本发明涉及流域水利用领域，特别涉及一种极度缺水地区流域水资源利用污染物控制方法与装置。
背景技术：
我国流域水资源短缺的同时，水污染是影响流域水利用的主要问题。水污染的原因一是生活污水未经处理排放或处理不合格排放使得水体总磷量、总氮量和有机物及悬浮物增加，造成流域水富营养化；二是工业流域水和固体废物的渗出液直接排入水体使流域水中有毒重金属增加，造成流域水重金属污染。水污染问题不是单一的问题，既关乎居民生活质量和人体健康，也关系到不同流域之间的政策协调，以及干流支流之间、地表水与地下水之间和上下游之间的利益协调。
我国农田灌溉水有效利用系数远低于世界先进水平，这暴露出了我国农田水利建设存在的农业用水方式粗放，水资源利用效率效益不高的问题，而与之相对应的，是农业用水资源短缺的现状。随着工业化、城镇化快速推进，我国人增地减水缺的矛盾日益突出，我国农田水利建设如何应对旱灾频发是我国水利工作的长期性战略任务。因地制宜的统筹考虑流域水灌溉农田是解决农田缺水的重要途径。
近年来，农业污染如重金属污染问题越来越为人们所关注和了解。面对我国农田缺水和流域水现状，要实行严格的水资源管理制度和节约用水制度，同时还应大力研发和推广流域水污染物如重金属污染物控制技术，以及无害化的可用装置，通过利用分子生物学技术等多种高科技手段，同时对多种重金属进行富集、对其他污染物如氮磷等进行脱除，对污染水体进行更为高效的生态治理，力求做到既不影响环境，同时又有一定的经济回报，使之成就一个统筹治理与开发的健康产业，以经济与生态利益的双轮驱动，促进环保农业的持续发展。
基于上述状况，亟需开发一种流域水资源利用污染物防控方法与装置，在引用流域水进行农田灌溉时对流域水中的重金属等污染物含量进行防控，从根本上降低作物中重金属等污染物，促进作物生长，维护农业的持续健康发展，保证农业安全和人体安全。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，提供了一种流域水资源利用污染物防控方法与相应装置，在农业活动区流域护岸设定距离处建造水解池、纳米曝气池和垂直潜流人工湿地，通过水解池和纳米曝气池分别对浮萍和水藻进行酸化和降解促进微生物活动，并通过垂直潜流人工湿地对重金属等污染物进行脱除或降解，实现流域水的净化，满足灌溉要求，从而完成本发明。
本发明的目的在于提供以下技术方案：
(1)一种流域水资源利用污染物防控方法，该方法包括设置依次连接的水解池1、纳米曝气池2和垂直潜流人工湿地3；
向水解池1中通入待处理的流域水并加入水生植物进行酸化消解，并传输处理后的流域水上清液至纳米曝气池2中；
纳米曝气池2接收水解池1的流域水上清液，对上清液进行好氧环境下处理，传输处理后的上清液至垂直潜流人工湿地3；
将经纳米曝气池2处理后流域水上清液与流域水混合引入垂直潜流人工湿地3，进入铺设于垂直潜流人工湿地3中的一层或多层填料中使污染物得到降解或脱除。
(2)一种流域水资源利用污染物防控装置，该装置包括建造在流域护岸4～10米处的依次连接的水解池1、纳米曝气池2和垂直潜流人工湿地3；
所述水解池1将水生植物进行粉碎和酸化消解，传输上清液至纳米曝气池2中；
纳米曝气池2接收水解池1的上清液，对上清液中的有机物进行降解，将长碳链有机物降解为短碳链有机物，并传输降解后的上清液至垂直潜流人工湿地3，为垂直潜流人工湿地3中微生物提供碳源；
垂直潜流人工湿地3中引有纳米曝气池2中上清液和流域水，并使水体进入铺设于垂直潜流人工湿地3中的一层或多层填料使其中的污染物得到降解或脱除，将处理后的流域水输送至农田中。
根据本发明提供的一种流域水资源利用污染物防控方法与装置，具有以下有益效果：
(1)本发明中还设置了水解池和纳米曝气池以向垂直潜流人工湿地中微生物提供养分(主要为碳源)，促进微生物繁衍，利于微生物在垂直潜流人工湿地中实施脱磷脱氮。
(2)纳米曝气池中加入活性污泥，其对有机物有很强的吸附凝聚和氧化分解能力，具有良好的自身凝聚和沉降性能，促进了长碳链有机物的降解和悬浮物的沉降。
(3)本发明中的垂直潜流人工湿地为多层填料铺设而成，且对每层填料中的填料种类、用量配比、粒径大小和填充高度进行特定的选择，可在垂直潜流人工湿地中有效实现有机物降解、重金属吸附和脱磷脱氮等污染物处理过程。
(4)本发明中的垂直潜流人工湿地中种植特定的水生植物，有利于重金属的富集，且得到的富集有重金属的水生植物可再利用，制备得到具有光催化效果的功能型生物炭。
(5)本发明中在流域的河道内接种反硝化细菌，反硝化细菌特别是好氧反硝化细菌的加入必然会对待处理的流域水起到进一步的净化作用，同时好氧反硝化细菌与垂直潜流人工湿地投入的厌氧反硝化细菌协同作用，促进水体的净化。
附图说明
图1示出本发明中一种优选实施方式的流域水资源利用污染物防控装置结构示意图。
附图标号说明：
1-水解池；
2-纳米曝气池；
3-垂直潜流人工湿地；
4-温控装置；
5-感温探头；
6-湿地植物
7-排泥孔；
8-搅拌机；
9-二次排泥孔；
10-曝气盘；
11-流量计；
12-纳米曝气机；
13-第一层填料；
14-第二层填料；
15-第三层填料；
16-第四层填料。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
针对我国农田灌溉缺水现象，提出了利用流域水进行灌溉的技术路线，但污染的流域水未经处理，其中存在污染物如重金属、总磷或总氮可能影响作物生长和收成，更严重会导致作物中重金属超标，粮食无法使用，造成重大损失。
基于上述问题，本发明人进行了大量研究，提供了一种流域水资源利用污染物防控方法，以有效控制引入农田的流域水中的污染物如悬浮物、重金属、总氮总磷含量等。
本发明中，如图1所示，该方法包括设置依次连接的水解池1、纳米曝气池2和垂直潜流人工湿地3；向水解池1中通入待处理的流域水并加入浮萍和水藻等水生植物进行酸化消解，并传输处理后的流域水上清液至纳米曝气池2中；浮萍和水藻等水生植物可打捞自该流域水区域中；
纳米曝气池2接收水解池1的流域水上清液，对上清液进行好氧环境下处理如有机物降解和悬浮物沉降等，传输处理后的上清液至垂直潜流人工湿地3；
将经纳米曝气池2处理后流域水上清液与流域水混合引入垂直潜流人工湿地3，进入铺设于垂直潜流人工湿地3中的一层或多层填料中使污染物得到降解或脱除，如有机物的降解、重金属固定和脱除、悬浮物过滤、脱氮和脱磷，将处理后的满足农田灌溉水质要求的流域水输送至农田中进行灌溉。
在本发明中，水解池1通过温控装置4中的感温探头5测定水解池1中的温度，并控制水解池1温度至设定温度；优选地，水解池1为带夹层的容器，夹层中通有传热介质，通过温控装置4中的感温探头5测定传热介质的温度以控制水解池1中的温度。
在本发明中，水解池1的底部设置排泥孔7。流域水中不可避免的带有淤泥，且对浮萍或水藻等水生植物进行酸化消解必然产生废渣，排泥孔7的设置便于淤泥的排出，减少水解池1内空间的无效占用。
在一种优选的实施方式中，水解池1内还装有搅拌机8，使得浮萍或水藻等水生植物得以粉碎，加快酸化消解过程。
在一种优选的实施方式中，控制水解池1的上清液cod高于200mg/l，此时，认为水解池1中浮萍和水藻的分解程度较好，碳链有机物水平满足后续处理中微生物繁衍需求。
本发明中，在纳米曝气池2下部设置曝气盘10，通过曝气盘10向纳米曝气池2中通入含氧气流体。进一步的，通入的含氧气流体为纳米气泡水。所述纳米气泡水为含有100～500nm尺寸的微小气泡的水或水溶液，其溶氧量达到10～25mg/l。
由于纳米气泡水中气泡尺寸小，比表面积大，能表现出有别于普通气泡的特性，如由于体积很小在装置中停留时间长，缓慢上升后，zeta电位升高，比表面积增大(普通气泡上升过程中体积增大，比表面积减小；而纳微气泡由于表面张力影响，内部气体产生自增压效果，上升过程中，比表面积增大)，发生溃灭产生活性氧自由基，如羟基自由基，从而对水中的长碳链有机物进行高效降解；而溃灭瞬间产生的高温同样利于长碳链有机物的降解。
在一种优选的实施方式中，曝气盘10上的孔径为纳米孔径，即曝气盘10为纳米曝气盘，纳米曝气盘的设置可进一步保障进入纳米曝气池2中的氧气为纳米尺寸的气泡。曝气盘10通过管路依次与流量计11和纳米曝气机12相连，所述纳米曝气机12向曝气盘10提供含氧气流体，而流量计11可有效控制通入纳米曝气池2中的含氧气流体的流量(或氧气量)。
在一种优选的实施方式中，纳米曝气池2内投加活性污泥，活性污泥与通入纳米曝气池2中流域水的重量比为1:7。活性污泥是以好氧微生物为主体的褐色絮凝体，对有机物有很强的吸附凝聚和氧化分解能力，具有良好的自身凝聚和沉降性能，因而也可以减少流域水中悬浮物颗粒。
同时，活性污泥与通入纳米曝气池2中流域水的重量比为1:7可保证流域水处理效率和快速澄清；当重量比大于1:7，活性污泥增多，微生物活性高，可实现对有机物的高效率分解和颗粒物沉降，但流域水澄清以获得上清液时间较长；当重量比小于1:7，流域水较多，活性污泥少，必然影响对有机物的降解效率和对悬浮物的沉降。
优选地，纳米曝气池2内还投加有微生物，所述微生物为delftiasp.，delftiasp.为戴尔福特菌属。delftiasp.中细菌可以以长碳链有机物作为生长的碳源，因而其加入可促进对长碳链有机物的降解。该属微生物属于好氧反硝化菌，适应性较强、生长速度快、产量高，并且反硝化速度快且彻底，在环境污染治理和生物修复方面具有重要的应用价值。
在一种优选的实施方式中，纳米曝气池2可实现长碳链有机物的有效降解，使得纳米曝气池2出水中有机物平均分子量低于308.24da，优选低于254.50da。
本发明中，纳米曝气池2的底部设置二次排泥孔9，便于流域水中淤泥和活性淤泥的排出。
微生物的生长需要碳源，尤其是短链碳源更便于微生物的吸收利用。然而，流域水中短碳链有机物较少，投放入垂直潜流人工湿地3的微生物的生长繁殖必然受影响。通过设置水解池1和纳米曝气池2以向垂直潜流人工湿地3中微生物提供养分(主要为碳源)，促进微生物繁衍，利于微生物在垂直潜流人工湿地中实施脱磷脱氮等活动。
本发明中，垂直潜流人工湿地3中引有纳米曝气池2中上清液和待净化的流域水，水体进入铺设于垂直潜流人工湿地3中的一层或多层填料使污染物得到降解或脱除，如有机物的降解、重金属固定和脱除、脱氮脱磷和悬浮物过滤。其中，纳米曝气池2出水量与流域水量之比≤1:1，优选纳米曝气池2出水量与流域水量为1:2～1:50，即输入垂直潜流人工湿地3内流域水量不低于纳米曝气池2出水量，在提高垂直潜流人工湿地3内微生物活性的同时，平衡流域水处理效率。
在一种优选的实施方式中，垂直潜流人工湿地3中由上至下铺设有三层至六层填料，每层填料可选自土壤、生物炭、功能型生物炭、矿石颗粒如砾石、天然沸石、火山石、方解石、石灰石、鹅卵石等、硅藻土或弗洛里硅藻土中的一种或多种。
在一种优选的实施方式中，垂直潜流人工湿地3中由上至下铺设有四层填料：
第一层填料13进行重金属吸附和有机物的降解；
第二层填料14进行重金属吸附固定；
第三层填料15进行重金属吸附并通过在此区域内投放聚磷菌以其聚磷能力降低待净化流域水中的磷含量；
第四层填料16进行重金属吸附，通过构建厌氧环境使得聚磷菌在此区域内脱磷，以促进其在第三层填料区域内的聚磷能力，并通过投放厌氧反硝化细菌降低待净化流域水中的氮含量。
在本发明的一种优选的实施方式中，0-500cm处铺设有第一层填料13，第一层填料13为土壤和功能型生物炭的混合填料，混合比例为3:(6～8)，优选为3:7。
其中，生物炭是在缺氧的条件下生物质经高温、脱油后得到的高碳含量的材料。功能型生物炭则是负载有过渡金属的生物炭。
功能型生物炭具有生物炭的以下特点：(1)微观结构上，具有多孔性特征，且生物炭相较于其他材料具有可控的孔隙度即微孔隙(<0.9nm)、小孔隙(<2nm)和大孔隙(>50nm)。大孔隙可以保证与其配合使用的土壤的通气性和保水能力，同时也为微生物提供了生存和繁殖的场所，从而提高微生物的活性和繁衍速度；微、小孔隙影响生物炭对分子的吸附和转移，生物炭的孔隙结构能减小水分的渗透速度，增强了土壤对移动性很强和容易淋失的养分元素的吸附能力；因而其多孔结构利于第一层填料上植物的生长；
(2)生物炭的多孔性能决定其具有较大的表面积，对区域水中的有机物可进行大量吸附，利于对有机物的吸附后降解；
(3)生物炭表面具有羧基﹑酚羟基﹑羰基含氧官能团，上述官能团所产生的表面负电荷使得生物炭具有较高的阳离子交换量，可有效吸附流域水中重金属离子。
值得注意的是，功能型生物炭除了具有生物炭所具有的上述特点外，由于其负载有过渡金属(如镍、钴、铁)，可利用过渡金属的光催化作用，在氧气存在下将吸附在功能型生物炭表面的水分子或氢氧根氧化生成活性氧，如羟基自由基·oh，使其对有机污染物进行降解、脱硫(s)、脱氯(cl)，降低有机污染物毒性及臭味。
本发明中在第一层填料13中以功能型生物炭为主，辅助加入土壤，土壤的加入以利于第一层填料13上植物的种植。经过试验发现，土壤和功能型生物炭以3:(6～8)混合时，由于活性炭对土壤的固定，可实现植物的良好生长，且以功能型生物炭为主的填料，可吸附大量有机物，通过过渡金属离子的光催化作用，有效实现对有机物的降解。若土壤和功能型生物炭的比例低于3:8，土壤比例降低，由于缺少必要养分，植物生长态势缓慢；若土壤和功能型生物炭的比例高于3:6，降低了光催化的效果，对有机物的降解效率下降。
在进一步优选地实施方式中，第一层填料13特别是功能型生物炭的粒径为0.10-0.30cm，在此粒径范围内，功能型生物炭对土壤起支撑作用，便于空气进入填料层，植物根部与空气得到有效接触，利于种植在第一层填料13上的水生植物的生长；位于水体下部的功能型生物炭在氧气存在下进行光催化，实现有效降解。如果功能型生物炭的粒径小于0.10cm，对空气进入填料层不利，缺少氧气不利于植物生长和有机污染物降解；如果功能型生物炭的粒径大于0.30cm，大粒径的颗粒由于较小的表面积，不利于光催化效率。
在更进一步优选地实施方式中，第一层填料13上种植湿地植物6，优选为西伯利亚鸢尾和再力花。西伯利亚鸢尾和再力花可以在富营养化的水体中正常生长，表现出很好的水体净化效果，通过植物的吸收、挥发、根滤、降解、稳定等作用，可有效降低水中总氮、总磷、和化学需氧量(cod)值。西伯利亚鸢尾和再力花对重金属表现出极高的富集能力，两种植物在体内积累的重金属是普通水生植物的100倍以上，但其正常生长不受影响。通过收获植物可将重金属从水体中彻底除去，因而，选用此两种湿地植物进行种植，为行之有效的降低重金属的生态方法。
在更进一步优选地实施方式中，功能型生物炭可通过垂直潜流人工湿地中种植的湿地植物6(西伯利亚鸢尾和再力花)经碳化、活化除油、还原、干燥得到。
植物在生长过程中源源不断吸收重金属至体内，吸收重金属的植物生物质烧制为活性炭，重金属不是粘结在碳结构上，而是镶嵌在植物碳纤维内，其联结结构无比稳固，生物炭内重金属负载量远远超过现有负载方式，具备更高的电容和光催化能力。
在一种优选的实施方式中，湿地植物6生长过程添加鼠李糖脂或聚天门冬氨酸中一种或其组合，优选鼠李糖脂和天门冬氨酸组合使用，促进植物体内重金属的富集，使得植物体内重金属达到植物能够承受的最高浓度。鼠李糖脂和天门冬氨酸具有良好的生物相容性和生物降解性，鼠李糖脂为水溶性生物表面活性剂，可通过乳化、增溶作用促进土壤等吸附的重金属的溶出，便于植物吸收；而天门冬氨酸具有鳌合活化重金属离子能力，可将土壤等吸附的重金属溶出，同时还兼具其他螯合剂所不具备的可有效促进植物生长的优势。我们发现，将两者以设定比例混合，可使植物对重金属获得有效富集。
优选的，鼠李糖脂的添加量在待处理流域水中的浓度为1～20mg/l，聚天门冬氨酸的添加量在待处理流域水中的浓度为1～25mg/l。
在本发明的一种优选的实施方式中，500-1000cm处铺设第二层填料14，第二层填料14为土壤、天然沸石、石灰石的混合填料，混合比例为1:(2～3):(0.5～1)，优选为1:2:0.5。
沸石是含水多孔硅铝酸盐的总称，其结晶构造主要由(sio)四面体组成。al3+和si4+作为构架离子和氧原子一起构成了沸石分子的整体框架，部分si4+为al3+取代，导致负电荷过剩，同时沸石构架中有一定孔径的空腔和孔道，决定了其具有吸附和离子交换的性质，其对氨氮的吸附和重金属的吸附固定相较于其他矿石原料有更大的优势。
石灰石同样存在较多的孔隙结构，因而可对重金属起到有效的吸附，同时石灰石可对水体的酸碱性起到有效的调节作用，对上层填料中植物生长以及水体中微生物的繁殖起到至关重要的作用(聚磷菌多在ph5～ph9下繁殖，硝化细菌和反硝化细菌多在ph6.0～ph8.5下繁殖)。同时，石灰石对氟离子有较强的吸收，有效降低水体中氟的含量。
土壤的存在同样为人工湿地中湿地植物6提供支撑；同时，研究表明，由于土壤中存在黏粒矿物、氧化物和土壤有机质等，土壤对重金属有富集倾向，使得其对重金属离子的吸附能力不容小觑。
经过大量的实验研究，本发明中选择第二层填料14中土壤、天然沸石、石灰石的混合比例为1:(2～3):(0.5～1)，在此范围内，可实现大部分重金属的吸附固定和对水体的酸碱度调节。如果土壤比例增加，由于其吸附重金属吸附效果弱于天然沸石和石灰石，降低了重金属吸附能力；反之，可能影响植物生长的营养储备。如果天然沸石增加，对重金属的吸附增强，相应的土壤或石灰石量下降，同样对植物生长或水体酸碱度调控造成威胁。同样地，石灰石比重的增加对水体酸碱度调控有利，但相应降低了其他组分的效力；反之，水体酸碱度的调控不能迅速有效进行，进而影响微生物的功能活动。
在进一步优选地实施方式中，第二层的填料13的粒径为0.08-0.1cm，相当于或低于第一层填料13中功能型生物炭的粒径，且相当于或高于第三层填料15的粒径。此粒径范围的选择考虑到气体流通和总金属吸附两者的协调；粒径低于0.08cm时，虽然促进了对重金属的吸附，但由于堆积密度增大，空气流通降低，不利于第三层填料15区域中投放的聚磷菌的聚磷过程；粒径高于0.1cm时，促进了空气流通，但相应的重金属吸附能力较0.08cm时有明显的降低。
在本发明的一种优选的实施方式中，1000-1500cm处铺设第三层填料15，第三层填料15为粉煤灰分子筛、弗洛里硅藻土和生物炭的混合填料，混合比例为1:(3～4):(1～1.5)，优选为1:3:1。
本发明中以粉煤灰分子筛、弗洛里硅藻土和生物炭此三种具有多孔隙的填料在垂直潜流人工湿地深层进行重金属吸附。三者的共同特点是孔隙度高，便于微生物的挂膜生长。其中，采用粉煤灰作为分子筛是基于粉煤灰的主要成分与分子筛的主要成分相近，且粉煤灰目前是作为废弃物处理，由于其包含cr、hg、as和pb等重金属离子，对空气、水源、土壤等都造成了污染，将其作为分子筛，利用其阳离子交换特性和孔道结构，可实现重金属的吸附，且使得废弃污染源可得到有效利用。
生物炭由于大表面积，同样具有优异的重金属吸附能力。
弗洛里硅藻土相较于普通硅藻土孔容大、比表面积大、重金属和有机污染物的吸附性更强。特别地，弗洛里硅藻土具有深度效应，即在深层过滤时，分离过程只发生在介质的“内部”，部分穿过弗洛里硅藻土表面的比较小的杂质粒子，被硅藻土内部曲折的微孔构造和内部更细小的孔隙所阻留，当微粒撞到通道的壁上时，才有可能脱离液流；弗洛里硅藻土的这种性质有利于细菌微生物在此区域的较长时间滞留，便于微生物的投放。
由于粉煤灰分子筛、弗洛里硅藻土和生物炭对不同的重金属具有不同的吸附优势，设定粉煤灰分子筛、弗洛里硅藻土和生物炭的混合比例为1:(3～4):(1～1.5)，在提高各重金属离子吸附的同时，可利于微生物投放。
在一种优选的实施方式中，粉煤灰分子筛、弗洛里硅藻土和生物炭的粒径为0.05-0.08cm。由于上述三种填料孔隙度高，在此小粒径范围内，有利于对重金属离子的吸附，且便于微生物的挂膜生长。
在一种优选的实施方式中，第三层填料15区域内投放聚磷菌以其聚磷能力降低待净化流域水中磷含量。所述聚磷菌选自不动杆菌属(acinetobacter)、气单胞菌属(aeromonas)、假单胞菌属(pseudomonas)中一种或多种，优选为假单胞菌pseudomonaalcaligenes。
在需氧条件下，聚磷菌以游离氧为电子受体氧化细胞内贮存的β-羟丁酸(phb)，利用该反应产生的能量，过量地从水中摄取磷酸盐合成高能物质三磷酸腺苷(atp)，其中一部分供给细菌合成和维持生命活动，一部分则合成聚磷酸盐蓄积在细菌细胞内。在厌氧条件下，聚磷菌在分解体内聚磷酸盐的同时产生atp，聚磷菌在厌氧条件下释放出磷，其好氧聚磷量大于厌氧释磷量，故通过聚磷菌的投放可有效控制流域水中磷含量。
在本发明的一种优选的实施方式中，1500-2000cm处铺设第四层填料16，第四层填料16为鹅卵石、生物炭的混合填料，混合比例为1:(1～2)，优选为1:1。鹅卵石同样具有重金属吸附能力，与生物炭配合，对重金属进行协同吸附作用。
在进一步优选地实施方式中，第四层填料16的粒径为0.30-0.50cm，较大粒径的填料使得填料间具有较大的间隙，便于投放的微生物的流通。由于第三层填料15的粒径较小，在一定程度上限制了微生物进入第四层填料16，若第四层填料16的粒径同样减小，聚磷菌不能有效往返于第三、四层填料，不利于聚磷—释磷的进行。
在更进一步优选地实施方式中，所述第四层填料16为缺氧或厌氧环境，在第四层填料16中投加有厌氧反硝化细菌，优选为异养厌氧反硝化细菌。
反硝化细菌能够使no3-逐步转变为no2-、no、n2o和n2，脱离水体体系，从而达到脱氮的目的。流域水中本身存在一定的硝化细菌和反硝化细菌，本发明中加入设定量的反硝化细菌，可进一步促进流域水中脱氮效率。
在更进一步优选地实施方式中，所述第四层填料16中还投加有聚磷菌，聚磷菌在厌氧条件下释磷，此条件下的释磷可促进其在第三层填料区域的好氧条件下更好的聚磷。
为了实现和保持第四层填料的缺氧或厌氧环境，第三层填料15与第四层填料16之间填充极性高聚物聚苯胺膜。极性高聚物聚苯胺膜具有透水不透气的独特功能，可使得第三层填料15和第四层填料16间进行水和微生物的流通，但是防止了上层含氧气体进入第四层填料16，保证了厌氧反硝化细菌和聚磷菌在此区间的生命活动。
植物的生长需要适当量的磷肥和氮肥，磷肥中磷和氮肥中氮以酸根离子形式被植物吸收，但是，每年施入土壤中的肥料只有部分被当季作物吸收利用，其余被土壤固定，形成大量酸盐沉积，造成土壤板结。流域中水可能富含氮、磷，两者以有机磷、有机氮或者无机磷、无机氮的形式存在，有机磷、有机氮在垂直潜流人工湿地中分解为无机磷、无机氮和短碳链，形成的无机磷、无机氮也多以酸根离子形式存在于水体中。若氮、磷含量超过植物所需，必定影响土壤的状况，同样造成酸盐沉积、土壤板结。因而，本发明人经过大量研究，确定了在垂直潜流人工湿地中设置好氧区(第一、二和三层填料区)和厌氧区(第四层填料区)，通过投放聚磷菌和反硝化细菌，有效解决氮、磷过量的问题。
上述第一层填料13、第二层填料14、第三层填料15和第四层填料16的厚度均为500cm，填料总厚度为2000cm；其为各填料层的优选厚度，以有效实施各层的功能。第一层填料13的厚度可以为100～700cm，第二层填料14的厚度可以为300～700cm，第三层填料15的厚度可以为200～600cm，第四层填料16的厚度可以为100～600cm。
本发明的另一目的在于提供一种流域水资源利用污染物防控装置，以有效控制引入农田的流域水中的污染物含量，该装置包括建造在流域护岸4～10米处的依次连接的水解池1、纳米曝气池2和垂直潜流人工湿地3；
所述水解池1将浮萍、水藻等水生植物进行粉碎和酸化消解，传输上清液至纳米曝气池2中；
纳米曝气池2接收水解池1的上清液，对上清液中的有机物进行降解，将长碳链有机物降解为短碳链有机物，并传输降解后的上清液至垂直潜流人工湿地3，为垂直潜流人工湿地3中微生物提供碳源；
垂直潜流人工湿地3中引有纳米曝气池2中上清液和流域水，并使水体进入铺设于垂直潜流人工湿地3中的一层或多层填料使其中的污染物得到降解或脱除，将处理后的流域水输送至农田中。
在一种优选的实施方式中，浮萍和水藻等水生植物可打捞自流域水，水解池1内还装有搅拌机8，使得浮萍或水藻等水生植物得以粉碎，加快酸化消解过程；优选地，处理后的水解池1的上清液cod高于200mg/l。
在一种优选的实施方式中，在纳米曝气池2下部设置曝气盘10，通过曝气盘10向纳米曝气池2中通入含氧气流体。进一步的，通入的含氧气流体为纳米气泡水。所述纳米气泡水为含有100～500nm尺寸的微小气泡的水或水溶液，其溶氧量达到10～25mg/l。
在一种优选的实施方式中，纳米曝气池2内投加活性污泥，活性污泥与通入纳米曝气池2中流域水的重量比为1:7，实现对有机物的高效率分解和颗粒物沉降。优选地，纳米曝气池2内还投加有微生物，所述微生物为戴尔福特菌属delftiasp.。
在一种优选的实施方式中，垂直潜流人工湿地3中由上至下铺设有四层填料：
第一层填料13进行重金属吸附和有机物的降解；
第二层填料14进行重金属吸附固定；
第三层填料15进行重金属吸附并通过在此区域内投放聚磷菌以其聚磷能力降低待净化流域水中的磷含量；
第四层填料16进行重金属吸附，通过构建厌氧环境使得聚磷菌在此区域内脱磷，以促进其在第三层填料15区域内的聚磷能力，并通过投放厌氧反硝化细菌降低待净化流域水中的氮含量。
具体地，第一层填料13为土壤和功能型生物炭的混合填料，混合比例为3:(6～8)，优选为3:7，填料的粒径为0.10-0.30cm，填料厚度为100～700cm。
第二层填料14为土壤、天然沸石、石灰石的混合填料，混合比例为1:(2～3):(0.5～1)，优选为1:2:0.5，填料的粒径为0.08-0.1cm，填料厚度为300～700cm。
第三层填料15为粉煤灰分子筛、弗洛里硅藻土和生物炭的混合填料，混合比例为1:(3～4):(1～1.5)，优选为1:3:1，填料的粒径为0.05-0.08cm，填料厚度为200～600cm。
第四层填料16为鹅卵石、生物炭的混合填料，混合比例为1:(1～2)，优选为1:1，填料的粒径为0.30-0.50cm，填料厚度为100～600cm。
本发明中，各填料层中不同物料的比例为重量比。
在一种优选的实施方式中，垂直潜流人工湿地3(第一层填料上)内种植湿地植物6，所述湿地植物6为西伯利亚鸢尾和再力花。优选地，湿地植物6生长过程向垂直潜流人工湿地3中加入鼠李糖脂或聚天门冬氨酸中一种或其组合，优选鼠李糖脂和天门冬氨酸组合使用，促进植物体内重金属的富集，使得植物体内重金属达到植物能够承受的最高浓度。
在一种优选的实施方式中，第三层填料与第四层填料之间填充极性高聚物聚苯胺膜，在第三层填料区域内投加聚磷菌，在第四层填料区域内投加反硝化细菌和聚磷菌。
本发明中，垂直潜流人工湿地3在沿其长度方向的两侧设置有进水管和出水管，进水管和出水管上均设置有控制阀门。进水管向第一层填料13内部通入废水，出水管汇集由第四层填料16流出的水体。同时打开进水管和出水管的阀门，人工湿地为垂直下行流运行模式。垂直下行流运行模式大大增加了废水与空气的接触面积，有利于氧的传输，提高了氮磷净化处理效果，且废水从表面由上到下竖向流至填料床底，废水在流动过程中依次经过不同的介质层，从而达到对重金属和悬浮物的净化。
在本发明中，除了建造水解池1、纳米曝气池2和垂直潜流人工湿地3的成套装置以外，还对河道中的流域水进行了预处理，所述预处理为向河道内流域水中投加反硝化细菌，优选为好氧反硝化细菌如alicaligenesfaecalis或thiosphaerapantotropha等。
优选地，河道内流域水中反硝化细菌浓度为50-100亿个/g，仅在采用流域水灌溉时接种一次即可。反硝化细菌特别是好氧反硝化细菌的加入必然会对待处理的流域水起到进一步的净化作用，同时好氧反硝化细菌与垂直潜流人工湿地投入的厌氧反硝化细菌协同作用，促进水体的净化。
本发明中，由于在垂直潜流人工湿地中种植了湿地植物西伯利亚鸢尾和再力花，其对重金属有极为优异的富集效果，因而可通过该湿地植物进行功能型生物炭的制备，制得的功能型生物炭可作为填料回用于垂直潜流人工湿地。
本发明的一种优选的实施方式中，功能型生物炭的制备包括以下步骤：
步骤1)，破碎植物体，进行碳化，得到活性炭；
步骤2)，将活性炭进行活化处理，得到活化后活性炭；
步骤3)，将活化后活性炭进行还原处理，得到功能型生物炭。
在步骤1)中，根据需要将整株植物体破碎至3-5mm长度。
在加热容器如管式马弗炉内充满氩气，使之成惰性环境，升高加热容器内温度至1200℃后，将破碎的植物体颗粒放置入管式马弗炉中，保持1200℃120min，200min内从1200℃降低至20℃，将生物质碳化。
在步骤2)中，用蒸馏水对活性炭进行清洗，至洗后水清亮为清洗标准。向洗后的活性炭中加入30-50％重量浓度的氯化锌至液面高过活性炭，搅拌，微波辐射设定时间后，25℃浸泡过夜，即为活化。对活化后活性炭进行清洗至中性，干燥，备用。
活化使得步骤1)碳化生成的生物油脱离活性炭内部孔隙，防止生物油堵塞活性炭内部孔隙，降低吸附和光催化效果。
活化过程中，采用300w-700w微波辐射20～30min。
在步骤3)中，将活化后活性炭烘干，在低温的环境下滴加硼氢化钠溶液还原活性炭中金属离子至低价态，如还原亚铁离子为零价铁。优选地，滴加的同时用振荡器以100～140转/分振摇，促进活化反应的进行。硼氢化钠溶液的浓度为10mmol/l～30mmol/l。
用蒸馏水清洗活性炭后烘干，待冷却至室温后将还原处理后的活性炭，装满容器并密封，置于烘箱中，在180～680℃温度下加热10～60分钟，冷却至室温即制得功能型生物炭(也即原位自还原负载型活性炭)。
植物在生长过程中源源不断吸收重金属至体内，吸收重金属的植物生物质烧制为活性炭，重金属不是粘结在碳结构上，而是镶嵌在植物碳纤维内，其联结结构无比稳固，生物炭内重金属负载量远远超过现有负载方式，生物炭活化后，其表面灰分焦油被清除，金属离子暴露出来，经过硼氢化钠还原，成为负载重金属的活性炭，不但具备活性炭本身调控城市水力、为土壤增加肥效、养分固持以及改善微生物生境的性能，同时具备电容、催化的功能。
实施例
实施例1流域水资源利用污染物防控方法
如图1所示，设置依次连接的水解池、纳米曝气池和垂直潜流人工湿地，采用流域水中打捞的浮萍、水藻，在水解池中粉碎后酸化消解，在水解池上清液cod高于200mg/l后将水解池上清液输入至纳米曝气池中，纳米曝气池中通过微生物delftiasp和纳米气泡水将长碳链有机物的降解为短碳链有机物，纳米曝气池中溶氧量保持在4～6mg/l，纳米曝气池出水与流域水以1:15混合后输入垂直潜流人工湿地内，垂直潜流人工湿地为垂直下行流运行模式。
垂直潜流人工湿地中设置四层填料，0-500cm处第一层填料为土壤和功能型生物炭的混合填料，混合比例为3:7，填料粒径为0.10-0.30cm，其上种植有湿地植物西伯利亚鸢尾和再力花；500-1000cm处第二层填料为土壤、天然沸石、石灰石的混合填料，混合比例为1:2:0.5，填料粒径为0.08-0.1cm；1000-1500cm处第三层投加聚磷菌pseudomonaalcaligenes，第三层填料为粉煤灰分子筛(河南铭泽环保科技有限公司，13x分子筛)、弗洛里硅藻土和生物炭的混合填料，混合比例为1:3:1，填料粒径为0.05-0.08cm；1500-2000cm处第四层投加厌氧反硝化细菌及聚磷菌pseudomonaalcaligenes，第四层填料为鹅卵石、生物炭的混合填料，混合比例为1:1，填料粒径为0.30-0.50cm；第三层填料与第四层填料之间填充极性高聚物聚苯胺膜(根据“王辉.电化学合成聚苯胺薄膜光电性能的研究[j].西安交通大学学报,1999,(08):107-108”合成得到)。
实施例2～18
已与实施例1相同的方式，实施流域水资源利用污染物控制方法，同样通过水解池、纳米曝气池和垂直潜流人工湿地进行污染物调控，区别如下表1所示。
表1
实验例
通过测定处理前后水中重金属、codcr、总磷、总氮含量、ph值，对实施例1～18中污染物控制方法的效果进行评价，结果如表2所示。
评价用水采集自河流中水，向水中加入pb(no3)2、zn(no3)2、na3po4、nano3，使得水中pb的浓度为1.27mg/l，zn的浓度为5.88mg/l，总p含量为4.86mg/l，总n含量为10.33mg/l，codcr为107mg/l，ph为7.16；将处理后的水直接通入人工湿地中，进水速率为2.5l/min，出水速率为2.5l/min，处理时间为12h，测定12h后出水水质。
表2
由表2可知，第一层填料中功能型生物炭比例的下降，主要影响对重金属和cod值的降低；而填料尺寸变小，利于重金属的吸附，可能因为影响空气进入水中，降低了微生物脱磷、脱氮能力；填料尺寸变大，促进微生物脱磷、脱氮，磷、氮含量下降；但对重金属的吸附也产生了一定的不利影响。
第二层填料中，天然沸石比例的下降，主要影响对重金属的吸附和固定，使得处理后体系中重金属含量较高；石灰石比例的下降使得体系中ph调节受到影响，微生物的脱磷脱氮效率降低，使得水中总氮、总磷含量较高；而填料粒径的下降，可明显提升的对重金属的吸附，但是由于气体流通受阻，对cod和总氮、总磷的调控不利。
第三层填料中，弗洛里硅藻土有利于微生物存在，且促进微生物脱磷、脱氮，随着其比例的下降，脱磷脱氮效果有所下降；而生物炭由于优异的吸附性能，去除后对重金属水平有一定影响；而填料粒径的下降，可明显提升的对重金属的吸附。
第四层填料中，活性炭相较于鹅卵石具有更高的重金属吸附性，因而用鹅卵石取代活性炭会使重金属水平略有升高；填料粒径的降低增强了吸附性能，但是堆积紧密，不利于微生物脱磷脱氮活动，因而随第四层填料粒径下降，总磷、总氮水平略有升高。
厌氧反硝化细菌和聚磷菌分别有脱氮和脱磷功能，向水中不投加该两种细菌后，水体中总氮、总磷量分别有明显的提升。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前”“后”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上结合具体实施方式和/或范例性实例以及附图对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。