一种利用坡岸治理农业径流污染的方法及治理径流污染的复合系统

摘要

本发明公开了一种利用坡岸治理农业径流污染的方法及治理径流污染的复合系统，在农业径流汇水沟渠下端顺着坡岸自上而下构建多级渗滤床，所述渗滤床由位于上部的水生植物和位于下部的填料构成，在每级渗滤床前面设沉砂缓冲池以沉积泥砂，径流经沉砂处理后再进入渗滤床进行渗滤处理，经过多级“沉砂-渗滤”系统处理的径流最后通过系统尾部的出水区排入土壤或水体中。本发明充分利用现有坡岸，减缓水流冲击能力，均化进水水质，提高径流污染物的净化效果。除具有构筑简单、操作管理方便、费用少等传统优点外，本发明还具有无能耗、不易堵塞、投资少、运行管理方便和抗冲击负荷能力强的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及径流污染处理技术，具体指一种利用坡岸治理农业径流污染的方法及基于该方法设计的治理径流污染的复合系统，属于市政环保及农业工程领域。

背景技术

径流污染指在降雨径流的淋溶和冲刷作用下，大气、地面和土壤中的污染物扩散性地进入地表水和地下水中而造成水环境污染，主要起源于农业生产过程中大量使用化肥和农药，土壤侵蚀，牲畜粪便，城市地表径流以及森林采伐活动。降雨径流污染物包括：农业径流中的化肥、杀虫剂、除草剂等；城市地表径流石油类、有毒化学物质；建筑用地、农用地的水土颗粒物；废弃尾矿的盐类、酸性物质以及来自畜禽污染的细菌、氮磷等。

渗滤系统是一种在人工湿地和生物滤槽的基础上衍生出来的径流污染治理的新技术，其研究和应用近年来在国内外日益受到重视，其突出特点是操作管理方便，无能耗，费用低，且净化效果较好。

传统的渗滤系统自诞生以来，一直存在以下不足之处：①水力负荷低：在高水力负荷下，渗滤系统对污染物的去除效果十分有限，一般而言为达到较好的处理效果，应保持较低的水力负荷。而在降雨或农田灌溉中，径流污染往往水质水量变化较大，致使水力负荷高低起伏，限制了该工艺的发展和应用。②流态单一：目前大部分渗滤系统均采用单一流态，如水平流或垂直流等，但径流污染多发生在山地和丘陵地形中，污染大多沿坡地顺势而下，流态既不是水平流也非垂直流。忽略径流污染流态特征来衡量渗滤系统控制径流污染效果的方法是不充分的。③易堵塞：由于渗滤系统中装填了大量填料，在拦截颗粒污染物、为微生物提供生长载体的同时，填料的空隙不断被颗粒物堵塞。大量研究结果发现，在运行初期渗滤系统的处理效果往往较高，而随着处理时间的增长，处理效果逐渐下降。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种水力负荷高、抗冲击负荷能力强、无能耗、不易堵塞的利用坡岸治理农业径流污染的方法。

本发明的技术方案是这样实现的：一种利用坡岸治理农业径流污染的方法，在农业径流汇水沟渠下端顺着坡岸自上而下构建多级渗滤床，所述渗滤床由位于上部的水生植物和位于下部的填料构成，所述填料由上层填料和下层填料构成，水生植物栽种在上层填料上；在每级渗滤床前面设沉砂缓冲池以沉积泥砂，径流经沉砂处理后再进入渗滤床进行渗滤处理，沉砂缓冲池和渗滤床构成一级“沉砂-渗滤”系统，经过多级“沉砂-渗滤”系统处理的径流最后通过系统尾部的出水区排入土壤或水体中。

本方法每级沉砂缓冲池长0.5~1.0m，宽0.8~1.0m，高0.8~1.4m；渗滤床长1.5~2.0m，宽0.8~1.0m，高0.5~1.0m；出水区长0.5~1.0m，宽0.8~1.0m，高0.5~1.0m；采取间歇运行方式，运行湿干比为8~12h：12~24h，进水流量为0.20m³/h~1.0 m³/h。

本发明还根据上述方法设计了一种治理农业径流污染的多级坡岸“沉砂-渗滤”复合系统，它包括渗滤床和出水区，所述渗滤床由顺着坡岸自上而下的多级渗滤床构成，出水区位于最下一级渗滤床之后，在每级渗滤床前面设有沉砂缓冲池，渗滤床和相邻沉砂缓冲池之间以及最下一级渗滤床和出水区之间均设有隔墙，在隔墙上设有过水孔；在出水区底部设有排水管。

进一步地，所述沉砂缓冲池由连为一体的位于上部的沉砂区和位于下部的沉砂斗构成，沉砂斗底部设有排砂管，隔墙上的过水孔位于沉砂区上；所述沉砂缓冲池总高度为0.8~1.4m，其中沉砂区高度为0.5~1.0m，沉砂斗高度为0.3~0.4m。

更进一步地，所述渗滤床由位于上部的水生植物和位于下部的填料构成，所述填料由上层填料和下层填料构成，水生植物栽种在上层填料上；上层填料为砾石且粒径为5~10mm，上层填料高度为0.05~0.1m，下层填料高度为0.4~0.9m。

所述下层填料为粒径40~60mm的废砖、粒径20~40mm的卵石或者粒径5~10mm的碎石中的任意一种，或者任意两种或三种任意比例的混合物。

所述水生植物为空心菜或美人蕉，植物栽种密度为10~20株/m²。

除具有普通渗滤系统的构筑简单、操作管理方便、费用少等传统优点外，相比现有技术，本发明还具有以下优点：

(1) 复合系统具有无能耗、不易堵塞的优点。

由于复合系统沿坡岸修建，通过利用坡岸原有坡度，径流污染靠重力流的方式进入系统处理后排放，系统阻力小，不需采用推流、搅拌等设备，无能耗。该系统采用沉砂缓冲池和渗滤床结合的方式，农业径流中颗粒性污染物先经沉砂缓冲池沉砂后进入渗滤床处理，减少了进入渗滤床的颗粒性物质，使渗滤床不易堵塞。

(2) 投资少、运行管理方便。

该系统的附加投资仅限于渗滤床填料系统和植物系统，而系统中的填料和植物均为当地易见，方便就近取材，且不会威胁当地生态系统。系统中的废砖填料不仅具有较强的氮磷吸附能力，其表面多孔隙的特性有利于微生物的附着生长，利于提高湿地系统的污染物去除能力，还可以变废为宝。系统中的空心菜和美人蕉除具有较好的除污效果，还具有一定的经济价值和景观价值。该系统在运行过程中也无需较高的管理水平，具有较为稳定的运行状态，是一项管理运行方便的技术。

(3) 抗冲击负荷能力强。

复合系统中的沉砂缓冲池对进入复合系统的农业径流起到沉砂、消能蓄水和均匀配水的作用。渗滤床采用坡向设计，不破坏原有农业径流形成和流动方向，减缓对系统的冲击作用。渗滤床下层填料粒径第一级最大、最后一级最小的设计也进一步减缓农业径流的水力负荷和污染物负荷冲击。

本复合系统充分利用现有坡岸，减缓水流冲击能力，均化进水水质，提高径流污染物的净化效果。

附图说明

图1-本发明的平面示意图(以三级为例)。

图2-图1俯向结构示意图。

图3-图1A-A剖面图。

图中：1-沉砂区，2-沉砂斗，3-上层填料，4-下层填料，5-渗滤床，6-沉砂缓冲池，7-过水孔，8-水生植物，9-隔墙，10-出水区，11-排水管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明利用坡岸治理农业径流污染的方法，在农业径流汇水沟渠下端顺着坡岸自上而下构建多级渗滤床，所述渗滤床由位于上部的水生植物和位于下部的填料构成，所述填料由上层填料和下层填料构成，水生植物栽种在上层填料上；在每级渗滤床前面设沉砂缓冲池以沉积泥砂，径流经沉砂处理后再进入渗滤床进行渗滤处理，沉砂缓冲池和渗滤床构成一级“沉砂-渗滤”系统，经过多级“沉砂-渗滤”系统处理的径流最后通过系统尾部的出水区排入土壤或水体中。

为了达到较好的治理效果，本发明每级沉砂缓冲池长0.5~1.0m，宽0.8~1.0m，高0.8~1.4m；渗滤床长1.5~2.0m，宽0.8~1.0m，高0.5~1.0m；出水区长0.5~1.0m，宽0.8~1.0m，高0.5~1.0m；且采取间歇运行方式，运行湿干比为8~12h：12~24h，进水流量为0.20m³/h~1.0 m³/h。

参见图1、图2和图3，从图上可以看出，本发明治理农业径流污染的多级坡岸“沉砂-渗滤”复合系统，它包括渗滤床5和出水区10，所述渗滤床5由顺着坡岸自上而下的多级渗滤床构成，出水区10位于最下一级渗滤床5之后，在每级渗滤床5前面设有沉砂缓冲池6，渗滤床5和相邻的沉砂缓冲池6之间以及最下一级渗滤床5和出水区10之间均设有隔墙9，在隔墙9上设有过水孔7，见图3。在出水区10底部设有排水管11以将处理后的径流从本系统排掉。

所述沉砂缓冲池6由连为一体的位于上部的沉砂区1和位于下部的沉砂斗2构成，沉砂斗底部可设排砂管进行排砂或者由人为定期排砂，隔墙上的过水孔7位于沉砂区所在高度上。所述沉砂缓冲池6总高度为0.8~1.4m，其中沉砂区1高度为0.5~1.0m，沉砂斗2高度为0.3~0.4m。

所述渗滤床5由位于上部的水生植物8和位于下部的填料构成，所述填料由上层填料3和下层填料4构成，水生植物8栽种在上层填料3上。上层填料3为砾石且粒径为5~10mm，上层填料3高度为0.05~0.1m，下层填料4高度为0.4~0.9m。

所述下层填料4为粒径40~60mm的废砖、粒径20~40mm的卵石或者粒径5~10mm的碎石三者之一，或者三者中任意两种或三种任意比例的混合。

所述水生植物8选用有较高污染物富集性能兼有经济价值和景观价值的空心菜或美人蕉。植物栽种密度控制在10~20株/m²。

本系统主要技术参数：

沉砂缓冲池长0.5~1.0m，宽0.8~1.0m，总高0.8~1.4m，其中沉砂区高0.5~1.0m，沉砂斗高0.3~0.4m；渗滤床长1.5~2.0m，宽0.8~1.0m，高0.5~1.0m；渗滤床上层填料为砾石填料(粒径5~10mm)，高度0.05m，下层填料高度为0.4~0.9m，可根据具体情况分别采用不同类型和粒径的填料，包括废砖(粒径40~60mm)，卵石(粒径20~40mm)，碎石(粒径5~10mm)。渗滤床植物采用具有较高污染物富集性能兼有经济价值和景观价值的空心菜、美人蕉，栽种密度均为10~20株/m²。出水区长0.5~1.0m，宽0.8~1.0m，高0.5~1.0m；沉砂缓冲池、渗滤床和出水区之间采用穿孔花墙连通，系统出水由DN50~DN150 UPVC管经出水区底部排放。系统采取间歇式的运行方式，运行湿干比为8~12h：12~24h，水力负荷控制0.20m³/h~1.0 m³/h之间。

下面给出一个实施例：本实施例应用于某农业径流处理中，复合系统依托当地一条农业径流汇水沟渠，修建于沟渠末端，整体为砖混结构，长6.5m，宽0.8m，高0.5m，坡度20°。系统共设为三级，每级渗滤床长1.5m，下层填料厚0.45m，考虑到植物的生长需要，每级上层填料为0.05m的砾石（粒径为5~10mm）。三级下层填料分别采用不同类型和粒径的填料，分别为第一级废砖(粒径40~60mm)，第二级卵石(粒径20~40mm)，第三级碎石(粒径5~10mm)。三级栽种的植物分别为空心菜(栽种密度12株/m²)，空心菜(栽种密度12株/m²)，美人蕉(栽种密度12株/m²)。每级渗滤床之前设有沉砂缓冲池，该池长0.5m，宽0.8m，高0.5m，沉砂斗高0.3m。在系统末端（最后一级渗滤床）设置出水区，出水区长0.5m，宽0.8m，高0.5m，出水区底部设置排水管DN50 UPVC。系统底部和四周均以水泥墙封闭，并进行防渗处理。

系统采取间歇式的运行方式，每个周期24小时，进水12小时，间歇12小时。期间系统的进水流量控制在0.20m³/h~0.80 m³/h之间。

监测结果表明：进入三级“沉砂-渗滤”复合系统的农业径流中高锰酸盐指数(COD)的进水浓度在5.39~26.52mg/L之间，氨氮(NH₄⁺-N) 的进水浓度在0.31~1.87mg/L之间，总氮(TN-N) 的进水浓度在1.35~4.44mg/L之间，总磷(TP-P)的进水浓度在0.09~1.04mg/L之间。经过复合系统处理后，出水中COD的出水浓度在3.53~18.19mg/L之间，NH₄⁺-N的出水浓度在0.09~0.46mg/L之间，TN-N的出水浓度在0.84~2.89mg/L之间，TP-P的出水浓度在0.03~0.66mg/L之间。系统对COD的去除率在21%~50%之间，NH₄⁺-N的去除率在63%~87%范围之间，对TN的去除率在18%~48%范围之间，TP的去除率在31%~77%之间。系统对COD、NH₄⁺-N、TN和TP的平均去除率分别为35%、73%、37%和54%。

在低进水流量时，各污染物出水浓度相对恒定，尤其是COD、NH₄⁺-N和TP-P最为明显。在高进水流量时，各污染物出水浓度表现不稳定。系统能够稳定去除COD、NH₄⁺-N、TN-N和TP-P的进水污染物负荷，分别为                                                在该进水流量范围下限，系统污染物出水浓度基本能够满足《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类标准；在该进水流量范围上限，系统污染物出水浓度基本能够满足《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅳ类标准。