一种用于农田灌溉水中重金属净化的沉砂池的制作方法

本实用新型涉及一种用于农田灌溉水中重金属净化的沉砂池，特别是一种用于农田灌溉水中重金属净化的表面流湿地型沉砂池。

背景技术：

随着经济与社会工业化飞速发展、人类活动的剧烈，加上矿产资源的累年采冶与三废无序、粗放排放，导致重金属污染物不断扩散到农业生态系统，尤其当降雨发生时，矿区大量携带重金属污染物的泥沙颗粒在雨水径流的冲刷下随径流进入周围的河流、湖泊中，进而通过灌溉在农田积累。环保部和国土资源部联合发布《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤总的点位超标率为16.1%，总体情况不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量堪忧，工矿业废弃地土壤环境问题突出，我国55个污灌区和1378个污灌土壤样品中，各类污染总点位超标率分别达71.0%和26.4% ^[1]。

污水灌溉虽在一定程度上缓解了农业用水的供需矛盾，但由于工业污水、畜禽养殖废水、尾矿区水塘水库等灌溉水源中含有一定量的重金属，如果长期用这些污水进行灌溉就极易造成有毒重金属在土壤和农产品中累积。值得注意的是我国农业土壤重金属污染大多由于污水灌溉造成的，如南方稻田土壤中重金属超标的最大输入源为灌溉^[2]，常年引污灌弥补农业用水不足致使干旱少雨的天津约23万hm²农田受到不同程度的重金属污染 ^[3]，另外国内有不少地方稻田土壤中Cd的含量严重超标且达到生产镉米（大米Cd含量≥1.0 mg/kg）的污染程度，如沈阳张士灌区、上海沙川灌区、湖南衡阳水口山和株洲清水塘等地区^[3]，大量文章表明，以重金属超标水源进行灌溉会导致农田土壤重金属累积超标，进而造成农产品重金属超标^{[4, 5]}。

以色列是世界上较早进行污水灌溉的国家之一，也是世界上水资源利用效率与污水利用程度最高的国家，每年有近百分之五十的污水经处理后进行灌溉。我国灌溉水净化技术研究尚处于起步和探索阶段，多研究污水灌溉对作物与农田土质的影响，尤其缺乏统一的治理模式。

近年来，南方矿区灌溉水重金属超标问题日益受到国家与地方政府的关注，水稻的安全生产关乎我国粮食安全大计，对重金属超标的灌溉水进行处理后用于农田灌溉具有十分重要的意义。已有研究报道显示，灌溉水中重金属主要以颗粒态存在，重金属总量显著高于可溶态，因此矿区降雨的汇流过程导致灌溉水中大量携带重金属污染物的泥沙颗粒进入灌溉农田，进而造成农田土壤重金属累积、超标。

近年来，人工湿地作为一种投资低、构建简便、运行成本低，同时具备较好的净化去污能力、寿命长、工艺简单且组合多样等优点，被广泛用于各领域的污水处理，并在灌溉水净化领域进行了一定的实践，然而人工湿地在运行一段时间后发现湿地的底泥重金属含量明显升高。针对灌溉水中重金属主要以颗粒态存在，尤其降雨期灌溉水中泥沙量大，构建简便可行、高效的用于农田灌溉水中颗粒态污染物净化的沉砂池具有现实意义和推广价值。

技术实现要素：

本实用新型拟解决的关键技术问题为，针对南方矿区灌溉成为农田土壤重金属累积超标的主要来源与日益凸显的稻田灌溉水重金属超标的现状，提供一种用于农田灌溉水中重金属净化的沉砂池，其摒弃了传统的沉砂池设计思路和模式，可高效去除尤其是降雨导致的大量附着重金属污染物的泥沙颗粒因灌溉进入农田生态系统，是一种新型的、简单实用、环保高效的农业灌溉水净化装置。

本实用新型的具体技术方案是：一种用于农田灌溉水中重金属净化的沉砂池，包括一池体，该池体的底部土壤层上由下至上设置细沙层及粗砂填充层，且细沙层及粗砂填充层上种植水生植被；池体上设置进水口和出水口，且池体靠近出水口处的侧壁上设置泥沙排污口，进水口设置第一挡板，出水口设置第二挡板，泥沙排污口设置第三档板；池体的一侧设置灌渠，灌渠内设置第四挡板，第四挡板将灌渠截断为第一段灌渠和第二段灌渠，第一段灌渠与池体的进水口连通，第二段灌渠与池体的出水口连通。

所述池体位于灌渠一侧设置水力障碍墙，保障充足的水力停留时间及灌溉水与沉砂池内水生植物的充分接触沉淀作用。

所述细沙层填充10-15 cm 厚的粒径为1-2 mm的细颗粒黄沙，粗砂填充层填充5 cm厚的粒径为3-5 cm 的石粒、砾石或鹅卵石。

所述水生植被由按一间距种植的芦苇和芦苇间隙种植的狐尾藻形成。芦苇株距不大于5 cm，行距不大于10 cm。

所述的池体内的过境水深设计为60±5 cm。

所述进水口与出水口的底部与灌渠的底部保持在同一水平线，且进水口和出水口为直径40-50cm的圆形，保障灌溉水自然顺畅地流入流出沉砂池；泥沙排污口的底部距离粗砂填充层的上表面5 cm，泥沙排污口为直径50-60cm的圆形。

本实用新型通过利用农业生态系统中灌溉水渠沿途的可利用空地，因地制宜进行沉砂池的构建，避免了占用农田，使用两层颗粒填充（细沙层及粗砂填充层）沉砂池用来为水生植物系统提供生存基质的同时吸附净化灌溉水中附着在颗粒物上的重金属等污染物，同时利用沉砂池中的芦苇、狐尾藻等水生植物系统高效吸附去除灌溉水中的泥沙，并且对水溶态的重金属污染也具有一定的吸附减低能力。

与现有的沉砂池技术相比，本实用新型的优点主要在于：

灌溉水经进水口进入沉砂池后，水流速度迅速下降，在水力障碍墙的作用下，相比现有的沉砂池系统，可提高灌溉水与水生植物系统的接触程度，加上细沙层及粗砂填充层的吸附功能均更进一步提高了沉砂效果。

本实用新型提供的沉砂池为一种表面流湿地型沉砂池，对外形要求灵活，可因地制宜选取灌溉水渠进入农田前渠段的空地，可建造成正方形，长方形等，同时根据水流特征设适宜的水力障碍墙，相比传统技术更适宜推广到实际农业生产实践。

本实用新型设计的填充材料，可就地取材，选用一般黄沙和砾石，以及粒径适宜的碎石颗粒，成本低而且取材方便。

本实用新型水生植被系统还可以种植一些可富集灌溉水中可溶态重金属的、大生物量的水生植物，利用植物系统与沙石基质对重金属污染物进行高效吸附、去除，同时淤泥清洗简便，避免二次污染农田的风险。

本实用新型的表面流湿地型沉砂池还可以串联其他湿地处理技术对灌溉水进行深度处理。

附图说明

图1 表示的是本实用新型表面流湿地型沉砂池的俯视结构图。

图2 为本实用新型表面流湿地型沉砂池的截面及水流概况图。

具体实施方式

下面结合附图与实施案例对本实用新型作进一步说明。

如图1、图2所示，本实用新型一种用于典型矿区农田灌溉水中重金属净化的表面流湿地型沉砂池包括一池体9，该池体9的四壁由水泥硬化形成，池体9底部为土壤层。池体9的土壤层上由下至上设置细沙层7及粗砂填充层4，且细沙层7及粗砂填充层4上种植水生植被11。池体9的顶部设置进水口1和出水口2，池体9的靠近出水口处的侧壁上设置泥沙排污口3，且进水口1设置第一挡板，出水口2设置第二挡板，泥沙排污口3设置第三档板。池体9的一侧设置灌渠10，灌渠10内设置第四挡板8，第四挡板8将灌渠10截断为第一段灌渠101和第二段灌渠102，第一段灌渠101与池体9的进水口1连通，第二段灌渠102与池体9的出水口2连通。池体9内位于灌渠10一侧设置水力障碍墙5，以保证灌溉水的水力停留及其与水生植物系统的接触时间，充分发挥池体9内的粗砂填充层4、水生植被的过滤沉砂能力。

细沙层7填充10-15 cm 厚的细颗粒黄沙，提供水生植物的种植基质。粗砂填充层4填充5 cm厚的粒径为3-5 cm 的石粒、砾石或鹅卵石等颗粒填充物。

水生植被11由按一定间距种植的芦苇，及芦苇间隙种植的狐尾藻形成。芦苇株距不大于5 cm，行距不大于10 cm。池体运行期间对死亡植物进行定期补充，以保证植物的沉砂能力。杂草的控制无需特意投入人力去除杂草，仅需在补充或更换芦苇或狐尾藻时一并处理即可，但需要保证植物的高效生长态势。冬季应对死亡的植物进行收割，收割后的植物组织由于可能富集重金属，尽量避免用于堆肥或者饲料。

灌溉期，合上第四挡板8，打开进水口1的第一挡板，出水口2的第二挡板，灌溉水由第一段灌渠101及进水口1直接进入池体9，在水力障碍墙5的作用下，水流速度迅速减缓，并沿图1中箭头6所示方向流经水生植被，经过水生植被（芦苇和狐尾藻）的茎叶等组织被系统过滤后实现高效沉砂，尤其可高效去除因降雨冲刷带来的大量富含重金属的泥沙等颗粒物，最后经出水口2排入第二段灌渠102，并被送入农田作为灌溉水使用。

当本实用新型沉砂效果因泥沙淤积而明显下降时或者在非灌溉期可选择合上出水口2的第二挡板，打开泥沙排污口3的第三挡板，通过人工清扫搅拌，排除池体内的淤积物。泥沙排污口3的设置需考虑实地的周边地形情况，尽量选择排入主河道或废弃低洼区，避免排到农田区域，以免因后续降雨冲刷作用而再次进入农田生态系统。

非灌溉期间，灌渠10内的第三挡板8打开，关闭出水口2的第二挡板与泥沙排污口3的第三挡板，仅保证有少量水通过进水口1进入池体9，维系池体9中的水生植被的生态需水。

参考文献

[1]环境保护部, 国土资源部. 全国土壤污染状况调查公报[R]. [2014-04-17]. http:// www.mlr.gov. cn/xwdt/jrxw/201404/t20140417_1312998. htm.

[2]Zhao F J, Ma Y B, Zhu Y G et al. Soil Contamination in China: Current Status and Mitigation Strategies [J]. Environmental Science & Technology,2015, 49,750-759.

[3]Liu K, Lv J, He W, et al. Major factors influencing cadmium uptake from the soil into wheat plants. Ecotoxicology and environmental safety, 2015, 113: 207-213.

[4]Hu P, Ouyang Y, Wu L, et al. Effects of water management on arsenic and cadmium speciation and accumulation in an upland rice cultivar. Journal of Environmental Sciences, 2015, 27: 225-231.

[5]姜国辉, 周雪梅, 李玉清, 等. 不同浓度镉水灌溉对土壤及水稻品质的影响. 水土保持学报, 2012, 26(5): 264-267.