提升硬化沟渠对农田尾水氮磷污染去除能力的方法与流程

本发明涉及一种提升硬化沟渠对农田尾水氮磷污染去除能力的方法。

背景技术：

农业生产过程中，因氮、磷化肥施用量大，造成农田尾水氮磷含量高，若农田尾水直接排放，将给后续受纳水体带来富营养化隐患。传统土质沟渠内动物、植物、微生物量丰富，作为农田与受纳水体的水流通道，通过土壤吸附、植物吸收和微生物降解等一系列作用，对农田尾水中的氮磷污染具有一定的净化功能，但因传统土质沟渠内杂草丛生、水土流失和水流不畅等问题，被农民弃用或改造为三面光的水泥硬化沟渠。硬化沟渠易于维护，主要作用是农田尾水的排放通道，硬化沟渠内基本不长植物，对农田尾水中污染物的去除能力弱，且水流速度快，农田尾水在沟渠内的停留时间短，因此农田尾水中的氮磷等污染物很难在沟渠内被充分去除。针对上述问题，设计一种提升硬化沟渠对农田尾水氮磷污染物去除能力的改造方法，降低硬化沟渠排出水中氮磷等污染物的浓度，消除由农田尾水氮磷污染引发的水体富营养化隐患，对恢复受纳水体的生态和社会功能具有重大意义，具有广阔的市场应用前景。

目前，农田尾水排放沟渠大多是三面光的硬化沟渠，硬化沟渠存在的问题是：基本不长植物且水流速度快，因此对农田尾水中的氮磷等污染物很难起到去除作用。为了进一步去除农田尾水中的氮磷等污染物，需要对现有的硬化沟渠进行改造，提升其对氮磷污染物的去除能力。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种提升硬化沟渠对农田尾水氮磷污染去除能力的方法。

本发明充分考虑到现有农田三面光硬化沟渠存在的问题，开发了一种改造成本低、工程开挖量少(对自然生态环境的扰动小)、不改变原有硬化沟渠外观形态、运行稳定、运转维护简单的沟渠改造方法，通过构建水生植物生长区、吸附填料透水坝、升降式水坝，通过抬高沟渠水位增加农田尾水在沟渠内的停留时间，使农田尾水与水生植物、吸 附填料充分接触反应，强化沟渠内的植物吸收、微生物降解和填料吸附污染物功能，同时也可以根据季节变化，和灌溉期、非灌溉期的变换调节升降式水坝高度，使沟渠在行洪功能及污染物处理功能之间实现快速切换，将硬化沟渠改造成具有良好氮磷污染物去除能力的沟渠，实现对农业面源污染的去除。

更具体地，本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

本发明提供一种提升硬化沟渠对农田尾水氮磷污染去除能力的方法，具体包括在所述沟渠内沿两侧渠壁构建若干填料-植物处理小单元，及在所述沟渠的末端设置的升降式水坝；

其中，所述填料-植物处理小单元沿水流方向依次包括紧密贴合的吸附填料透水坝、松木桩植物生长带。

优选地，所述吸附填料透水坝由若干纵向叠置的装有吸附材料的筐组成；各装有吸附材料的筐可以灵活组装、替换；在吸附填料透水坝沿水流方向的下侧与松木桩植物生长带的一侧紧密贴合，筐内装填的吸附材料较重，下水流方向又有松木桩固定，因此不至被水流冲走。

优选地，所述吸附材料是对氮、磷具有较强吸附功能的填料，例如陶粒、炉渣等。陶粒和炉渣按照1：4填料配比，完全混合后装填到双层塑料筐内，陶粒的粒径为60～100mm，炉渣的粒径为30～40mm。

进一步优选地，所述装有吸附材料的筐的数量为2个以上(根实际情况而定)；所述筐的材质为抗老化塑料，可以购买或者定制。

优选地，所述松木桩植物生长带中的植物包括挺水植物、沉水植物中的一种或两种的混合；其中，所述挺水植物如空心菜、香蒲、黑三棱等；所述沉水植物如伊乐藻等。

优选地，所述松木桩植物生长带中填充的植物种植基质为氮磷吸附材料，例如陶粒、炉渣、生物炭；陶粒、炉渣和生物炭按照1:3:1的填料配比完全混合后填充到植物生长带内，陶粒的粒径为60～100mm，炉渣的粒径为30～40mm，生物炭的粒径为1～2mm。

优选地，所述松木桩之间的间隙为3-5厘米。

优选地，所述填料-植物处理小单元在垂直于水流方向上的宽度为所述沟渠宽度的30％-40％。

优选地，所述填料-植物处理小单元沿水流方向上的长度为5-10米。

优选地，所述填料-植物处理小单元中，吸附填料透水坝、松木桩植物生长带沿水流方向的长度比为1：4。

优选地，所述方法中，相邻沿水流方向的相邻两个填料-植物处理小单元之间的距离与填料-植物处理小单元的长度保持一致。

优选地，所述方法还包括在沟渠内放养水生动物，例如螺丝、贝类等，丰富沟渠生物多样性。

本发明的方法，其具体工作过程如下：旱季，抬高升降式水坝的高度，拦截农田尾水，抬高硬化沟渠内的水位，延长农田尾水在沟渠内的停留时间，完成对氮磷污染物的去除；雨季，放下升降式水坝，使农田尾水能够快速通过沟渠排出，保证沟渠行洪功能。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明工程开挖量少(对自然生态环境的扰动小)、不改变原有硬化沟渠外观形态；本发明通过在硬化沟渠两侧构建植物生长区，并相应栽种对污染物具有较强吸收能力的挺水植物以及沉水植物，放养螺丝、贝壳等水生动物，丰富农田沟渠内的生物多样性，在对硬化沟渠改造过程中尽量选择有经济价值的水生植物，增强农田生态价值，即有效提升了沟渠污染自净能力，又带来一定的经济效益。

(2)本发明充分考虑填料在污染物去除过程中的作用，在填料透水坝装填对氮磷具有较好吸附性能的陶粒、炉渣，在植物生长区除装填陶粒和炉渣外，还配置一定比例的生物炭，通过碳源缓释来促进反硝化脱氮过程的长期进行。

(3)本发明修建的填料透水坝为双层以上抗老化塑料提篮筐，可方便填料透水坝内填料的更换与补充，具体可以参考市场上能购买到的相关产品或加工定制。

(4)本发明通过修建升降式水坝抬高沟渠水位，延长农田尾水在沟渠内的停留时间，实现对农田尾水的处理，削减氮磷等营养物质的负荷，有效降低农田径流负荷，使后续受纳水体避免出现富营养化现象，提高农田尾水的处理效果。在雨季到来之前放低水坝高度，可以保证沟渠行洪功能的发挥，免受洪涝灾害。

(5)在实际硬化沟渠改造过程中，可根据沟渠长度、宽度和深度，灵活调整填料－植物处理小单元的具体修建尺寸，并在沟渠两侧轮流建造，强化处理效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的平面图；

图2为本发明的纵剖面图；

图3为本发明的横剖面图；

其中，1是松木桩植物生长带；2是吸附填料透水坝；3是升降式水坝；4是松木桩植物生长带与吸附填料透水坝共用的松木桩挡墙。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明具体如图1、图2、图3所示：图1为本发明的平面图，图2为本发明的纵剖面图，图3为本发明的横剖面图；其中，1是松木桩植物生长带；2是吸附填料透水坝；3是升降式水坝；4是松木桩植物生长带与吸附填料透水坝共用的松木桩挡墙。

下面以1米宽0.6米深的硬化沟渠为例，说明改造过程：

填料-植物处理小单元中的吸附填料透水坝设置在处理小单元的前端，即水流通道的迎水侧，采用双层或多层塑料材质提篮，以方便填料的更换和补充，填料筐单层高度20厘米，双层40厘米，宽度40厘米，长度100厘米(可以参考市场上能购买到的相关塑料筐产品或加工定制)，为了保证填料筐在沟渠内不被水流冲走，在背水侧修建松木桩挡墙(挡墙与植物生长带迎水侧的松木桩边界共用，松木桩挡墙采用直角固定支架将其固定在沟渠底部)，这部分松木桩挡墙的高度设置与填料筐叠加在一起的高度一致，即40厘米。填料筐内氮磷吸附材料由陶粒和炉渣构成，将便于微生物吸附的陶粒和对氮磷吸收能力较强的炉渣，按照1：4填料配比，完全混合后装填到双层塑料筐内，陶粒的粒径为60～100mm，炉渣的粒径为30～40mm。

填料－植物处理小单元中的松木桩植物生长带建在处理小单元的后端，长4米，宽40厘米，有一侧为渠壁，其他三面以松木桩为边界，松木桩采用直角固定支架将其固定在沟渠底部，并与沟渠的渠壁组成完整的植物生长区，植物生长带与前端填料透水坝紧连且共用松木桩(此处松木桩高度40厘米)，其他两个边界松木桩的高度为20厘米。在由松木桩构成的植物生长区内填充由炉渣、陶粒和生物炭构成的基质(陶粒、炉渣和生物炭按照1:3:1的填料配比完全混合后填充到植物生长带内，陶粒的粒径为60～100mm，炉渣的粒径为30～40mm，生物炭的粒径为1～2mm)。随后在松木桩植物生长区的基质中 种植挺水植物为空心菜、香蒲和黑三棱的搭配种植，种植的沉水植物为伊乐藻；放养的水生动物有螺丝和贝壳等。

升降式水坝修筑在硬化沟渠的末端，旱季时抬高水位至50厘米，保证沟渠前面填料透水墙和植物生长区在水面以下，增大农田尾水在沟渠内的停留时间，使氮磷污染物得以充分去除；雨季时放空升降式水坝，可以使面源径流尽快排出，不至产生洪涝灾害。

主要部分特征表述：为方便填料透水坝内填料的更换与补充，采用双层抗老化塑料提篮筐，长宽高根据被改造硬化沟渠的实际尺寸确定，可以参考市场上能购买到的相关产品或加工定制；松林桩采用直角支架固定在沟渠底部，安装时在两个松木桩之间留出间隙3-5厘米，保证水流在水体与介质之内的畅通流动，又不至造成填料的流失；在实际硬化沟渠改造过程中，可根据沟渠长度、宽度和深度，灵活调整填料－植物处理小单元的具体修建尺寸，并在沟渠两侧轮流建造，强化处理效果。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。