一种高效复合除磷型农田尾水处理系统及其制备方法与流程

本发明涉及污水处理领域，具体涉及一种高效复合除磷型农田尾水处理系统及其制备方法。

背景技术：

在农业生产活动中，由于种植结构、施肥、用药、农田水分管理不合理以及沟渠生态功能退化、废弃物未循环利用等原因，溶解的或固体的污染物，如农田中的土粒、氮素、磷素、农村禽畜粪便与生活垃圾等大量有机或无机物质，从非特定的地域，在降水和径流冲刷作用下通过农田地表径流、农田排水和地下渗漏，进入河流、湖泊、水库和海湾等受纳水体，导致水体污染。

农业生产所用肥料包括氮肥、钾肥、磷肥等。其中氮肥与钾肥较容易被植物吸收，而植物对磷肥的吸收率远低于氮肥和钾肥，因此未被吸收的磷肥堆积于土壤中，一小部份磷肥被土壤中的微生物分解，大部份则可能随着降雨而被淋洗至水体中，一旦水体中含磷浓度过高，容易滋生藻类，造成水质的富营养化，进而影响供水安全。传统的农田尾水处理方法，主要采用如人工湿地技术，然而这些设施虽然可以有效降低污水中的氨氮及化学需氧量(cod)等指标，但对于总磷指标的降低成效则十分有限，很难满足人们对农田尾水处理的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高效复合除磷型农田尾水处理系统，同时改进现有农田尾水处理系统的制备方法，将砂石、零价铁、零价铝、活性炭粉末和添加剂混合后用土工布包覆制成除磷效果显著的增强型去磷土工包，可有效降低污水中的磷含量和悬浮物等污染物。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高效复合除磷型农田尾水处理系统，包括从上到下依次设置的植被层、粗砂层和强化去磷层，所述植被层包括渗透系数为6-8cm/s的培养土和种植于所述培养土上的植被；所述粗砂层铺设于培养土底部；所述强化去磷层包括多个增强型去磷土工包和填充于所述增强型去磷土工包间的沸石；所述增强型去磷土工包为砂石、零价铁、零价铝、活性炭粉末和添加剂混合后用土工布包覆成的块状物；所述砂石、零价铁、零价铝、活性炭粉末和添加剂的重量百分比分别为70-80％、4-6％、3-6％、7-12％和3-8％。

优选地，所述强化去磷层底部铺设有碎石料；所述碎石料下端铺设有多个用于将净化水导出的出流管；所述出流管上设置有多个出流孔；所述出流孔的孔径小于碎石料的直径。

优选地，所述碎石料底部铺设有用于阻拦水向下渗透的防渗布；所述防渗布边沿从碎石料的底部往上布置在整个农田尾水处理系统的侧部；所述出流管的出水口与外部蓄水系统连通。

优选地，所述添加剂为稻谷壳、木屑或农作物秸秆中的一种或两种以上的混合物。

优选地，所述培养土与粗砂层间铺设有无纺土工布。

优选地，所述粗砂层与强化去磷层间铺设有纱网。

优选地，所述培养土上端间隔设置有多个布水渠；所述布水渠底部铺设有用于降低植被层冲刷受力的卵砾石。

一种高效复合除磷型农田尾水处理系统的制备方法，包括以下步骤：

s1、将按重量百分比的砂石70-80％、零价铁4-6％、零价铝3-6％、活性炭粉末7-12％和添加剂3-8％均匀混合，得到去磷混料；再将去磷混料装入透水性的土工布袋中并封装开口，得到增强型去磷土工包；

s2、在基地位置上进行土方开挖，再对土方槽底部进行压实，土方槽底部的压实度大于95％；将防渗布铺设于压实后的土方槽底部及侧部，再将碎石料铺设于防渗布上方，又将出流管埋设于碎石料内并使出流管的出水端与外部蓄水系统连通；

s3、将增强型去磷土工包铺设于碎石料上方，再将沸石填充于增强型去磷土工包的间隙中；

s4、将纱网铺设于沸石上方，再将粗砂铺设于纱网上方形成粗砂层，并在粗砂层上方铺设无纺土工布；

s5、将培养土铺设于无纺土工布上方，再将植被种植于培养土上，最后在植被间的培养土上端设置布水渠，再将卵砾石铺设于布水渠底部，农田尾水处理系统制备完毕。

优选地，所述卵石砾、培养土、粗砂层、强化去磷层和碎石料的铺设厚度分别为80-140mm、400-600mm、180-240mm、150-250mm和100-200mm。

优选地，所述零价铁和零价铝的粒径均为1-5mm。

采用上述技术方案后，本发明与背景技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明将砂石、零价铁、零价铝、活性炭粉末和添加剂混合后用土工布包覆制成除磷效果显著的增强型去磷土工包，可有效降低污水中的磷含量和悬浮物等污染物，污水净化效果好。

2、本发明在物理性去除机制方面，通过表层植被、卵砾石降低径流流速，使水中悬浮物质沉降，农田尾水处理系统内的无纺土工布、粗砂层、纱网、沸石及碎石料等不同孔隙，能拦阻水中悬浮物质。

3、本发明在化学性去除机制方面，通过土壤胶体的两性特性，藉由其所挟带的正、负电分别吸附阴、阳离子，例如磷酸根、硝酸根离子即可受土壤胶体吸附，达到水中磷、氮的去除效果。

4、本发明在生物性去除机制方面，通过表层植被吸收土壤中的磷、氮，并利用农田尾水处理系统内滤料、细砾及碎石层孔隙中的微生物、硝化菌，进行硝化及脱硝反应，通过硝化反应将有机氮及氨氮转为硝酸盐氮及亚硝酸盐氮，再通过脱硝反应将硝酸盐氮还原成氮气。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的出流管的结构示意图；

图3为本发明的布水渠的结构示意图；

图4(a～f)为本发明的实施例的污水去除成效数据图；

图5(a～d)为本发明的对比实施例1的污水去除成效数据图；

图6(a～d)为本发明的对比实施例2的污水去除成效数据图。

图中附图标记表示为：

1、植被层；10、培养土；11、植被；2、粗砂层；3、强化去磷层；30、增强型去磷土工包；31、沸石；4、碎石料；5、出流管；50、出流孔；6、防渗布；7、无纺土工布；8、纱网；9、布水渠；90、卵砾石。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

参见图1至图3所示，一种高效复合除磷型农田尾水处理系统的制备方法，包括以下步骤：

s1、将按重量百分比的砂石75％、径均为3mm的零价铁6％、径均为3mm的零价铝4％、活性炭粉末8％和稻谷壳7％均匀混合，得到去磷混料；再将去磷混料装入透水性的土工布袋中并封装开口，得到增强型去磷土工包30；

s2、在基地位置上进行土方开挖，再对土方槽底部进行压实，土方槽底部的压实度为97％；将防渗布6铺设于压实后的土方槽底部及侧部，再将粒径为12mm的碎石料4铺设于防渗布6上方，碎石料4的铺设厚度为150mm，同时将出流管5埋设于碎石料4内并使出流管5的出水端与外部蓄水系统连通；

s3、将增强型去磷土工包30铺设于碎石料4上方，共铺设两层增强型去磷土工包30，且相邻增强型去磷土工包30的上下及左右间距为5cm，再将粒径为4mm的沸石31填充于增强型去磷土工包30的间隙中，强化去磷层3的铺设厚度为220mm；

s4、将纱网8铺设于沸石31上方，再将粒径为0.6mm的粗砂铺设于纱网8上方形成粗砂层2，粗砂层2的铺设厚度为200mm，并在粗砂层2上方铺设无纺土工布7；

s5、将渗透系数为7cm/s的培养土10铺设于无纺土工布7上方，培养土10的铺设厚度为500mm，再将植被11种植于培养土10上，最后在植被11间的培养土10上端设置布水渠9，再将卵砾石90铺设于布水渠9底部，卵砾石9的铺设厚度为120mm，农田尾水处理系统制备完毕。

农田尾水处理系统制备完毕后，将污水导入高效复合除磷型农田尾水处理系统，污水依次经过卵砾石9、植被层1、无纺土工布7、粗砂层2、纱网8、强化去磷层3和碎石料4，从出流孔50流进出流管5内，经出流管5将净化后的水导出，分别对入流水样和出流水样进行采集、分析，实验数据结果如图4(a～f)所示。

对比实施例1

与实施例1相比，对比实施例1未放置有增强型去磷土工包30，分别对入流水样和出流水样进行采集、分析，实验数据结果如图5(a～d)所示。

对比实施例2

与实施例1相比，对比实施例2的增强型去磷土工包30中未添加零价铁、零价铝和活性炭粉末，分别对入流水样和出流水样进行采集、分析，实验数据结果如图6(a～d)所示。

由图5可知，农田尾水处理系统未放置增强型去磷土工包30时，cod的削减率为26.8％-67.6％，平均值为44.2％；氨氮削减率为49.3％-96.7％，平均值为68.6％；总磷削减率自26.9％-76.0％，平均值为52.2％；磷酸盐削减率为11.4％-75.3％，平均值为47.9％。由此可知，未放置增强型去磷土工包30的农田尾水处理系统对于水中营养盐的去除成效佳，但对于磷酸盐类的去除成效表现较差。

由图6可知，农田尾水处理系统的增强型去磷土工包30中未添加零价铁、零价铝和活性炭粉末时，cod的削减率为37.5％-67.6％，平均值为52.0％；氨氮削减率为49.7％-96.7％，平均值为71.9％；总磷削减率自55.4％-76.0％，平均值为67.6％；磷酸盐削减率为11.4％-79.5％，平均值为57.8％。由此可知，农田尾水处理系统的增强型去磷土工包30中未添加零价铁、零价铝和活性炭粉末时，在cod、氨氮的去除成效与未放置增强型去磷土工包30的农田尾水处理系统成效相近；对于总磷的削减却可以由52.2％提升至67.6％，而磷酸盐的去除亦可以由47.9％提升至57.8％；因此，未添加零价铁、零价铝和活性炭粉末的增强型去磷土工包30对于磷酸盐类的污染物有着较显著的成效。

由图4可知，农田尾水处理系统放置本发明增强型去磷土工包30时，cod的削减率为32.5％-49.3％，平均值为41.8％；氨氮削减率为43.6％-90.4％，平均值为72.7％；总磷削减率自69.8％-94.2％，平均值为81.5％；五日生化需氧量削减率为36.5％-76.6％，平均值为55.3％；悬浮物的削减率为80.7％-89.0％，平均值为85.0％；总氮的削减率为29.2％-69.5％，平均值为42.6％。由此可知，农田尾水处理系统的增强型去磷土工包30中添加零价铁、零价铝和活性炭粉末后，在cod、氨氮的去除成效与未添加零价铁、零价铝和活性炭粉末的成效相近；对于总磷的削减率可以由67.6％提升至81.5％，且悬浮物的削减率可达85.0％；因此，添加零价铁、零价铝和活性炭粉末的增强型去磷土工包30对于总磷和悬浮物有着极显著的成效。

本发明的污水净化机理如下：

该农田尾水处理系统主要通过物理性、化学性及生物性等机制进行水中污染物去除、过滤，以达到水质净化及改善放流水质量的目的。就物理性去除机制而言，通过表层植被11、卵砾石9降低径流流速，使水中悬浮物质沉降，农田尾水处理系统内的无纺土工布6、粗砂层2、纱网8、沸石31及碎石料4等不同孔隙，能拦阻水中悬浮物质；在化学性去除机制方面，通过土壤胶体的两性特性，藉由其所挟带的正、负电分别吸附阴、阳离子，例如磷酸根、硝酸根离子即可受土壤胶体吸附，达到水中磷、氮的去除效果；在生物性去除机制，通过表层植被11吸收土壤中的磷、氮，并利用农田尾水处理系统内滤料、细砾及碎石层孔隙中的微生物、硝化菌，进行硝化及脱硝反应，通过硝化反应将有机氮及氨氮转为硝酸盐氮及亚硝酸盐氮，再通过脱硝反应将硝酸盐氮还原成氮气。在滤料选择上，单一砂质能有较高悬浮去除率，但保水性及化学性去除能力较泥质滤料差；相对于砂质滤料，泥质滤料能有较高的离子交换能力，能透过土壤胶体吸附多种营养盐，并具有较高的保水性，能提高雨水滞留时间，增加入渗、减少径流。

氮元素代谢流程：

氮元素的去除共分为三个过程：①在厌氧条件下，有机氮在厌氧菌的作用下，通过氨化过程转化为氨氮；②在好氧条件下，氨氮先在亚硝酸菌的作用下，通过亚硝化作用转化为亚硝态氮，亚硝态氮再在硝酸菌的作用下，通过硝化作用转化为硝态氮；③在缺氧条件下，硝态氮在反硝化菌的作用下，通过反硝化作用转化为氮气或其他气态氮化合物。整个过程结束后，水体中的氮元素由溶解态变为气态释放到空气中，达到降低水体氮元素含量的目的。

磷的去除：零价铁和零价铝在厌氧环境中析出的fe²⁺或al²⁺与氧反应生成多价金属离子(如fe³⁺或al³⁺)，多价金属离子容易与污水中的磷酸根作用并且沉淀，达到去除的目的。

fe³⁺/al³⁺+po4^3-→fepo4/alpo4↓

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。