具有除氮磷功能的干湿交替污水灌溉系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有除氮磷功能的干湿交替污水灌溉系统，其特征在于：包括：灌溉系统（1）和设置于所述灌溉系统（1）内的排污系统（2）；所述排污系统（2）包括从上到下依次设置于斗渠（5）内的进污水区（21）、碳源层（22）、厌氧层（23）、排污反应层（24）、过滤层（25）、支架层（26）和出净水区（27）；所述斗渠（5）设置有坡度，所述排污系统（2）的坡度与所述斗渠（5）的坡度相同，所述进污水区（21）设置有若干分段水闸（28）。本发明提供的一种具有除氮磷功能的干湿交替污水灌溉系统，设计合理，有效除氮磷，成本低，可在现有的灌溉渠道上改造，节约了土地，适合广泛推广应用。
【专利说明】具有除氮磷功能的干湿交替污水灌溉系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有除氮磷功能的干湿交替污水灌溉系统，属于水利工程【技术领域】。
【背景技术】
[0002]全国年排污量约为350亿立方米，但城市污水集中处理率仅为16%，全国超过80%的城市污水未经任何有效的收集处理就直接排放到附近的水体，生活废水中氨氮排放量占到了总排放量的近80%。
[0003]国务院和环保部颁布的《全国地下水污染防治规划》(2011-2020年)，我国部分地区长期利用污水灌溉，对农田及地下水环境构成危害，农业区地下水铵态氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮(二者统称硝态氮)超标和有机污染日益严重。
[0004]目前污水处理厂实际运转率低，运行管理费用高昂，我国污水处理厂运行状况为1/3运行正常、1/3不正常、1/3处于闲置状态，污水处理厂的实际运转率只能达到50%。
[0005]部分市民片面认为氮可以增加作物养分，对氮的污染缺乏高度重视，实际上，污水中含有的有机氮化物，它们通过土壤不仅直接污染地下水，而且在细菌微生物参与下，经氨化，亚硝化和硝化作用后，以铵态氮、有机氮、亚硝酸盐与硝酸盐形式污染地下水。
[0006]若以I公升污水可分解出110毫克硝酸盐计，500万吨污水分解出550吨硝酸盐，如这些硝酸盐全部渗入地下后，可使I亿吨地下水的硝酸盐含量增加5.5毫克/升。近几年来平均每年升高数据为10毫克/升。长期饮用含高浓度硝酸盐的水，会使人畜中毒，尤其对婴幼儿和孕妇带来严重危害，引发“蓝婴儿综合征”。
[0007]目前，处理水污染方法有物理、化学、生物方法。其中，化学方法有化学药剂杀藻、加铁盐促磷沉淀、加入石灰脱氮等；物理方法有疏挖底泥、引水冲淤、机械除藻等；生物方法有氧化塘、人工湿地等。以上这些生态水体修复技术主要用来处理河道的水环境问题，不能应用于灌区渠道。
【发明内容】
[0008]本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有污水处理能力的灌溉系统，保证灌溉水质，减轻农田环境污染，修复农田生态；进一步地，本发明模拟水田系统，利用排污系统在灌溉期和非灌溉期自然形成的干湿交替的特点来除去氮磷；在节约成本的同时有效地处理水体富营养化的问题；更进一步地，本发明利用秸杆做碳源和过滤层，综合利用灌溉田内的秸杆，秸杆易得，成本低；更进一步地，本发明可在现有的灌溉渠道上改造，进一步节约了土地，并在输水过程中即实现除污；还有本发明的厌氧层的膨胀材料为热膨胀系数大的材料，利用热胀冷缩原理为厌氧细菌创造缺氧条件。
[0009]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为:
一种具有除氮磷功能的干湿交替污水灌溉系统，其特征在于:包括:灌溉系统和设置于所述灌溉系统内的排污系统；所述灌溉系统包括干渠、支渠和若干斗渠，所述支渠与所述干渠连通处设置有支渠分水闸，若干所述斗渠均与所述支渠相连通，所述斗渠上设置有若干用于灌溉农渠的取水口，所述排污系统设置于所述斗渠内，所述取水口处设置有用于调节水体使之适于灌溉的调节装置。
[0010]所述斗渠的结构都是梯形结构，四周均为衬砌。
[0011 ] 所述排污系统位于所述取水口的上游。
[0012]所述调节装置包括碳酸钙包和补气泵。
[0013]所述排污系统包括从上到下依次设置于所述斗渠内的进污水区、碳源层、厌氧层、排污反应层、过滤层、支架层和出净水区；所述斗渠设置有坡度，所述排污系统的坡度与所述斗渠的坡度相同，所述进污水区设置有若干分段水闸。
[0014]每隔25m布置一块分段水闸，调节水位，排污反应层上部布置秸杆投放区补充除污反应所需碳源。
[0015]所述排污反应层为渗透系数大于0.005cm/s的土壤，所述土壤内混合有铁粉；所述碳源层为秸杆；所述厌氧层由透水的膨胀材料制成；所述过滤层为秸杆；所述支架层为透水的混凝土支撑网架。
[0016]碳源层的秸杆作为碳源，为硝化反应和反硝化反应提供碳源；并且能够防止水冲刷下层(即排污反应层)的土壤；就地取材，天然环保且易得。
[0017]膨胀材料为热膨胀系数大的材料，利用热胀冷缩原理为厌氧细菌(包括硝化细菌和反硝化细菌)创造厌氧环境，铺设一层，此处的热膨胀系数大的材料保证在灌溉期热胀作用空隙变小，形成反硝化细菌可以反应的厌氧条件，这时降低氧气浓度就可以实现。
[0018]排污反应层为透水性强的普通土壤，加入少量铁粉(铁粉不易流失，能满足除磷要求)，灌溉期带负电的土壤易吸附带正电荷的金属离子，加入的铁粉，土壤中自带的铝离子、钙离子、镁离子和铁离子均可吸附磷酸根离子，进而除去磷。
[0019]隔板为不透水隔板，增加水流路径并起到支撑结构。
[0020]过滤层的秸杆具有过滤层作用。
[0021]支架层的混凝土结构为透水底座。
[0022]所述排污反应层设置有若干用于延长污水反应路径的隔板，所述隔板的宽度小于所述斗渠的宽度，若干所述隔板交互设置于所述斗渠的侧壁上。
[0023]所述排污系统的排污原理包括灌溉期反应原理和非灌溉期反应原理；
所述灌溉期反应原理为:
所述排污反应层为湿润状态，土壤为水分所饱和，呈还原状态，污水中的铵态氮是阳离子，极易被带负电的土壤胶体吸附，不易流失；在碳源层为土壤提供碳源；厌氧层提供缺氧的条件下，污水中的硝态氮在反硝化细菌的作用下经反硝化反应分解为氮气；另外，土壤中加入的铁粉通过铁接触法去除污水中的磷；
所述非灌溉期反应原理为:
所述排污反应层为干燥状态，土壤呈氧化状态，在碳源层为土壤提供碳源；厌氧层提供缺氧的条件下，土壤中的硝化细菌将土壤胶体吸附的铵态氮经硝化反应分解为硝态氮，硝态氮在反硝化细菌的作用下经反硝化反应分解为氮气；
经非灌溉期土壤自身生化反应后，土壤中的氮被分解去除，待灌溉期到来土壤湿润时，为吸附铵态氮提供条件，周而复始，如此往复，即利用土壤自身形成的干湿交替的特点来除去氣。
[0024]磷则是利用铁接触法去除后形成化学沉淀加以除去。
[0025]所述膨胀材料包括无机纤维材料，所述无机纤维材料的线膨胀系数为9-12 X 1-6/K。
[0026]所述取水口位于所述排污系统的下方，所述取水口处还设置有过滤挡板。
[0027]所述过滤挡板用于将磷酸铁等沉淀过滤。
[0028]所述坡度的角度为5~10°。
[0029]所述分段水闸将所述排污反应层划分为若干反应区，可以根据污水的受污染程度选择性地开启一个或多个所述分段水闸，也可以根据排污反应层各段的反应能力来选择性地开启与之匹配的分段水闸。
[0030]支渠放水后水流通过放置在斗渠中的排污系统得到净化，净化后的水用提水泵提到取水口中，并利用布置在取水口处的碳酸钙包和补气泵调节水体Ph值、含氧量，使之适于灌溉。
[0031]水稻灌区设计净灌水率为0.45-0.6m3/(s.万亩)(《农田水利学》第三版)，设计方案中取渠道长度L=1000m，控制面积500亩，渠道水力坡降i=0.01，渠道底宽1.7m，顶宽2.3m，高2.2m，渗透系数2*10_3cm/s，可保证灌水率为0.8m3/ (s.万亩)，是平均设计灌水率的1.52倍。
[0032]本发明提供的一种具有除氮磷功能的干湿交替污水灌溉系统，排污系统的设置，使本发明具有污水处理能力，保证灌溉水质，减轻农田环境污染，修复农田生态；本发明模拟水田系统，利用排污系统在灌溉期和非灌溉期自然形成的干湿交替的特点来除去氮磷，在节约成本的同时有效地处理水体富营养化的问题；本发明利用秸杆做碳源和过滤层，综合利用灌溉田内的秸杆，秸杆易得，成本低；本发明可在现有的灌溉渠道上改造，进一步节约了土地，并在输水过程中即实现除污；还有本发明的厌氧层的膨胀材料为热膨胀系数大的材料，利用热胀冷缩原理为厌氧细菌创造缺氧条件；本发明合理地将利用化学、生物方法除氮磷，巧妙地将斗渠模拟设置成干湿交替的水田系统，利用秸杆提供生物反应所需的碳源，利用膨胀材料提供生物反应所需的缺氧条件，利用加入土壤中的铁粉及土壤中自吸附的金属离子除磷，有效地除去了污水中的氮磷，使灌溉水符合灌溉要求。本发明提供的一种具有除氮磷功能的干湿交替污水灌溉系统，设计合理，有效除氮磷，成本低，可在现有的灌溉渠道上改造，节约了土地，适合广泛推广应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的A-A向剖视图；
图3为本发明中灌溉系统的结构示意图；
图4为本发明除氮磷的原理图；
图5为本发明在前5天排污反应层2m深度处硝酸根浓度与COD浓度变化曲线图；其中上面的曲线为硝酸根离子浓度变化线，下面的曲线为COD在土壤中浓度随时间的变化线。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0035]如图1~5所示一种具有除氮磷功能的干湿交替污水灌溉系统，其特征在于:包括:灌溉系统I和设置于所述灌溉系统I内的排污系统2 ;所述灌溉系统I包括干渠3、支渠4和若干斗渠5，所述支渠4与所述干渠3连通处设置有支渠分水闸6，若干所述斗渠5均与所述支渠4相连通，所述斗渠5上设置有若干用于灌溉农渠7的取水口 8，所述排污系统2设置于所述斗渠5内，所述取水口 8处设置有用于调节水体使之适于灌溉的调节装置。
[0036]所述调节装置包括碳酸钙包和补气泵。
[0037]所述排污系统2包括从上到下依次设置于所述斗渠5内的进污水区21、碳源层22、厌氧层23、排污反应层24、过滤层25、支架层26和出净水区27 ;所述斗渠5设置有坡度，所述排污系统2的坡度与所述斗渠5的坡度相同，所述进污水区21设置有若干分段水闸28。
[0038]所述排污反应层24为渗透系数大于0.002cm/s的土壤，所述土壤内混合有铁粉；所述碳源层22为秸杆；所述厌氧层23由透水的膨胀材料制成；所述过滤层25为秸杆；所述支架层26为透水的混凝土支撑网架。
[0039]所述排污反应层24设置有若干用于延长污水反应路径的隔板29，所述隔板29的宽度小于所述斗渠5的宽度，若干所述隔板29交互设置于所述斗渠5的侧壁上。
[0040]所述排污系统2的排污原理包括灌溉期反应原理和非灌溉期反应原理；
所述灌溉期反应原理为:
所述排污反应层24为湿润状态，土壤为水分所饱和，呈还原状态，污水中的铵态氮是阳离子，极易被带负电的土壤胶体吸附，不易流失；在碳源层22为土壤提供碳源；厌氧层23提供缺氧的条件下，污水中的硝态氮在反硝化细菌的作用下经反硝化反应分解为氮气；另外，土壤中加入的铁粉通过铁接触法去除污水中的磷；
所述非灌溉期反应原理为:
所述排污反应层24为干燥状态，土壤呈氧化状态，在碳源层22为土壤提供碳源；厌氧层23提供缺氧的条件下，土壤中的硝化细菌将土壤胶体吸附的铵态氮经硝化反应分解为硝态氮，硝态氮在反硝化细菌的作用下经反硝化反应分解为氮气。
[0041 ] 所述膨胀材料包括无机纤维材料，所述无机纤维材料的线膨胀系数为9-12 X 1-6/K。
[0042]所述取水口 8位于所述排污系统2的下方，所述取水口 8处还设置有过滤挡板。
[0043]所述坡度的角度为5-10°。
[0044]所述分段水闸28将所述排污反应层24划分为若干反应区。
[0045]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种具有除氮磷功能的干湿交替污水灌溉系统，其特征在于:包括:灌溉系统(1)和设置于所述灌溉系统(1)内的排污系统(2):所述排污系统(2)包括从上到下依次设置于斗渠(5)内的进污水区〔20、碳源层〔22\厌氧层〔23\排污反应层〔24\过滤层〔25\支架层(26)和出净水区(27)；所述斗渠(5)设置有坡度，所述排污系统(2)的坡度与所述斗渠(5 )的坡度相同，所述进污水区(21)设置有若干分段水闸(28^
2.根据权利要求1所述的具有除氮磷功能的干湿交替污水灌溉系统，其特征在于:所述灌溉系统(1)包括干渠(31支渠(4)和若干所述斗渠(5),所述支渠(4)与所述干渠(3)连通处设置有支渠分水闸(6),若干所述斗渠(5)均与所述支渠(4)相连通，所述斗渠(5)上设置有若干用于灌溉农渠(7)的取水口(8)，所述排污系统(2)设置于所述斗渠(5)内，所述取水口(8)处设置有用于调节水体使之适于灌溉的调节装置。
3.根据权利要求2所述的具有除氮磷功能的干湿交替污水灌溉系统，其特征在于:所述调节装置包括碳酸钙包和补气泵。
4.根据权利要求1所述的具有除氮磷功能的干湿交替污水灌溉系统，其特征在于:所述排污反应层(24)为渗透系数大于0.005^/8的土壤，所述土壤内混合有铁粉；所述碳源层(22)为秸杆；所述厌氧层(23)由透水的膨胀材料制成；所述过滤层(25)为秸杆；所述支架层(26)为透水的混凝土支撑网架。
5.根据权利要求1或4所述的具有除氮磷功能的干湿交替污水灌溉系统，其特征在于:所述排污反应层(24)设置有若干用于延长污水反应路径的隔板(29),所述隔板(29)的宽度小于所述斗渠(5)的宽度，若干所述隔板(29)交互设置于所述斗渠(5)的侧壁上。
6.根据权利要求1所述的具有除氮磷功能的干湿交替污水灌溉系统，其特征在于:所述排污系统(2)的排污原理包括灌溉期反应原理和非灌溉期反应原理； 所述灌溉期反应原理为: 所述排污反应层(24)为湿润状态，土壤为水分所饱和，呈还原状态，污水中的铵态氮是阳离子，极易被带负电的土壤胶体吸附，不易流失；在碳源层(22)为土壤提供碳源；厌氧层(23)提供缺氧的条件下，污水中的硝态氮在反硝化细菌的作用下经反硝化反应分解为氮气；另外，土壤中加入的铁粉通过铁接触法去除污水中的磷； 所述非灌溉期反应原理为: 所述排污反应层(24)为干燥状态，土壤呈氧化状态，在碳源层(22)为土壤提供碳源；厌氧层(23)提供缺氧的条件下，土壤中的硝化细菌将土壤胶体吸附的铵态氮经硝化反应分解为硝态氮，硝态氮在反硝化细菌的作用下经反硝化反应分解为氮气。
7.根据权利要求4所述的具有除氮磷功能的干湿交替污水灌溉系统，其特征在于:所述膨胀材料包括无机纤维材料，所述无机纤维材料的线膨胀系数为9-12 X 10—6#。
8.根据权利要求2所述的具有除氮磷功能的干湿交替污水灌溉系统，其特征在于:所述取水口(8)位于所述排污系统(2)的下方，所述取水口(8)处还设置有过滤挡板。
9.根据权利要求1所述的具有除氮磷功能的干湿交替污水灌溉系统，其特征在于:所述坡度的角度为5-10°。
10.根据权利要求1所述的具有除氮磷功能的干湿交替污水灌溉系统，其特征在于:所述分段水闸(28)将所述排污反应层(24)划分为若干反应区。
【文档编号】E02B13/02GK104480919SQ201410588551
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年10月28日 优先权日:2014年10月28日
【发明者】朱泽, 顾雯, 蔡庆拟, 罗晓丽, 郝梦茹, 胡涛, 邹珊, 陈喜 申请人:河海大学