专利名称：农田生态干渠－人工湿地水质改善与生态系统重建方法
技术领域：
本发明属水、废水或污水的生物处理技术领域，特别涉及用植物等对高负荷的城郊与农田面源污水中N、P等富营养化物质的削减处理技术。
背景技术：
随着农业化肥用量的不断增加，农田生态系统中氮含量和氮的流失也在不断增加，给农业环境管理和氮肥的有效利用带来了很大的风险(严登华，2001；张水龙，1998；杨林章，2002；杨金玲，2003；夏立忠，2003；徐琪，1998；曹凑责，1998；Cao，1996；Ekholm，2000；Sharpley，1999)，氮肥的大量流失会加剧受纳地表水体的富营养化趋势或者增加地下水的硝酸盐含量等，许多学者对此纷纷表示关注(石登荣，2000；李荣刚，2000；陈荷生，2001；金相灿，2001；郭红岩，2004；高超，2000，2001；Carpenter，1998)。研究表明，农田中氮的流失主要是通过地表径流或渗漏进行的(苑韶峰，2004)。马立珊等(1997)采用点面结合方法对太湖平原水网地区的大面积试验表明，农业的面源负荷与农田排水和渗漏损失紧密相关，农业面源氮素污染负荷量随年降水量和灌溉量的增加而增大。晏维金等(1999)也得出类似结论。面源污染已成为世界各国的一种主要污染源。在美国，60％的水环境污染是由面源污染造成，其中农业面源污染占了75％左右.在我国，随着对点源污染控制的重视及治理能力的提高，面源污染已成为影响水体环境质量的一个重要因素。过量使用化肥是产生面源污染的主要原因.太湖流域的化肥使用量已从80年代中期的400kg/hm2左右增加到90年代末的800kg/hm2(高超，2002)，几乎翻了一番，而氮肥的利用率只有25～35％(李世鹃，2001)、磷肥的利用率为10～20％。20～25％当季使用的氮肥将随降雨径流和渗漏排入沟渠(黄漪平，2001；徐谦，1996)。在滇池入湖污染负荷中，农村面源还没有得到有效控制，农业面源污染的氮、磷贡献率已超过50％(段永蕙，2003)。
为了节约土地资源和因地制宜地开展面源污染控制，很多学者在治理面源污染时，开发了沟渠湿地系统。由于排水沟渠系统具有排水和湿地生态系统的双重功效，沟渠湿地系统在面源污染治理上被广泛应用。姜翠玲等人在南京浦口一条宽20～30m，长600m的天然沟渠湿地研究了沟渠湿地对农业非点源污染物的净化能力，结果表明沟渠湿地可通过底泥截留吸附、植物吸收和微生物降解净化农田排水汇集的非点源污染物，芦苇(Phragmites communis)和茭草(Zizanialatifolia)是长江下游地区沟渠中自然生长的两种主要挺水植物，能有效吸收N、P营养成分，是湿地净化非点源污染物的主要机制.芦苇和茭草收割以后，每年可带走463～515kg/hm2的N和127～149kg/hm2的P，相当于当地213～312hm2农田流失的氮肥、113～310hm2农田流失的磷肥(姜翠玲，2004，)。杨林章等(2005)针对太湖流域农田非点源污染严重的现状，结合当地实际情况提出了一种新的生态工程学解决方法生态拦截型沟渠系统，它主要由工程部分和植物部分组成，能减缓水速，促进流水携带颗粒物质的沉淀，有利于构建植物对沟壁、水体和沟底中逸出养分的立体式吸收和拦截，从而实现对农田排出养分的控制。试验区沟渠植物具有一定的经济价值，且景观效果良好。目前绝大部分沟渠湿地(包括生态沟渠、生态拦截沟等)仅仅停留在处理农田排水的层面上，而对于由生活污水和地表径流构成的混合污水很难达到净化效果。因此，开发研究针对村镇、农田混合污水的沟渠净化系统很有应用和推广价值。
发明内容
本发明的目的是，根据我国的实际情况，提供一种将城郊村镇的生活污水及少量工业废水，在与农田排水混合排放后的综合水质强化净化和生态系统重建技术。
本发明的技术解决方案为一种农田生态干渠-人工湿地水质改善与生态系统重建方法，其特征在于将城郊村镇的生活污水及少量工业废水汇集，汇集的污水(I)依次流经粗格栅(1)，沉砂池(2)，细格栅(3)，水解池(4)预处理后，流向农田生态干渠(5)，与农田排水(F)在农田生态干渠(5)中混合、净化处理之后，经集水生物塘(7)调控水量，并流入人工湿地(8)中进一步强化净化。
本发明水质强化净化的原理如下村镇生活污水、少量工业废水组成的混合污水(I)先经粗格栅(1)去除一些形体比较大的固体垃圾；再经过布设了人工水草的沉砂池(2)，其目的是沉降混合污水中的悬浮物质，这个过程中，人工水草表面的生物膜还将吸收、吸附一些污染物质，降低部分污染物质的浓度；再经过用微生物固定化的生物膜载体，利用微生物来降解污染物；过细格栅(3)；再经过一个水解池(4)，其目的就是加速反硝化反应过程，促进脱氮；预处理过的村镇生活污水和少量工业废水流入农田生态干渠(5)中，经过设在农田生态干渠(5)中的生物拦截坝，生物拦截坝中充填的介质填料包括煤渣、粉煤灰、木炭、竹炭、沸石、碎石和陶粒等。干渠沟底复填的介质填料表面还零星种植一些水生植物，利用生物拦截坝上的生物膜和植物的吸收、吸附作用来降解污染物质浓度。预处理过的村镇生活污水和少量工业废水与农田排水(F)在农田生态干渠(5)中混合、净化处理之后，经过多节的生物拦截坝以及沟底栽种的植物区后，混合污水再进入一个集水生物塘(7)，集水生物塘(7)由干渠拓宽挖深而成，集水生物塘(7)中种植一些沉水和挺水植物，为了防止高温季节水体发生“水华”现象，集水生物塘(7)内还放养一些滤食性鱼类，滤食性鱼类主要为鲢鱼和鳙鱼。设计集水生物塘(7)的另一目的是在干旱季节储水，以保证人工湿地有稳定可靠的水源。经过集水生物塘(7)收集的水再由泵提升至人工湿地(8)中进行深度净化，人工湿地根据生态干渠周边可利用的农田荒废土地建设，或者在干渠末端利用小片土地建设。人工湿地中种植多种水生植物，包括挺水植物、浮水植物和沉水植物。生态干渠沟壁表面还可以种植一些景观植物，如花卉、小型木本植物、灌木植物等。
这种在生态干渠中以一定间隔放置生物拦截坝与水生植物的方式造成了水中光照、溶解氧等环境条件的交替变化，相当于多个好氧/厌氧环境的串联，有利于微生物对流水中氮、磷等营养物质的生物降解。农田生态干渠-人工湿地在上述效果的联合作用下，可以有效的降解村镇生活污水、少量工业废水以及农田排水的污染物质。根据实际工程设计需要，可以在不同处理单元设计水位调节板。在水体污染程度很重的情况下，还可以在生物拦截坝上投入微生物，以便水体得到最佳的净化。
本发明的优点是，建设后的农田生态干渠-人工湿地系统不影响地表径流和生活污水以及农田排水畅通，还对村镇污水和农田排水组成的高负荷混合污水具有很强的净化作用，并且重建的生态系统可以恢复沟渠湿地的生物多样性。在昆明滇池流域的工程实例显示对氮磷等营养物质的削减率为40～90％，对有机物(COD)的削减率不小于56％，对氨氮的削减率不小于50％。
本方法中提及的农田生态干渠和人工湿地，是在原有农田泄洪干渠以及农田中的一些零星荒地中构建，不占用宝贵的农田可耕地资源。本方法设计简单，施工方便，成本低廉，运行管理与维护简单易行，水质净化效果好，且能明显改善生态环境。由于我国绝大多数的湖泊流域都存在“村镇-农田-河流-湖泊”的格局方式，因此，农田生态干渠-人工湿地水质改善与生态系统重建方法可以很好地净化“村镇-农田”的高负荷混合污水，恢复沟渠湿地的生物多样性，而且具有极其广泛的推广应用价值。
四
图1为农田生态干渠-人工湿地水质改善与生态系统重建的结构示意图。图中(1)为粗格栅，(2)为沉砂池，(3)为细格栅，(4)为水解池，(5)为农田生态干渠，(6)为农田支渠，(7)为集水生物塘，(8)为人工湿地，(I)为村镇污水，(F)为农田排水；图2为农田生态干渠(5)的横截面示意图，图中(9)为砾石层区，(10)为竹炭拦截坝区，(11)为人工土滤料床区，(12)为挡水闸门，(A-A)为原始沟底平面，(W)为水流方向。
五具体实施例方式
典型实施例滇池北岸大清河流域中段是居民区-农业区构成的混合区，该区内没有修建专门的污水管网，农村生活污水及少量小型企业的废水直接排向村周边的排水支沟或者排水干渠，最终，由生活污水、小企业排放的废水、地表径流、垃圾等产生的污水以及农田排水形成的混合污水经干渠排向大清河中。支沟渠改造为排灌和复合污水净化功能的生态沟渠，使得水质得到改善，但是要使水质达到景观用水和农灌水质标准，有必要改造和生态重建农田干渠和泵站，将支沟-干渠—泵站连为一体，形成完整的排灌-混合污水净化系统。
利用现有排灌干渠、荒废土地进行农田生态干渠-人工湿地水质改善与生态系统重建改造，工程规模为干渠总长度550m，可利用湿地面积约为230m2，整个农田生态干渠-人工湿地水质改善与生态系统重建系统如附图1所示。
1.沉砂池施工要求和参数沉砂池(2)直接接纳经过粗格栅的城镇混合污水，沉砂池深1.25m(以原始沟底平面A-A为参照，高出干渠沟底10cm，低于干渠沟底部分深115cm)，长20m，宽4.0m。沉砂池中布设微生物(包括光合微生物、硝化和反硝化细菌，比例大致为2∶1∶1)固定化的纤维基人工水草。
2.水解池施工要求和参数水解池(4)长5m，宽2m，深2.25m(以原始沟底平面A-A为参照，高出干渠沟底10cm，低于干渠沟底部分深215cm)，水解池墙体采用砖砌结构，砖墙用水泥砂浆抹面，水解池用钢筋混凝土预制板盖顶，在水解池的前端预留一个直径约为15cm的圆孔为充气口。水解池比后续的干渠内置砾石床和生物竹炭拦截坝标高要高10cm，利于水解池的水能够直接流向生物竹炭拦截坝。水解池的内部用砖墙在中间将水解池的上部分割成两部分，让进入水解池的水能经过水解池的底部后再出水，水解池用水泥预制板盖顶。
3.农田生态干渠施工要求和参数农田生态干渠(5)的横截面示意图参见附图2，干渠总长495m，沟底均宽1.5m，深1.0m。连接水解池(4)之后的一段(15m)采用砾石(夹带少量废弃的石膏，比例约为3∶1)垫高20cm，形成砾石层区(9)；砾石层区(9)之后的一段(10m)采用20cm厚的生物竹炭坝垫高。之后的8m将原干渠下挖10cm，然后用生物竹炭坝垫高10cm。接下来的20m，采用下挖原干渠的方法，然后用生物竹炭坝垫与原沟底等高，形成一段长约38m的竹炭拦截坝区(10)。
竹炭拦截坝区(10)后的全部干渠沟底深挖10cm，并立即复填10cm厚的人工土层，形成人工土滤料床区(11)。人工土采用粗砂、砾石与本地土以及其它填料混合而成，在人工土滤料床表面靠近沟壁的两边零星种植一些植物，植物可选择马蹄莲、慈菇、水葱、灯心草、水芹、伞草、竹节草、木贼，种植密度大于0.5m×0.5m。
生态干渠的沟壁用相距1.0m的木桩固定竹篱，防止斜坡土壤下滑。沟壁种植灌木柳和四倍体黑麦草。预留的农田排水口用砖块砌成，并设置挡板和竹篱格栅。
4.集水生物塘施工要求和参数集水生物塘(7)长35m，宽4.0m，以原始沟底平面A-A为参照，深2.0m。整个集水生物塘都种植植物，周边为茭白或香蒲、水葱，种植密度为0.5m×0.5m，放养鲢鱼鱼苗3.2kg，鳙鱼鱼苗1.0kg，中间种植沉水植物，有马莱眼子莱，黑藻等。
5.垂直流人工湿地施工要求和参数整个湿地系统(8)利用4块并联的垂直流人工湿地构成，每块垂直流湿地由两块下行池人工湿地(水流方向至上向下)构成。垂直流人工湿地各池子都采用砖砌成(18墙)，池底采用混凝土(50标号)(厚100mm)铺底，并用水泥砂浆抹平。整个湿地系统沿着水流方向的坡度为0.6％，下行池-1系列深度为0.55m，下行池-2系列深度为0.65m。当农田生态干渠(5)的标高比湿地系统高时，需要采用泵提升进水，整个湿地系统最大负荷为200～300m3/d.。
整个复合人工湿地表面采用无土栽培的方式栽种植物，栽种的植物分别为美人蕉(红、黄、橙)、再力花、灯心草、鸢尾草、水葱、香蒲等。
收集垂直流人工湿地周边出水的集水沟用砖砌成，表面抹水泥砂浆，集水沟宽0.5m，从南到北(出水口)，即从湿地4到湿地1的方向，沟底坡度为2％，收集到的人工湿地出水可流入蓄水井并直接达标排放。
权利要求
1.一种农田生态干渠-人工湿地水质改善与生态系统重建方法，其特征在于将城郊村镇的生活污水及少量工业废水汇集，汇集的污水(I)依次流经粗格栅(1)，沉砂池(2)，细格栅(3)，水解池(4)预处理后，流向农田生态干渠(5)，与农田排水(F)在农田生态干渠(5)中混合、净化处理之后，经集水生物塘(7)调控水量，并流入人工湿地(8)中进一步强化净化。
2.如权利要求1所述农田生态干渠-人工湿地水质改善与生态系统重建方法，其特征在于农田生态干渠(5)中依次设有砾石层区(9)、竹炭拦截坝区(10)和人工土滤料床区(11)。
全文摘要
一种农田生态干渠－人工湿地水质改善与生态系统重建方法，其特征在于将汇集的村镇生活污水及少量工业废水经预处理后流入农田生态干渠，与农田排水混合、净化处理之后，经集水生物塘调控水量并流入人工湿地中进一步强化净化。本发明的优点是重建后污水处理生态系统不影响地表径流和生活污水以及农田排水畅通，还对生活污水和农田排水组成的高负荷混合污水具有很强的净化作用，重建的生态系统还可以恢复沟渠湿地的生物多样性。
文档编号C02F3/32GK1951841SQ20061009784
公开日2007年4月25日 申请日期2006年11月15日 优先权日2006年11月15日
发明者吴永红, 胡正义, 杨林章 申请人:中国科学院南京土壤研究所