一种利用无动力系统净化农田灌溉水中镉的方法与流程

本发明涉及人工表面流湿地处理灌溉水中重金属cd的研究，一种沉砂池+植物塘+植物塘+表面流人工湿地+吸附池无动力工艺系统净化灌溉水中cd的方法，方法探究多种工艺组合净化水中cd的效率。

背景技术：

根据2014年全国土壤污染状况调查显示，土壤镉的点位超标率达7.0％；在全国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％，镉为主要污染物之一。与此同时，粮食作物对镉的吸收积累能力较强，尤以水稻为甚。即使在低cd污染稻田土壤上种植水稻，稻米中镉的含量也可能会超过国家粮食安全生产标准。由于镉的隐蔽性和易富集性，在不影响水稻生长的情况下极易大量富集于稻米中，并最终通过食物链危害人体健康。研究表明，我国南方双季稻稻田土壤中镉的主要输入源为灌溉水、大气沉降、化肥的施用，且灌溉水是南方稻田中cd的最大输入项，以cd浓度10μg·l^-1(农田灌溉水质标准gb5084-2005)计，灌溉水cd输入量约占输入总项的73％(其他输入项以最大值计)；即使灌溉水含量以饮用水质cd限量标准5μg·l^-1计，若没有其他镉输入项如磷肥、有机肥等的消减，仍可能会给稻田的生产带来镉污染风险。更有研究表明土壤中镉的含量与灌溉水中镉的浓度成正比，这充分说明如何大幅度削减农田灌溉水中镉是保障我国农田安全生产利用的前提。

目前关于治理农田土壤中镉的研究多采用原位钝化的修复方式对土壤中重金属进行处理，如陈喆等研究了富硅肥料和水分管理对稻米镉污染阻控效果研究，张淼等研究了微生物菌肥和矿物硅肥的不同施用方式降低水稻对镉的吸收积累，刘孝利等研究了生物炭、石灰、苎麻等不同修复措施下土壤形态的变化，但鲜有尝试从源头入手，对灌溉水镉污染净化，切断镉进入稻田土壤。人工湿地作为污水处理生态系统，在处理生活、工业污水的n、p方面有较广泛的应用，但是在处理重金属方面应用不多，应用在农田灌溉水的重金属净化处理方面基本未见报道。因此开展人工湿地对灌溉水镉污染净化技术研究，具有创新性、实用性，对于防治稻田土壤和米镉污染、生产安全稻米更是具有重要意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种利用无动力系统净化农田灌溉水中镉的方法，其能够快速大量的处理农田灌溉水，高效的降低灌溉水中镉，填补相关研究的空白，并为解决农田土壤污染来源等问题提供一定的理论依据。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：一种利用无动力系统净化农田灌溉水中镉的方法，其中，所述无动力系统包括沿水流方向顺序设置的沉砂池、一级植物塘、二级植物塘、表面流人工湿地和吸附池共五个处理单元，且沉砂池、一级植物塘、二级植物塘、表面流人工湿地和吸附池依地势地形由高到低布置，相邻处理单元高差和液位差至少为10cm，一级植物塘、二级植物塘、表面流人工湿地中种植水生植物；灌溉水流以无动力自流方式依序流过沉砂池、一级植物塘、二级植物塘、表面流人工湿地和吸附池后进入农田。

所述灌溉水流的镉浓度不超过20μg/l，净化后出水镉浓度低于5μg/l。农田灌溉水质标准gb5084-2005为10μg·l^-1。

所述无动力系统的有效面积为1732.98㎡，有效水深为0.60m，其中沉砂池：4.00㎡；一级植物塘：610.50㎡；二级植物塘：578.00㎡；表面流人工湿地：527.25㎡；吸附池：13.23㎡。

所述吸附材料为天然斜发沸石，沸石粒径为3-5mm。

所述水生植物为香蒲、水生美人蕉、狐尾藻、轮叶黑藻、菹草。

所述一、二级植物塘种植香蒲、轮叶黑藻及菹草，香蒲移栽种植密度为16株/m²，移栽时间3月-5月初，轮叶黑藻、菹草移栽种植密度9株/m²。

所述表面流人工湿地种植水生美人蕉、轮叶黑藻及狐尾藻，水生美人蕉移栽种植密度8株/m²，移栽时间3月-5月初，轮叶黑藻移栽种植密度9株/m²。

本发明利用多种处理工艺进行组合——沉砂池+一级植物塘+二级植物塘+表面流人工湿地+吸附池组合工艺系统，采用无动力的传输方式，处理灌溉水中cd，能高效去除灌溉水中cd，降低灌溉水中镉浓度，整个工艺系统对全量镉的去除率范围为82.88％～100％，平均去除率高达94.16％；对可溶态cd的去除率在70.69％～100.00％之间，平均去除率高达94.78％。

附图说明

图1为本发明一种利用无动力系统净化农田灌溉水中镉的净化工艺流程图。

图2为图1系统各单元全量cd变化及累积去除率图。

图3为图1系统各单元可溶性cd变化及累积去除率图。

具体实施方式

试验湿地示范点位于湖南省株洲市茶陵县高陇镇水头村，该地由三个田块改造约占地2000㎡，因农田流转问题与试验后恢复问题，依田埂而建造。供试水源为河水，水源上游存有挖砂场与排污企业湘东钨矿。由于该田块靠近河床，深层土为细沙，为防止水向下渗透造成水量流失，在试验湿地底铺盖了防渗膜，防渗膜上铺垫了15cm厚的土壤。

如图1所示，本发明工程工艺系统由沉砂池、植物塘、表面流人工湿地与吸附池组成。试验湿地设计有效面积为1732.98m²，设计有效水深为0.60m。其中沉砂池：4.00m²(池深1.5m)；植物塘包括一级植物塘和二级植物塘，一级植物塘：610.50m²；二级植物塘：578.00m²；表面流人工湿地：527.25m²；吸附池：13.23m²。测定的进水最大瞬时流量为60.48m³/h，最小瞬时流量为5.61m³/h，最短水力停留时间为0.716天。平均瞬时流量为17.81m³/h。设计服务区域约33350m²稻田。

因为进入农田中的cd有存于水中泥沙而沉积于耕地，所以本发明在入水口设置沉砂池一个，自然沉降流水中的沙石等大的悬浮颗粒，同时减缓进水流速，减低对植物塘和表面流人工湿地植物系统的冲击及损害，并减少因大雨等特殊情况造成水量大幅上涨对本发明植物塘和表面流人工湿地植物系统的冲击负荷及损害。

本发明中设置一级植物塘、二级植物塘及表面流人工湿地，主要考虑净化的效果以及野外特殊情况，并可选择不同的植物，提高净化效率、防范cd突然猛的增加以及提高工程品质，故进行了多池划分。一级植物塘、二级植物塘及表面流人工湿地中选取狭叶香蒲、美人蕉，狐尾藻，轮叶黑藻，菹草种植，该五种植物都有较强的耐镉性，易生长，易种植，能满足人工湿地的需求。其中：

1)一级植物塘：主要种植狭叶香蒲，株距和行距均为1尺，每平方米种植16蔸，依靠较密的植株，发达的走茎，拦截灌溉水的流动，降低流速，拦截、吸附经过沉淀池后的悬浮颗粒，截留悬浮颗粒吸附的cd，并在停留时间内，充分接触，吸收水中的cd，减低可溶性cd浓度。

2)二级植物塘：主要是狭叶香蒲、狐尾藻、菹草及轮叶黑藻，香蒲株距与行距为1.5尺，种植密度为每平方米9蔸，其他几种植物种植在香蒲之间。依靠多种植物的组合，在水中形成较密的缓冲吸附层，能进一步减缓水流速度，增加停留时间，基本全部去除水中悬浮颗粒。

3)表面流人工湿地：主要种植美人蕉、菹草及轮叶黑藻。美人蕉株距与行距为2尺，美人蕉之间种植轮叶黑藻和菹草。美人蕉根系发达，菹草、黑藻茂密，能减缓水流速度，且植物都耐镉性强，富集能力大，能进一步吸收水中可溶性的cd，进一步净化灌溉水中的cd。

采用了天然的斜发沸石填放于吸附池中，沸石粒径为3-5mm。吸附池的设置主要是考虑突发情况，cd浓度突然增加，湿地植物换季等因素，同时也考虑工程的普遍使用性，在末端设置能确保灌溉水镉污染净化到位。

本发明试验时，设置6个采样点位，1为进水口，2为沉砂池出水口，3为一级植物塘出水口，4为二级植物塘出水口，5为三级人工湿地出水口，6为吸附池出水口。每日采样1次，采集1l水样。样品分为两部分，一部分立即经0.45μm滤膜抽滤，取滤液100ml加酸保存，另一部分直接加酸保存，加酸比例为1％。直接加酸保存的按国家标准方法硝酸消解法消解(hj677-2013水质金属总量的消解硝酸消解法)。样品最终由原子吸收光谱—石墨炉法进行测定。试验结果如表1、表2所示。

表1人工湿地系统(全量cd)各级工艺浓度(μg·l^-1)

表2人工湿地系统(可溶性cd)各级工艺浓度(μg·l^-1)

综上结果表明：

一级植物塘、二级植物塘及表面流人工湿地+吸附池的设计能高效去除灌溉水中cd，降低灌溉水中镉浓度，整个工艺系统的全镉去除率、可溶性镉去除率如图2、图3所示，除了吸附池出水浓度与表面流人工湿地出水浓度无明显差异以外，灌溉水经过各级单位处理后，各级出水中全量镉的浓度显著降低，说明一级植物塘、二级植物塘及表面流人工湿地+吸附池系统能高效去除灌溉水中cd，降低灌溉水中镉浓度，整个工艺系统对全量镉的去除率范围为82.88％～100％，平均去除率高达94.16％；对可溶态cd的去除率在70.69％～100.00％之间，平均去除率高达94.78％。虽然天气变化影响湿地的处理效果，但是所有的出水都达到2.00μg·l^-1以下，平均出水浓度仅有0.49μg·l^-1。各次采样的浓度标准差相对较高，说明每一次采样之间，灌溉水的浓度浮动范围大。入水口总镉(cd)浓度分布在3.02～19.15μg·l^-1，沉淀池出口可溶性cd浓度分布在2.26～18.37μg·l-1，一级植物塘出口可溶性cd浓度分布在1.23～13.38μg·l^-1，二级植物塘出口可溶性cd浓度分布在0.59～8.37μg·l^-1，表面流人工湿地出口可溶性cd浓度分布在0.00～3.52μg·l^-1，出水口可溶性cd浓度分布在0～1.92μg·l^-1。