專利名稱：一種阻控農業面源污染的生態溝渠的制作方法
技術領域：
本發明涉及面源污染控制和水污染生物處理技術領域，更具體涉及一種阻控農業
面源污染的生態溝渠，適用于農業污染嚴重的傳統耕作區，尤其是山地丘陵地區以及坡耕 地農業區的污染處置，如三峽庫區和丹江口庫區農業耕作區。
背景技術：
在我國，隨著對點源污染控制的重視及治理能力的提高，面源污染已成為影響水 環境的一個重要因素；農業面源污染正在成為我國農村生態環境惡化的主要原因之一，嚴 重制約農業和農村經濟環境的可持續發展。農業面源污染影響了土壤、水體和大氣的環境 質量。首先是累積于飲用水源和土壤中的化肥和農藥對沿海省份的廣大居民健康構成了威 脅。2002年有六個省2個直轄市(北京、上海、山東、江蘇、浙江、福建、廣東、湖北)的農業 面源污染處于高風險水平，預計到2010年，將增加到15個省、直轄市(增加了河北、天津、 河南、安徽、陜西、寧夏、湖南)。其次是引起農業土壤、水體(河流、湖泊、海灣)和大氣的環 境質量衰退，尤其是引起湖泊、河流、淺海水域生態系統的富營養化，導致水華和赤潮的頻 繁發生。同時，氮肥的氣態損失(目前中國農田施用化肥和有機肥產生的^0氣體逸失量 約占世界的1/3)作為溫室氣體影響了氣候變化。此外，過量施肥和施用農藥增加了生產成 本，降低了我國農產品在國際市場的競爭力，影響了農民的凈收益。導致農業面源污染的主 要原因包括過量使用化肥和農藥，利用效率低下(中國在占世界不到1/10的耕地上使用 的氮肥量占世界的1/3);過量灌溉引起損失，特別是蔬菜種植業；廣泛使用的肥料品種易 于形成面源污染；施肥技術落后，施肥不平衡；化肥和農藥包裝沒有使用說明或者說明不 恰當；缺乏推廣服務，農民缺乏相關的施肥知識；公眾尤其是農民缺乏環境意識。
國內外在治理面源污染的過程中，逐漸認識到生態工程是面源污染治理的有效措 施，目前技術較成熟和應用較多的生態工程有人工濕地、前置庫、植被緩沖帶、水陸交錯 帶、水土保持和農業生態工程等。國內諸多學者通過構建人工濕地處理面源污水，或利用污 水進行水稻免耕栽培培育人工經濟濕地以減輕面源污染。國外已有學者采用地下滲濾系統 對面源污水的處理效果進行了研究，丹麥鄉村污水處理主要趨勢是采用濕地徑流，該系統 中BOD5和氨氮的去除率分別達到95%和90% ;也有報道，通過恢復河岸森林植被帶有效地 截留來自農田的養分和泥沙，使地表徑流總氮和總磷顯著減少。這些技術由于需要較大的 占地面積，難以在大范圍推廣應用，尤其是不適用于我國人多地少的國情。
生態溝渠的發明和構建可以很好地解決人地之間的矛盾，但由于農業面源污染的 區域差異和地區經濟發展水平的不同，目前還沒有普遍適用于不同農業耕作區的生態溝 渠。CN ZL98102839. X公開了一種河流或溝渠污水生態強化自凈方法，其特點是利用河道 (渠)空間，通過建立若干級基堰形成濕地氧化塘，每級基堰由堤坡植被、景觀曝氣、噴灌曝 氣、濕地、基堰和基堰前后的沉淀溝所構成，河流污水依次通過各級基堰濕地氧化塘中的各 種水生動植物和堤坡土壤生物作用，得到凈化。CN ZL 200610097845. 2公開了一種生態溝 渠污水凈化方法，其特征是將城鎮生活污水和農田排水進行混合處理，城鎮生活污水依次流經粗格柵、沉砂池、細格柵、微生物處理池、酸化水解池、風車增氧曝氣池、礫石攔截與生 物接觸氧化床后與農田排水混合，經過由復合介質過濾吸附床層區凈化后得到可排放的凈 化水。這些發明依然需要很寬的溝渠或空地建設濕地和氧化塘，或者基建工程較多，技術要 點復雜，不利于溝渠原貌修復和重建，運行的經濟成本和管理成本較高，推廣困難。
文獻方面，近年來國內外諸多學者研究了利用排水溝進行污水處理的效果，如陳 輔利等在溝中順水流方向設置固定微生物載體，其污水處理率可達到或超過一般生物膜法 的水平；尹澄清等在白洋淀的研究表明長290m寬4. 2m的有植被溝渠對地表徑流TN、 TP和 C0D處理效率分別為42X，65X和14%。曲向榮等研究表明，污水流經6km溝渠后的營養物 質N、 P禾P COD自凈效率為41. 7 64. 7% 。 Mersie等，Dabney等，Sanderson等報道了柳 枝稷耐洪能力強，能有效消減徑流中的除草劑、沉積物和營養物。Bouldin對美國密西西比 河三角洲景觀農業排水系統調查結果顯示，具有有限或沒有植被緩沖帶的排水溝渠，水體 營養水平最高，隨著覆蓋度的增加，懸浮物質減少。Mats Astr6m通過兩小溪流水的物理化 學屬性(西芬蘭)對比，一條溪流的上游林地經過挖溝處理，另一條沒有(成對流域方法)， 研究發現雖然人工排水溝對流量過程線沒有任何重要影響，但是它導致水中Mn、 Ca、 Mg、懸 浮物質和堿度的增加，T0C和H30+濃度的降低。雖然很多學者對生態溝渠的水污染治理作 用進行了深入研究探討，但是這些研究僅僅是對自然溝渠的研究，或者對污染治理不是作 為一個完整的技術手段，僅僅是污染治理的一個前處理環節，無法完成直接在溝渠內部強 化凈化污染物的目的。
發明內容
本發明的目的是在于提供了一種阻控農業面源污染的生態溝渠，針對農業面源污 染污染物分散、污染成分復雜、污染途徑多樣、污染負荷季節變化大等特點，基于生態學原 理和生物學特性，人為提高溝渠生命有機體的生物量，利用微生物、水草和藻類的生命活動 規律，實現對水體污染物質的阻攔、降解、吸收、利用，達到降低和減少水體污染負荷的目 的。 本發明的技術解決方案為一種阻控農業面源污染的生態溝渠，其特征是在流域 集水區構建收集農業污水和農田地表徑流的人工溝渠，在污水和徑流的入口處設置物理格 珊，粗格珊和細格珊間放置生物球，格珊下部為沉淀池，溝渠內種植挺水植物、漂浮植物和 沉水植物，溝渠兩側壁上鑲嵌生物球，污水中接種附生藻類和浮游藻類。構建人工溝渠的基 本過程及具體的技術參數詳細介紹如下 首先對構建溝渠的小流域地形開展實地考察和調查，掌握小流域的地形地貌特 點，了解該流域的主要集水區以及水系分布情況，并對小流域的農業污染狀況有全面深入 的認識，在此基礎上，選擇具體的溝渠建造地點，確定溝渠的形狀，污水入口的具體地點以 及入口數量，繪制設計圖紙，并計算溝渠建造的基本成本，著手開展具體的建造工作。
—種阻控農業面源污染的生態溝渠，其步驟是 A、在流域集水區構建收集農業污水和農田地表徑流的人工溝渠，溝渠分污水徑流 入口和干渠兩部分。在污水徑流的入口處設置物理格珊，粗格珊和細格珊間放置小生物球， 細格珊下部為沉淀池；干渠中布設大生物球、水生植物和藻類。B、人工溝渠的寬度60-240cm，深度40-70cm，長度不限(> 3000m處理效果較好)。
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C、溝渠形狀依據集水區的具體地形設定，以多彎曲的S形為宜。實際情況表明， 在有限的小流域范圍內，溝渠的處理效果與溝渠長度具有密切關系，溝渠長度越長，對營養 物質(N、 P)和農藥除草劑(甲拌磷、乙拌磷、久效磷、對硫磷、甲胺磷、氧化樂果、治螟磷、蠅 毒磷、水胺硫磷、磷胺、內吸磷、甲基異柳磷、苯線磷、特丁硫磷、甲荃硫環磷、克百威(呋喃
丹)、涕滅威、滅多威、殺蟲脒、除草醚、草枯醚......)等其他污染物的去除率越高。 D、溝渠的污水入口處依據集水區的污水水量和地表徑流量的具體情況設置，入溝 渠水量多(每月平均流速> 0. 8m/s，每日平均流量〉100mVh)的區域每500m設置一個入 口 ，入溝渠水量少的地方每1000-3000m設置一個入口 。入口處為T形的敞口 ，便于最大量 接納污水。 E、溝渠污水入口處的物理格珊分粗格珊和細格珊，粗格珊長60-250cm，寬 40-70cm，細格珊長50-200cm，寬40-70cm，粗細格珊間的直線距離為50-100cm ;粗細格珊 上部加不銹鋼或鋁合金材質的頂蓋，形成一個籠形結構用于裝載生物球。籠形結構中放置 的生物球為直徑2. 0-3. Ocm，中間鏤空表面均勻密布類似纖毛桿狀物的塑料小球，每個粗細 格珊間放置此類小生物球200-500個。小球可在流水的沖擊下自由運動。細格珊下部溝 渠污水入口處的沉淀池規格為長邊為50-200cm，短邊45-180cm，兩邊距離為50-70cm，高 40-70cm的梯形結構。 F、干渠內種植挺水植物、漂浮植物和沉水植物，溝渠兩側壁上鑲嵌大生物球，污水 中接種附生藻類和浮游藻類。 G、溝渠內種植挺水植物為水芹、茭白和菖蒲，漂浮植物為鳳眼蓮、空心菜，沉水 植物為伊樂藻、苦草，依據美觀和自然的原則合理布置。于溝渠兩側壁上鑲嵌的生物球 為直徑20. 0-30. Ocm，中間鏤空表面均勻密布類似纖毛桿狀物的塑料球，兩球的間隔為 25. 0-40. Ocm。污水中接種的附生藻類為藍藻門的席藻、綠藻門的剛毛藻以及硅藻門的舟形 藻，浮游藻類為綠藻門的小球藻。 本發明中涉及的水體污染物的去除原理在于一些個體較大的垃圾、漂浮物和農 業廢棄物等經過物理格珊阻隔，可由管理人員人為清除；污水中所含的大部分泥沙以及懸 浮顆粒物質等經由沉淀池沉淀去除；籠形物理粗細格珊間的生物球和鑲嵌在溝渠兩側壁上 的生物球在有限的體積內具有最大的比表面積，在緩慢水流的作用下，富集微生物形成穩 定的生物膜，可降解、分解、吸收利用一些污染物質，降低污染物的濃度；溝渠中種植的水生 植物以及接種的藻類在其生長增殖的過程中會大量吸收利用水體中的生源要素，降低水體 N、P物質的含量，對農藥除草劑也有一定的阻控作用，減少這些物質在水體中的含量，降低 面源污染的總負荷量。 本發明的優點是建成后的生態溝渠沒有喪失一般溝渠應有的功能，依然是集水和 排水的通道，不影響地表徑流和農田污水排水暢通，不改變農業生產的格局，但由于人為地 增加了溝渠的植被覆蓋度和溝渠生物量，提高了溝渠對水污染的處理能力，同時所種植的 部分水生植物還是時令蔬菜，可變廢為寶，獲得較好的副產品。本方法中的溝渠，可在小流 域集水區新建，也可利用原有農田排水溝進行適當改造，不占用耕地資源。本溝渠針對特征 性農業污染物的處理，所選用的水生生物對化肥、農藥、除草劑等均有利好的降解、吸收利 用效果，針對性強；且設計簡單，施工容易，建設成本低廉，運行管理維護簡單易行，污水處 理效果好，同時有一定的景觀效果，具備良好的推廣應用價值。
圖1為一種生態溝渠的結構示意圖，圖中1粗格珊，2小生物球，3細格珊，4沉淀 池，5藻類(附生藻類和浮游藻類)，6大生物球，7水生植物(挺水植物、漂浮植物和沉水植 物)，箭頭所示為水流方向。 圖2為一種生物球示意圖，大生物球、小生物球的內部結構一致，僅僅是大小規格 不相同。圖中8絨毛樣桿狀突起，9球體空腔，10球體內往復回環的褶皺樣結構。生物球的 結構有助于增加表面積，擴大水生微生物的存在空間，提高處理效率。
具體實施方式
實施例1 : 下面根據附圖對本發明作進一步詳細描述
—種阻控農業面源污染的生態溝渠，其步驟是 A、在流域集水區構建收集農業污水和農田地表徑流的人工溝渠，溝渠分污水徑流 入口和干渠兩部分。在污水和徑流的入口處設置物理格珊，粗格珊1和細格珊3(粗格珊1 和細格珊3間放置小生物球2)，細格珊下部為沉淀池4，這些設施是順水流方向自上而下依 次布設的。B、人工溝渠的寬度90. Ocm，深度70. Ocm，溝渠位于山地農耕區的下部，呈現以多 彎曲的S形，可有效匯集來自農耕區的地表徑流和農業污水，溝渠長3300. Om。
C、溝渠形狀依據集水區的具體地形設定，以多彎曲的S形為宜。實際情況表明，在 有限的小流域范圍內，溝渠的處理效果與溝渠長度具有密切關系，溝渠長度越長，對營養物 質(N、P)和農藥除草劑等其他污染物的去除率越高。 D、溝渠的污水入口處依據集水區的污水水量和地表徑流量的具體情況設置，入溝 渠水量多(每月平均流速> 0. 8m/s，每日平均流量〉100mVh)的區域每500m設置一個入 口，入溝渠水量少的地方每1000-3000m設置一個入口，共有污水徑流入口 4個。入口處為 T形的敞口，便于最大量接納污水。 E、溝渠污水入口處物理格珊分粗格珊1和細格珊3，粗格珊1長100.0cm，寬 70. Ocm ;距離粗格珊1下部60. Ocm為細格珊3，長70. Ocm，寬70. Ocm ;粗格珊1、細格珊3上 部加鋁合金材質的頂蓋，形成一個籠形結構用于裝載有小生物球2。籠形結構中放置的小生 物球2為直徑2. Ocm，中間鏤空表面均勻密布類似纖毛桿狀物的小生物球2 (塑料小球)，每 個粗格珊1、細格珊3間放置此類小生物球2 (300個)；細格珊3下部溝渠污水入口處的沉 淀池4規格為長邊70. Ocm，短邊50cm，兩邊距70. Ocm，高70. Ocm。 F、干渠內種植挺水植物、漂浮植物和沉水植物7，溝渠兩側壁上鑲嵌大生物球6， 污水中接種藻類5包括附生藻類和浮游藻類。 G、溝渠內種植挺水植物為水^、茭白和菖蒲，漂浮植物為鳳眼蓮、空心菜，沉水植 物為伊樂藻、苦草，依據美觀和自然的原則合理布置，挺水植物和漂浮植物相間布設，沉水 植物栽種在它們的空隙中(挺水植物、漂浮植物和沉水植物7)。于溝渠兩側壁上鑲嵌大 生物球6為直徑25. Ocm，中間鏤空表面均勻密布類似纖毛桿狀物的塑料球，兩球的間隔為 25. 0cm，大生物球6有較大的比表面積，水體微生物附生在生物球上形成生物膜結構具備高效水質凈化作用。污水中接種的藻類5包括附生種類和浮游種類，附生藻類為藍藻門的 席藻、綠藻門的剛毛藻以及硅藻門的舟形藻，浮游藻類為綠藻門的小球藻，浮游藻類漂浮在 水體中，附生藻類和沉水植物交織在一起。 H、小生物球2與大生物球6的內部結構相同，僅僅是大小規格不一樣。生物球外 表面為絨毛樣桿狀突起8，生物球球體內部為空腔結構9，空腔結構內為多次往復回環的褶 皺樣結構10。生物球的這種結構設計有助于增加表面積，擴大水生微生物的存在空間，提高 處理效率。
權利要求
一種阻控農業面源污染的生態溝渠，其步驟是A、在流域集水區構建匯集農業污水和農田地表徑流的人工溝渠，溝渠分污水徑流入口和干渠，在污水徑流入口處設置物理格珊，包括粗格珊(1)和細格珊(3)以及粗格柵(1)和細格柵(3)間放置的小生物球(2)，細格珊(3)下部為沉淀池(4)；B、人工溝渠的寬度60-240cm，深度40-70cm，長度不限；C、溝渠形狀依據集水區的地形設定，以多彎曲的S形；D、溝渠的污水入口處為梯形敞口，入口數量依據集水區的污水水量和地表徑流量設置，入溝渠水量多的區域每500m設置一個入口，入溝渠水量少的地方每1000-3000m設置一個入口；E、溝渠污水入口處的粗格珊(1)長60-250cm，寬40-70cm，細格珊(3)長50-200cm，寬40-70cm，粗細格珊(1)間的直線距離為50-100cm；粗格珊(1)和細格珊(3)上部加不銹鋼或鋁合金材質的頂蓋，形成一個籠形結構用于裝載小生物球(2)；F、干渠內種植挺水植物、漂浮植物和沉水植物(7)，溝渠兩側壁上鑲嵌大生物球(6)，污水中接種藻類(5)包括附生藻類和浮游藻類；G、溝渠內種植挺水植物為水芹、茭白和菖蒲，漂浮植物為鳳眼蓮、空心菜，沉水植物為伊樂藻、苦草，于溝渠兩側壁上鑲嵌大生物球(6)為直徑20.0-30.0cm，中間鏤空表面均勻密布類似纖毛桿狀物的塑料球，兩球的間隔為25.0-40.0cm。
2. 根據權利要求1所述的一種阻控農業面源污染的生態溝渠，其特征在于所述的 籠形結構中放置的小生物球(2)為直徑2.0-3.0cm，每個粗格珊(1)和細格珊(3)間放置 200-500個；生物球的表面為絨毛樣桿狀突起(8)，球體空腔(9)內部為往復回環的褶皺樣 結構(IO)，干渠側壁上的大生物球(6)與小生物球(2)的構造一樣。
3. 根據權利要求1所述的一種阻控農業面源污染的生態溝渠，其特征在于所述的細 格珊(3)下部溝渠污水入口處的沉淀池(4)規格為長邊為50-200cm，短邊45-180cm，兩邊 距離為50-70cm，高40-70cm的梯形結構。
4. 根據權利要求1所述的一種阻控農業面源污染的生態溝渠，其特征在于所述的附 生藻類為藍藻門的席藻、綠藻門的剛毛藻以及硅藻門的舟形藻，浮游藻類為綠藻門的小球 藻。
全文摘要
本發明公開了一種阻控農業面源污染的生態溝渠，其步驟A、在流域集水區構建匯集農業污水和農田地表徑流的人工溝渠，溝渠分污水徑流入口和干渠；B、人工溝渠的寬度60-240cm，深度40-70cm，長度不限；C、溝渠形狀依據集水區地形設定；D、溝渠的污水入口處依據集水區污水水量和地表徑流量設置；E、入口為梯形敞口，入口處有物理隔珊、小生物球和沉淀池，物理格珊分粗格珊和細格珊；干渠的兩側壁鑲嵌大生物球，渠內種植挺水、漂浮和沉水植物，污水中接種附生藻類和浮游藻類。本發明適用于山地、丘陵農業耕作區的流域中對水體污染物質的阻攔、降解、吸收、利用。
文檔編號C02F3/32GK101696059SQ200910272338
公開日2010年4月21日 申請日期2009年9月29日 優先權日2009年9月29日
發明者畢永紅, 胡征宇 申請人:中國科學院水生生物研究所;