一种具有脱氮除磷功能的生态沟渠的制作方法

本发明涉及一种具有脱氮除磷功能的生态沟渠。

背景技术：

以农田尾水为代表的农业面源污染日趋严重，农田氮磷化肥施用过量、大量氮磷污染物随农田尾水排放进入周边地表水体，给受纳水体带来严重的富营养化隐患。

传统土质沟渠内生长有植物，具备一定的土壤吸附、植物吸收和生物降解等功能，对氮磷污染物有一定的但不是非常显著的去除功能，但经过一段时间的运行后，沟渠内杂草丛生、水土流失严重、水流不畅，氮磷污染物的去除效果得不到充分保证，因此对后续受纳水体仍造成一定污染。目前农民经常采用的三面光水泥硬化沟渠主要作用是农田尾水的排放通道，硬化沟渠虽易于维护，但其内基本不长植物，对农田尾水中氮磷等污染物的去除能力弱，且水流速度快，农田尾水在沟渠内的停留时间非常短，因此农田尾水中的氮磷等污染物很难在沟渠内被充分去除。可见，传统土质沟渠和三面光水泥硬化沟渠对农田尾水中的氮磷污染物的自净能力弱，使得以农田尾水为主的农业面源污染呈现日趋严重趋势。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种具有脱氮除磷功能的生态沟渠。本发明将农田生态沟渠作为农田尾水进入下游受纳水体之前的一个处理单元，通过丰富农田沟渠生物多样性，强化沟渠中的土壤吸附、填料吸附、植物吸收和生物降解等作用，使其对农田尾水中的氮磷等污染物具有较好去除效果，降低进入受纳水体中的氮、磷含量，对提升农田面源污染自净能力非常有用，具有十分重要的意义和广阔的市场应用前景。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种具有脱氮除磷功能的生态沟渠，包括类三面光沟渠主体、若干固体缓释碳源填料池、升降式水坝；

其中，所述固体缓释碳源填料池位于所述类三面光沟渠主体底部的下方，所述升降式水坝位于所述生态沟渠沿水流方向的末端。

优选地，所述类三面光沟渠主体的边坡和底部由混凝土预制件铺设而成，所述混凝土预制件的孔洞或所述混凝土预制件彼此拼接形成的孔洞中种植有对污染物具有较强吸收能力的水生植物。进一步优选地，所述预制件为连锁型预制件。

优选地，所述混凝土中添加有氮磷吸附填料。进一步地，所述氮磷吸附填料与混凝土的体积比为1:(3～5)。

优选地，所述氮磷吸附填料为沸石、陶粒、火山岩混合物；进一步地，所述沸石、陶粒、火山岩的体积比为1:1:1(三种填料均匀配比，按此比例配比比较容易操作)。

优选地，所述类三面光沟渠主体的边坡坡度为1：(0.5～1)；其中，所述类三面光沟渠主体的沟渠底部宽度可以根据具体土地的利用情况做调整，沟渠内的水深因为考虑到要在沟渠内进行反硝化脱氮，反硝化是在缺氧条件下完成的，所以覆水深度至少要0.5米，加上水深之上的保护高度(取0.2米)后，沟渠深度至少为0.7米，比如：沟渠底部宽度为1～2米、深度为0.5～1.0米。

为保证沟渠内水流的畅通，本发明采用连锁型填料-混凝土预制件(制作过程中加入氮磷吸附材料)，对沟渠的三面进行修筑。这样的边坡和底部修筑方式既能保证水流的畅通，又能在沟渠的边坡和底部种植水生植物，既避免了传统土质沟渠杂草丛生的问题，又解决了三面光水泥硬化沟渠不生长植物的问题；通过在混凝土中添加具有氮磷吸附功能的材料，强化填料吸附在氮磷污染物去除中的作用，使沟渠主体成为氮磷等污染物吸附去除的处理单元。

优选地，所述固体缓释碳源填料池之间的间隔为20～30米。

优选地，所述固体缓释碳源填料池垂直于水流方向的宽度与所述类三面光沟渠主体底部宽度相同。

优选地，所述固体缓释碳源填料池的材质为水泥，所述固体缓释碳源填料池中的固体缓释碳源填料为无毒、廉价的天然固体有机物，如玉米芯、植物秸秆、丝瓜络等。

优选地，所述固体缓释碳源填料池朝向类三面光沟渠主体的方向上设有固体缓释碳源填料池盖板，所述盖板上布有条状间隙，间隙宽度为3～5厘米。

关于固体缓释碳源填料池的设计原因在于：在生物脱氮过程中，反硝化是非常关键的一步，以往研究表明，农田尾水等低污染水具有低碳高氮磷的特点，生物脱氮过程中，因碳源品质和数量原因，效率往往不高。考虑到反硝化反应在缺氧状态下进行，固体缓释碳源填料池修筑在沟渠底部，在抬高升降式水坝沟渠行使污染物处理功能的时候，足够的水深深度可以营造出较好的缺氧环境，另外在雨季行洪的时候，填充在碳源池内的固体碳源也不至被水冲走。本发明在沟渠底部每隔一段距离挖坑修建缓释碳源填料池，在填料池内装填固体缓释碳源(无毒、廉价的天然固体有机物，如玉米芯、植物秸秆、丝瓜络等)强化处理系统的反硝化效能，缓释碳源用完后可补充添加。

优选地，所述升降式水坝的最高抬升高度低于所述生态沟渠的深度。

优选地，所述升降式水坝的升降采用人工操作的方式，实现沟渠在行洪及污染物处理功能之间的快速切换。

优选地，所述生态沟渠中还放养螺丝、贝壳等水生动物。

本发明构建的生态沟渠，在水生植物、水生动物、微生物、土壤、填料和缓释碳源的共同作用下，土壤吸附、填料吸附、植物吸收和生物降解等各部分功能得以强化，提高了农田尾水氮磷处理效果，防止对受纳水体造成富营养化风险，使沟渠成为农田尾水氮磷污染物处理单元。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明在沟渠边坡和底部的填料－混凝土预制件孔洞中种植对污染物具有较强吸收能力的挺水植物以及沉水植物，放养螺丝、贝壳等水生动物，可丰富农田沟渠内的生物多样性，在沟渠边坡种植具有经济价值的水生植物如水芹、空心菜，在沟渠底部种植有观赏价值的美人蕉、香蒲、马蹄莲等，增强农田生态价值，即有效提升了沟渠污染自净能力，又带来一定的经济效益。

(2)本发明充分考虑氮磷吸附填料在污染物去除过程中的作用，在沟渠边坡和底部修筑的过程中采用由氮磷吸附填料与混凝土混合制成的预制件，使沟渠主体成为具有氮磷污染物吸附功能的处理单元，可以强化填料吸附在氮磷污染物去除中的作用。

(3)在沟渠底部营造相对缺氧的环境以利于反硝化脱氮的进行，间隔修筑固体缓释碳源填料池，给微生物反硝化脱氮过程提供碳源，促进微生物反硝化脱氮效能的提高。固体缓释碳源填料池内装填的是无毒、廉价的天然固体有机物，如玉米芯、植物秸秆、丝瓜络等，或定期对沟渠内的水生植物进行收割、处理后回填。固体缓释碳源填料取材方便，也不会对出水水质造成影响。

(4)本发明通过修建升降式水坝抬高沟渠水位，延长农田尾水在沟渠内的停留时间，实现对农田尾水的处理，削减氮磷等营养物质的负荷，有效降低农田径流负荷，使后续受纳水体避免出现富营养化现象，提高农田尾水的处理效果。在雨季到来之前降低水坝高度，可以保证沟渠行洪功能的发挥，免受洪涝灾害。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明生态沟渠的平面视图；

图2为本发明生态沟渠的纵剖视图；

图3为本发明生态沟渠的横剖视图；

图4、图5为本发明可采用的连锁型混凝土预制件示意图；

图6为本发明固体缓释碳源填料池盖板示意图；

图7为本发明固体缓释碳源填料池及盖板示意图；

图8为本发明类三面光沟渠主体示意图；

其中，1是类三面光沟渠主体，2是固体缓释碳源填料池，3是升降式水坝，4是固体缓释碳源填料池盖板。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例提供一种具有脱氮除磷功能的生态沟渠(其结构见图1、图2、图3)，包括类三面光沟渠主体1、若干固体缓释碳源填料池2、升降式水坝3；其中，所述固体缓释碳源填料池位于所述类三面光沟渠主体底部的下方，所述升降式水坝位于所述生态沟渠沿水流方向的末端。

为保证沟渠内水流的畅通，采用连锁型混凝土预制件(例如图4、图5)修筑沟渠，在预制件的孔洞内种植挺水植物和沉水植物，放养螺丝、贝壳等水生动物，丰富农田沟渠内的生物多样性，尽量选择有经济价值和观赏性较强的水生植物如空心菜、水芹、美人蕉、香蒲、马蹄莲等，增强农田生态价值。将氮磷吸附材料沸石、陶粒、火山岩与水泥搅拌，制作成连锁型混凝土预制件，考虑到要在孔洞中种植植物，因此要选择孔洞较大的模板。陶粒的粒径为20～30mm，沸石和火山岩的粒径为30～40mm，三者按体积比1：1：1的配比组成混合填料后再与水泥混合，填料与水泥的混合比例为1：3。沟渠底部宽度1米，边坡坡度按1：0.5设计，沟渠总深度0.7米，当升降式水坝抬升至最高水位0.5米时，最高水位上部距沟渠顶尚有0.2米的缓冲高度。

在沟渠底部每间隔20米修建固体缓释碳源填料池2，其宽度与沟渠底部同宽，长度为50cm，深度50cm，内置无毒、廉价的天然固体有机物，如玉米芯、植物秸秆、丝瓜络等，固体缓释碳源填料池2采用水泥结构，上部与沟渠底部平齐，安装带条状间隙的固体缓释碳源填料池盖板4防止玉米芯、植物秸秆、丝瓜络等随水漂流流出，当碳源消耗完，可打开盖板重新添加新的缓释碳源。见图6、图7。

所述升降式水坝3的最高抬升高度低于所述生态沟渠的深度；所述升降式水坝的升降采用人工操作的方式，实现沟渠在行洪及污染物处理功能之间的快速切换。

通过本实施例提供的具有脱氮除磷功能的生态沟渠，可有效拦截农田尾水中的氮磷排放。本发明对农田尾水中总氮、总磷的平均浓度消减率分别达到66％和65％。图8。

实施例2

本实施例对实施例1提供的生态沟渠的工作过程进行介绍：

旱季，抬高升降式水坝3的高度，拦截农田尾水，抬高沟渠内的水位，延长农田尾水在沟渠内的停留时间，完成对氮磷污染物的去除；

雨季，放下升降式水坝3，使农田尾水能够快速通过沟渠排出，保证沟渠行洪功能。升降式水坝的最高抬升高度0.5米。

整理来讲，本发明充分考虑传统土质沟渠和三面光水泥硬化沟渠存在的问题，开发了一种具有脱氮除磷功能的生态沟渠的构建方法。在保证农田沟渠正常排水功能的基础上，对沟渠中的土壤吸附、填料吸附、植物吸收和生物降解等各部分的功能进行强化，同时丰富农田沟渠生物多样性，实现对农田尾水中氮磷污染物的高效去除，使沟渠成为农田尾水与受纳水体之间的氮磷污染物处理单元。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。