一种改土调水农田重金属移出系统的构建方法与流程

本发明涉及农田土壤重金属污染修复技术领域，特别涉及一种改土调水农田重金属移出系统的构建方法。

背景技术：

中国属于严重缺水的国家之一，加之经济飞速发展和人口基数增加，及工农业从业人口素质低与监管执法不严或缺失，使本缺少的地表水资源污染严重，更加剧了水资源短缺，成为污染型缺水的国家。

据农业部土壤环境监测调查显示，在我国24个省市发展较快的320个重点污染区中，大田农作物污染超标的农产品种植面积占监测调查总面积的20％；其中重金属含量超标的农产品产量与面积约占污染物超标农产品总量与总面积的80％以上，尤其是pb、cd、hg、cu及其复合污染最为突出。污灌区土壤中镉、镍、锌和铜的含量超标，平均含量分别为65.31mg/kg、1196.64mg/kg、2799.25mg/kg和145.78mg/kg，分别是国家土壤环境二级标准的108.85、19.94、9.33和1.46倍。小麦、水稻籽粒中镉污染最严重，小麦平均含量为2.55mg/kg，是国家食品卫生标准的25.5倍，镍、铬和锌含量分别是国家食品卫生标准的12.98、6.12和1.32倍。为确保国家耕地红线及农产品质量与安全，农田土壤重金属污染修复技术亟待研究。

目前，土壤重金属污染的修复技术根据采用方法多种多样，其中效果较好的是：通过向农田施用石灰、矿渣等碱性物质，或钙镁磷肥等碱性肥料，可减少农作物对重金属的吸收，化学修复的效果比较理想而且费用不大，但稳定性不强，重金属始终存于土壤中，存在重金属再度活化的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种农田土壤重金属污染修复技术领域，能够将农田土壤中的重金属逐渐移除，有效避免重金属二次活化，能够将去除重金属后的土壤积液及地表径流液用于灌溉，避免土壤积液养分流失和节约水资源。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种改土调水农田重金属移出系统的构建方法，具体的构建步骤为：

1)农田土体重构

首先，将田块的耕作层剥离，再剥离剩余的有效土层；其次，若剥离后为黏土层，平整后用粗砂铺在黏土层的表面形成水分通道层，若剥离后非黏土层，需碾压土体、平整后在表面铺撒一层碱性沉淀剂，再用粗砂铺在其表面形成水分通道层；最后，先回覆预先剥离的有效土层在水分通道层的表面，再回覆预先剥离的耕作层在有效土层的表面；

2)构建双层排水沟

在田块开挖形成双层排水沟，沟底浇筑混凝土抹平后形成不透水沟底，两侧的沟壁从底部向上用无砂混凝土浇筑形成透水沟壁，所述透水沟壁与水分通道层连接，所述透水沟壁的上端用混凝土浇筑形成平行于所述不透水沟底的不透水沟体隔层，所述沟体隔层将双层排水沟分割为下层的积液排水沟及上层的径流排水沟，所述沟体隔层两侧的上表面用混凝土浇筑形成不透水沟壁，所述双层排水沟的上端搭设有可拆卸的双层排水沟盖板，所述双层排水沟盖板设有若干漏水孔；

3)构建处理池

在双层排水沟的水流方向末端构建地埋式的积液处理池，所述处理池与所述积液排水沟连通，池身为混凝土结构，池顶设置有可拆卸的处理池盖板，所述处理池盖板与所述双层排水沟的沟体隔层位于同一高程面；

4)构建搅拌池

构建地埋式连通所述处理池出水口的搅拌池，池身为混凝土结构；

5)构建沉淀池

构建地埋式连通所述搅拌池出水口的沉淀池，池身为混凝土结构；

6)构建蓄水池

构建敞口式的蓄水池，所述蓄水池与所述双层排水沟的截流沟及沉淀池的出水口连通，池身为混凝土结构；

7)构建碱性沉淀剂自动添加装置

在所述处理池内安装沉淀剂自动添加装置，沉淀剂自动添加装置包括设置于积液排水沟末端下方的水车、与水车通过第一传动轴连接的沉淀剂添加轮、设置于沉淀剂添加轮上方的沉淀剂放置箱，沉淀剂添加轮的外周开设有若干添加槽，沉淀剂放置箱的下端开设有一个与添加槽相匹配的添加口，沉淀剂放置槽内添加有碱性沉淀剂；

8)构建风力搅拌装置

贯穿所述搅拌池上方的田面安装有风力搅拌装置，所述风力搅拌装置包括设置于所述搅拌池内的搅拌器、与所述搅拌器通过第二传动轴连接且设置于田块表面上端的叶轮；

9)构建灌溉系统

在所述蓄水池内布设水泵，所述水泵连通田块上的灌溉系统。

通过采用上述技术方案，土壤中的重金属离子通过下渗作用下渗到粗砂水分通道层，到达不透水层后不再下渗，并且通过水分通道层水平迁移至双层排水沟的积液排水沟内，地表径流汇入到双层排水沟的径流排水沟内，最终通过截流沟汇入蓄水池内，积液排水沟内的积液流向水车的一端，部分流入水车，部分直接流入处理池，带动水车转动，水车通过第一传动轴带动沉淀剂添加轮转动，添加槽转动到与添加口相对时，碱性沉淀剂落入添加槽，随水槽转动将碱性沉淀剂添加到引水槽，处理池的水向引水槽流动带动碱性沉淀剂流向搅拌池，风力带动风力搅拌装置搅拌，搅拌后混有碱性沉淀剂的水流入沉淀池，水中的重金属以阳离子的形式存在，碱性沉淀剂溶于水后形成阴离子，在沉淀池内水中的重金属阳离子与碱性沉淀剂形成的阴离子发生反向形成沉淀，当沉淀池内的积液达到一定水位时便会流入到蓄水池内；需要灌溉时，通过蓄水池内的水泵输水至田块的灌溉系统进行灌溉。

本发明的进一步设置为：所述处理池、搅拌池、沉淀池呈阶梯递降连接。

本发明的进一步设置为：所述耕作层的厚度为15～20cm,所述有效土层的厚度为40～60cm，所述水分通道层的厚度为15～20cm，所述水分通道层与所述透水沟壁的厚度及高程均相同。

本发明的进一步设置为：所述碱性沉淀剂为生石灰。

本发明的进一步设置为：所述田块上安装的水泵供电为的风力发电装置，风力发电装置包括风力发电机及蓄电池。

本发明的进一步设置为：所述双层排水沟双层排水沟盖板呈倒v字形且漏水孔开设于双层排水沟盖板靠近不透水侧壁的两侧。

本发明的进一步设置为：所述添加槽的数量与所述水槽的数量相同且位置沿第一传动轴长度方向一一对应。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

其一、本装置能够将农田内的重金属通过土壤水多级、多次的去除，逐渐将农田内的重金属移除，有效避免重金属二次活化；

其二、双层排水沟由积液排水沟与径流排水沟构成，将积液与地表径流分开排出，防止由于降雨导致水流过大影响积液重金属的去除，同时可将地表径流收集后用于灌溉；

其三、沉淀池内去除重金属后的积液和地表径流的水源可作为作物灌溉水循环利用，有效地避免了土壤养分的流失。

附图说明

图1本发明的结构示意图；

图2沉淀剂添加轮与沉淀剂放置槽关系的剖视图；

图3水车与沉淀剂添加轮的连接关系图；

图4风力搅拌装置结构示意图；

图5田块与双层排水沟结构的剖视图。

图中：1、田块；11、水分通道层；12、有效土层，13、耕作层；2、双层排水沟；21、不透水沟底；22、透水沟壁；23、不透水沟壁；24、不透水沟体隔层；25、积液排水沟；26、径流排水沟；3、双层排水沟盖板；31、漏水孔；41、水车；42、第一传动轴；43、沉淀剂添加轮；44、沉淀剂放置槽；45、添加槽；46、添加口；47、处理池盖板；5、处理池；7、搅拌池；8、风力搅拌装置；81、搅拌器；82、第二传动轴；83、叶轮；9、沉淀池；10、蓄水池；101、截流沟；102、水泵；103、风力发电装置。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例，一种改土调水农田重金属移出系统的构建方法，参照图1-5，具体的构建步骤为：

1)农田土体重构

首先，将田块的耕作层13剥离20cm，再剥离剩余的厚度50cm的有效土层12；其次，若剥离后为黏土层，平整后用粗砂铺在黏土层的表面20cm形成水分通道层11,黏土层有较好的不透水性，可有效防止积液下渗，若剥离后非黏土层，需碾压土体、平整后在表面铺撒一层碱性沉淀剂，再用粗砂铺在其表面20cm形成水分通道层11，防止压实后依然有水下渗，向下渗透的积液经过碱性沉淀剂后重金属离子形成沉淀，可减少碱性重金属流入江河湖泊的量；最后，先回覆预先剥离的有效土层12在水分通道层11的表面，再回覆预先剥离的耕作层13在有效土层12的表面。

2)构建双层排水沟

在两块田块1之间开挖形成双层排水沟2，若耕作时田面起垄，垄朝向双层排水沟2，更便于地表径流流向双层排水沟2，沟底浇筑混凝土抹平后形成不透水沟底21，两侧的沟壁从底部向上用无砂混凝土浇筑形成透水沟壁22，所述无砂混凝土壁中的水泥用量为200kg/m3，骨料为粒径为15mm的砾石，透水沟壁22与水分通道层11连接，水分通道层11与透水沟壁22的厚度及高程均相同,透水沟壁22的上端用混凝土浇筑形成一层平行于不透水沟底21的不透水沟体隔层24，不透水沟体隔层24将双层排水沟2分割为下层的积液排水沟25及上层的径流排水沟26，不透水沟体隔层24两侧的上表面用混凝土浇筑形成不透水沟壁23，双层排水沟2的上端搭设有一个可拆卸的双层排水沟盖板3，双层排水沟盖板3开设有若干漏水孔31，双层排水沟盖板3呈倒v字形且漏水孔31开设于双层排水沟盖板3靠近不透水沟壁23的两侧。

3)构建处理池

在双层排水沟2的水流方向末端构建一个地埋式的处理池5，处理池5与积液排水沟25连通，池身为混凝土结构，池顶设置有一块可拆卸的处理池盖板47，处理池盖板47与不透水沟体隔层24位于同一高度平面。

4)构建搅拌池

构建一个地埋式连通引流池5出水口的搅拌池7，池身为混凝土结构。

5)构建沉淀池

构建一个地埋式连通搅拌池7出水口的沉淀池9，池身为混凝土结构。

6)构建蓄水池

构建一个敞口式的蓄水池10，蓄水池10与双层排水沟2的径流排水沟26及沉淀池9连通，径流排水沟26通过截流沟101将地表径流汇入蓄水池10，池身为混凝土结构。

7)构建碱性沉淀剂自动添加装置

在引流池5内安装沉淀剂自动添加装置，沉淀剂自动添加装置包括一个设置于积液排水沟25末端下方的水车41、一个与水车41通过第一传动轴42连接的沉淀剂添加轮43、一个设置于沉淀剂添加轮43上方的沉淀剂放置箱，沉淀剂添加轮43的外周开设有若干添加槽45，添加槽45的数量与水槽的数量相同且位置沿第一传动轴42长度方向一一对应，水流带动水车41转动，水车41带动沉淀剂添加轮43转动，使得碱性沉淀剂的添加量能够随着水流量的改变而改变，有效确保添加合适的碱性沉淀剂，沉淀剂放置箱的下端开设有一个与添加槽45相匹配的添加口46，沉淀剂放置槽44内添加有碱性沉淀剂，碱性沉淀剂为生石灰。

8)构建风力搅拌装置

贯穿搅拌池7上方的田面安装有风力搅拌装置8，风力搅拌装置8包括一个设置于搅拌池7内的搅拌器81、一个与搅拌器81通过第二传动轴82连接且设置于田面上端的叶轮83。

9)构建灌溉系统

在蓄水池10内设置有一个水泵102，水泵102连通田块1上的灌溉系统(图略)，田块1上安装有一个为水泵102供电的风力发电装置103，风力发电装置103包括风力发电机及蓄电池(图略)。

其中，处理池5、搅拌池7、沉淀池9呈阶梯递降连接。

工作原理：土壤中的积液通过下渗作用下渗到粗砂水分通道层11，到达不透水层11后不再下渗，并且通过水分通道层水平迁移至双层排水沟2的积液排水沟25内，地表径流汇入到双层排水沟2的径流排水沟26内，最终通过截流沟流入蓄水池10内，积液排水沟25内的积液流向水车41的一端，部分流入水车41，部分直接流入引水池，带动水车41转动，水车41通过第一传动轴42带动沉淀剂添加轮43转动，添加槽45转动到与添加口46相对时，碱性沉淀剂落入添加槽45，随水槽转动将碱性沉淀剂添加到引水槽，处理池的水向引水槽流动带动碱性沉淀剂流向搅拌池7，风力带动风力搅拌装置8搅拌，搅拌后混有碱性沉淀剂的水流入沉淀池9，水中的重金属以阳离子的形式存在，碱性沉淀剂溶于水后形成阴离子，在沉淀池9内水中的重金属阳离子与碱性沉淀剂形成的阴离子发生反向形成沉淀，当沉淀池9内的积液达到一定水位时便会流入到蓄水池10内；需要灌溉时，启动蓄水池10内的水泵102，通过灌溉系统为田块1灌溉。

进行本系统的效果检测，其步骤如下：

普通田块及设置有重金属去除回灌系统田块的土壤在相同时段各取1kg，进行土壤中镉、镍、锌和铜的含量进行检测，每月检测一次，持续6个月，检测结果如下表：

由上表对比结果可以看出，设置有重金属去除回灌系统田块的重金属的含量随着时间的推移逐渐减少，而作为对比的普通田块的重金属的含量基本没有变化。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。