具有除氮磷功能的干濕交替污水灌溉系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有除氮磷功能的干濕交替污水灌溉系統(tǒng)，其特征在于：包括：灌溉系統(tǒng)（1）和設(shè)置于所述灌溉系統(tǒng)（1）內(nèi)的排污系統(tǒng)（2）；所述排污系統(tǒng)（2）包括從上到下依次設(shè)置于斗渠（5）內(nèi)的進(jìn)污水區(qū)（21）、碳源層（22）、厭氧層（23）、排污反應(yīng)層（24）、過濾層（25）、支架層（26）和出凈水區(qū)（27）；所述斗渠（5）設(shè)置有坡度，所述排污系統(tǒng)（2）的坡度與所述斗渠（5）的坡度相同，所述進(jìn)污水區(qū)（21）設(shè)置有若干分段水閘（28）。本發(fā)明提供的一種具有除氮磷功能的干濕交替污水灌溉系統(tǒng)，設(shè)計合理，有效除氮磷，成本低，可在現(xiàn)有的灌溉渠道上改造，節(jié)約了土地，適合廣泛推廣應(yīng)用。
【專利說明】具有除氮磷功能的干濕交替污水灌溉系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有除氮磷功能的干濕交替污水灌溉系統(tǒng)，屬于水利工程【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]全國年排污量約為350億立方米，但城市污水集中處理率僅為16%，全國超過80%的城市污水未經(jīng)任何有效的收集處理就直接排放到附近的水體，生活廢水中氨氮排放量占到了總排放量的近80%。
[0003]國務(wù)院和環(huán)保部頒布的《全國地下水污染防治規(guī)劃》(2011-2020年)，我國部分地區(qū)長期利用污水灌溉，對農(nóng)田及地下水環(huán)境構(gòu)成危害，農(nóng)業(yè)區(qū)地下水銨態(tài)氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮(二者統(tǒng)稱硝態(tài)氮)超標(biāo)和有機污染日益嚴(yán)重。
[0004]目前污水處理廠實際運轉(zhuǎn)率低，運行管理費用高昂，我國污水處理廠運行狀況為1/3運行正常、1/3不正常、1/3處于閑置狀態(tài)，污水處理廠的實際運轉(zhuǎn)率只能達(dá)到50%。
[0005]部分市民片面認(rèn)為氮可以增加作物養(yǎng)分，對氮的污染缺乏高度重視，實際上，污水中含有的有機氮化物，它們通過土壤不僅直接污染地下水，而且在細(xì)菌微生物參與下，經(jīng)氨化，亞硝化和硝化作用后，以銨態(tài)氮、有機氮、亞硝酸鹽與硝酸鹽形式污染地下水。
[0006]若以I公升污水可分解出110毫克硝酸鹽計，500萬噸污水分解出550噸硝酸鹽，如這些硝酸鹽全部滲入地下后，可使I億噸地下水的硝酸鹽含量增加5.5毫克/升。近幾年來平均每年升高數(shù)據(jù)為10毫克/升。長期飲用含高濃度硝酸鹽的水，會使人畜中毒，尤其對嬰幼兒和孕婦帶來嚴(yán)重危害，引發(fā)“藍(lán)嬰兒綜合征”。
[0007]目前，處理水污染方法有物理、化學(xué)、生物方法。其中，化學(xué)方法有化學(xué)藥劑殺藻、加鐵鹽促磷沉淀、加入石灰脫氮等；物理方法有疏挖底泥、引水沖淤、機械除藻等；生物方法有氧化塘、人工濕地等。以上這些生態(tài)水體修復(fù)技術(shù)主要用來處理河道的水環(huán)境問題，不能應(yīng)用于灌區(qū)渠道。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種具有污水處理能力的灌溉系統(tǒng)，保證灌溉水質(zhì)，減輕農(nóng)田環(huán)境污染，修復(fù)農(nóng)田生態(tài)；進(jìn)一步地，本發(fā)明模擬水田系統(tǒng)，利用排污系統(tǒng)在灌溉期和非灌溉期自然形成的干濕交替的特點來除去氮磷；在節(jié)約成本的同時有效地處理水體富營養(yǎng)化的問題；更進(jìn)一步地，本發(fā)明利用秸桿做碳源和過濾層，綜合利用灌溉田內(nèi)的秸桿，秸桿易得，成本低；更進(jìn)一步地，本發(fā)明可在現(xiàn)有的灌溉渠道上改造，進(jìn)一步節(jié)約了土地，并在輸水過程中即實現(xiàn)除污；還有本發(fā)明的厭氧層的膨脹材料為熱膨脹系數(shù)大的材料，利用熱脹冷縮原理為厭氧細(xì)菌創(chuàng)造缺氧條件。
[0009]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
一種具有除氮磷功能的干濕交替污水灌溉系統(tǒng)，其特征在于:包括:灌溉系統(tǒng)和設(shè)置于所述灌溉系統(tǒng)內(nèi)的排污系統(tǒng)；所述灌溉系統(tǒng)包括干渠、支渠和若干斗渠，所述支渠與所述干渠連通處設(shè)置有支渠分水閘，若干所述斗渠均與所述支渠相連通，所述斗渠上設(shè)置有若干用于灌溉農(nóng)渠的取水口，所述排污系統(tǒng)設(shè)置于所述斗渠內(nèi)，所述取水口處設(shè)置有用于調(diào)節(jié)水體使之適于灌溉的調(diào)節(jié)裝置。
[0010]所述斗渠的結(jié)構(gòu)都是梯形結(jié)構(gòu)，四周均為襯砌。
[0011 ] 所述排污系統(tǒng)位于所述取水口的上游。
[0012]所述調(diào)節(jié)裝置包括碳酸鈣包和補氣泵。
[0013]所述排污系統(tǒng)包括從上到下依次設(shè)置于所述斗渠內(nèi)的進(jìn)污水區(qū)、碳源層、厭氧層、排污反應(yīng)層、過濾層、支架層和出凈水區(qū)；所述斗渠設(shè)置有坡度，所述排污系統(tǒng)的坡度與所述斗渠的坡度相同，所述進(jìn)污水區(qū)設(shè)置有若干分段水閘。
[0014]每隔25m布置一塊分段水閘，調(diào)節(jié)水位，排污反應(yīng)層上部布置秸桿投放區(qū)補充除污反應(yīng)所需碳源。
[0015]所述排污反應(yīng)層為滲透系數(shù)大于0.005cm/s的土壤，所述土壤內(nèi)混合有鐵粉；所述碳源層為秸桿；所述厭氧層由透水的膨脹材料制成；所述過濾層為秸桿；所述支架層為透水的混凝土支撐網(wǎng)架。
[0016]碳源層的秸桿作為碳源，為硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)提供碳源；并且能夠防止水沖刷下層(即排污反應(yīng)層)的土壤；就地取材，天然環(huán)保且易得。
[0017]膨脹材料為熱膨脹系數(shù)大的材料，利用熱脹冷縮原理為厭氧細(xì)菌(包括硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌)創(chuàng)造厭氧環(huán)境，鋪設(shè)一層，此處的熱膨脹系數(shù)大的材料保證在灌溉期熱脹作用空隙變小，形成反硝化細(xì)菌可以反應(yīng)的厭氧條件，這時降低氧氣濃度就可以實現(xiàn)。
[0018]排污反應(yīng)層為透水性強的普通土壤，加入少量鐵粉(鐵粉不易流失，能滿足除磷要求)，灌溉期帶負(fù)電的土壤易吸附帶正電荷的金屬離子，加入的鐵粉，土壤中自帶的鋁離子、鈣離子、鎂離子和鐵離子均可吸附磷酸根離子，進(jìn)而除去磷。
[0019]隔板為不透水隔板，增加水流路徑并起到支撐結(jié)構(gòu)。
[0020]過濾層的秸桿具有過濾層作用。
[0021]支架層的混凝土結(jié)構(gòu)為透水底座。
[0022]所述排污反應(yīng)層設(shè)置有若干用于延長污水反應(yīng)路徑的隔板，所述隔板的寬度小于所述斗渠的寬度，若干所述隔板交互設(shè)置于所述斗渠的側(cè)壁上。
[0023]所述排污系統(tǒng)的排污原理包括灌溉期反應(yīng)原理和非灌溉期反應(yīng)原理；
所述灌溉期反應(yīng)原理為:
所述排污反應(yīng)層為濕潤狀態(tài)，土壤為水分所飽和，呈還原狀態(tài)，污水中的銨態(tài)氮是陽離子，極易被帶負(fù)電的土壤膠體吸附，不易流失；在碳源層為土壤提供碳源；厭氧層提供缺氧的條件下，污水中的硝態(tài)氮在反硝化細(xì)菌的作用下經(jīng)反硝化反應(yīng)分解為氮氣；另外，土壤中加入的鐵粉通過鐵接觸法去除污水中的磷；
所述非灌溉期反應(yīng)原理為:
所述排污反應(yīng)層為干燥狀態(tài)，土壤呈氧化狀態(tài)，在碳源層為土壤提供碳源；厭氧層提供缺氧的條件下，土壤中的硝化細(xì)菌將土壤膠體吸附的銨態(tài)氮經(jīng)硝化反應(yīng)分解為硝態(tài)氮，硝態(tài)氮在反硝化細(xì)菌的作用下經(jīng)反硝化反應(yīng)分解為氮氣；
經(jīng)非灌溉期土壤自身生化反應(yīng)后，土壤中的氮被分解去除，待灌溉期到來土壤濕潤時，為吸附銨態(tài)氮提供條件，周而復(fù)始，如此往復(fù)，即利用土壤自身形成的干濕交替的特點來除去氣。
[0024]磷則是利用鐵接觸法去除后形成化學(xué)沉淀加以除去。
[0025]所述膨脹材料包括無機纖維材料，所述無機纖維材料的線膨脹系數(shù)為9-12 X 1-6/K。
[0026]所述取水口位于所述排污系統(tǒng)的下方，所述取水口處還設(shè)置有過濾擋板。
[0027]所述過濾擋板用于將磷酸鐵等沉淀過濾。
[0028]所述坡度的角度為5~10°。
[0029]所述分段水閘將所述排污反應(yīng)層劃分為若干反應(yīng)區(qū)，可以根據(jù)污水的受污染程度選擇性地開啟一個或多個所述分段水閘，也可以根據(jù)排污反應(yīng)層各段的反應(yīng)能力來選擇性地開啟與之匹配的分段水閘。
[0030]支渠放水后水流通過放置在斗渠中的排污系統(tǒng)得到凈化，凈化后的水用提水泵提到取水口中，并利用布置在取水口處的碳酸鈣包和補氣泵調(diào)節(jié)水體Ph值、含氧量，使之適于灌溉。
[0031]水稻灌區(qū)設(shè)計凈灌水率為0.45-0.6m3/(s.萬畝)(《農(nóng)田水利學(xué)》第三版)，設(shè)計方案中取渠道長度L=1000m，控制面積500畝，渠道水力坡降i=0.01，渠道底寬1.7m，頂寬2.3m，高2.2m，滲透系數(shù)2*10_3cm/s，可保證灌水率為0.8m3/ (s.萬畝)，是平均設(shè)計灌水率的1.52倍。
[0032]本發(fā)明提供的一種具有除氮磷功能的干濕交替污水灌溉系統(tǒng)，排污系統(tǒng)的設(shè)置，使本發(fā)明具有污水處理能力，保證灌溉水質(zhì)，減輕農(nóng)田環(huán)境污染，修復(fù)農(nóng)田生態(tài)；本發(fā)明模擬水田系統(tǒng)，利用排污系統(tǒng)在灌溉期和非灌溉期自然形成的干濕交替的特點來除去氮磷，在節(jié)約成本的同時有效地處理水體富營養(yǎng)化的問題；本發(fā)明利用秸桿做碳源和過濾層，綜合利用灌溉田內(nèi)的秸桿，秸桿易得，成本低；本發(fā)明可在現(xiàn)有的灌溉渠道上改造，進(jìn)一步節(jié)約了土地，并在輸水過程中即實現(xiàn)除污；還有本發(fā)明的厭氧層的膨脹材料為熱膨脹系數(shù)大的材料，利用熱脹冷縮原理為厭氧細(xì)菌創(chuàng)造缺氧條件；本發(fā)明合理地將利用化學(xué)、生物方法除氮磷，巧妙地將斗渠模擬設(shè)置成干濕交替的水田系統(tǒng)，利用秸桿提供生物反應(yīng)所需的碳源，利用膨脹材料提供生物反應(yīng)所需的缺氧條件，利用加入土壤中的鐵粉及土壤中自吸附的金屬離子除磷，有效地除去了污水中的氮磷，使灌溉水符合灌溉要求。本發(fā)明提供的一種具有除氮磷功能的干濕交替污水灌溉系統(tǒng)，設(shè)計合理，有效除氮磷，成本低，可在現(xiàn)有的灌溉渠道上改造，節(jié)約了土地，適合廣泛推廣應(yīng)用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0033]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為圖1的A-A向剖視圖；
圖3為本發(fā)明中灌溉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明除氮磷的原理圖；
圖5為本發(fā)明在前5天排污反應(yīng)層2m深度處硝酸根濃度與COD濃度變化曲線圖；其中上面的曲線為硝酸根離子濃度變化線，下面的曲線為COD在土壤中濃度隨時間的變化線。
【具體實施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0035]如圖1~5所示一種具有除氮磷功能的干濕交替污水灌溉系統(tǒng)，其特征在于:包括:灌溉系統(tǒng)I和設(shè)置于所述灌溉系統(tǒng)I內(nèi)的排污系統(tǒng)2 ;所述灌溉系統(tǒng)I包括干渠3、支渠4和若干斗渠5，所述支渠4與所述干渠3連通處設(shè)置有支渠分水閘6，若干所述斗渠5均與所述支渠4相連通，所述斗渠5上設(shè)置有若干用于灌溉農(nóng)渠7的取水口 8，所述排污系統(tǒng)2設(shè)置于所述斗渠5內(nèi)，所述取水口 8處設(shè)置有用于調(diào)節(jié)水體使之適于灌溉的調(diào)節(jié)裝置。
[0036]所述調(diào)節(jié)裝置包括碳酸鈣包和補氣泵。
[0037]所述排污系統(tǒng)2包括從上到下依次設(shè)置于所述斗渠5內(nèi)的進(jìn)污水區(qū)21、碳源層22、厭氧層23、排污反應(yīng)層24、過濾層25、支架層26和出凈水區(qū)27 ;所述斗渠5設(shè)置有坡度，所述排污系統(tǒng)2的坡度與所述斗渠5的坡度相同，所述進(jìn)污水區(qū)21設(shè)置有若干分段水閘28。
[0038]所述排污反應(yīng)層24為滲透系數(shù)大于0.002cm/s的土壤，所述土壤內(nèi)混合有鐵粉；所述碳源層22為秸桿；所述厭氧層23由透水的膨脹材料制成；所述過濾層25為秸桿；所述支架層26為透水的混凝土支撐網(wǎng)架。
[0039]所述排污反應(yīng)層24設(shè)置有若干用于延長污水反應(yīng)路徑的隔板29，所述隔板29的寬度小于所述斗渠5的寬度，若干所述隔板29交互設(shè)置于所述斗渠5的側(cè)壁上。
[0040]所述排污系統(tǒng)2的排污原理包括灌溉期反應(yīng)原理和非灌溉期反應(yīng)原理；
所述灌溉期反應(yīng)原理為:
所述排污反應(yīng)層24為濕潤狀態(tài)，土壤為水分所飽和，呈還原狀態(tài)，污水中的銨態(tài)氮是陽離子，極易被帶負(fù)電的土壤膠體吸附，不易流失；在碳源層22為土壤提供碳源；厭氧層23提供缺氧的條件下，污水中的硝態(tài)氮在反硝化細(xì)菌的作用下經(jīng)反硝化反應(yīng)分解為氮氣；另外，土壤中加入的鐵粉通過鐵接觸法去除污水中的磷；
所述非灌溉期反應(yīng)原理為:
所述排污反應(yīng)層24為干燥狀態(tài)，土壤呈氧化狀態(tài)，在碳源層22為土壤提供碳源；厭氧層23提供缺氧的條件下，土壤中的硝化細(xì)菌將土壤膠體吸附的銨態(tài)氮經(jīng)硝化反應(yīng)分解為硝態(tài)氮，硝態(tài)氮在反硝化細(xì)菌的作用下經(jīng)反硝化反應(yīng)分解為氮氣。
[0041 ] 所述膨脹材料包括無機纖維材料，所述無機纖維材料的線膨脹系數(shù)為9-12 X 1-6/K。
[0042]所述取水口 8位于所述排污系統(tǒng)2的下方，所述取水口 8處還設(shè)置有過濾擋板。
[0043]所述坡度的角度為5-10°。
[0044]所述分段水閘28將所述排污反應(yīng)層24劃分為若干反應(yīng)區(qū)。
[0045]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種具有除氮磷功能的干濕交替污水灌溉系統(tǒng)，其特征在于:包括:灌溉系統(tǒng)(1)和設(shè)置于所述灌溉系統(tǒng)(1)內(nèi)的排污系統(tǒng)(2):所述排污系統(tǒng)(2)包括從上到下依次設(shè)置于斗渠(5)內(nèi)的進(jìn)污水區(qū)〔20、碳源層〔22\厭氧層〔23\排污反應(yīng)層〔24\過濾層〔25\支架層(26)和出凈水區(qū)(27)；所述斗渠(5)設(shè)置有坡度，所述排污系統(tǒng)(2)的坡度與所述斗渠(5 )的坡度相同，所述進(jìn)污水區(qū)(21)設(shè)置有若干分段水閘(28^
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有除氮磷功能的干濕交替污水灌溉系統(tǒng)，其特征在于:所述灌溉系統(tǒng)(1)包括干渠(31支渠(4)和若干所述斗渠(5),所述支渠(4)與所述干渠(3)連通處設(shè)置有支渠分水閘(6),若干所述斗渠(5)均與所述支渠(4)相連通，所述斗渠(5)上設(shè)置有若干用于灌溉農(nóng)渠(7)的取水口(8)，所述排污系統(tǒng)(2)設(shè)置于所述斗渠(5)內(nèi)，所述取水口(8)處設(shè)置有用于調(diào)節(jié)水體使之適于灌溉的調(diào)節(jié)裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有除氮磷功能的干濕交替污水灌溉系統(tǒng)，其特征在于:所述調(diào)節(jié)裝置包括碳酸鈣包和補氣泵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有除氮磷功能的干濕交替污水灌溉系統(tǒng)，其特征在于:所述排污反應(yīng)層(24)為滲透系數(shù)大于0.005^/8的土壤，所述土壤內(nèi)混合有鐵粉；所述碳源層(22)為秸桿；所述厭氧層(23)由透水的膨脹材料制成；所述過濾層(25)為秸桿；所述支架層(26)為透水的混凝土支撐網(wǎng)架。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的具有除氮磷功能的干濕交替污水灌溉系統(tǒng)，其特征在于:所述排污反應(yīng)層(24)設(shè)置有若干用于延長污水反應(yīng)路徑的隔板(29),所述隔板(29)的寬度小于所述斗渠(5)的寬度，若干所述隔板(29)交互設(shè)置于所述斗渠(5)的側(cè)壁上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有除氮磷功能的干濕交替污水灌溉系統(tǒng)，其特征在于:所述排污系統(tǒng)(2)的排污原理包括灌溉期反應(yīng)原理和非灌溉期反應(yīng)原理； 所述灌溉期反應(yīng)原理為: 所述排污反應(yīng)層(24)為濕潤狀態(tài)，土壤為水分所飽和，呈還原狀態(tài)，污水中的銨態(tài)氮是陽離子，極易被帶負(fù)電的土壤膠體吸附，不易流失；在碳源層(22)為土壤提供碳源；厭氧層(23)提供缺氧的條件下，污水中的硝態(tài)氮在反硝化細(xì)菌的作用下經(jīng)反硝化反應(yīng)分解為氮氣；另外，土壤中加入的鐵粉通過鐵接觸法去除污水中的磷； 所述非灌溉期反應(yīng)原理為: 所述排污反應(yīng)層(24)為干燥狀態(tài)，土壤呈氧化狀態(tài)，在碳源層(22)為土壤提供碳源；厭氧層(23)提供缺氧的條件下，土壤中的硝化細(xì)菌將土壤膠體吸附的銨態(tài)氮經(jīng)硝化反應(yīng)分解為硝態(tài)氮，硝態(tài)氮在反硝化細(xì)菌的作用下經(jīng)反硝化反應(yīng)分解為氮氣。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有除氮磷功能的干濕交替污水灌溉系統(tǒng)，其特征在于:所述膨脹材料包括無機纖維材料，所述無機纖維材料的線膨脹系數(shù)為9-12 X 10—6#。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有除氮磷功能的干濕交替污水灌溉系統(tǒng)，其特征在于:所述取水口(8)位于所述排污系統(tǒng)(2)的下方，所述取水口(8)處還設(shè)置有過濾擋板。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有除氮磷功能的干濕交替污水灌溉系統(tǒng)，其特征在于:所述坡度的角度為5-10°。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有除氮磷功能的干濕交替污水灌溉系統(tǒng)，其特征在于:所述分段水閘(28)將所述排污反應(yīng)層(24)劃分為若干反應(yīng)區(qū)。
【文檔編號】E02B13/02GK104480919SQ201410588551
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月28日
【發(fā)明者】朱澤, 顧雯, 蔡慶擬, 羅曉麗, 郝夢茹, 胡濤, 鄒珊, 陳喜 申請人:河海大學(xué)