一种配合式农田退水污染物拦截装置

一种配合式农田退水污染物拦截装置
【技术领域】
1.本实用新型属于农业环境保护技术领域，具体涉及农田退水污染处理技术。


背景技术：

2.随着农药和化肥的大量使用，我国农业产业迅速发展的同时也造成了严重的面源污染问题。经科学测算，2020年水稻、小麦、玉米三大粮食作物化肥利用率为40.2％,农药利用率为40.6％；大量未被利用的化肥、农药在降雨冲击与淋溶作用下以降雨为载体，在地表径流及地下渗漏过程中将氮、磷、农药等污染物带入自然水体导致水质退化及生态系统退化。而目前现有的面源污染控制技术，包括植被缓冲带、前置库技术以及人工湿地等技术只能对面源污染起到一定的控制作用，并不能达到对农业面源污染的良好控制以及农业废弃物的资源化有效利用。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术中的不足，本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种配合式农田退水污染物拦截装置，实现对农业面源污染的良好控制以及农业废弃物的有效利用。
4.为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：
5.一种配合式农田退水污染物拦截装置，包括菌藻反应器和生物质炭反应器；所述菌藻反应器包括菌藻反应器池体、设于菌藻反应器池体内的生物质炭藻菌复合材料过滤装置以及曝气装置，所述生物质炭藻菌复合材料过滤装置设有生物质炭藻菌复合填料，所述菌藻反应器池体设有第一进水口和第一出水口，从第一进水口进入菌藻反应器池体的农田退水经过生物质炭藻菌复合材料过滤装置进行过滤，然后从第一出水口排出；所述生物质炭反应器包括生物质炭反应器池体、位于生物质炭反应器上层的吸附拦截部分、位于吸附拦截部分下方的农药专性降解吸附部分，所述吸附拦截部分设有吸附拦截生物质炭填料，所述农药专性降解吸附部分设有农药专性降解生物质炭填料，所述生物质炭反应器池体设有第二进水口和第二出水口，第二进水口与第一出水口连接，第一出水口出水从第二进水口进入生物质炭反应器池体，吸附拦截部分对菌藻反应器出水中的污染物进行吸附拦截，同时降低水力冲击负荷，农药专性降解部分对经过吸附拦截部分后渗下的水中农药进行吸附降解，并对氮、磷进一步吸附去除。
6.优选的，所述菌藻反应器还设有光照补偿装置，所述光照补偿装置包括光感传感器、控制模块、日光灯，光感传感器采集池体内的光强并发送信号至控制模块，控制模块根据接收到的信号调节日光灯光照强度进行光照补偿。
7.优选的，所述光照补偿装置还包括太阳能光伏电板、与太阳能光伏电板连接的蓄电池，由蓄电池为日光灯供电。
8.优选的，所述曝气装置包括曝气风机、与曝气风机连接的曝气管，所述曝气管设于菌藻反应器池体底部，所述曝气管上开设有排气孔。
9.优选的，所述菌藻反应器池体为有机玻璃制成的矩形池体，且第一进水口和第一出水口对应设于池体的长度两侧；至少两个生物质炭藻菌复合材料过滤装置沿池体长度方向间隔分布。
10.优选的，所述第一进水口处设有流量计和第一电磁阀；和/或，所述第一出水口处设有第二电磁阀。
11.优选的，所述吸附拦截生物质炭填料为秸秆生物质炭填料；和/或，所述农药专性降解生物质炭填料为菌炭复合填料。
12.优选的，所述生物质炭反应器池体的四周设置有通风口。
13.优选的，所述生物质炭反应器池体为柱状结构，所述吸附拦截部分的底部设置有第一格栅，所述农药专性降解吸附部分的底部设置有第二格栅。
14.优选的，所述第二进水口处设置有单向阀；和/或，所述第二出水口处设置有第三电磁阀；和/或，所述生物质炭反应器池体的底部设有投入式液压传感器。
15.采用上述技术方案，农田退水进入菌藻反应器，在生物质炭藻菌复合材料作用下完成对氮、磷等污染物的吸收降解。在生物质炭反应器中，吸附拦截部分及农药专性降解吸附部分通过串联方式形成共同作用机制：吸附拦截部分第一时间对菌藻反应器出水中的污染物进行吸附拦截，同时降低水力冲击负荷，农药专性降解部分以菌、炭复合材料作为填料，对经过吸附拦截部分后渗下的水中农药进行消化降解去除；整个反应器将菌藻反应器出水中未完全去除的氮、磷进一步吸附去除，对农药进行吸附降解。
16.吸附饱和的生物质炭填料又可作为缓释型炭基氮磷有机肥进行还田，有效解决了作物秸秆直接还田带来的病虫害等问题。
17.因此，与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
18.1)消减农田退水氮磷效果显著，性能高效稳定，经济环保、应用范围广，灵活性强、适合于农田退水处理工程化应用或现有工程改良。
19.2)本实用新型涉及到农业废弃物秸秆和菌藻，属于废弃物资源化利用和可持续发展的制备技术，有效解决了废弃物高附加值利用问题，反应器运行过程可以利用清洁能源太阳能，具有良好的经济及环保效益。本实用新型的实施，可实现全链式农田氮磷流失防控与资源化会回用，能有效环节农业面源污染带来的环境压力。
20.本实用新型的这些特点和优点将会在下面的具体实施方式、附图中详细的揭露。
【附图说明】
21.图1是一种配合式农田退水污染物拦截装置示意图；
22.图中：1-菌藻反应器，2-生物质炭反应器，3-菌藻反应器池体，4-菌藻生物质炭复合填料，5-滤网，6-排气孔，7-曝气风机，8-光感传感器，9-控制模块，10-日光灯，11-流量计，12-第一电磁阀，13-第二电磁阀，14-连接套筒，15-生物质炭反应器池体，16-吸附拦截部分，17-农药专性降解吸附部分，18-通风口，19-回流装置，20-回流泵，21-第一格栅，22-第二格栅，23-单向阀，24-第三电磁阀，25-投入式液压传感器；
23.图2是菌藻反应器对农田退水污染物的处理性能柱状图；
24.图3是生物质炭反应器对农田退水污染物的处理性能柱状图。
【具体实施方式】
25.下面结合本实用新型实施例的附图对本实用新型实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本实用新型的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。
26.本领域技术人员可以理解的是，在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
27.针对现有技术不能达到对农业面源污染的良好控制以及农业废弃物的有效利用等问题，本实用新型提供了一种配合式农田退水污染物拦截装置,如图1所示，主要由菌藻反应器1及生物质炭反应器2灵活组合实现对农田退水不同时期中水体氮磷及农药吸附降解，改善农田退水面源污染问题。
28.菌藻反应器1包括菌藻反应器池体3、设于菌藻反应器池体内的生物质炭藻菌复合材料过滤装置以及曝气装置。
29.所述生物质炭藻菌复合材料过滤装置设有生物质炭藻菌复合填料4以及固定生物质炭藻菌复合填料4的滤网5，菌藻共生复合填料以衣藻、活性污泥及铁钴负载改性藻基生物质炭为原料制备成生物质炭菌藻复合材料并嵌入多级滤网，形成菌藻多级过滤固持效果。所述菌藻反应器池体设有第一进水口和第一出水口，从第一进水口进入菌藻反应器池体的农田退水经过生物质炭藻菌复合材料过滤装置进行过滤，然后从第一出水口排出。
30.菌藻共生复合材料中活性污泥通过好氧生物降解作用吸收池体内有机物及氧气并释放出二氧化碳；衣藻以氮、磷作为自身生长所需营养物质在光合作用最适光照条件下不断进行光合作用，吸收池体内二氧化碳并释放氧气；铁钴负载改性藻基生物质炭具有高导电性，能够为菌、藻生长提供载体，同时能迅速吸附氮、磷以供菌、藻生长消化。
31.生物质炭藻菌复合填料4是将活性污泥浓缩液与藻液(比例1：1.5-2)进行混和得到混合液，再按1:3-5的比例将铁钴负载菌藻生物质炭与混合液混合，同时加入除菌处理后的沼液并置于25-30℃、150-200r/min恒温摇床吸附8-12h，固液分离后得到生物质炭菌藻复合材料。
32.可以理解的是，生物质炭藻菌复合填料4也可以直接采用现有技术。
33.其中，曝气装置包括曝气风机7、与曝气风机连接的曝气管，所述曝气管设于菌藻反应器的池体底部，所述曝气管上开设有排气孔6。曝气管可以分散分布，为池体内各处的活性污泥接种提供氧气。
34.为了提高处理效率，所述菌藻反应器池体3可以为有机玻璃制成的矩形池体，且第一进水口和第一出水口对应设于池体的长度两侧，至少两个生物质炭藻菌复合材料过滤装置沿池体长度方向间隔分布，形成菌藻多级过滤降解固持的效果。可以理解的是，菌藻反应器池体的长度可以变化，内部生物质炭藻菌复合材料过滤装置的数量及间距也可以对应进行调整。
35.进一步的，还可以设置光照补偿装置组成，所述光照补偿装置包括光感传感器8、控制模块9、日光灯10，光感传感器采集池体内的光强并发送信号至控制模块，控制模块根据接收到的信号调节日光灯光照强度进行光照补偿，辅助衣藻进行光合作用，其具体工作原理属于现有技术，在此不再赘述。所述光照补偿装置还可以包括太阳能光伏电板、与太阳
能光伏电板连接的蓄电池，由蓄电池为日光灯供电。通过太阳能光伏电板发电并储存于蓄电池中，在光照强度不足时光感传感器通过感光元件发送信号至控制模块，通过调节日光灯光强(0-8000lux)使池体内光照维持在衣藻光合作用最适强度。运行过程可以利用清洁能源太阳能，具有良好的经济及环保效益。可以理解的是，也可以直接采用其他交直流电源为光照补偿装置供电。
36.进一步的，所述第一进水口处设有流量计11和第一电磁阀12。所述第一出水口处设有第二电磁阀13，第二电磁阀13为常闭式电磁阀。流量计检测进水流量达到设定值后第一电磁阀关闭同时曝气装置开始曝气，曝气量为气水比1：3-5，水力停留时间10-12h，随后第二电磁阀打开，水体进入生物质炭反应池。
37.生物质炭反应器2包括生物质炭反应器池体15、位于生物质炭反应器上层的吸附拦截部分16、位于吸附拦截部分下方的农药专性降解吸附部分17，所述吸附拦截部分设有吸附拦截生物质炭填料，所述农药专性降解吸附部分设有农药专性降解生物质炭填料。所述生物质炭反应器池体设有第二进水口和第二出水口，第二进水口与第一出水口连接，第一出水口出水从第二进水口进入生物质炭反应器池体，吸附拦截部分对菌藻反应器出水中的污染物进行吸附拦截，同时降低水力冲击负荷，农药专性降解部分对经过吸附拦截部分后渗下的水中农药进行吸附降解，并对氮、磷进一步吸附去除。
38.具体的，所述生物质炭反应器池体15为柱状结构，例如可以为圆柱状，所述生物质炭反应器池体的四周设置有通风口18。第一出水口端部设有连接套筒14，第二进水口端部也设有连接套筒14，因此，第一出水口和第二进水口通过连接套筒14连接。所述第二进水口处设置有单向阀23，因此第二进水口只能进水，所述第二出水口处设置有第三电磁阀24。所述生物质炭反应器池体15的底部设有投入式液压传感器25。所述生物质炭反应器池体在池底和生物质炭反应器上层之间设有回流装置19，回流装置包括回流管，回流管连接回流泵20，通过回流装置19将池底污泥回流至农药专性降解吸附部分17上部，由农药专性降解吸附部分利用。投入式液压传感器25检测生物质炭反应池底部的水压，待生物质炭反应池的底部设定水压达到后，水力停留6-8h，第三电磁阀打开，上清液排出，底泥回流至农药专性降解吸附部分17上部。
39.其中，所述吸附拦截生物质炭填料为秸秆生物质炭填料；所述农药专性降解生物质炭填料为菌炭复合填料。秸秆生物质炭和粘合剂共同构成秸秆生物质炭填料。生物质炭反应器中菌炭复合材料取铁钴负载改性藻基生物质炭置于三角瓶中，加入沼液混匀，121℃下灭菌25-30min，取出冷却至室温。向三角瓶中加入接种专性农药降解菌菌液(接种量4％-10％(体积分数))的沼液(接种前灭菌处理)，随后置于30-35℃、150-200r/min恒温摇床吸附固定8-12h后将混合液过200-300目筛网并用无菌水反复冲洗筛网上的材料后得到复合材料。
40.铁钴负载改性藻基生物质炭的制备方法：包括预处理、炭化以及负载改性；
41.1)预处理，将藻液脱水至含水率为75-80％后放入烘箱中，在85-110℃下干燥18-24h，随即粉碎至粒径《0.1mm得到干燥粉；在密闭容器中对干藻粉进行液氮预处理，干藻粉与液氮质量比为1：1.5-2，并搅拌0.5-1h；
42.2)炭化，将处理后的干藻粉、稀hno3(0.5-0.75％)、去离子水(比例1：5：10)置于反应釜中，在150-250℃及自产生压力条件下进行水热炭化3-5h，随即对产物分别进行降温、
降压、固液分离处理后置于烘箱中85-100℃烘干8-12h，得到藻基生物质炭；将藻基生物质炭在氮气氛围下在立式炉中350-500℃进行氮掺杂处理2-3h，产物浸渍在1-2mol/l的hno3中，搅拌3-5h后用去离子水洗涤至中性。
43.3)负载改性，将加入六价氯化钴和六价氯化铁的水溶液混合搅拌均匀后加入炭化处理后的产物，搅拌0.5-1h后逐滴加入氢氧化钠溶液，搅拌1-2h后固液分离并用去离子水和无水乙醇交替洗涤至中性，随后在85-110℃及真空条件下干燥12-24h，冷却后得到铁钴负载藻基生物质炭。
44.农药降解菌的富集提纯，取多年施用多种农药土壤20-50g于150-200ml富集培养基中，富集培养后得到富集培养液，富集培养液按10％-15％接种量接入含有80-120mg/l农药1、80-120mg/l农药2的无机盐培养基并以农药作为唯一碳源在恒温摇床中25-35℃，150-200r/min培养5-7d，后按10-15％接种量接入含有180-220mg/l农药1、180-220mg/l农药2的无机盐培养基中并在恒温摇床中25-35℃，150-200r/min培养5-7d，随后按10-15％接种量接入含有480-520mg/l农药1、480-520mg/l农药2的无机盐培养基并在恒温摇床中25-35℃，150-200r/min培养5-7d，再对降解菌进行提纯，筛选出对多种农药均具有良好降解性的优势菌种；
45.农药1和农药2为吡虫啉、丁草胺、草甘膦、三唑磷、吡蚜酮、戊唑醇中任意两种。
46.吸附拦截部分16和农药专性降解吸附部分17底部对应固定设置有第一格栅21和第二格栅22。可以采用细格栅，栅条间距分别为0.1-0.5mm和0.1-1mm。
47.可以理解的是，吸附拦截生物质炭填料除了秸秆生物质炭填料，也可以是现有技术中其他生物质炭填料，农药专性降解生物质炭填料也可以直接采用现有技术中其他对农药具有降解作用的填料。
48.另外，一种农田退水污染高效拦截与回用方法，采用所述的一种配合式农田退水污染物拦截装置实施该方法，农田退水进入菌藻反应器后，进水流量达到流量计设定值后第一电磁阀关闭同时曝气风机开始工作，进行曝气，曝气量为气水比1：3-5，水力停留时间10-12h；随后第一出水口处第二电磁阀打开，在菌藻反应器反应完成后的出水进入生物质炭反应器，水力停留6-8h，待生物质炭反应池底部的投入式液压传感器设定水压达到后，水力停留6-8h，第二出水口处的第三电磁阀打开，上清液排出，底泥通过回流装置回流至农药专性降解吸附部分利用。
49.进一步的，待生物质炭藻菌复合填料、吸附拦截生物质炭填料以及农药专性降解生物质炭填料达到饱和后，进行收集，风干或烘干后作为缓释型炭基氮、磷有机肥，进行覆土还田施用；或者还将菌藻反应器、生物质炭反应器中多余的或者死亡的菌、藻掺入并一起风干或烘干后作为缓释型炭基氮、磷有机肥，进行覆土还田施用。
50.具体应用实例
51.具体用于实际农田退水污染物处理，种植作物为单季稻，适用杀虫剂主要是吡虫啉，农田退水集中于菌藻反应器的进水口，设置进水调节池。待系统稳定运行30天后，连续监测10天水质指标，测定相关数据并取平均值，农田退水cod、总氮(tn)、总磷(tp)以及吡虫啉浓度平均为57.43mg/l、3.79mg/l、0.71mg/l和11.7mg/l，属于地表水环境质量标准的劣
ⅴ
类水质，具有面源污染的危害。
52.菌藻反应器中生物质炭藻菌复合填料以衣藻、活性污泥及铁钴负载改性藻基生物
质炭按照1:2:10的比例制备生物质炭菌藻复合材料；进入菌藻反应器中的农田退水在衣藻及活性污泥共同作用下完成对氮、磷等污染物的吸收降解。
53.铁钴负载改性藻基生物质炭制备方法：1)预处理，将藻液脱水至含水率为75％后放入烘箱中，在105℃下干燥18-24h，随即粉碎至粒径《0.1mm得到干燥粉；在密闭容器中对干藻粉进行液氮预处理，干藻粉与液氮质量比为1：1.5，并搅拌1h；2)炭化，将处理后的干藻粉、稀hno3(0.75％)、去离子水(比例1：5：10)置于反应釜中，在200℃及自产生压力条件下进行水热炭化5h，随即对产物分别进行降温、降压、固液分离处理后置于烘箱中100℃烘干10h，得到藻基生物质炭；将藻基生物质炭在氮气氛围下在立式炉中450℃进行氮掺杂处理3h，产物浸渍在2mol/l的hno3中，搅拌3h后用去离子水洗涤至中性。3)负载改性，将加入六价氯化钴和六价氯化铁的水溶液混合搅拌均匀后加入炭化处理后的产物，搅拌1h后逐滴加入氢氧化钠溶液，搅拌2h后固液分离并用去离子水和无水乙醇交替洗涤至中性，随后在105℃及真空条件下干燥20h，冷却后得到铁钴负载藻基生物质炭。
54.菌藻共生复合材料制备方法：将活性污泥浓缩液与藻液(1：2)进行混和得到混合液，再按3:10的比例将铁钴负载菌藻生物质炭与混合液混合，同时加入除菌处理后的沼液并置于30℃、180r/min恒温摇床吸附12h，固液分离后得到生物质炭菌藻复合材料。
55.如图2所示，菌藻反应器内富含具有氮磷吸收降解的藻类和微生物，利用铁钴负载藻基生物质炭作为载体，兼具催化功能，对农田退水的氮、磷污染物具有良好的处理效果，去除率分别达到75.2％和70.7％，处理出水浓度分别为0.94mg/l和0.21mg/l，基本达到了地表水环境质量标准的ⅲ类。但是，该技术环节对农田退水的农药与cod去除效率仅在40％以内，处理出水浓度仍在
ⅴ
类水质。因此，菌藻反应器对氮、磷具有良好的处理效果，处理后出水需进入生物质炭反应器继续深度处理。
56.生物质炭反应器中，吸附拦截部分及农药专性降解吸附部分通过串联方式形成共同作用机制：吸附拦截部分第一时间对菌藻反应器出水中的污染物进行吸附拦截，同时降低水力冲击负荷，农药专性降解部分以菌炭复合材料作为填料，对经过吸附拦截部分后渗下的水中农药进行消化降解去除；整个反应器将菌藻反应器出水中未完全去除的氮、磷进一步吸附去除，对农药进行吸附降解。
57.农药降解菌的具体富集提纯方法：取多年施用多种农药土壤50g于200ml富集培养基中，富集培养后得到富集培养液，富集培养液按15％接种量接入含有90mg/l吡虫啉、100mg/l丁草胺的无机盐培养基并以农药作为唯一碳源在恒温摇床中30℃，180r/min培养6d，后按15％接种量接入含有200mg/l吡虫啉、200mg/l丁草胺的无机盐培养基中并在恒温摇床中30℃，180r/min培养6d，随后按15％接种量接入含有500mg/l吡虫啉、500mg/l丁草胺的无机盐培养基并在恒温摇床中30℃，180r/min培养6d，再对降解菌进行提纯，筛选出对多种农药均具有良好降解性的优势菌种。
58.菌炭复合材料制备方法：取铁钴负载改性藻基生物质炭置于三角瓶中，加入沼液混匀，121℃下灭菌30min,取出冷却至室温。向三角瓶中加入接种专性农药降解菌菌液(接种量10％(体积分数))的沼液(接种前灭菌处理)，随后置于30℃、180r/min恒温摇床吸附固定12h后，将混合液过200目筛网并用无菌水反复冲洗筛网上的材料后得到复合材料。
59.如图3所示，菌藻反应器处理出水经过生物质炭反应器深度处理，水质得到显著提升，特别是生物质炭反应器设置农药降解吸附功能单元，富含生物质炭主导的农药降解吸
附功能单元，对农药具有专一高效降解作用，其对吡虫啉的降解率高达88.5％，处理出水浓度仅为0.8mg/l。伴随着农药的高效降解，农田退水的有机污染得到缓解，cod的去除率也达到了62.2％，处理出水浓度为14mg/l。同时，生物质炭反应器内部的高效生物质炭吸附单元，对氮、磷等污染也具有一定的吸附降解效果，tn去除率在47.8％，总磷去除率为52.3％，最终的出水浓度为0.49和0.1mg/l。生物质炭主导的农田退水污染高效拦截装置整体去除率cod为75.6％，tn为87.1％，tp为85.7％，杀虫剂为93.2％，最终处理出水的水质基本符合地表水环境质量标准的ⅱ类水质，可见，本装置对农田退水的氮磷和农药具有协同高效去除的能力，可以保障处理后出水水质达到较高水平，且操作简单，成本较低，适宜工程化推广应用。
60.待生物质炭填料达到饱和后，进行收集，将反应器中多余的或者死亡的菌、藻掺入，风干或烘干后作为缓释型炭基氮、磷有机肥，进行覆土还田施用。如表1所示，施加缓释型炭基肥有效提高了研究基地土壤的ph值，提升幅度最高达9.9％，有机质含量提高了27.1％，全氮增加了31.1％，全磷增加了39.2％，数据表明，回用的生物质炭填料有效的提高了土壤肥力，可以作为资源回用的有效途径，也证实了本实用新型的一种配合式农田退水污染物拦截装置，对农田退水氮磷和有机污染物具有良好的处理效果，生物质炭填料可以资源化再利用。
61.表1：添加生物质炭对土壤肥力的影响(g/kg)
[0062][0063]
以上所述，仅为实用新型的具体实施方式，但实用新型的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白实用新型包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离实用新型的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。