基于植物篱及多层渗滤塘的农业面源污染控制系统与工艺.pdf

1、(10)申请公布号 CN 103073151 A(43)申请公布日 2013.05.01CN103073151A*CN103073151A*(21)申请号 201310002728.3(22)申请日 2013.01.05C02F 9/14(2006.01)C02F 3/32(2006.01)(71)申请人清华大学地址 100084 北京市海淀区100084信箱82分箱清华大学专利办公室(72)发明人左剑恶 刘峰林 杨波 邢薇邢丽楠 王佩(74)专利代理机构西安智大知识产权代理事务所 61215代理人贾玉健(54) 发明名称基于植物篱及多层渗滤塘的农业面源污染控制系统与工艺(57) 摘要一种基于

2、植物篱及多层渗滤塘的农业面源污染控制系统，包括：在坡地上沿开设的梯田边缘种植的植物篱，用于防风固沙，防止水土流失；沿坡地下缘挖掘设置的植草沟，用于进一步沉淀泥沙并实现存水复用；在自然水体区域与植草沟之间，与植草沟平行设置的多层渗滤塘，用于吸附溢流出植草沟的水中的磷和氮；在自然水体区域外围，在浅层地表水汇聚通路上设置的反硝化墙，用于将浅层地下水中的硝态氮反硝化为氮气，本发明通过将植物篱，植草沟，多层渗滤塘，反硝化墙技术相组合，同时在实际应用过程中，对同样一种面源污染地表径流在不同时期进行不同的处理，既能够减轻处理的负荷，又能够将营养物质，水资源循环利用。(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明

3、书4页 附图1页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书4页 附图1页(10)申请公布号 CN 103073151 ACN 103073151 A1/1页21.一种基于植物篱及多层渗滤塘的农业面源污染控制系统，其特征在于，包括：在坡地上沿开设的梯田边缘种植的植物篱，用于防风固沙，防止水土流失；沿坡地下缘挖掘设置的植草沟，长度305米，宽度1米，高度1米，用于进一步沉淀泥沙并实现存水复用；在自然水体区域与植草沟之间，与植草沟平行设置的多层渗滤塘，用于吸附溢流出植草沟的水中的磷和氮；在自然水体区域外围，在浅层地表水汇聚通路上设置的反硝化墙，宽度为505cm，高

4、度1米，用于将浅层地下水中的硝态氮反硝化为氮气。2.根据权利要求1所述基于植物篱及多层渗滤塘的农业面源污染控制系统，其特征在于，所述植物篱中植物为紫穗槐和/或黄荆和/或紫花苜蓿。3.根据权利要求1或2所述基于植物篱及多层渗滤塘的农业面源污染控制系统，其特征在于，每一层梯田边缘的植物篱为多排，排间距为1m，行间距为3070cm。4.根据权利要求1所述基于植物篱及多层渗滤塘的农业面源污染控制系统，其特征在于，所述植草沟中设置有水泵，用于在不降雨的时候将存水泵入坡地上缘。5.根据权利要求1所述基于植物篱及多层渗滤塘的农业面源污染控制系统，其特征在于，所述多层渗滤塘底部铺有活性炭、生物炭、硅藻土或者高

5、岭土。6.根据权利要求1所述基于植物篱及多层渗滤塘的农业面源污染控制系统，其特征在于，所述多层渗滤塘最底部铺设氮吸附材料层，氮吸附材料层之上铺设磷吸附材料层，每层高度4060cm。7.根据权利要求1所述基于植物篱及多层渗滤塘的农业面源污染控制系统，其特征在于，所述反硝化墙主要由生物炭组成，所述生物炭是由秸秆在300，缺氧燃烧3个小时制备而得。8.一种基于植物篱及多层渗滤塘的农业面源污染控制工艺，其特征在于，包括：在坡地上沿开设的梯田边缘种植植物篱，用于防风固沙，防止水土流失；沿坡地下缘挖掘设置植草沟，长度305米，宽度1米，高度1米，用于进一步沉淀泥沙并实现存水复用；在自然水体区域与植草沟之间

6、，与植草沟平行设置多层渗滤塘，分为两层，上层填有吸附磷的材料，下层填有去除氮的材料，每层高度4060cm，用于吸附溢流出植草沟的水中的磷和氮；在自然水体区域外围，在浅层地表水汇聚通路上设置反硝化墙，宽度为505cm，高度1米，用于将浅层地下水中的硝态氮反硝化为氮气。9.根据权利要求8所述基于植物篱及多层渗滤塘的农业面源污染控制工艺，其特征在于，所述植物篱中植物为紫穗槐和/或黄荆和/或紫花苜蓿。10.根据权利要求8所述基于植物篱及多层渗滤塘的农业面源污染控制工艺，其特征在于，所述反硝化墙主要由生物炭组成，所述生物炭是由秸秆在300，缺氧燃烧3个小时制备而得。权 利 要 求 书CN 1030731

7、51 A1/4页3基于植物篱及多层渗滤塘的农业面源污染控制系统与工艺技术领域0001 本发明专利属于环境工程中的面源污染控制技术，主要针对中国日益严峻的农业面源污染，尤其是农业面源污染中的氮磷污染进行控制，具体涉及一种基于植物篱及多层渗滤塘的农业面源污染控制系统与工艺。背景技术0002 随着我国经济的发展，环保问题日益严峻，以往人们大多针对点源污染进行治理，但是随着人们对于环境问题认识的深入，面源污染问题逐渐引起人们的重视。在面源污染中，农业面源污染是一块非常重要的污染源，过量使用化肥农药，农村分散式住宅区生活污水未经处理或者经过简单处理排入河流，这些都对当地河流湖泊造成了极大的影响。0003

8、 例如全国瞩目的南水北调中线工程渠首在丹江口水库，丹江口库区及上游范围涉及陕西、湖北、河南3省8个地（市）的43个县（市、区），土地面积约8.93万km2。总人口1266.4万人，其中，农业人口1016.99万人，农业劳动力503.53万人，农业人口密度114人/km2。人口主要分布在丹江口库周、汉江丹江干流沿岸、盆地和坝地，秦岭南麓和大巴山北麓大部分属中山区，人口分布较少。根据地方政府上报的数据统计，2008年，水源区面源污水入河量约为4357.7万t、COD入河量约为4.8万t、NH3-N入河量约为6450.7t。丹江口库区及上游区域的污染负荷主要来自农村的面源污染，包括农田面源污染、畜禽

9、养殖污染和农村生活污染，由于该地区土质疏松、降雨集中、农药和化肥施用量大，水土流失夹带的农业生产、农村生活和畜禽养殖等面源污染物随地表径流进入河流及水库，加剧水体污染。按照不同作物面积、单只畜禽和农村个人COD、NH3-N产生量统计，确定水源区面污染源年COD发生量为2.2万t，NH3-N发生量为0.4万t。0004 全国类似于丹江口水库这样重要的水源地有很多，但是这些水源地周边的湖泊河流都面临着农业面源污染的威胁。可以说，如果没有一整套切实可行的控制农业面源污染的方法，我国多数水源地周边的河流及湖泊水质将会逐渐恶化。发明内容0005 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于植

10、物篱及多层渗滤塘的农业面源污染控制系统与工艺，针对农业面源污染，尤其是农业面源污染中的氮磷污染进行控制，防止农业面源污染对河流湖泊造成危害。0006 为了达到上述目的，本发明采用的具体技术方案为：0007 一种基于植物篱及多层渗滤塘的农业面源污染控制系统，包括：0008 在坡地上沿开设的梯田边缘种植的植物篱，用于防风固沙，防止水土流失；0009 沿坡地下缘挖掘设置的植草沟，长度305米，宽度1米，高度1米，用于进一步沉淀泥沙并实现存水复用；0010 在自然水体区域与植草沟之间，与植草沟平行设置的多层渗滤塘，用于吸附溢流出植草沟的水中的磷和氮；说 明 书CN 103073151 A2/4页400

11、11 在自然水体区域外围，在浅层地表水汇聚通路上设置的反硝化墙，宽度为505cm，高度1米，用于将浅层地下水中的硝态氮反硝化为氮气。0012 所述植物篱中植物为紫穗槐和/或黄荆和/或紫花苜蓿。0013 每一层梯田边缘的植物篱为多排，排间距为1m，行间距为3070cm。0014 所述植草沟中设置有水泵，用于在不降雨的时候将存水泵入坡地上缘。0015 所述多层渗滤塘底部铺有活性炭、生物炭、硅藻土或者高岭土。0016 所述多层渗滤塘最底部铺设氮吸附材料层，氮吸附材料层之上铺设磷吸附材料层，每层高度4060cm。0017 所述反硝化墙主要由生物炭组成，所述生物炭是由秸秆在300，缺氧燃烧3个小时制备而

12、得。0018 本发明基于植物篱及多层渗滤塘的农业面源污染控制工艺，包括：0019 在坡地上沿开设的梯田边缘种植植物篱，用于防风固沙，防止水土流失；0020 沿坡地下缘挖掘设置植草沟，长度305米，宽度1米，高度1米，用于进一步沉淀泥沙并实现存水复用；0021 在自然水体区域与植草沟之间，与植草沟平行设置多层渗滤塘，分为两层，上层填有吸附磷的材料，下层填有去除氮的材料，每层高度4060cm，用于吸附溢流出植草沟的水中的磷和氮；0022 在自然水体区域外围，在浅层地表水汇聚通路上设置反硝化墙，反硝化墙主要组成是未完全碳化的生物炭，宽度为505cm，高度1米，用于将浅层地下水中的硝态氮反硝化为氮气。

13、0023 本发明与现有农业面源污染中总氮去除相比有以下显著特点及优势：0024 （1）本发明充分利用农村当地地形，充分利用农村现有的坑塘进行面源污染控制。0025 （2）本发明联合了植物篱，植草沟，多层渗滤塘，反硝化墙技术，在最大程度上避免了面源污染中的SS，COD，氮磷对水体的污染。0026 （3）本发明创新性地应用了不完全碳化的生物炭进行反硝化，使得同样一种物质，既能够吸附氨氮，又能够充当缓释碳源进行反硝化。同时生产生物炭的原料就是植草沟中生长的植被，这样既解决了生物炭的原料问题，也解决了这些植被的处理问题。0027 （4）本发明将农业面源污染产生的废水在不同时期，进行不同的处理，这样既能

14、够使得水资源充分利用，也能够将因为降雨径流而流失的氮磷等营养元素得到循环利用，节约资源，保护环境。0028 综上，本发明通过将植物篱，植草沟，多层渗滤塘，反硝化墙技术相组合，同时在实际应用过程中，对同样一种面源污染地表径流在不同时期进行不同的处理，由于这部分水富含氮磷等营养物质，在旱季将这部分水回灌到坡地上游，在雨季很大的时候，才将溢流的水进行后续的处理，这样既能够减轻处理的负荷，又能够将营养物质，水资源循环利用。附图说明0029 附图是本发明系统示意图。具体实施方式说 明 书CN 103073151 A3/4页50030 下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。0031 实施例1：00

15、32 如图1所示，一种基于植物篱1及多层渗滤塘3的农业面源污染控制系统，在坡地上沿开设的梯田边缘种植紫穗槐构成植物篱1，每一层梯田边缘的植物篱1为多排，排间距为1m，行间距为3070cm，共有三层；沿坡地下缘挖掘设置植草沟2，植草沟2种植是当地的植被，植草沟2长30米、高1米左右、宽1米左右；在自然水体区域4与植草沟2之间，与植草沟2平行设置多层渗滤塘3，多层渗滤塘3第一层填料为活性炭，层高50cm，第二层填料是生物炭，层高50cm；在自然水体区域4外围，层宽1米；在浅层地表水5汇聚通路上设置反硝化墙6，墙宽50cm，墙高1米，主要由生物炭组成，生物炭是由秸秆在300，缺氧燃烧3个小时制备而得

16、。0033 降一场20mm的雨水，本实施例工艺可削减90%以上的SS进入水体，削减90%的总磷，削减85%的总氮。0034 实施例2：0035 如图1所示，一种基于植物篱1及多层渗滤塘3的农业面源污染控制系统，在坡地上沿开设的梯田边缘种植黄荆构成植物篱1，每一层梯田边缘的植物篱1为多排，排间距为1m，行间距为3070cm，共有三层；沿坡地下缘挖掘设置植草沟2，植草沟2种植是当地的植被，植草沟2长30米、高1米左右、宽1米左右；在自然水体区域4与植草沟2之间，与植草沟2平行设置多层渗滤塘3，多层渗滤塘3第一层填料为高岭土，层高70cm，第二层填料是生物炭，层高70cm；在自然水体区域4外围，层宽

17、1.2米，在浅层地表水5汇聚通路上设置反硝化墙6，墙宽60cm，墙高1米，主要由生物炭组成，生物炭是由秸秆在300，缺氧燃烧3个小时制备而得。0036 降一场20mm的雨水，本实施例工艺削减90%以上的SS进入水体，削减95%的总磷，削减90%的总氮。0037 实施例3：0038 如图1所示，一种基于植物篱1及多层渗滤塘3的农业面源污染控制系统，在坡地上沿开设的梯田边缘种植紫花苜蓿构成植物篱1，每一层梯田边缘的植物篱1为多排，排间距为1m，行间距为3070cm，共有三层；沿坡地下缘挖掘设置植草沟2，植草沟2种植是当地的植被，植草沟2长30米、高1米左右、宽1米左右；在自然水体区域4与植草沟2之

18、间，与植草沟2平行设置多层渗滤塘3，多层渗滤塘3第一层填料为高岭土，层高50cm，第二层填料是生物炭，层高50cm；在自然水体区域4外围，层宽80cm，在浅层地表水5汇聚通路上设置反硝化墙6，墙宽50cm，墙高1米，主要由生物炭组成，生物炭是由秸秆在300，缺氧燃烧3个小时制备而得。0039 降一场20mm的雨水，本实施例工艺削减90%以上的SS进入水体，削减85%的总磷，削减75%的总氮。0040 实施例4：0041 如图1所示，一种基于植物篱1及多层渗滤塘3的农业面源污染控制系统，在坡地上沿开设的梯田边缘混合种植紫穗槐/黄荆/紫花苜蓿构成植物篱1，每一层梯田边缘的植物篱1为多排，排间距为1

19、m，行间距为3070cm，共有三层；植物篱1起到的作用是防风固沙，防止水土流失，由于在农业面源污染中，一旦形成降雨径流，泥土中将会夹杂着大量的说 明 书CN 103073151 A4/4页6污染物冲到河流，所以该工艺的第一道防护措施是利用植物篱1将绝大部分泥沙挡住，防止泥沙直接进入水体，同时使得泥沙上面附着的污染物被截留。0042 沿坡地下缘挖掘设置植草沟2，植草沟2种植是当地的植被，植草沟2长30米、高1米左右、宽1米左右，其中内置水泵；植草沟2的作用是进一步沉淀泥沙，同时过滤一部分COD，将一些污染物沉淀。当不下雨的时候，可以用泵将植草沟2的水抽到植物篱1以及坡地上，由于植草沟2中储存的雨

20、水冲刷过农业土地，所以富含氮磷等营养物质，所以这部分水可以循环利用，为坡地上的植物提供氮磷等营养元素，废物利用。0043 在自然水体区域4与植草沟2之间，与植草沟2平行设置多层渗滤塘3，多层渗滤塘3第一层填料为硅藻土，层高50cm，第二层填料是活性炭，层高50cm；当降雨很大的时候，植草沟2不能够受纳所有地表径流，溢流出来的雨水或者污水将流入多层渗滤塘3。在坑塘下面第一层填入的是吸附磷的材料，再下一层是吸附氮的材料。这是由于磷酸根比氨氮或者硝态氮更容易被吸附，所以先吸附磷，再吸附氮。0044 在自然水体区域4外围，在浅层地表水5汇聚通路上设置反硝化墙6，墙宽50cm，墙高1米，主要由生物炭组成

21、，生物炭是由秸秆在300，缺氧燃烧3个小时制备而得。这样制备生物炭的好处是，生物炭中既含有无机物质，又含有有机物质，无机成分能够高效快速的吸附重金属，有机污染物，磷酸根，氨氮等，有机物质由于经过预处理之后，释放碳的速率较慢，可以充当缓释碳源，在土壤中微生物的利用下，将浅层地下水中的硝态氮反硝化为氮气。反硝化墙6主要是针对逐渐下渗到地下的雨水，当这些雨水夹杂着污染物进入浅层地表水5的时候，往往会对下游的河流或者水库造成一定的危害，这也是农业面源污染中被人忽视的部分。0045 降一场200mm的雨水，本实施例工艺削减80%以上的SS进入水体，削减80%的总磷，削减70%的总氮。说 明 书CN 103073151 A1/1页7图1说 明 书 附 图CN 103073151 A