利用柳树强化削减农田面源污染效果的生态浅沟的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种利用柳树强化削减农田面源污染效果的生态浅沟，利用本实用新型构建的生态浅沟能够对农田面源污染中有机物、氮、磷等污染物的去除效果得以增强。本实用新型的利用柳树强化削减农田面源污染效果的生态浅沟，其尺寸为长0.5m—0.8m，宽0.4m—0.6m，高0.55m—0.75m，纵向从上至下分为三层，上层是由土壤和天然砂混合掺杂而成的土壤层，厚度为150mm——250mm；中层是加气块状砼填料层，厚度为100mm—200mm；下层是鹅卵石承托层，厚度为100mm—200mm；生态浅沟每层之间用土工布分隔；其中土壤层种植柳树。
【专利说明】利用柳树强化削减农田面源污染效果的生态浅沟
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种生态浅沟，更具体地说涉及一种利用柳树强化削减农田面源污染效果的生态浅沟，属于水污染治理【技术领域】。
【背景技术】
[0002]将农田排水沟渠进行生态改造后的生态浅沟，是农村空间纹理和环境生态系统中的重要元素，除了担负农田灌排水任务外，还利用内部土壤、微生物、动植物等形成的生态系统，达到削减农田排水和降雨形成的面源污染的目的。然而，多数草本植物生命周期短，在冬季低温下易死亡，同时微生物数量锐减，使得生态浅沟在冬季削减面源污染效果明显降低，在一年中运行效果不稳定。木本植物为多年生植物，木质部发达，生长速度较为稳定，利用木本植物代替草本植物种植于生态浅沟，以达到强化削减农田面源污染效果的目的，有利于生态浅沟在削减面源污染领域的应用和推广。
【发明内容】
[0003]本实用新型的目的是解决现有技术存在的问题与不足，提供一种利用柳树强化削减农田面源污染效果的生态浅沟，利用本实用新型构建的生态浅沟能够对农田面源污染中有机物、氮、磷等污染物的去除效果得以增强。
[0004]本实用新型是通过以下技术方案实现的:
[0005]本实用新型的利用柳树强化削减农田面源污染效果的生态浅沟，其尺寸为长0.5m—0.8m,宽0.4m—0.6m,高0.55m—0.75m,纵向从上至下分为三层，上层是由土壤和天
然砂混合掺杂而成的土壤层，厚度为150mm-250mm ;中层是加气块状轮填料层，厚度为
IOOmm一200mm ;下层是鹅卵石承托层，厚度为IOOmm—200mm ;生态浅沟每层之间用土工布分隔；其中土壤层种植柳树。
[0006]本实用新型的的利用柳树强化削减农田面源污染效果的生态浅沟，其进一步技术方案是所述的加气块状砼的粒径为2mm — 4mm。
[0007]本实用新型的的利用柳树强化削减农田面源污染效果的生态浅沟，其进一步技术方案还可以是所述的鹅卵石的粒径为5mm — 10mm。
[0008]本实用新型的的利用柳树强化削减农田面源污染效果的生态浅沟，其进一步技术方案还可以是所述的填料层底设取水样口。
[0009]与现有技术相比本实用新型具有以下有益效果:
[0010]本实用新型种植柳树的生态浅沟与种植美人蕉和菖蒲两种草本植物的生态浅沟相比，柳树的根系相对发达，植物根际的微生物数量明显增加，对污染物的去除效果最好。在试验时段内，柳树、美人蕉、菖蒲和对照组四种生态浅沟中，种植柳树的生态浅沟对有机物、总氮、总磷的去除率分别达到70.59%，53.46%, 70.67%，均高于其他三种；柳树生态浅沟中根际土壤的细菌总数浓度在(156 — 312) X IO4个《g—1范围内，亦高于美人蕉和菖蒲根际土壤的细菌总数浓度。同时本实用新型的构建方法简单方便，所使用的材料成本较低，具有很好推广应用能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是模拟生态浅沟装置图。
[0012]图1中:1-PVC板材；2_取水样口 ；3_ 土壤层；4_填料层；5_承托层；6_柳树种植区；7_排放口 ；
[0013]图2是不同生态浅沟对COD去除率对比图。
[0014]图3是不同生态浅沟对TN去除率对比图。
[0015]图4是不同生态浅沟对氨氮去除率对比图。
[0016]图5是不同生态浅沟对TP去除率对比图。
[0017]图6是柳树与草本植物根际细菌总数浓度对比图。
【具体实施方式】
[0018]实施例1:利用柳树强化削减农田面源污染效果的生态浅沟，包括以下步骤:
[0019]步骤1:以PVC板材为原材料模拟建造生态浅沟，尺寸为长0.6m,宽0.5m,高
0.65m，纵向从上至下分为三层:土壤层、填料层、承托层。土壤层由土壤和天然砂混合掺杂而成，厚度为200mm,用于种植、培育植物幼苗；填料层选用粒径2_—4mm的加气块状5仝，厚度为150mm ;承托层选用粒径为5mm—IOmm的鹅卵石,厚度为150mm。为防止互相混杂,生态浅沟每层之间用土工布分隔。
[0020]步骤2:选取生长状态良好的柳树种苗种植于土壤层，在适当光照、浇灌条件下培育40天,柳树生长状态良好。
[0021]图1为构建的生态浅沟装置图。配置模拟农田降雨径流的废水储存于蓄水箱，含有有机物、氮、磷等污染物，通过管道均匀喷洒至土壤层表面，进水管上安装阀门。在生态浅沟填料层底设取样口，采集的水样该生态浅沟的处理出水。
[0022]另建三个生态浅沟与上述装置相同，挑选生长阶段基本一致的两种草本植物的种苗(美人蕉、菖蒲)，分别种植于其中两个生态浅沟，第4个生态浅沟不种植物，为对照组。同样在适当光照、浇灌条件下培育40天，两种植物生长状态良好。用同样方法在每个生态浅沟的取水样口采集水样作为对比。
[0023]实施例2:利用柳树强化削减农田面源污染效果的生态浅沟如实施例1，其COD去除实施包括以下步骤:
[0024]步骤1:配置废水模拟农田降雨径流，含有有机物、氮、磷等污染物，其中有机物的质量体积比浓度(以化学需氧量COD计，下同)为116mg.L_\储存于蓄水箱。
[0025]步骤2:往生态浅沟内加入0.30m3模拟废水进行静态试验，并开始计时，于6h、24h、48h、72h时在4个取样口分别采集水样，存放于冰箱，于24小时内采用重铬酸钾法测定各水样的COD浓度。
[0026]图2考察了四种生态浅沟在不同取样时间时对COD的去除率。研究发现，在6h至72h的时间内，四种生态浅沟对COD的去除率均在一定范围内波动。72h时柳树、美人蕉、菖蒲、对照组生态浅沟的COD去除率依次为70.59%，57.35%，60.29%和39.71%。总体上看，柳树生态浅沟的去除效果明显优于另两种草本植物，而对照组对COD去除效果最差。[0027]废水中的有机物主要通过土壤过滤、填料吸附、微生物代谢和植物吸收等方式去除，受到土壤特性、微生物种类及数量，植物根系生长状况等多种因素影响。从结果看，各植物生态浅沟COD去除率均明显高于对照组生态浅沟，说明植物在有机物的去除中发挥重要作用。这是由于植物庞大的根系表面附着大量微生物，并由于根系输氧作用创造了利于好氧反应的微环境，促进了有机物质的好氧分解。在土壤、填料等初始条件相同的条件下，种植植物的种类对COD去除效果的影响也较大，柳树属于木本木质茎植物，木本植物的根茎有利于氧的传输，其根系比其他栽种的植物发达，泌氧能力强，可将植物通过光合作用产生的氧气更多地输送至根区，在这一区域大量有机物质可被好氧微生物分解利用，因此对COD去除率效果最为理想。
[0028]实施例3:利用柳树强化削减农田面源污染效果的生态浅沟如实施例1，其TN去除实施包括以下步骤:
[0029]步骤1:配置废水模拟农田降雨径流，含有有机物、氮、磷等污染物，其中总氮(记作TN，下同)的质量体积比浓度为58mg.ΙΛ储存于蓄水箱。
[0030]步骤2:往生态浅沟内加入0.30m3模拟废水进行静态试验，并开始计时，于6h、24h、48h、72h时在4个取样口分别采集水样，存放于冰箱，于24小时内采用碱性过硫酸钾消解光度法测定各水样的TN浓度。
[0031]图3考察了不同生态浅沟TN去除率随时间的变化。总体上看，四种生态浅沟对TN的去除率随时间逐渐增大，其中柳树生态浅沟的去除率最高，菖蒲次之，对照组的去除效果较差。本研究条件下，柳树、美人蕉、菖蒲、对照组生态浅沟72h时的COD去除率依次为53.46%, 30.85%, 32.28% 和 19.55%。
[0032]生态浅沟内氮素存在形式主要由有机态氮(尿素)、氨氮、硝态氮、亚硝态氮、N2O及溶解的N2。氮的去除机理较为复杂，主要通过挥发，土壤吸附、植物根系吸收和微生物硝化、反硝化等过程去除。各植物生态浅沟TN去除率均明显高于对照组生态浅沟，说明植物在生态浅沟脱氮中发挥重要作用，主要原因在于:植物本身会吸收利用各种形态的氮，尤其是无机氮，以其作为营养源；另外，植物庞大的根系表面附着大量微生物，并由于根系输氧作用创造了利于好氧反应的微环境，促进硝化作用的顺利进行。而种植不同植物的生态浅沟对TN去除率差别较大，与植物的特性及生长状态有关，柳树属于木本植物，须根旺盛，对氮的吸收能力强；且发达的根系可将植物通过光合作用产生的氧气更多地输送至根区，继而利用硝化细菌对有机氮、氨氮进行充分的硝化作用，离根面较远的区域即兼性厌氧区，靠反硝化细菌进一步进行反硝化作用，使氮素物质以氮气的形式释放到大气中。
[0033]实施例4:利用柳树强化削减农田面源污染效果的生态浅沟如实施例1，其氨氮去除实施包括以下步骤:
[0034]步骤1:配置废水模拟农田降雨径流，含有有机物、氮、磷等污染物，其中氨氮的质量体积比浓度为21mg.L_\储存于蓄水箱。
[0035]步骤2:往生态浅沟内加入0.30m3模拟废水进行静态试验，并开始计时，于6h、24h、48h、72h时在4个取样口分别米集水样,存放于冰箱,于24小时内米用纳氏试剂分光光度法测定各水样的氨氮浓度。
[0036]四种生态浅沟对氨氮的去除效果见图4。除柳树外，其余三种生态浅沟对氨氮的去除率随取样时间变化均有较大波动。在72h时，去除率最高的为柳树，其次为美人蕉，对照组去除率最低，去除率从高到低依次为50.99%, 48.51%, 41.09%和26.24%。
[0037]氨氮的去除机理与TN类似，主要通过挥发，土壤吸附、植物根系吸收和微生物硝化、反硝化等过程去除，因此其去除效果受到植物根系的吸收能力和微生物活性的影响很大。柳树相对发达的根系具有更强的营养元素吸收能力，且能聚集更多数量的微生物，因此其对氨氮的去除更有优势。在试验的前期(如图4中的6h，24h和48h)，几种生态浅沟的氨氮去除率出现上下波动现象，与有机氮的转化过程有关，氨氮是有机氮向无机氮转化过程中的中间产物，因此中间某个时间段氨氮数量短暂积累，出现去除率暂时下降的现象。
[0038]实施例5:利用柳树强化削减农田面源污染效果的生态浅沟如实施例1，其TP去除实施包括以下步骤:
[0039]步骤1:配置废水模拟农田降雨径流，含有有机物、氮、磷等污染物，其中总磷(记作TP，下同)的质量体积比浓度为5.4mg.ΙΛ储存于蓄水箱。
[0040]步骤2:往生态浅沟内加入0.30m3模拟废水进行静态试验，并开始计时，于6h、24h、48h、72h时在4个取样口分别米集水样，存放于冰箱，于24小时内米用钥铺抗分光光度法测定各水样的总磷浓度。
[0041]从图5可以看出，在研究时间段内，除对照组生态浅沟的TP去除率上下波动外，其余三种生态浅沟的TP去除率均稳步上升，而且，柳树对TP去除效果最为显著，优于其他三种生态浅沟。在72h时，柳树，美人蕉，菖蒲和对照组生态浅沟的TP去除率分别为70.67%，65.87%, 62.92% 和 41.88%。
[0042]磷主要通过土壤吸附、植物根系吸收和生物除磷等过程去除，因此其去除效果与植物根系和微生物的状态有关，微生物中具有除磷效果的是聚磷菌。磷对植物而言是重要的营养物质，进水中的磷一部分会被植物根系吸收。柳树的木质根茎结构对磷的需求量更大；同时这种结构有利于氧的传输，为聚磷菌提供生存空间和栖息地，利于聚磷菌通过生理作用过量吸收水中的磷，从而达到除磷的目的。基于这两个优势，柳树生态浅沟显示出更好的除憐效果。
[0043]实施例6:利用柳树强化削减农田面源污染效果的生态浅沟如实施例1，其根际细菌总数浓度实施包括以下步骤:
[0044]对三种植物根际土壤中的细菌总数浓度进行计数测定，包括以下步骤:
[0045]步骤1:样品采集
[0046]分别取三种植物根际处土壤，对每种植物在同一深度(各种植区土壤表面以下IOOmm处)的三个不同位置各取根际土壤50g，用灭菌后的研钵将三个样研碎后混匀，共150g。三种植物共得到3个植物根际土壤样，分别放入贴好标签的3个灭菌袋中，于5°C以下低温保存，12小时内测定。对柳树、美人蕉和菖蒲生态浅沟各取12个批次，各批次间间隔6h。
[0047]步骤2:菌悬液制备
[0048]称取采集到的三种植物根际土壤样品各10.0Og,分别加入到带玻璃珠的IOOmL无菌水中，在生物摇床上以200r.miiT1的转速振荡30min，得到三种菌悬液。用无菌移液器分别吸取三种菌悬液1.0mL各自加入到9.0mL无菌水中，得到稀释10倍的菌悬液，再从此菌悬液分别吸取1.0mL加入到9.0mL无菌水中，得到稀释100倍的菌悬液，以同样的方法，依此类推，分别得到稀释IO3倍、IO4倍、IO5倍、IO6倍、IO7倍的菌悬液。[0049]步骤3:细菌培养
[0050]另用ImL无菌移液器从浓度最小的IO7倍菌悬液开始，依次分别取0.5mL菌悬液于相应培养皿内(培养皿提前编号)，然后取加热融化并冷却至40°C—50°C的培养基15mL倾注入上述盛有菌悬液的培养皿内，轻轻转动使培养基和菌悬液充分混合均匀，冷却制成平板，培养72小时。
[0051]步骤4:细菌计数
[0052]在肉眼观察细菌菌落特征的基础上，运用数码生物显微镜对培养皿内的微生物形态进行观察。采用计数器法对细菌菌落个数进行计数，将培养后的平板置于菌落计数器上，用计数笔点击每个菌落，计数器自动对点击到的菌落进行累加计数。并计算细菌总数浓度。
[0053]图6将柳树与美人蕉、菖蒲两种草本植物根际的细菌总数浓度进行了对比。分析得知，在取样前期，各植物根际土壤的细菌总数浓度呈上升趋势，而取样的中、后期则出现较大波动。但不同批次下，均是柳树根际土壤的细菌总数浓度最高，12个批次中，柳树根际土壤的细菌总数浓度在(156 — 312) X IO4个《g—1范围内，美人蕉根际土壤的细菌总数浓度在(58— 229) X IO4个范围内，菖蒲根际土壤的细菌总数浓度在(98— 258) X IO4个范围内，其中，柳树最高，美人蕉最低。
[0054]表1植物的根系比较
【权利要求】
1.一种利用柳树强化削减农田面源污染效果的生态浅沟，其特征在于: 生态浅沟的尺寸为长0.5m—0.8m,宽0.4m—0.6m,高0.55m—0.75m,纵向从上至下分为三层，上层是土壤层，厚度为150mm——250mm ;中层是加气块状砼填料层，厚度为IOOmm一200mm ;下层是鹅卵石承托层，厚度为IOOmm—200mm ;生态浅沟每层之间用土工布分隔；其中土壤层种植柳树。
2.根据权利要求1所述的利用柳树强化削减农田面源污染效果的生态浅沟，其特征在于所述的加气块状轮的粒径为2_—4_。
3.根据权利要求1所述的利用柳树强化削减农田面源污染效果的生态浅沟，其特征在于所述的鹅卵石的粒径为5mm—10mm。
4.根据权利要求1所述的利用柳树强化削减农田面源污染效果的生态浅沟，其特征在于所述的填料层底设取水样口。
【文档编号】C02F3/30GK203794701SQ201320835899
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2013年12月18日 优先权日:2013年12月18日
【发明者】吕伟娅, 刘翠云, 陆宏鑫 申请人:南京工业大学