一种适用于农村雨污混合污水处理的生态滞留沟渠系统

摘要

本发明公开了一种适用于农村雨污混合污水处理的生态滞留沟渠系统，包括缓冲段、截污段以及强化区，缓冲段包括第一沟渠以及设置在第一沟渠中的V形挡板，第一沟渠分为第一段和至少一个第二段，在第一段沟底的前部铺设有粒径为3-8cm大砾石，在第一段沟底的后部和第二段沟底的前部铺设有粒径为1-3cm的中砾石，在第二段沟底的后部铺设有0.2-1cm的小砾石；截污段包括第二沟渠以及设置在第二沟渠内的涵洞，在第二沟渠的沟底铺设有两层砾石；强化区包括一蓄水池，该蓄水池从下至上依次为粗砾石层、细砾石层以及土壤层，本发明彻底解决环境卫生状况，既保证污染物去除效率，同时也要防止和解决渠道长期运行发生冲刷和堵塞的问题，使系统具有较好的排水去污能力。

说明书

技术领域

本发明涉及雨污处理技术领域，具体是一种雨污混合污水处理的生态滞留渠沟改进。 

背景技术

沟渠作为农田的毛细管，也是农田与水体之间的一个过渡带，已成为新农村建设的重点任务，目前农田沟渠基本都是土沟形式，多因冲刷的泥土和枯萎的植物堆积而淤塞，人们的普遍观念就是将沟渠建造成硬质驳岸形式（水泥浆砌石块）。虽然这种做法有其整洁性和便于清理的特点，但是乡村沟渠排水量较少、流速缓，在硬质水陆交界面常常造成藻类过度繁殖、蚊虫滋生、臭气熏天，完全忽视了对自然环境的影响，也没能充分发挥沟渠的自净功能，寻求一种整洁美观，又能充分发挥沟渠自净功能从而降解污染物的生态沟渠，是解决农田径流面源污染，创造良好的农田生活环境的关键。 

生态沟渠的发明和构建可以很好的解决人、地、自然环境三者之间的矛盾，但由于农业径流面源污染区域的差异性和地区经济发展水平的不同，很难将生态沟渠的发明做到适应不同农业耕作区。ZL201220093602.2公开了一种原位处理农村生活污水的梯级生态滞留沟渠，其将农村生活污水集收集和处理于一体，生活污水依次经过化粪池、格栅后经过梯级生态滞留沟渠系统净化处理后可排放或回用，梯级生态滞留沟渠系统主要包括防渗层、填料、植物和复合生态基，沟渠充分利用碎石填料、复合生态基、水生植物及微生物的综合作用，强化农村生活污水的生态净化过程，达到有效去除水中污染物的目的。CN202610035U公开了一种氮磷拦截治理农业污染的生态沟渠，其包括生态沟渠、竹制浮床和渔网层。竹制浮床为毛竹编织成的网口状结构，渔网层位于竹制浮床下方。其以水生植物的种植为核心，构建生态沟渠，从而有效处理农业非点污染源，进而达到净化水质的效果。这些发明虽在一定程度上能达到水质净化的目的，但其不能很好的结合农村现有的土地现状（居住密集度相对较低，产污量少）、径流量（雨日和非雨日径流量波动较大）等合理调整规模，生活污水往往在前60米左右就因下渗和蒸发而断流，具体运行可行性不高，也不利于沟渠原貌修复和重建，运行和管理成本较高。 

我国大部分地区9月至次年5月月降雨量在60mm以下，期间降雨强度用降雨等级来进行划分基本都属于小到中雨，农田处于空闲和小麦生长期，沟渠保持干湿交替输水状态（下雨期间输水），沟渠内部储水深度小于0.3米，流速小于6.8cm/s。此外在6月至8月，我国大部分地区（中东部地区较显著）月降雨量基本都在60-300mm范围内，期间降雨强度用降雨等级来进行划分基本都属于中雨以上，大到暴雨居多。农田处于水稻生长期，沟渠保持满水状态，常规0.5米深的沟渠储水深度为0.2-0.4米，除大降雨及灌溉期间（排水泄洪5-10天/月）流速变化幅度很大，其他时间沟渠内部水流表观上基本处于静止状态。 

农村生活污水主要产生于居民生活过程中粪便及其冲洗水、洗浴污水和厨房污水等。在新农村建设中，农村生活污水主要通过小规模的无/微动力处理站或湿地处理，但往往因入户改造难、进水水量小、运行费用高等因素停止运行或仅仅只是面子工程。农村污水单独处理难，归纳起来主要有以下几个原因：(1)污水成分日益复杂，各种污染成分浓度较低，波动性很大，难以正确评估生活污水的污染负荷及其昼夜、季节性变化；(2)人口少，用水量标准较低，污水处理规模小，造成工程建设费及运行费用过高；(3)污水处理工艺与技术的选择，受到当地社会、经济发展水平的制约和地方保护主义或其他人文因素的抵制；(4)当地自然与生态条件(气温、降水、风向和土壤等)对所选择的处理工艺与处理技术有负面影响，使其不能正常发挥效力；(5)维护管理技术人员及运行管理经验严重缺乏。 

申请人在宜兴市高塍镇塍西村、梅家渎村，大塍镇茭渎村、苏阳村，大浦镇浦北村，无锡市漕桥镇陈家塘村等几十个村通过9个月的调查研究发现，现有的农村多以3到8户为一个聚集点，周围环绕农田，分布在网状结构的水系空隙中，98%以上的分散农户居民生活污水未接管，而是直接阴沟排放或通过化粪池后再排放，沿河居住农户大多直接排放入河。而农村雨水则并未统一收集处理，除蓄水塘，也未设置任何其他雨水回用设施。非降雨期间，雨污合流沟渠进水量较少，且以生活污水为主，有机物浓度较高，总氮（TN）进水浓度基本在7-20mg/L范围内，总磷（TP）进水浓度基本在2-4mg/L范围内，而降雨日，因雨量而进水量波动较大，由于径流雨水的汇入，颗粒态物质浓度增加，其他污染物浓度因稀释而降低，TN进水浓度基本在3-10mg/L范围内，TP进水浓度基本在0.8-3mg/L范围内。 在农村实施雨污合流体系，既能充分利用农村现有的沟渠闲置土地，又能对雨污水进行有效的处理，是农村水环境建设中即经济又合理的方案。综上所述，利用滞留沟渠系统，在沟渠原位基础上充分发挥其自净功能，综合处理农村雨污合流水体，将在农村水环境治理、出水回用等技术方面发挥重要的作用。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种结合农村雨污特点，在现有沟渠的基础上进行改进从而对雨污同时进行净化处理的生态滞留沟渠系统。 

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是： 

一种适用于农村雨污混合污水处理的生态滞留沟渠系统，其特征在于：包括缓冲段、截污段以及强化区， 

所述的缓冲段包括第一沟渠以及设置在第一沟渠中的V形挡板，所述V形挡板的两边与第一沟渠的沟壁连接，在V形挡板的中间形成水流通道，所述第一沟渠分为第一段和至少一个第二段，在所述第一沟渠的沟壁上设置有土工格栅和土工布，在第一段沟底的前部铺设有粒径为3-8cm大砾石，在第一段沟底的后部铺设有粒径为1-3cm的中砾石，在第二段沟底的前部铺设有1-3cm的中砾石，在第二段沟底的后部铺设有0.2-1cm的小砾石； 

所述的截污段包括第二沟渠以及设置在第二沟渠内的涵洞，所述的第二沟渠与第一沟渠相连，在第二沟渠的沟壁上也设置有土工格栅和土工布，在第二沟渠的沟底铺设有两层砾石，其中底层的厚度为10-20cm，上层的厚度为10-20cm，底层为粒径0.4-0.8cm的细砾石，上层为粒径1.6-3.2cm的粗砾石； 

所述强化区包括一蓄水池，所述的第二沟渠连接至该蓄水池，该蓄水池从下至上依次为粗砾石层、细砾石层以及土壤层其中，粗砾石层砾石粒径为1.6-3.2cm，粗砾石层厚度为20-40cm；细砾石层砾石粒径为0.4-0.8cm，细砾石层厚度为20-40cm；土壤层厚度为0-15cm，在所述的粗砾石层内设置有穿孔出水管，在蓄水池的上端设置有溢流槽，在蓄水池底部和细砾石层上部设置有土工布。 

所述V形挡板的间距为1-5米，V形挡板的两支上顶面宽度均为10-20cm，V形挡板上端低于田埂0.15-0.2米。 

所述涵洞的间距为30-50米。 

所述缓冲段的长度为20-200米，所述的截污段长度为100-500米，所述蓄水池直径为5-20米，第一沟渠的上顶宽为1-5米，第二沟渠的上顶宽为1-5米。 

所述缓冲段的长度为20-40米，所述的截污段长度为100-180米，所述蓄水池直径为5-8米，第一沟渠的上顶宽为1-1.5米，第二沟渠的上顶宽为1-1.5米。 

所述缓冲段的长度为40-100米，所述的截污段长度为180-300米，所述蓄水池直径为8-15米，第一沟渠的上顶宽为1.2-2.5米，第二沟渠的上顶宽为1.2-2.5米。 

所述缓冲段的长度为100-200米，所述的截污段长度为300-500米，所述蓄水池直径为15-20米，第一沟渠的上顶宽为2.5-5米，第二沟渠的上顶宽为2.5-5米。 

本发明生态滞留系统以廉价、取材方便的砾石为截留过滤介质，由土工格栅、土工布和挡板等辅助材料结合构成。砾石填料具有较大的比表面积，对污染物的吸附性能较好，同时，随着系统的运行，砾石填料表面富集微生物形成生物膜，可有效提高污染物的去除率。缓冲段的V形挡板形成跌落曝氧，使水流在跌落过程中与空气接触充氧，强化微生物去除污染物的效能。植物根系从水流中吸取营养物质加以吸收和利用，降低N、P浓度，植物通过光合作用和茎秆的运输，将氧输送至根部，在根部周围形成好氧区，在根部较少或达不到的地方和砾石底层形成兼性厌氧和厌氧区，有利于硝化和反硝化的进行，从而达到脱氮除磷的目的。其在农田沟渠原位的基础上，发挥了沟渠排灌水和湿地的双重功效，对农业径流面源污染中的氮、磷等物质进行拦截、吸附、沉积、转化及吸收利用，从而对农田流失的养分进行有效拦截，达到控制养分流失，实现养分再利用，减轻水体污染的目的。 

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是： 

（1）针对农村径流雨水水质、水量波动皆较大的特征，设计一种适应这种波动特征的滞留系统，其不仅满足了防冲刷的要求，也达到了脱氮除磷的效果。 

（2）沟渠系统独特的结构铺设方式和材料增加了系统微生物量，尤其是硝化和反硝化菌群的滋生量，使得脱氮效果更加明显。 

（3）本发明将村庄排水渠（尤其是农田沟渠通往河流水体的过渡段）改造为生态滞留系统，彻底解决环境卫生状况，既保证污染物去除效率，同时也要防 止和解决渠道长期运行发生冲刷和堵塞的问题，使系统具有较好的排水去污能力。 

（4）本发明根据农田面积及周边住户的多少，合理配置生态系统中缓冲段、截污段以及强化区的长度及大小，从而在最小造价下达到最优化的沟渠系统利用率。 

附图说明

图1是本发明滞留系统流程图； 

图2是本发明缓冲段示意图； 

图3是缓冲段第一沟渠结构示意图； 

图4是图2的剖面图； 

图5是截污段示意图； 

图6是图5的剖面图； 

图7是强化区示意图； 

图8是生态滞留系统结构布置图； 

图9是TN进出水浓度随时间的变化规律曲线图； 

图10本发明对TN的去除率曲线图； 

图11TP进出水浓度随时间的变化规律曲线图； 

图12本发明对TP的去除率曲线图； 

图13砾石表面SEM图像，其中：a为无附作物的表面（空白对照）,2000×;b为具有附着物的表面,2000×； 

图14是土工格栅SEM图像，其中：a、土工格栅（空白对照）1000×；b、土工格栅（试验）1000×、c、土工格栅附着物165×；d、土工格栅附着物582×； 

其中：1、大砾石，2、中砾石，3、小砾石，4、V形挡板，5、沟埂，6、沟壁，7、沟底，8、砾石，9、土工格栅，10、土工布，11、涵洞，12、粗砾石层，13、细砾石层，14、植物，15、土壤层，16、穿孔出水管，17、出水管，18、溢流槽，19、居民，20、农田，21、沟渠，22、蓄水池，23、河流。 

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明： 

结合上述我国现有的沟渠输水特征，将传统的土质沟渠改造成生态滞留系统（流程图见图1）包括缓冲段、截污段以及强化区。其中缓冲段（如图2、图3及图4）包括第一沟渠及间隔设置在第一沟渠内的V形挡板，在第一沟渠内填充或加固不同粒径砾石、挡板、土工格栅、土工布等材料。前端以大粒径（粒径3-8cm）砾石为主，减缓水流的同时，能截留较大的径流物，如垃圾、树叶、草根等；中部中等粒径（粒径1-3cm）砾石，减缓水流的同时，截留径流冲刷的颗粒；后端小粒径（粒径0.2-1cm）砾石，长时间水量充足，为该区动植物生长提供载体，减缓水流的同时，截留径流污染物。此期间滞留沟渠内部水流借助挡板不断更换流线，反复膨胀收缩，与空气接触充氧。此外，在坡度较大的区段，挡板还充当堰的方式实现跌水充氧，而在砾石介质底层淹没区形成缺氧区。 

截污段（如图5和图6）以粗细砾石、土工格栅、土工布为材料，土工格栅和土工布沿渠壁铺设固定，粗细砾石分层铺设于渠底。细砾石（粒径0.4-0.8cm）具有较大的比表面积，铺设于渠底下层，富集以厌氧微生物为主；粗砾石（粒径1.6-3.2cm）具有较大的空隙率，铺设于渠底上层，富集以好氧微生物为主。土工格栅的设置既能达到护坡的目的，也能保证渠壁植物的正常生长。土工格栅及粗细砾石表面经过一个月的培养，表面生成附着物（见电镜扫描图12、图13），附着物具有极大的比表面积，表面生长生物膜，外层好氧，内层缺氧，通过微生物降解作用，结合动植物吸收、物理沉降等达到污染物去除的目的。截污段涵洞的设置是充分考虑现有农耕跨行的需要，在一定程度上也起到减缓水流，增加水力停留时间的作用。 

强化区（如图7）由垂直渗流层、穿孔出水管、溢流导流槽组成，其中垂直渗流层包括粗砾石层(粒径1.6-3.2cm，厚度20-40cm)、细砾石层(粒径0.4-0.8cm，厚度20-40cm)以及土壤层(厚度0-15cm)。强化区的设置，一方面可使系统在长时间内保持一定水位，增加系统的水力停留时间（宜兴市百纳集团生态实验区滞留沟渠示范工程的研究表明：非降雨期间，滞留沟渠系统水力停留时间约为2到5天，而降雨期间，其水力停留时间也基本大于4小时），可保证沟渠持续降解有机物；此外，在长时间干旱时节，还可起到抽水回灌的目的。 

本发明生态系统的具体施工方法如下： 

1、一般稻麦轮作农田沟渠近似呈梯形，上顶宽约1-1.3米，底宽约0.3-0.45米. 深0.4-0.5米，此滞留渠是在沟渠原位的基础上，向下开挖0.2米将原沟渠部分底泥置换成砾石铺设，在砾石迎水和中断一面设置网兜，将砾石包裹，防止冲刷流失。 

2、随农田沟渠的长度可灵活重复增设截污段直至进入河流或水塘。 

3、缓冲段V形挡板上宽为沟渠宽的0.2倍，低于田埂0.15-0.2米，每隔1米布置一个，实现跌落充氧。其在达到改变水流流线的基础上，保证沟渠土壁不被冲刷，且有利于水流条件下动物的逃生避害。 

4、缓冲段小砾石段选择0.2-1cm的砾石至于表层，用于阻止水流携带走较小粒径砾石。 

5、土工格栅和土工布应固定在渠壁，防止移动，同时防止底泥浸出。 

表1滞留系统适用规模 

申请人建立了一座生态滞留系统作为示范，并同时取其临近一条土质沟渠作为试验对比。滞留系统总长200米，其中缓冲段长40米，截污段长150米，上顶宽1.1-1.3米，底宽0.3-0.4米，强化区呈圆形，直径为10米，出水汇入百纳河。经过一个多月的过度，污染物去除率达到在65%-88%，能实现出水达到湖泊水Ⅳ类水排放标准。 

试验监测结果分析如下： 

试验期间农田经历了水稻播种并第一次施肥（施基肥）、第二次施肥（施分孽肥），连续70天，每天对两沟渠进出水进行取样监测，每次取样1L。 

表2期间降雨及沟渠灌溉情况见下表： 

时间 降雨量 降雨强度 灌溉 时间 降雨量 降雨强度 灌溉 6-7 （m9m8/.122h） （m19m./h4）   7-3 （mm/12h （mm/h） I 6-8 28.8 5.9   7-5 68 20.9   6-9     I 7-6 18.8 7.9   6-10     I 7-16     I 6-18     I 7-17     I 6-23 22 22   7-20 6.3 3.1   6-24 4.6 4.1   7-21 43.2 25.2   6-25 12.4 3.3   7-27     I 6-27 11.3 4.1   7-28     I 6-30 2.4 2.4   7-31 13.1 7   7-2     I 8-8     I

（“I”灌溉） 

监测结果如图9-12 

由图9-12可知，总氮总磷进出水质量浓度随降雨量和施肥间隔时间波动较大。图9和图11显示：与传统土质沟渠相比，生态滞留系统出水水质随降雨波动的幅度要缓和，表明生态滞留系统抗冲刷能力强于传统土质沟渠。6月9日、7月15日前后施肥期间，沟渠氮磷进水浓度达到最高（总氮5.22mg/L，总磷1.22mg/L），随着时间间隔的增加，氮磷进水浓度总体上呈下降趋势。 

图10和图12显示：生态滞留系统对总氮、总磷的去除水平皆高于传统土质沟渠。6月7日至7月中旬，沟渠内生物群落相对贫乏，氮磷去除率相对较低，7月下旬开始，生态滞留系统由于内部填料表面生物膜的生长，加之渠壁植物丰富度、密集度的增加，去除率明显升高。经历45天的过度，7月下旬至8月15日，生态滞留系统对总氮的平均去除率为46.1%（最高达63.8%），对总磷的平均去除率为50.1%（最高达67.4%），而传统土质沟渠对总氮的平均去除率仅为6.6%（最高达15.5%）。对总磷的平均去除率为15.9%（最高达31.9%）。生态滞留系统总氮出水浓度在1.43mg/L左右，总磷出水浓度在0.23mg/L,正常运行状态下出水基本达到地表水III类到IV类水排放标准。 

对生态滞留系统内部填料进行电镜扫描分析如下： 

电镜样品制备方法：①固定，于填料（≤1cm²）样品内加入戊二醛固定,4℃放置过夜；②冲洗，用磷酸缓冲液（pH7.2）漂洗样品3次，每次15min；③脱水，分别用浓度50％，70％，80％，90％乙醇进行脱水，每次10—15min；100％的乙醇脱水3次，每次10—15min；④置换，100％乙醇：乙酸异戊酯=1：1，纯乙酸异戊酯各一次，每次15min；⑤用HCP-2(HITACHI)型临界点干燥仪对样品进行干燥；⑥粘样，将样品观察面向上粘贴在扫描电镜样品台上；⑦镀膜，用IB-5(Giko)型离子溅射镀膜仪在样品表面镀上一层1500nm厚的金属膜(金或铂膜)；⑧将处理好的样品放入样品盒中待检. 

扫描电镜型号：EVO18  地点：中国科学院南京地理与湖泊研究所 

电镜扫描结果分析： 

图13的a,b为砾石表层电镜扫描的图片，图中a显示的未放进沟渠系统的砾石表面凸凹不平，有大小不一的孔，孔密度约为1.2万个/mm²，有利于水绵等附着物的着生和固定，从而为微生物生长提供载体。图中b显示：经过一段时间的运行，系统内部砾石表面着生的附着物结构致密，比表面积大，附着物内层不能与流动水体直接接触，氧气缺乏，为厌氧微生物生长提供了稳定空间；而附着物外表层与水流交换频繁，充氧充分，为好氧微生物提供了生长、栖息和繁衍的空间。 

图14的a,b为土工格栅电镜扫描的图片，未放进沟渠系统的土工格栅（图14中a）表面干净、光滑，几乎无任何着生物；而系统运行一段时间后，土工格栅（图14中b）空隙着生出生物膜，膜较厚，且生长良好，膜外层好氧，内层缺氧，为硝化细菌和反硝化细菌的生长提供良好的生存空间，是系统硝化和反硝化脱氮的基础。 

图14的c,d为土工格栅附着物扫描电镜图片，表观上附着物为水绵(属绿藻门、接合藻纲、双星藻目、双星藻科、水绵属植物），图14中c可以看出水绵成带状缠绕，比表面积大，起骨架作用，能为微生物生长提供载体。图14中d可测得水绵宽约为237μm，厚约为9μm，表面小孔约5万个/mm²,表面生物膜生长良好。 

综上所述，砾石和土工格栅独特的结构，不仅起骨架作用，使系统具有较强的抗冲击能力，还为微生物提供良好的生长环境，从而利于生物降解作用，是沟渠系统维持较好的污染物去除效果和脱氮效果的基础。该系统兼具了活性污泥和生物膜的优点，克服了传统土质沟渠和混凝土硬质沟渠的缺点，与传统土质沟渠 相比，应更耐受冲击负荷，而与混凝土硬质沟渠相比，系统微生物的多样性、丰富度大为增加，出水水质更优良。 

沟渠植物： 

沟渠在一年中表现出不同的水位特征，秋冬春三季沟渠处于干湿交替状态，沟渠水位最高不超过30cm，且高水位持续时间较短，而在夏季，沟渠满水状态，可根据沟渠湿水特征和季节变更，在沟渠植物自然演替的基础上，人工辅助性的种植其他湿地植物、经济作物和景观植物。可供选择的经济作物有空心菜、芋头、水芹、茭白等，其他植物包括狗牙根、黑麦草、水蓼根、菹草、马来眼子菜、金鱼藻、美人蕉等。 

为了不影响暴雨期间沟渠的正常输水且保证植物生长成活，茭白和美人蕉等大型植物尽量种植在沟渠上游和断面较宽的区域。 

沟渠的管养： 

沟渠植物要定期收割、处置、利用。 

减少沟渠田埂植物受人类活动、沟渠水流、沟渠开挖等的影响，保护生态多样性。 

及时清淤，保证沟渠的容量和植物的正常生长。但不要清理彻底，要保留部分植物和淤泥，砾石段堵塞时，也要及时清淤。 

长时间运行，自然或人为原因难免会使少量表层砾石移位，要定期检查修复。