专利名称：一种农田氮磷面源污染控制与回收利用系统和方法
技术领域：
本发明涉及ー种农业环境保护领域，具体地说，涉及的是ー种农田氮磷面源污染的控制和回收利用技木。
背景技术：
随着对エ业废水和城市生活污水等点源污染的有效控制，农业面源污染已成为水环境污染的重要来源。其中，氮(N)、磷(P)污染是典型的一类农业面源污染，它是造成水体富营养化的主要物质。调查显示，在欧美国家，N、P污染已成为江河湖泊污染的第一大污染源，瑞典、荷兰、芬兰分别有60% 87%、40% 60%、50%以上来自农业面源污染，在我国 水体N、P污染的形势也非常严峻，有50%以上来自农业面源污染。农业N、P面源污染的主要途径有农田施肥、畜禽粪尿、生活污水等，其中，农田施肥的贡献最大。1978年以来，我国的化肥施用量急剧增长，从1990年的2590万砘增加到2007年的5108万吨，占全世界平均消费量的1/3，用量已接近400kg/hm2，远远超过国际上为防止水体污染而设置的225kg/hm2化肥使用安全上限。而且，化肥中营养元素N、P的流失严重，农作物对N、P的平均利用率仅为35%左右，约2/3的剰余部分通过地表径流、土壌渗滤进入水体，导致江河湖泊水体的富营养化。因此，解决农田N、P面源污染问题，对水体富营养化控制具有重要实际意义。控制农田N、P面源污染的主要方法有科学施用化肥、调整土地耕作方式、人工湿地技术，其中，人工湿地技术是ー种新型的N、P元素污染的过程控制手段。人工湿地技木通过模拟天然湿地的结构与功能，选择一定的地理位置与地形，通过利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用来实现对农田排水的浄化，阻止了农田N、P元素进入江河湖泊，有效防止了防止水体富营养化。而且，人工湿地技术具有N、P去除能力強、处理效果好、操作简单、维护和运行费用低等优点。公开号为CN101555071的发明专利是ー种人工湿地技术，提供了利用缓冲带控制平原感潮河网地区农田N、P面源污染的方法，包括选择缓冲带区域，缓冲带初歩整理，设置缓冲带布水系统，缓冲带植物选取与种植以及缓冲带水源导入。该发明具有简便实用、净化效果好、维护管理少的优点。但是，人工湿地技术仅仅实现了农田N、P元素的污染防治的目的，并没有实现N、P元素的资源化的目的。一般情况下，对于同一污染物的控制，优先选择资源化方案，其次才是治理方案。农田排水中的N、P元素虽然对水体是污染物，但是对农作物是必需的营养物质。农田排水中的N、P元素占施肥中N、P总量的2/3，将这部分营养物质回用至农田，可为农民节约2/3的肥料成本，还具有可观的经济意义。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种回收利用率高、节约成本的农田氮磷面源污染控制与回收利用系统和方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种农田氮磷面源污染控制与回收利用系统，其特征在干，该系统包括集水设施，吸附单元和蓄水设施，根据农田地表径流和地下径流的路径，从上游到下游依次设置集水设施、吸附单元和蓄水设施。所述的集水设施为具有容纳水的空间的水利设施，收集农田地表径流和地下径流水。所述的集水设施为具有集水功能的任意ー种设施，包括沟、渠、井或库等。集水设施可以根据农田具体情况新建，也可以利用现有的沟、渠、井、库，或其它具有空间容量的任何水利设施。当降雨量过大时，集水设施起到缓冲调节作用，防止地表径流越过吸附単元，未经吸附而直接排入后续设施。集水设施可以与吸附单元零距离构建，也可以近距离构建。所述的吸附单元为装填由吸附材料的槽，其形状为可装填吸附材料的任意形状，包括长方体形、弧状体形、圆壁体形或廊道体型；所述的吸附单元由多个装填不同吸附材料的槽串联组成，或者为装填有多种不同吸附材料的槽。农田径流或者来自集水设施的水流富含N、p元素，当通过吸附単元吋，吸附作用发生，N、P被截留，农田排水得到浄化。吸附材 料的最小用量为农田排水完毕时吸收材料尚未达到穿透点。根据农田的地表径流和地下径流，确定吸附单元的放置地点，保证全部径流或主要径流通过吸附単元。所述的吸附材料为能够吸附农田径流中N、P主要存在的物质形态的材料，而且吸附容量越大越好，吸附材料是分别吸附N、P的多种吸附剂，或者同时吸附N、P的一种吸附剂；吸附材料是天然或人工吸附剂及其改性衍生品，或者由原位土壌的改性获得。所述的吸附材料包括市售粒径分布为0. 02-2mm范围之间的改性硅藻土 N、P复合吸附剂，市售粒径分布为0. 5-5mm范围之间的有机-无机凹凸棒基高效氮磷复合吸附剂中的ー种或几种。降雨或灌溉时，农田水量盈余，形成地表径流和地下径流，同时溶解未被农作物利用的N、P元素。富含N、P元素的径流全部汇于集水设施，或部分汇于集水设施，其余直接进入吸附单元。所述的蓄水设施为任何可以将水储存起来的设施，包括沟、渠、井或库。浄化后的农田排水可以排入新建的蓄水设施，也可以排入已有的沟、渠、井、库，或其他任何形式的蓄水设施储存起来，作为回灌水备用，多余的排入江河湖泊。一种农田氮磷面源污染控制与回收利用系统的使用方法，其特征在于，根据农田地表径流和地下径流的路径，依次横向设置集水设施、吸附单元和蓄水设施，当降雨或灌溉吋，农田水量盈余，地表径流和地下径流汇于集水设施，集水设施中的水流继续下行，通过吸附单元，N、P被吸附，净化后的农田排水进入蓄水设施，多余的排入江河湖泊；农田回灌时，水流反向通过吸附単元，使其中N、P发生脱附作用，随水流进入集水设施，然后重新进入农田，被农作物吸收利用，实现了营养物质的回收利用。所述的农田回灌时集水设施中的回灌水通过传统的灌溉方式进行农田回灌，传统的灌溉方式包括泵或引流方式等。可以选取任ー种适宜的传统灌溉方法，从集水设施中汲水进行农田回灌，实现N、P元素的回收利用。对于农作物来说，此过程不仅具有补充水的功能，还具有补充肥料的功能，可以节约农民的肥料开支。当农田缺水需要灌溉时，蓄水设施中的回灌水反向通过吸附单元。未进入吸附单元前，灌溉水中N、P含量较低，因此，当流经吸附単元吋，N、P发生脱附作用，随水流进入集水设施。进入集水设施的回灌水中N、P含量较高。所述的集水设施与吸附单元相邻设置或间隔设置，使集水设施中的水全部通过吸附单元。集水设施中水的来源，除了反向通过吸附単元的回灌水外，还有富含N、P的地表径流和地下径流，也随汲水回灌至农田，为农作物吸收利用。这个过程构成了吸附单元前的物质循环，每循环一次汲水过程，N、P元素就经过农作物根系一次，N、P利用率和农作物产量随之提高。与此同时，水也完成了相同的循环过程，不仅提高了水的利用率，还充分利用了农田地下水源，并降低了地下水中N、P浓度，減少了农田地下水污染。根据物料衡算，在吸附单元之前N、P利用率越高,在集水设施中N、P浓度就越低,吸附单元的负荷越小。与现有技术相比，本发明具有以下优点I.不仅阻止了农田排水中N、P元素进入江河湖泊，有效防止了水体的富营养化，实现了污染防治的目的，而且还将排水中N、P元素回用至农田，被农作物吸收利用，实现了 资源化的目的。2.农田排水中的N、P元素约占施肥中N、P总量的2/3，将这部分营养元素回用至农田，能够为农民节约2/3的肥料成本，具有可观的经济意义。3.吸附作用是ー种速率大和效率高的物理化学反应，农田排水完毕时吸附材料尚未达到穿透点，当全部径流通过吸附单元时，意味着农田排水中N、P元素的浓度极低，接近于0，因此，本方法污染控制效率非常高。汲水回灌时N、P又逐渐脱附，井随水流回用至农田，被农作物吸收利用。按物料衡算，全部径流通过吸附单元时，农田排水中N、P元素回收率接近100%，因此，本方法N、P元素资源化效率非常高。在主要径流通过吸附単元的模式下，N、P元素的回收率接近主要径流与全部径流的比例。4.集水设施中水的来源，除了反向通过吸附単元的回灌水外，还有富含N、P的地表径流和地下径流，也随汲水回灌至农田，为农作物吸收利用。因此，本方法不仅提高了水的利用率，充分利用了农田地下水源，还降低了地下水中N、P浓度，減少了农田地下水污染。5.在吸附单元前，存在一个从集水设施汲水、灌溉、径流、下渗、回至集水设施的物质循环。每循环一次，N、P元素就经过农作物根系一次，N、P利用率随之提高，从而減少了后续处理负担。6.与其它N、P污染控制和灌溉技术相比，整个过程没有额外增加运行成本，具有免维护管理的优点。
图I为本发明的エ艺流程图；图2为实施例I中系统的示意图；图3为实施例2中系统的示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。如图I所示，农田I地表径流2和地下径流3的路径，如图I所示，根据地表径流2和地下径流3的路径，从上游到下游依次横向设置集水设施4、吸附单元5和蓄水设施6，当降雨7或灌溉时，农田水量盈余，地表水下渗8为地下水，地表径流2和地下径流3汇于集水设施4，集水设施4中的水流继续下行，通过吸附単元5，N、P被吸附，浄化后的农田排水进入蓄水设施6,多余水9排入江河湖泊；农田回灌时，水流反向通过吸附单元5,使其中N、P发生脱附作用，随水流进入集水设施4，然后重新回灌8进入农田，被农作物吸收利用，实现了营养物质的回收利用。实施例I本实施例适用于降雨量较小的地区(如图2所示)。以现有的干渠61作为蓄水设施，在农田I和干渠61之间，垂直于径流方向，开挖长20m、宽2m、深IOm的矩形沟，填入粒径分布为0. 02-2mm范围之间的改性硅藻土 N、P复合 吸附剂，构成吸附单元5。在吸附单元5之前挖深10m、半径为lm、间隔为5m的井群41，构成集水设施。地表径流产生时，无地表径流漫过吸附単元，全部汇集于井群41中，然后慢渗流过吸附単元。地下径流部分直接慢渗流过吸附単元，部分汇集于井群41中，然后慢渗流过吸附単元5。当流过吸附単元吋，N、P被吸附而不能随水流排出农田以外，N、P截留率为99%，浄化后的农田排水进入干渠61，降低了周边水体富养化现象发生的可能性，实现了污染控制的目的。在干渠出口处设水闸，农田和水闸之间的干渠为蓄水设施，溢流后排入河流。农田需要灌溉时，从集水井汲水并以滴灌方式进行回灌，水流从蓄水设施反向通过吸附単元，N、P发生脱附作用，随水流重新进入农田，被农作物吸收利用，资源化效率为
99%，实现了营养物质的回收利用的目的。集水设施中水的来源，除了反向通过吸附単元的回灌水外，还有富含N、P的地表径流和地下径流，也随汲水回灌至农田，为农作物吸收利用。这个过程构成了吸附单元前的物质循环，每循环一次汲水过程，N、P元素就经过农作物根系一次，N、P利用率提高20%，并且降低了集水井中N、P浓度，减小了后续处理的负荷。与此同时，水也完成了相同的循环过程，充分利用了农田地下水源，提高了水的利用率，还降低了地下水中N、P浓度，減少了农田地下水污染。本实施例实施效果1.阻止了农田排水中N、P元素进入周边水体，有效防止了水体的富营养化；2.实现了 N、P回用至农田，资源化率为99%;3.为农民节2/3的肥料成本，具有可观的经济意义；4.降低了农田地下水的N、P污染程度；5.充分利用了农田地下水源进行灌溉。6.与其它N、P污染控制和灌溉技术相比，整个过程没有额外增加运行成本，具有免维护管理的优点。实施例2本实施例适用于降雨量较大的地区(如图3所示)。以现有的小型水库62作为蓄水设施，在农田I和小型水库62之间，垂直于农田径流方向，开挖长30m、宽2m、深Sm的矩形沟，构成蓄水设施4。垂直于矩形沟开挖宽3m长40m深Sm的矩形沟，填入粒径分布为0. 5_5mm范围之间的有机-无机凹凸棒基高效氮磷复合吸附剂，构成吸附单元5。地表径流和地下径流，全部汇集于矩形沟中，然后快渗流过吸附単元。当流过吸附単元吋，N、P被吸附而不能随水流排出农田以外，N、P截留率为96%，净化后的农田排水进入小型水库，降低了周边水体富养化现象发生的可能性，实现了污染控制的目的。小型水库为蓄水设施，在出口处设水闸，溢流后排入河流。农田需要灌溉时，从集水井汲水并以喷灌方式进行回灌，水流从蓄水设施反向通过吸附単元，N、P发生脱附作用，随水流重新进入农田，被农作物吸收利用，资源化效率为96 %，实现了营养物质的回收利用的目的。集水设施中水的来源，除了反向通过吸附単元的回灌水外，还有富含N、P的地表径流和地下径流，也随汲水回灌至农田，为农作物吸收利用。这个过程构成了吸附单元前的物质循环，每循环一次汲水过程，N、P元素就经过农作物根系一次，N、P利用率提高20%，并且降低了集水井中N、P浓度，减小了后续处理的负荷。与此同时，水也完成了相同的循环过程，充分利用了农田地下水源，提高了水的利用率，还降低了地下水中N、P浓度，減少了农田地下水污染。本实施例实施效果1.阻止了农田排水中N、P元素进入周边水体，有效防止了水体的富营养化；2.实现了 N、P回用至农田，资源化率为96%;3.为农民节2/3的肥料成本，具有可观的经济意义；4.降低了农田地下水的N、P污染程度；5.充分利用了农田地下水源 进行灌溉。6.与其它N、P污染控制和灌溉技术相比，整个过程没有额外增加运行成本，具有免维护管理的优点。集水设施可以与吸附单元零距离构建，也可以近距离构建。根据农田具体情况，可以选取任ー种适宜的传统灌溉方法(包括渗灌、滴灌、喷灌等)，从集水设施中汲水进行农田回灌。
权利要求
1.一种农田氮磷面源污染控制与回收利用系统，其特征在干，该系统包括集水设施，吸附单元和蓄水设施，根据农田地表径流和地下径流的路径，从上游到下游依次设置集水设施、吸附单元和蓄水设施。
2.根据权利要求I所述的ー种农田氮磷面源污染控制与回收利用系统，其特征在干，所述的集水设施为具有容纳水的空间的水利设施，收集农田地表径流和地下径流水。
3.根据权利要求I或2所述的ー种农田氮磷面源污染控制与回收利用系统，其特征在于，所述的集水设施为具有集水功能的任意ー种设施。
4.根据权利要求I所述的ー种农田氮磷面源污染控制与回收利用系统，其特征在干，所述的吸附单元为装填由吸附材料的槽，其形状为可装填吸附材料的任意形状；所述的吸附单元由多个装填不同吸附材料的槽串联组成，或者为装填有多种不同吸附材料的槽，吸附材料的最小用量为农田排水完毕时吸收材料尚未达到穿透点。
5.根据权利要求4所述的ー种农田氮磷面源污染控制与回收利用系统，其特征在干，所述的吸附材料为能够吸附农田径流中N、P主要存在的物质形态的材料，而且吸附容量越大越好，吸附材料是分别吸附N、P的多种吸附剂，或者同时吸附N、P的ー种吸附剂；吸附材料是天然或人工吸附剂及其改性衍生品，或者由原位土壌的改性获得。
6.根据权利要求5所述的ー种农田氮磷面源污染控制与回收利用系统，其特征在干，所述的吸附材料包括市售粒径分布为0. 02-2mm范围之间的改性硅藻土 N、P复合吸附剂，市售粒径分布为0. 5-5_范围之间的有机-无机凹凸棒基高效氮磷复合吸附剂中的一种或几种。
7.根据权利要求I所述的ー种农田氮磷面源污染控制与回收利用系统，其特征在干，所述的蓄水设施为任何可以将水储存起来的设施，包括沟、渠、井或库。
8.ー种根据权利要求I所述的农田氮磷面源污染控制与回收利用系统的使用方法，其特征在于，根据农田地表径流和地下径流的路径，依次横向设置集水设施、吸附单元和蓄水设施，当降雨或灌溉吋，农田水量盈余，地表径流和地下径流汇于集水设施，集水设施中的水流继续下行，通过吸附単元，N、P被吸附，浄化后的农田排水进入蓄水设施，多余的排入江河湖泊；农田回灌时，水流反向通过吸附単元，使其中N、P发生脱附作用，随水流进入集水设施，然后重新进入农田，被农作物吸收利用，实现了营养物质的回收利用。
9.根据权利要求I所述的ー种农田氮磷面源污染控制与回收利用系统的使用方法，其特征在于，所述的农田回灌时集水设施中的回灌水通过传统的灌溉方式进行农田回灌。
10.根据权利要求I所述的ー种农田氮磷面源污染控制与回收利用系统的使用方法，其特征在于，所述的集水设施与吸附单元相邻设置或间隔设置，使集水设施中的水全部通过吸附単元。
全文摘要
本发明涉及一种农田氮磷面源污染控制与回收利用系统和方法，该系统包括集水设施，吸附单元和蓄水设施，根据农田地表径流和地下径流的路径，从上游到下游依次设置集水设施、吸附单元和蓄水设施。根据农田地表径流和地下径流的路径，依次横向设置集水设施、吸附单元和蓄水设施，当降雨或灌溉时，农田水量盈余，地表径流和地下径流汇于集水设施，集水设施中的水流继续下行，通过吸附单元，氮(N)、磷(P)被吸附，净化后的农田排水进入蓄水设施，多余的排入江河湖泊；农田回灌时，水流反向通过吸附单元，使其中N、P发生脱附作用，随水流进入集水设施，然后重新进入农田，被农作物吸收利用。与现有技术相比，本发明具有污染控制、回收利用、节约施肥成本等优点。
文档编号C02F1/28GK102786110SQ20121025153
公开日2012年11月21日 申请日期2012年7月19日 优先权日2012年7月19日
发明者靳强 申请人:上海交通大学