一种农田水污染控制及回用系统及其操作方法与流程

本发明属于环保和水体修复领域，具体涉及一种农田水污染控制统及其控制方法。

背景技术：

随着我国社会经济的高速发展，农业土地资源的合理开发、高效利用是当前我国农业生产面临的主要问题。农药化肥的大量使用成为提高农业产量的重要途径，而且利用率较低导致农业面源污染成为农业生产面临的主要问题。大量进入大气圈和水循环圈未被作物吸收和利用的农药和化肥，少部分残留于土地的，大量资源被浪费，因此，产生的环境污染问题直接关系到我国农业社会经济的可持续发展。

目前，国内已开展了许多关于农田面源污染控制技术的研究和相关工程建设，包括农田面源污染控制的肥料管理技术、生态沟渠或植物过滤带技术等。特别是为解决我国农村面源污染控制技术零散、集成度低、控制效率不稳、运行成本偏高等问题目前农田面源污染控制技术主要有人工湿地技术、滨岸缓冲带控制技术、生态渠道净化技术等。人工湿地技术和滨岸缓冲带控制技术因其占地面积大，难以适应我国人多地少的国情，在推广和应用方面受到了一定程度的限制，尤其在经济发达、用地矛盾突出的地区这种限制更为严重。生态沟渠是一种对农田排水沟渠中污染物质进行原位生态拦截的生态工程技术，虽然可以较好地协调土地矛盾。总之，现有面源污染控制技术的推广和应用情况并不理想。

申请号为201510512350.0的中国专利申请《针对干旱地区农业面源污染的复合净化系统》，所述复合净化系统包括：生态沟渠；生物绳，生物绳设在生态沟渠内；人工湿地，人工湿地包括第一种植区、第二种植区和第三种植区，第一种植区与生态沟渠的出水端连通，第三种植区具有出水口；第一分隔件，第一分隔件设在第一种植区与第二种植区之间，第一分隔件上设有第一连通口；第一闸门和第一泵站调控装置；第二分隔件，第二分隔件设在第二种植区与第三种植区之间，第二分隔件上设有第二连通口；以及第二闸门和第二泵站调控装置。但该方法人工湿地占地面积大、投资大、运行成本高、回用率低。

申请号为201510303193.2的中国专利申请《一种农田面源污染县域地表径流总磷排放量的预测方法》提出一种农田面源污染县域地表径流总磷排放量预测方法，包括步骤：1)通过农田面源污染发生分区，获取不同分区中县级行政区划范围，针对一种分区的县级生物化学检测，获得n年县级地表径流总磷排放量；2)选择n-x年影响地表径流总磷排放量的磷排放量数据，建立与n年地表径流总磷县级预测模型；3)应用地表径流总磷县级预测模型，通过n年影响地表径流总磷排放量的数据，求得第n+x年的地表径流总磷排放量。此发明申请提出的方法，针对县域农田面源污染地表径流总磷无法预测的难题，在农田面源污染发生区划的基础上，建立地表径流总磷排放量预测模型，预测农田地表径流总磷排放量，为农业面源污染防治提供技术支撑。但该方法仅涉及农田面源的计算方法，对于农业面源的控制和回用并未涉及。

申请号为201510300768.5的中国专利申请《流域农业面源污染物河道削减系数计算方法》提供一种流域农业面源污染物河道削减系数计算方法，包括：获取目标流域中典型小流域数据；根据典型小流域数据构造典型小流域的水土评价模型swat；根据swat获取典型小流域中各子流域内进入河道氮磷负荷loadlr以及典型小流域中各子流域对流域出水口的贡献率loadlo；根据水系数据获取典型小流域内河道总长度lengthlr；根据loadlr、loadlo和lengthlr，获取目标流域农业面源污染物河道削减系数。但该方法仅涉及农田面源的计算方法，对于农业面源的控制和回用并未涉及。

申请号为201510196066.7的中国专利申请《一种处理农业面源污染的上升流垂直人工湿地系统》公开了一种处理农业面源污染的上升流垂直人工湿地系统，包括上升流垂直人工湿地和与其出水口连接的储水箱，人工湿地的填料从下到上依次为：碎石填料层、铁碳陶粒微电解填料层和砾石填料层，砾石填料层上种植有挺水植物；储水箱用于存储经过人工湿地处理后的废水，由进水管，出水管、浮球及箱体组成，进水管设在箱体上部，其上连接有四通管，水平管的一端与人工湿地的出水口连接，另一端通向受纳水体，垂直管向下的管口设有浮球网篮，浮球设在网篮内；箱体的底部设有出水管与农业排灌系统相连。本系统吸取人工湿地和微电解工艺各自去除难降解有毒有机污染物废水的优势，将两者进行耦合，达到在同一系统内有效去除农药污染物的目的。但该方法人工湿地占地面积大、投资大、运行成本高、回用率低。

申请号为201510186513.0的中国专利申请《构建阻控农业面源污染寒冷地区河岸缓冲带的方法》，构建阻控农业面源污染寒冷地区河岸缓冲带的方法，涉及一种生态与环境保护方法，所述方法从农田至河道之间构筑三级不同的自然植被阻隔带：其中缓坡区采用豆科植物刺槐与自然草本植被组合，不但可以有效阻控农田径流的下渗作用，还可以通过植物根际作用吸附固定氮磷等营养元素；经过缓坡区的阻滞作用后，农田径流进入生态阻隔区，该区域设置了乔灌草的植被带和生物炭吸附带，不但对降雨径流有显著的截留、吸收转化作用，而且在冬雪春融时期，生物炭吸附带对融雪径流中污染物也有很好的吸附作用，待冬季休眠期过后，又可被植物、根际微生物吸收转化或降解。既可以进一步阻控农业面源污染，又不会影响到河岸缓冲带的防洪泄洪功能。但该方法占地面积大、投资大、处理效果不稳定。

申请号为201510127086.9的中国专利申请《一种葡萄园的面源污染防控栽培方法》涉及一种葡萄果园的面源污染防控栽培方法，该方法包括：葡萄果园的种植布局，葡萄果园中，葡萄种植的株距×行距为0.8m园中，葡萄；葡萄行间种植欧洲菊苣和黑麦草；生长季实时刈割，葡萄树每年施用1次基肥，除施基肥外，其余时期的施肥方式采用滴灌施肥。该方法减少了对葡萄果园的耕作次数，降低了化肥农药施用量，减少n用量32.3％，减少p用量36.29％，农药使用量减少42.2％，地表径流悬浮物减少28.57％，地表径流总氮和总磷分别减少25.32％和29.51％，地下水悬浮物减少24.36％，在保证葡萄产量稳产的基础上，节省成本19.38％，每公顷收益增加了16500元，果园农业面源污染得到有效的控制。但该方法无法实现农业面源的氮磷回用、回用率低。

申请号为201510059019.8的中国专利申请《一种保持性尿素》属于肥料领域，尤其涉及一种保持性尿素。其中包括高吸水性树脂、聚天门冬氨酸锌和尿素。所述保持性尿素保水、保肥效果好，提高氮素利用率。作为小麦基肥使用可省略拔节肥的施用。经冲淋实验结果表明，提提供的保持性尿素经冲淋后尿素浓度降低幅度比普通尿素显著降低。但该方法对于水和氮磷回用并未涉及，投资运行成本高。

申请号为201410625297.0的中国专利申请《一种控制稻田面源污染的生态拦截阻断系统》，包括生态沟渠和稻田湿地两部分：生态沟渠包括沟渠侧壁和沟渠底部，沟渠宽度方向上的横截面为上边较长、下边较短的梯形，沟壁和沟底均由正六边形砖孔拼接而成，沟壁布设有沟体绿化植物，沟底布设有挺水植物；田湿地构建于稻田排水末端，稻田湿地土壤表面比正常稻田表面低，稻田湿地中种植水稻，以从上游流经稻田和生态沟渠后的水作为灌溉水和肥料来源。但该方法无法实现水量精准回用，氮磷回用的最大化、处理效果稳定性差。

申请号为201310371119.5的中国专利申请《一种解决农业面源污染的方法》，沿农田外廓开设环绕农田四周的水塘；农田内开设与水塘相通的排水沟；水塘内养殖水产，水塘底部栽种水生作物；在水塘上设横断水塘的水池；水池侧面上设连通水塘的两个通水口；通水口上安装网栅和水闸；水池顶口上铺设具有承重作用的水泥盖板。该方法养殖水产会带来二次污染、农业面源控制效果不稳定、水回用率低。

申请号为201310041039.3的中国专利申请《一种多级阶梯式农业面源“好氧-兼氧”生态塘系统》，该系统的入水口设置有节制闸及格栅，四周岸坡及底部设置有防渗砌块，防渗砌块的中央设置有凹槽并种植植物；通过两折流墙将生态塘分割为好氧区、浮床区和沉床区，所述浮床区和沉床区组成兼氧区，三个区域为阶梯式，具有不同水深；出水口设置有出水堰；浮床区的水面设置有生态浮床，其上面种植挺水植物；沉床区的水中设置生态沉床，其上面种植沉水植物。本发明提供了一种占地面积小、处理效率高、多模块组合的生物、化学一体化的水生动植物复合型生态塘系统。但该方法采用异位处理、占地面积大、投资大、运行成本高、处理效果不稳定。

申请号为201310016873.7的中国专利申请《公开了一种控制农业面源污染提高农田n、p利用率的生态沟渠》，具有控制农业面源污染提高农田n、p利用率的生态沟渠针对农业面源污染的特点，利用生态学原理和生物学特性，通过提高沟渠湿地生态系统生物量，利用系统协同作用，实现对水体污染物质的阻挡、降解、吸收、利用，达到减少排出水体中污染物质，提高农田氮、磷利用率。但该方法并未实现水的回用、氮磷流失率大、处理效果不稳定。

申请号为201210558688.6的中国专利申请，公开了属于农业环境领域的一种利用稀土元素示踪农业面源磷素流失的方法。该方法首先测试各个分区域中不同种稀土元素的背景含量，然后测试降雨后测试区域每种稀土元素的流失总量，联立方程，解得各个分区域的元素流失系数，从而计算得到每个分区域中磷素的流失率和流失量。本发明利用稀土元素和磷素在降雨径流过程中表现出的相似特征，将稀土元素的多源物质示踪应用到农业面源磷素流失的溯源，有效辨识复杂地形流域磷素流失的高风险区。该方法未涉及农业面源控制、水的回用和氮磷的处理、控制。

申请号为201210393309.2的中国专利申请《一种农业面源污染河道的生态恢复方法》，属于生态与环境保护领域，具体涉及一种农业面源污染河道的生态恢复方法。该方法是农业面源污染河段分隔成净水膜过滤段、生物栅过滤段和湿地布置段3个连续的不同区段作为污水处理单元，污水首先进入净水膜过滤段，自流至生物栅过滤段，再流入湿地布置段，之后再按照0.01kg/m²的密度投放螺、蚬，按照0.3个/m²的密度投放巨牡蛎对整个农业面源污染河段实施底栖动物控养。本发明方法将拟治理的河段作为处理的载体，合理搭配高效净水膜、生物栅过滤、浮岛式湿地、底栖动物控养组合技术，持续改善水质，同时实现水生态系统的良性循环。但该方法人工湿地占地面积大、投资大、处理效果不稳定、回用率低。

技术实现要素：

发明目的：针对农田水使用量大、重复使用率低和氮磷流失污染严重的突出问题，本发明提供了一种农田水污染控制统及其控制方法。根据农田不同作物种类和生长周期补水、施肥和降雨特点，设计了进水系统、初级净化系统和净化回用系统和农田四个部分。以净化回用系统回用水为主，进水系统补水和降雨为辅助，解决水和氮磷重复使用问题；通过载体球的重复利用实现氮磷资源化利用。

技术方案：本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种农田水污染控制及回用系统，包括了依次连接的进水系统、初级净化系统和净化回用系统和农田，净化回用系统的输出端与进水系统的输入端采用水管连接。

初级净化系统面积占农田面积3～5％，宽度1.0～3.0m，排水方向坡度3排。净化回用系统占农田面积5～10％，宽度3.0～6.0m。

进水系统布置在农田的一侧，包括进水管和进水阀门。

初级净化系统布置在农田的两侧，相对布置，包括排水边沟、可移动控制堰板、载体球，载体球布置在排水边沟内靠近可移动控制堰板的位置。载体球由聚烯烃塑料制成球形的聚烯烃塑料骨架，内装纤维丝或海绵，其比表面积范围为380-800m²/m³，密度为0.93g/cm³，孔隙率>99％，直径为5cm。当载体球使用1-2年后，可进行更换，更换下来的载体球用于花卉种植，载体球含有吸附的丰富的氮、磷等营养元素。

净化回用系统布置在农田的另一侧，与进水系统相对布置，包括净化沟、回用水泵、回用管、回用阀门、溢流管，回用管一端连接至进水系统的进水管，另一端连接回用水泵，在回用管上设置回用阀门；溢流管设置在净化沟接近顶部的位置，当水量大时，可以经溢流管溢流至外环境。

上述农田水污染控制及回用系统的操作方法，包括以下步骤：

步骤(1)水源通过进水系统的进水管进入农田，通过进水阀门的开启控制进水量；

步骤(2)水源进入农田使用，在农田种植的过程中施加化肥和农药；未有被植物吸收的农业面源直接流入初级净化系统；

农业面源的氮负荷16kg.hm-2～25kg.hm^-2；磷负荷0.7kg.hm^-2～1.6kg.hm^-2。

步骤(3)农田出水在初级净化系统的排水边沟进行净化，载体球对农业面源中氮磷进行脱氮和吸附净化，通过可移动控制堰板控制液位；

步骤(4)初级净化系统出水进入净化回用系统，农业面源在净化沟中进一步得到净化；出水可以通过回用水泵、回用管、回用阀门进入进水系统重复使用；

步骤5)满足农田用水的水量的前提下，使用净化回用系统回用水量q6-1。

步骤6)在净化回用系统中，当水量大时，可以经溢流管溢流至外环境，溢流水量为q6-2。

则根据总水量平衡原则，具有式(1)、式(2)的关系：

q1+q4+q6-1＝q2+q3+q5式(1)

q6＝q6-1+q6-2式(2)

进水系统的进水水量为q1，农田蒸发水量为q2、下渗水量为q3、降雨水量q4、其他水量q5，净化回用系统3水量q6，回用水量q6-1和溢流水量q6-2。

根据农田不同植物和不同生长周期和降雨特点进行补水，主要分为下面三种情况：

(1)当不下雨条件下，降雨水量q4＝0；

当进水系统不进水条件下，关闭进水阀门，进水水量q1＝0；打开回用水泵和回用阀门，则：

q6-1＝q2+q3+q5式(3)

回用率100％。经过处理后，农业面源污染控制如下：农业流失氮≤过处理；农业流失磷≤农业，农田水回用率≥90。

(2)当下雨条件下，降雨水量q4；

当进水系统不进水条件下，关闭进水阀门，进水水量为q1＝0；打开回用水泵和回用阀门，则：

q4+q6-1＝q2+q3+q5式(4)

多余水量通过溢流管溢流至外环境，溢流水量为q6-2。经过处理后，农业面源污染控制如下：农业流失氮≤业流失；农业流失磷≤农业流。

(3)当不下雨条件下，降雨水量q4＝0；

当进水系统进水条件下，打开进水阀门，进水水量为q1；打开回用水泵和回用阀门，则：

q1+q6-1＝q2+q3+q5式(5)

经过处理后，农业面源污染控制如下：农业流失氮≤污染控；农业流失磷≤农业流。

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本发明以农田水量、水质回用和处理为核心，根据农田不同作物种类和生长周期补水、施肥和降雨特点，设计了进水系统、初级净化系统和净化回用系统和农田四个部分。解决农田水使用量大、重复使用率低和氮磷流失污染严重的突出问题。

(2)工程投资和实施方便。以原位回用和处理为主，减少占地和工程投资，通过净化回用系统和初级净化系统和进水系统实现水的原位处理、回用和高效净化。

(3)操作灵活，处理效果好。通过回用水泵、回用阀门、进水阀门等实现水量和水质的调控。水回用率大于70％，农业面源污染：氮负荷16kg.hm^-2～25kg.hm^-2；磷负荷0.7kg.hm^-2～1.6kg.hm^-2。经过本发明处理后，农业面源污染控制如下：农业流失氮≤理后，；农业流失磷≤农业流，农田水回用率≥90。

(4)资源回收利用率高。初级净化系统中载体球降低了农田面源污染中氮、磷的浓度，减少了受纳水体富营养化的风险和程度；载体球可进行更换，用于花卉种植，实现资源利用。

附图说明

图1为一种农田水污染控制及回用方法原理图；

图2为一种农田水污染控制及回用系统平面布置图；

图3为一种农田水污染控制及回用系统的俯视图；

图4为图2沿b-b的剖面图；

图5为图2沿c-c的剖面图；

图中：1-进水系统、2-初级净化系统、3-净化回用系统、4-农田、1-1：进水管、1-2：进水阀门、2-1：排水边沟、2-2：可移动控制堰板、2-3：载体球、3-1：净化沟、3-2：回用水泵、3-3：回用管、3-4：回用阀门、3-5：溢流管。

具体实施方式

以下将结合具体实施例进一步介绍本发明的技术方案。

参照图1所示，一种农田水污染控制及回用系统，包括了进水系统1、初级净化系统2和净化回用系统3和农田4。初级净化系统2面积占农田面积3～5％，宽度1.0～3.0m，排水方向坡度3排。净化回用系统3占农田面积5～10％，宽度3.0～6.0m。

进水系统1进水水量为q1，农田4蒸发水量为q2、下渗水量为q3、降雨水量q4、其他水量q5，净化回用系统3水量q6。回用水量q6-1和溢流水量q6-2。

则根据总水量平衡原则，具有式(1)、式(2)的关系：

q1+q4+q6-1＝q2+q3+q5式(1)

q6＝q6-1+q6-2式(2)

参照图2所示，进水系统1包括进水管1-1和进水阀门1-2，布置在农田4的一侧。参照图2、4所示，初级净化系统2布置在农田4的两侧，相对布置，其包括排水边沟2-1、可移动控制堰板2-2、载体球2-3，载体球布置在排水边沟2-1靠近可移动控制堰板的位置，载体球由聚烯烃塑料制成球形的聚烯烃塑料骨架，内装纤维丝或海绵，其比表面积范围为380-800m²/m³，密度为0.93g/cm³，孔隙率>99％，生物球净化球直径为5cm。

参照图2、3、5所示，净化回用系统3布置在农田4的另一侧，与进水系统相对布置，包括净化沟3-1、回用水泵3-2、回用管3-3、回用阀门3-4、溢流管3-5，回用管3-3一端连接至进水系统的进水管，另一端连接回用水泵，在回用管上设置回用阀门3-4，溢流管3-5设置在净化沟3-1接近顶部的位置，当水量大时，可以经溢流管溢流至外环境。上述农田水污染控制及回用系统的操作方法，包括以下步骤：

步骤(1)水源通过进水系统1的进水管1-1进入农田4，通过进水阀门1-2的开启控制进水量。

步骤(2)水源进入农田4使用，在农田4种植的过程中施加化肥和农药。未有被植物吸收的农业面源直接流入初级净化系统2。农业面源的氮负荷16kg.hm-2～25kg.hm^-2；磷负荷0.7kg.hm^-2～1.6kg.hm^-2。

步骤(3)农田4出水在初级净化系统2的排水边沟2-1进行净化，载体球2-3对农业面源中氮磷进行脱氮和吸附净化，通过可移动控制堰板2-2控制液位。

步骤(4)初级净化系统2出水进入净化回用系统3，农业面源在净化沟3-1中进一步得到净化。出水可以通过回用水泵3-2、回用管3-3、回用阀门3-4进入进水系统1重复使用。

步骤5)满足农田4用水的水量的前提下，使用净化回用系统3回用水量q6-1。

步骤6)在净化回用系统3中，当水量大时，可以经溢流管3-5溢流至外环境，溢流水量为q6-2。

步骤(7)当载体球2-3使用1-2年后，可进行更换，载体球2-3用于花卉种植，载体球含有吸附的丰富的氮、磷等营养元素。

根据农田不同植物和不同生长周期和降雨特点进行补水，主要分为下面三种情况：

(1)当不下雨条件下，降雨水量q4＝0；

当进水系统1不进水条件下，关闭进水阀门1-2，进水水量q1＝0；打开回用水泵3-2和回用阀门3-4，则：

回用水量q6-1＝蒸发水量q2+下渗水量q3+其他水量q5式(3)

回用率100％。经过处理后，农业面源污染控制如下：农业流失氮≤业面源；农业流失磷≤农业。

(2)当下雨条件下，降雨水量q4；

当进水系统1不进水条件下，关闭进水阀门1-2，进水水量为q1＝0；打开回用水泵3-2和回用阀门3-4，则：

降雨水量q4+回用水量q6-1＝蒸发水量q2+下渗水量q3+其他水量q5；

多余水量通过溢流管3-5溢流至外环境，溢流水量为q6-2。经过处理后，农业面源污染控制如下：农业流失氮≤业流失；农业流失磷≤农业流。

(3)当不下雨条件下，降雨水量q4＝0；

当进水系统1进水条件下，打开进水阀门1-2，进水水量为q1；打开回用水泵3-2和回用阀门3-4，则：

进水水量为q1+回用水量q6-1＝蒸发水量为q2+下渗水量为q3+其他水量q5；经过处理后，农业面源污染控制如下：农业流失氮≤污染控；农业流失磷≤农业流。

实施例1

某占地总面积10亩，长120m，宽55.6m，种植水稻，其中农田面积为总面积的91.6％，长53.6m，宽2m；初级净化系统2面积占总面积3.4％，长114m，宽2.0m，排水方向坡度3水；净化回用系统3占农田面积5％，长55.6m，宽6.0m。

进水系统1包括一根进水管，进水管上设置进水阀门。初级净化系统2包括2条排水边沟2-1、长114m，宽2.0m；2个可移动控制堰板2-2，宽度1m；载体球2-3规格是30m³，其比表面积范围为380-800m²/m³，密度为0.93g/cm³，孔隙率>99％，生物球净化球直径为5cm；净化回用系统3包括净化沟3-1，规格是长55.6m，宽6.0m；回用水泵3-2共4台，流量20m³/h，扬程15m；回用管3-3，dn100、回用阀门3-4，2个、溢流管3-5，1根，dn200。农田水污染控制及回用系统的操作方法见表1。

表1

农业面源污染：氮负荷16kg.hm^-2～25kg.hm^-2；磷负荷0.7kg.hm^-2～1.6kg.hm^-2。通过表1操作后，经过本发明处理后，农业面源污染控制如下：农业流失氮≤30％；农业流失磷≤20％。