一种防降雨径流冲刷和强化污染物净化的生态沟渠系统的制作方法

本发明属于农业面源污染控制工程技术领域，具体的说，是涉及集强化植物、生物净化和防降雨径流冲刷、减少固态污染物颗粒流失以及减少底泥沉积物氮磷释放的一种生态沟渠系统。

背景技术：

非点源污染是全世界普遍存在的环境问题之一，与点源污染相比，具有难以监测和控制、危害规模大的特点。进入20世纪，非点源污染越来越成为水体污染的重要因素，农业非点源污染的研究逐渐活跃，成为热点。国外许多学者对水体富营养化的研究工作开展甚多。美国环保局2003年的调查结果显示，农业非点源污染是其河流和湖泊污染的第一大污染源，约40％的河流、湖泊水体水质不合格，也是造成地下水污染和湿地退化的主要因素。在欧洲国家，农业面源污染同样是造成水体、特别是地下水硝酸盐污染的首要来源，也是造成地表水中磷富集的最主要原因，由农业面源排放的磷为地表水污染总负荷的24％-71％。20世纪70年代，国外对控制非点源污染进行了大量的研究，并形成了整套措施，包括污染物的检测手段、产生规律、综合管理和控制方案等。80年代以来，农用化学品用量较高的欧盟国家氮、磷化肥用量分别下降了大约30％和50％。曾经十分严重的地下水硝酸盐污染有所缓解，湖泊和近海域水体富营养化也得到一定程度改善。

我国对农业非点源污染的研究起始于20世纪80年代，随着农业经济的快速发展，在我国许多地区，尤其是农业相对发达地区，普遍存在过量施用化肥、使用高毒高残留农药以及农田排水直接入河等现象，这一系列因素导致农业非点源污染日益严重，对水体质量和农田生态系统生物多样性产生重要的威胁。我国是世界上最大的化肥和农药使用国，单位耕地年均化肥用量是美国的4倍，化肥平均施用水平大大超出发达国家设置的安全上限，肥料在降雨和灌溉排水后流失严重，含有大量氮磷养分和高毒高残留农药的径流直接排入沟渠、河道或湖泊，引起某些藻类的过度繁殖，导致其他水生动植物的大量死亡，生物体腐烂后又会进一步恶化水体，给人们的生活和生态环境带来很大风险。

农业非点源污染及其控制措施研究逐渐受到国内外的重视，关于农业非点源污染物的生态控制方面，主要有生态农业建设、湿地、植物缓冲带、沟渠生态拦截等。在众多的治理方法中，生态沟渠具有较高的氮、磷以及有机物去除效果和较好的景观效应。生态沟渠是指具有一定宽度和深度，由水、土壤和生物组成，具有自身独特结构并发挥相应生态功能的农田沟渠生态系统，也称之为农田沟渠湿地生态系统。农田排水沟渠作为农业生态系统的重要组成部分，既是农业非点源污染物的最初汇聚地，也是河流、湖泊等水体中营养盐的重要输入源。

当前对于生态沟渠的研究大多为沟渠系统内植物、填料的筛选以及对沟渠主体形状构造的设计，以此来实现生态沟渠对农田排水净化效果的加强，减少农业面源污染。有研究表明，降雨时和降雨后的径流冲刷所造成的颗粒态污染物的流失在很大程度上增加了农田排水对纳入水体(河流、湖泊)的污染，是农业非点源污染形成的重要因素。同时，有研究表明，增加水体中的含氧量能够同时加强植物根系的污染物吸收与净化并加强填料的净化作用。此外，据有关研究，沟渠底泥向上覆水体释放的氮磷同样是排出水体污染的重要来源，同时，底泥沉积物的氮磷释放量雨水体中溶解氧含量有关，随溶解氧的降低而增加。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种防降雨径流冲刷和强化污染物净化的生态沟渠系统，本发明生态系统中曝气装置的存在能够增加水体含氧量，含氧量的增加能够加强植物根系对水体氮、磷等污染物的吸收与转换作用，加强生态沟渠植物净化效果，含氧量的增加也能够为水体中生物提供良好的好氧环境，加强其好氧净化效果。同时，曝气装置与生物填料挡板协同作用，使水流呈螺旋状流动，加强对固体污染物颗粒的去除，之后定期人工清除收集槽淤积物，大大降低了因降雨径流冲刷而流失的颗粒态污染物对排入水体(河流、湖泊)的污染。最后，曝气装置使水体溶解氧含量增加，使底泥的氮磷释放减小，从而进一步加强生态沟渠对农业面源污染的治理效果。因此，本发明所构造的生态沟渠系统能对农业面源污染有更加有效的治理效果。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种防降雨径流冲刷和强化污染物净化的生态沟渠系统，包括用于收集固体污染物颗粒的收集槽、底坡、侧坡、曝气装置和生物填料挡板，所述收集槽设置为阶梯型结构，用于防止收集槽内污染物随水流的纵向流动，收集槽由底部和侧壁构成，所述侧壁与底部水平面呈60°夹角；所述收集槽的两侧从下到上依次与所述底坡和侧坡相连接，所述底坡的坡度为0.1-0.5，底坡由植物砌块砌成，所述植物砌块由矩形空心砖构成，所述矩形空心砖上开有用于种植沉水植物的菱形开孔；所述侧坡的坡度为0.7-0.9，侧坡上种植有挺水植物；所述曝气装置由相互连接的曝气管和空气动力系统组成，所述曝气管等间距的设置在收集槽的底部中央，所述空气动力系统设置在收集槽的底部，每个曝气管的两侧设有用于固定所述生物填料挡板的连接柱，所述生物填料挡板由经过生物挂膜的板状填料组成，起到生物净化和阻挡水流的作用，每个生物填料挡板的侧边均设有至少两个用于插入所述连接柱的插孔。

所述收集槽为混凝土结构，收集槽的底部宽度为0.3-0.5m。

所述曝气管由布满2-3mm孔隙的塑料管构成。

所述连接柱由直径为0.01m的钢筋柱构成，所述连接柱固定在收集槽的底角处。

所述插孔的直径为0.015m。

所述侧坡为土坯。

所述矩形空心砖的尺寸为0.10×0.15m。

所述生物填料挡板的尺寸为0.30×0.50m。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)曝气装置的存在增加了水体含氧量，加强了水生植物和微生物的净化效果；(2)曝气装置与生物填料挡板协同作用产生螺旋流，使固态污染物颗粒较快沉降并被收集、去除；(3)水体中溶解氧的增加使底泥沉积物向上覆水体的氮磷释放量减小。(4)由植物砌块砌成的底坡既能发挥沉水植物的拦截和净化效果，又能够容易使含污染物泥沙向收集槽的滑动，同时有助于减少底泥氮磷释放，并且其便于清理与修护，防止底坡上聚集较多泥沙影响沟渠净化效果；(5)收集槽内的固态污染物方便定期人工去除，使沟渠能持续运行；(6)本生态沟渠系统不需要具有高专业知识人员管理，运行简单，管理方便，运行管理成本低，便于推广；(7)收集槽为阶梯型结构，能有效减少污染物沿收集槽纵向的留出；(8)生物填料挡板与连接柱自由连接，方便拆取，可实现对生物填料挡板的定期养护，使生物净化效果保持在较高的水平；(9)侧坡的挺水植物不仅能起到拦截颗粒污染物与净化水体的作用，同时还具有景观效果。

附图说明

图1为本发明生态沟渠系统的剖面结构示意图。

图2为阶梯型结构的收集槽的结构示意图。

图3-1和图3-2分别为生物填料挡板和植物砌块的结构示意图。

图4为曝气装置的结构示意图。

图5为固体污染物颗粒收集过程示意图。

图6为水体沿沟渠(一侧)流动形态示意图。

图中：1-侧坡，2-挺水植物，3-植物砌块，4-底坡，5-空气动力系统，6-曝气管，7-生物填料挡板，8-连接柱，9-收集槽

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

本发明保护一种防降雨径流冲刷和强化污染物净化的生态沟渠系统，如图1所示，具体实施过程如下：

首先为本生态沟渠系统内植物砌块和生物填料挡板的制作：设计制作植物砌块3，如图3-2所示，植物砌块3为矩形空心砖结构，尺寸约为0.10×0.15m，矩形空心砖上有一菱形开孔，内部装有适合植物生长的土壤，开孔处种植沉水植物，沉水植物一方面可以拦截底部土壤颗粒，另一方面可以吸收、净化水体污染物。

设计制作生物填料挡板7，如图3-1所示，生物填料挡板7尺寸约为0.30×0.50m，首先对填料挡板侧边打孔，孔径约为0.015m，之后对其进行微生物挂膜，生物挂膜即把附着有微生物营养基质的填料在适宜的环境下进行为生物培养，形成一层具有生物净化效果的微生物薄膜。之后为沟渠的构建，整体沟渠宽度2-3米。

构筑左右的侧坡1，侧坡1为土坡，坡度为0.7-0.9，侧坡上种植挺水植物2；挺水植物2能进行良好的光合作用并释放氧气，增加水体含氧量同时吸收、净化水体污染物。同时，侧坡1上的挺水植物2具有较大的茎叶，能够对生态沟渠两侧的固态污染物起拦截作用，被拦截的固体颗粒一部分吸附在植物表面，另一部分沉降到沟渠底部。构筑底坡4，底坡4由植物砌块3砌成，坡度为0.1-0.5。

设置曝气装置，曝气装置如图4所示，空气动力系统5位于地下，在沟渠收集槽中央每间隔一段距离设置曝气管，工作时曝气管6位于沟渠内部水体中，其低于平均最低水位。曝气管与底部空气动力系统链接，其中曝气管6为布满细孔的塑料管，当运行时空气动力系统将空气压缩进入曝气管6内，从曝气管上细小的孔径呈气泡状喷出，曝气管产生的气泡即能够增加水体的含氧量，含氧量的增加能够加强植物根系对水体氮、磷等污染物的吸收与转换作用，加强生态沟渠植物净化效果，含氧量的增加也能够为水体中生物提供良好的氧环境，促进生物的好氧净化效果，同时，水体中溶解氧的增加使底泥沉积物向上覆水体的氮磷释放量减小；此外，曝气装置能够使水流产生横向流动。

构筑收集槽9，收集槽9为水泥混凝土结构，侧壁与底部水平面呈60度夹角，收集槽底部宽为0.3-0.5米，沿着沟渠收集槽间隔一定距离升高一级，为阶梯型结构；如图2所示。收集槽9主要起收集固体污染物颗粒的作用，设计为阶梯型可以有效防止收集槽内污染物随水流的纵向流动，收集槽9内收集的固态污染物需每隔一段时间进行人工去除，防止泥沙填满收集槽9。

设置生物填料挡板7，首先将直径0.01米左右的连接柱8固定在收集槽9底角处，本实施例中连接柱8为钢筋柱，之后将生物填料挡板7分别套入连接柱8。物填料挡板7设置在每个曝气管6两侧，高度约为水深的一半。每个物填料挡板7侧边均设有两个直径0.015米左右的插孔，插孔内插入与沟渠底部固定的两根连接柱8，连接柱8起到固定生物填料挡板7的作用。生物填料挡板7的作用主要有两个：一是其上的微生物起到生物净化的作用，挡板设置在曝气管两侧，水体中的含氧量较高，因此能充分发挥生物净化效果。二是起到阻挡水流的作用，曝气管喷出的小气泡使水流产生横向流动，当流动的水体遇到挡板时，会产生包裹生物填料挡板7的旋流(如图5所示)，使水流沿着沟渠呈螺旋状流动(如图6所示)，螺旋流使得水体中的固态污染物颗粒不断的被冲到底坡并滑入收集槽内。

在某次降雨农田排水时，打开曝气装置，在曝气装置和生物填料挡板协同作用下，水流呈螺旋状流动，水体中固态污染物颗粒被旋流冲到底坡处，一部分被底坡拦截，一部分滑入收集槽。表面部分固体污染物在收集槽内产生纵向流动，在阶梯处被拦截，如此，水体中的固体污染物颗粒不断被收集在收集槽中。此次降雨或多次降雨排水过后，人工对收集槽内污染物进行去除。同时，侧坡的挺水植物起到对两边侧水流固体污染物颗粒的拦截作用，侧坡挺水植物与底坡沉水植物发生植物吸收和净化作用，生物填料挡板发生生物有氧净化作用。

在常规沟渠蓄水、排水时，打开曝气装置一段时间，增加水体含氧量，可有效提高水生植物的净化效果，并使生物填料挡板上的微生物进行有氧净化。关闭曝气装置，一段时间后，水体氧含量减少，微生物发生厌氧和缺氧净化，如此可实现水体有机物的去除并同时脱氮除磷。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。