面源污染控制新技术，在农村固体废物无害化处理、精准化平衡施肥、村镇生活污水处理以及流域面源污染控制模拟等方面取得了突破性进展，在全国率先提出了流域面源污染控制综合管理体系。开发的河网区面源污染控制成套技术针对河网区面源污染进行研究，通过生物和生态组合技术处理农村生活污水，前置库、河网生态修复、河口污染控制技术研究和工程示范，提出河网区面源污染控制的系统技术方案，并建立代表性示范工程。研究中所形成的各项技术和整体技术方案具备技术经济可行性，为我国面源污染控制提供了技术支撑和示范样板。但是总体而言，我国在农村面源污染管理方面仍存在着巨大的挑战。目前中国的农村面源污染控制仍基本处于研究和规划阶段，有限范围内的一些试点主要侧重于从工程技术的角度分析面源污染的成因并实施相应的治理方案。针对农村非点源污染特点，目前采用的处理工艺主要有利用点源污染控制技术控制。由于非点源污染点难以判定、污染数量难以确定、污染排放主体与点源污染之间存在根本性区别即排放主体从有规模的法人、组织或团体转变为分散的群体(甚至可能为数以万计的自然人)等，结果是点源污染控制技术无法适应新的非点源污染特征，从而无法发挥其作用。旧农村乱搭建、乱堆放、乱倾倒的情况比较严重，仅仅依靠旧农村污水管网改造模式是无法有效改善农村“脏、乱、差”现象；同时旧农村污水管网改造建设成本很高，对于目前国家对农村改造资金存在分散利用、无法集中利用的形势下，造成其无法推广应用。农业非点源污染诸如化肥流失污染、农药污染、畜牧业污染等等是其主要组成部分，是非点源影响范围最广泛的污染。而中国的农业生产往往比较分散，并不像点源污染那样易于集中排放管理，因此对农业非点源来说最重要的问题就是如何控源，如何利用高效、低投入的污水处理技术，将污染物浓度控制在环境所能允许的范围之内。有效治理农业面源污染，不仅是个工程技术问题，更有体制和机制方面的研究课题。随着农业生产的发展和农村生活方式的改变，有关农业面源污染的研究还将是长期的、动态的。今后，我国亟需加大农村环境整治科研力度和农村环保科技投入，加强农村环保教育宣传，从技术和管理等多方面入手，为农村面源污染控制提供保障。在我国城市面源污染控制方面，目前的水环境管理主要集中于解决防洪、供水和景观的需求，仍停留在低层次的需求解决和 表面问题的应急处理。在城市总体规划中，需考虑城市水循环的区域性生态配置，以及水循环与各类生态服务功能的结合，对雨水和径流进行的生态设计和生态管理，控制城市面源污染，缔造生态城市。 

此专利是在“十一五”国家科技支撑计划项目“鄱阳湖生态保护与资源利用研究”之课题2“水污染控制及水质保护技术研究与示范”得到运用，通过连续一年的运行，结果表明此工艺对于农村和农业面源污染物去除效果明显。 

发明内容

1、发明目的 

本发明即是针对农村和农业面源污染突出的问题，提出了“点(前置库处理)-线(基于水力格局优化的生态拦截技术)-面(深塘厌氧、浅塘曝氧)”立体配置组合工艺。农村和农业生产废水经此工艺处理后出水可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级B标准。 

2、技术解决方案 

本专利采用了“点(前置库处理)-线(基于水力格局优化的生态拦截技术)-面(深塘厌氧、浅塘曝氧)”组合工艺模式。关键技术的解决方案为： 

(1)点(前置库处理)技术：在对研究区污染源解析的基础上，通过对农村生活污水和畜禽养殖废水的管道化收集，分别进入花坛式土壤渗滤池和沼气池进行资源化利用，出水再经管道导流后进行前置库处理区，并在前置库处理区进水端设置一道挡水墙，其上堆放大小不同的卵石格栅。同时在原有河道上设置一座截水坝，根据水位要求使河道上的截水坝高于挡水墙，使河水自流通过布有卵石格栅的挡水墙，先去除较大颗粒的固体漂浮物后流人前端的沉淀池，沉淀池中布有自然山石景观的调蓄池，污水经过循环沉淀、调蓄后进人农田区。 

(2)线(基于水力格局优化的生态拦截)技术：为实现对农田陆源污染物的生态拦截与定向消减，依据地形特征与农田作物覆盖状况，沿径流输移途径布置生态沟渠和生态护坡类型，建立菜园+水稻田以及菜园+养殖塘+水稻田的循环水流系统，构建多重组合生态截污单元，增加水体在陆域滞留时间，提高养分循环利用率以进行农田陆源污染物生态拦截与消减。 

(3)面(深塘厌氧、浅塘曝氧组合)技术：将最佳管理措施(BMPs)及BMPs中的草地、湖(河)岸缓冲带、暴雨蓄积池引入其中，形成农业面源污染消纳的多塘-湿地耦合系统生态处理模式，厌氧深塘一般在3.5米左右或更深。每单位水面每日接受的有机物(负荷率)受各地年平均温度影响变化较大。进入浅塘系统后设置表面曝气器的曝气氧化塘，池深4米左右或更深。负荷率和逗留时间的变化范围极为宽广，受温度和曝气两者影响。当全塘池水有氧时，其负荷率可高些，而逗留时间可缩短。处理后续水再进入兼性塘湿地生态系统，然后流出处理单元。 

3、技术效果 

本专利与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果： 

(1)从农村和农业生产过程中污染物产生的源-流-汇过程出发，在小流域面源污染控制的点(源区识别与消减)、线(田间小路，沟渠)和面(水陆交错区、多塘系统)进行污染物生态消纳控制技术的空间立体配置，既有效处理了面源污染，又具有较好的适用性。 

(2)点-线-面立体配置的面源污染控制系统能够适应农村面源不稳定性，径流量和污染物浓度随水文条件变化而波动的特点； 

(3)点-线-面立体配置的面源污染控制系统对各污染物COD、TP、TN、NH4-N、NO3-N和NO2-N的去除率均超过50％，对部分污染物NO2-N的去除率超过了80％； 

表1基于点-线-面立体配置的面源污染控制技术各处理单元污染物去除效果(％) 

(4)点-线-面立体配置的面源污染控制系统系统进水中TN和TP呈季节性波动，但是出水浓度仍保持相对稳定，基本上分别低于0.80mg/L和0.05mg/L，表明该人工湿地系统具有一定的抗冲击负荷能力。 

(5)点-线-面立体配置的面源污染控制系统具有投资少、效益好、抗面源负荷冲击强、运行管理简单、技术的一次性投资建设费用相对较低；运行费用也低，在消减湖滨农村面源污染负荷入湖上，有很好的应用前景。 

附图及附图的简单说明 

图1基于点-线-面立体配置的面源污染控制工艺流程图 

具体实施方式

(1)从点上进行污染源解析与资源化利用：①农村生活污水的控制：改变原洗涤废水随意排放的方式，构建花坛式土壤渗滤池，进行生活污水循环利用。②再将生活污水和养猪废水转换为沼气及肥料，池容积按每人口1～2m³设计，按《农村家用水压式沼气池标准图集》(GB/T4750-2002)施工。同时进行厕所改造，粪便直接排入沼气池里进行发酵，获得沼气作为家用燃气，另一方面沼液可用于农田作物的肥料。③前置库系统利用当地天然清水塘，通过天然沟渠将山上泉水引至清水塘，使得村民集中洗衣、洗菜，洗涤废水集中于塘中更容易收集处理。但它又区别于目前农村常见的水塘(大部分为死水)，与下部处理系统连接。 

(2)从线上进行污染物生态拦截与削减：①对农田区进行间作、套种和混播；改良轮作制度和草田轮作；少耕、免耕，收割留茬等水土保持技术具有保水、减少肥料流失、粮食增产等作用并可有效减少N、P以及泥沙污染。②截污(输导)：依据地形特征与农田作物覆盖状况，沿径流输移途径布置生态沟渠和生态 护坡类型，建立菜园+水稻田以及菜园+养殖塘+水稻田的循环水流系统，构建多重组合生态截污单元，增加水体在陆域滞留时间，提高养分循环利用率以进行农田陆源污染物生态拦截与消减，在这些沟渠中已存在天然的或后天形成的生态系统，既可以输导又可以截留废水中的污染物。 

(3)从面上开展污染物去除与生态消纳，研发农村面源污水处理的更为经济、环保、美观的处理技术和净化工艺。①植物缓冲带，建立不同类型的植物缓冲恢复样板带，恢复缓冲区景观和生态系统服务功能，增加湿地植被覆盖率，提高生物多样性，增强生态系统的生产力和自我维持能力。②“深水鱼塘-浅水塘-兼性塘”工艺处理地表径流，鱼塘在大部分地区都是引入净化后的水，而此处鱼塘却作为废水处理系统的一部分，将污染物变为鱼类的食料，最终将废物资源化。③“田间沟渠-鱼塘-人工湿地-兼性塘”组合工艺处理农业生产废水，形成农业面源污染消纳的多塘-湿地耦合系统生态处理模式。一方面处理后的水排入灌溉水渠，重新作为灌溉水。另一方面，浅水塘中种植芦苇、菖蒲、水芹、慈姑、茭白等经济作物，实现污染物的生态消纳处理。④运行：生物塘可种植水生作物(如水浮莲、菱角、莲藕等)或养殖鱼、鸭。这将促进物质的自然循环，有助于废水的处理，并可补偿一些处理费用。生物塘出水可用于农田灌溉，且因具有一定的调蓄作用，生物塘常为所采用。良好的生物塘出水也可直接排放天然水体，排放的时机应配合水体的水文条件，利用田间沟渠既可以输导又可以截留废水中的污染物，提高了总体处理效果。鱼塘不再是被动的接受净化后的水，而是成为净化修复系统的一部分，将污染物变为鱼类的食料；多塘处理系统不再是仅仅作为废水处理的一部分，而是通过种植经济作物将废物资源化。