利用排水沟渠拦截消纳稻田流失氮、磷的方法

摘要

本发明公开了一种利用排水沟渠拦截消纳稻田流失氮、磷的方法，属于农业氮、磷面源污染控制技术领域。沟渠的前段为水生植物组合吸收区，设有若干生物过滤箱呈S形排列于沟底，箱内填充基质，在沟渠水面与生物过滤箱内种植高吸收氮、磷的水生植物组合；沟渠后段为基质组合吸附区，底部铺设有粉煤灰与蛭石的混合物；沟渠末端安装调控稻田排水流速的闸门。本发明对稻田排水中氮、磷拦截率可达40~60%，并显著提高水体透明度，且本发明建立在原有农田排水沟渠的基础上，省去了大量基建成本，水生植物与吸附基质也便于获取。

权利要求

1.利用排水沟渠拦截消纳稻田流失氮、磷的方法，其特征在于按以下步骤进行：（1）适用范围：排水沟渠水面面积与稻田面积之比为1:1000~5000；稻田排水量为每公-1 -1顷每天10~30 t，稻田排水的总氮浓度为5~50 mg L ，总磷浓度为0.5~5 mg L ；

（2）排水沟渠的结构设置：由前段的水生植物组合吸收区与后段的基质组合吸附区及末端的排水闸门组成，其中，水生植物组合吸收区与基质组合吸附区的长度比例为1~2:1；

具体是：

1）水生植物组合吸收区：由生物过滤箱和水生植物及沟渠组成，其中每只生物过滤箱由多孔砖砌成，长度为0.8~1.2 m，高度为沟渠高的1/2，宽度为沟渠宽的1/3~1/2，多孔砖空隙的朝向为水流通过方向；箱内填充蛭石作基质；各生物过滤箱按前一只的左侧贴紧沟渠的沟壁，则后一只的右侧贴紧沟壁，两箱前后间隔5~10m，呈S形状排列在沟渠底部；该区的沟渠水面与生物过滤箱内分别种植水生植物，其中，沟渠水面种植漂浮植物水浮莲，密度-2 -2为20~30株 m ，生物过滤箱内种植常绿鸢尾、再力花或美人蕉，密度为10~20株 m ；且上述水生植物的枯枝落叶需及时清除，以免造成二次污染；

2）基质组合吸附区：在该区段的沟渠底部全面铺设厚度为0.05~0.2 m由120目粉煤灰与60目蛭石按重量1:3~4的混合物；

3）排水闸门：位于沟渠的末端，调控稻田的排水在沟渠中的水力停留时间为4~12小时。

说明书

利用排水沟渠拦截消纳稻田流失氮、磷的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及农业氮、磷面源污染控制技术领域，具体涉及一种利用排水沟渠拦截消纳稻田流失氮、磷的方法。

背景技术

[0002] 随着农业集约化、规模化程度的不断提高，农业面源污染问题也日益突出。第一次全国污染源普查公报显示：农业源是总氮、总磷排放的主要来源，分别占排放总量的57.2%和67.4%；其中，种植业总氮流失量159.78万吨，总磷流失量10.87万吨，占农业源流失总量的50%以上。水稻是太湖流域种植面积最广的作物，稻田氮、磷径流已成为影响周边河流、湖泊等地表水水质的重要污染途径，因此，通过对稻田流失的氮、磷养分进行消纳而减少其向水体的排放是今后农业与环保领域工作的重中之重。

[0003] 利用种植有水生植物的生态沟渠，对稻田排水中的氮、磷进行拦截消纳已是一种较常用的生态工程，即在沟渠中种植水生植物，通过吸附、吸收、沉淀、过滤与微生物降解等多种方式，达到原位消纳排水中部分氮、磷污染物的目的。但众所周知，实际工程中仅依赖水生植物对稻田沟渠中高浓度氮、磷的的拦截效果是有限的，一般仅为10%左右效果。因此，在该已有技术的基础上，结合其他的技术措施，如基质吸附、氧化塘等，提高对稻田排水的脱氮除磷效果，将会取得更好的生态及环境效益。

发明内容

[0004] 本发明目的是，针对目前常规依赖水生植物对沟渠中高浓度稻田排水氮、磷一般仅有10%左右低效拦截效果，导致稻田氮、磷面源污染难以得到明显控制的问题，提供一种利用排水沟渠拦截消纳稻田流失氮、磷的方法。

[0005] 本发明目的通过以下技术方案得以实现：

[0006] 利用排水沟渠拦截消纳稻田流失氮、磷的方法，按以下步骤进行：

[0007] （1）适用范围：排水沟渠水面面积与稻田面积之比为1:1000~5000；稻田排水量为-1 -1每公顷每天10~30 t，稻田排水的总氮浓度为5~50 mg L ，总磷浓度为0.5~5 mg L ；

[0008] （2）排水沟渠的结构设置：由前段的水生植物组合吸收区与后段的基质组合吸附区及末端的排水闸门组成，其中，水生植物组合吸收区与基质组合吸附区的长度比例为1~2:1；具体是：

[0009] 1）水生植物组合吸收区：由生物过滤箱和水生植物及沟渠组成，其中每只生物过滤箱由多孔砖砌成，长度为0.8~1.2 m，高度为沟渠高的1/2，宽度为沟渠宽的1/3~1/2，多孔砖空隙的朝向为水流通过方向；箱内填充蛭石作基质；各生物过滤箱按前一只的左侧贴紧沟渠的沟壁，则后一只的右侧贴紧沟壁，两箱前后间隔5~10m，呈S形状排列在沟渠底部；该区的沟渠水面与生物过滤箱内分别种植水生植物，其中，沟渠水面种植漂浮植物水浮莲，-2 -2
密度为20~30株 m ，生物过滤箱内种植常绿鸢尾、再力花或美人蕉，密度为10~20株 m ；且上述水生植物的枯枝落叶需及时清除，以免造成二次污染；

[0010] 2）基质组合吸附区：在该区段的沟渠底部全面铺设厚度为0.05~0.2 m由120目粉煤灰与60目蛭石按重量1:3~4的混合物；

[0011] 3）排水闸门：位于沟渠的末端，调控稻田的排水在沟渠中的水力停留时间为4~12小时。

[0012] 本发明的有益效果是：

[0013] 1. 本发明的排水沟渠由“水生植物组合吸收区”和“基质组合吸附区”组成，该沟渠较常规种植单一水生植物的沟渠对氮、磷的去除率可提高30%以上；同时，水生植物通过组合筛选后，在种植密度较单一植物降低20%的条件下，仍可达到单一水生植物对氮、磷的去除效果，且由于根系与茎叶呈错层分布，更利于沟渠的排水；在粉煤灰与蛭石基质的组合中，粉煤灰与蛭石用量比例为1:3~4时，对氮、磷的去除率较1:1与1:2的组合比例高出25%以上；综上特点，本发明提供的利用排水沟渠拦截消纳稻田流失氮、磷的方法，对稻田排水中氮、磷的拦截率均可达到40~60%，并可显著提高水体的透明度。

[0014] 2、本发明的“水生植物组合吸收区”，通过在该区沟渠底部设置呈S型分布的生物过滤箱、箱内填充对氮、磷具较强吸附能力的蛭石作基质及在沟渠水面与生物过滤箱内种植对氮、磷具有较强吸收能力的水生植物组合（见实施例1），既可通过生物过滤箱的阻挡作用增加水流在沟渠内的停留时间，又可利用材料的吸附作用、植物的吸收作用与微生物的降解作用，消纳稻田排水中的部分氮、磷。

[0015] 3、本发明的“基质组合吸附区”，通过将两种分别对氮、磷具有较高吸附性能的基质进行优化比例组合（见实施例2），可大量吸附稻田排水中的氮、磷与颗粒物，进一步降低沟渠排水中的氮、磷浓度，最终达到削减稻田排水氮、磷入河量的目标。

[0016] 4、本发明由于可充分利用原有的排水沟渠，省去了基建工程，故造价成本较低、操作简单、便于维护，可在太湖流域稻田中进行推广应用。

附图说明

[0017] 图1 为本发明排水沟渠的结构、水生植物的种植示意图。

[0018] 其中，1、水生植物组合吸收区；2、基质组合吸附区；3、排水闸门；4、生物过滤箱；5、水生植物水浮莲；6、水生植物常绿鸢尾/再力花/美人蕉；7、粉煤灰与蛭石组合。

[0019] 图2 为六种不同水生植物对水体总氮与总磷的去除率。

[0020] 图3 为不同水生植物组合对水体总氮与总磷的去除率。

具体实施方式

[0021] 通过以下实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的内容并不局限于此。

[0022] 实施例1：（对水生植物组合的筛选）

[0023] 依据一般稻田排水中氮、磷的浓度，调整污水中总磷TP初始浓度为5 mg L-1，总氮-1TN初始浓度为50 mg L 。水生植物选择漂浮植物——水浮莲与黄花水龙，挺水植物——再-2
力花、常绿鸢尾与美人蕉，沉水植物——聚草，种植密度为50株m 。经过15天的试验发现，水浮莲对TN与TP的去除效率都最高，分别达到了49.6%与48.8%（图1）；再力花、常绿鸢尾与美人蕉的去除率均达到30%以上；而聚草对氮、磷的去除率均低于20%，效果最差。

[0024] 考虑到实际工程中需减少高密度水生植物对水流的阻挡作用，利用漂浮植物与挺水植物根系与茎叶在沟渠水中的错层分布，以漂浮植物水浮莲为主要植物，研究了其与挺水植物再力花、常绿鸢尾及美人蕉分别组合对水体氮、磷的去除效率，水浮莲与三种挺水植-2 -2物的种植密度均为20株m ，即每种组合的总种植密度均为40株m 。结果表明15天后，水浮莲与再力花、常绿鸢尾及美人蕉任意一种的组合均可以达到很好的脱氮除磷的效果，其中对TN的去除率为53.1~54.9%，对TP的去除率为50.8~54.5%（图2），因此，均可作为生态沟渠中水生植物的理想组合。

[0025] 实施例2：（对基质组合的筛选）

[0026] 通过等温吸附试验，研究了蛭石、粉煤灰、火烧石、活性炭与矾土五种基质对氮、磷+ -1的吸附特征，其中，NH4-N浓度为5、10、20、40、60与80 mg L ，TP浓度为1、2、4、6、8与10 -1 +
mg L ，试验进行24h。五种基质对NH4-N与TP的吸附特征采用Langmuir方程进行拟合。
+
结果表明，蛭石对NH4-N的饱和吸附量最大，但对TP的饱和吸附量最小，粉煤灰对TP的饱+
和吸附量最大，而对NH4-N的饱和吸附量较小（表1）。

[0027] 表1 五种供试基质的NH4+-N与TP等温吸附曲线相关参数

[0028]

[0029] 为达到同时脱氮除磷的效果，选择粉煤灰与蛭石为材料进行组合，考虑二者粒径、孔隙度及对氮、磷的吸附能力，设置了粉煤灰与蛭石按重量1:4、1:3、1:2及1:1四种不同比例，粉煤灰与蛭石分别过120目与60目筛。利用人工模拟槽动态模拟污水排水过程，基质铺设0.1m，对比了四者在不同组合比例条件下对氮、磷的去除效果。调节进水中TP浓度为5 mg L-1，NH4+-N浓度为25 mg L-1，水力停留时间为12h。结果表明，粉煤灰和蛭石的比例为1:4与1:3时，对NH4+-N与TP的去除效果较理想，去除率分别可达到70%与60%以上（表
2），显著高于1:2与1:1的组合。因此，粉煤灰和蛭石以1:4~1:3的比例组合，可作为稻田排水脱氮除磷的基质组合。

[0030] 表2不同比例的粉煤灰与蛭石组合对水中NH4+-N与TP的去除率

[0031]

[0032] 实施例3：（利用排水沟渠拦截消纳稻田流失氮、磷的方法1）

[0033] 按如下步骤进行：

[0034] （1）适用范围：排水沟渠水面面积与稻田面积之比为1:1000；稻田每天平均排水-1 -1量为每公顷30 t，排水中总氮平均浓度为5.26 mg L ，总磷平均浓度为0.52 mg L 。

[0035] （2）排水沟渠的结构：由前段的水生植物组合吸收区与后段的基质组合吸附区及末端的排水闸门组成，其中，水生植物组合吸收区与基质组合吸附区的长度比例为2:1；具体是：

[0036] 1）水生植物组合吸收区：由生物过滤箱和水生植物及沟渠组成，其中每只生物过滤箱由多孔砖砌成，其长度为0.8 m，高度为沟渠高的1/2，宽度为沟渠宽的1/3；箱内填充对氮、磷具较强吸附能力的蛭石作基质；生物过滤箱按前一只的左侧贴紧沟渠的沟壁，则后一只的右侧贴紧沟壁，两箱间隔10m，呈S形状排列在沟渠底部；沟渠水面种植漂浮植物水-2 -2浮莲，种植密度均为20株 m ，生物过滤箱种植常绿鸢尾，种植密度为10株 m ；

[0037] 2）基质组合吸附区：在该区段的沟渠底部全面铺设厚度为0.05m由120目粉煤灰与60目蛭石按重量1:4的混合物；

[0038] 3）排水闸门：位于沟渠的末端，调节稻田排水在沟渠中的水力停留时间为4小时；如遇暴雨或紧急排水等特殊情况，须打开闸门，保证排水通畅，避免造成洪涝灾害。

[0039] 本例方法运行期间，每周对沟渠进出口水质进行监测，运行1个月后，进水口总氮-1 -1与总磷浓度分别为9.98与1.12 mg L ，出水口分别为5.50 与0.61 mg L ，氮、磷削减率分别为44.9%与45.5%，透明度从0.2m增加到了0.3m。

[0040] 实施例4：（利用排水沟渠拦截消纳稻田流失氮、磷的方法2）

[0041] 按如下步骤进行：

[0042] （1）排水沟渠水面面积与稻田面积之比为1:3000；稻田每天平均排水量为每公顷-1 -120 t，排水中总氮平均浓度为21.22 mg L ，总磷平均浓度为2.61 mg L 。

[0043] （2）排水沟渠的结构：由前段的水生植物组合吸收区与后段的基质组合吸附区及末端的排水闸门组成，其中，水生植物组合吸收区与基质组合吸附区的长度比例为1.5:1；具体是：

[0044] 1）水生植物组合吸收区：由生物过滤箱和水生植物及沟渠组成，其中每只生物过滤箱由多孔砖砌成，其长度为1.0 m，高度为沟渠高的1/2，宽度为沟渠宽的1/2；箱内填充对氮、磷具较强吸附能力的蛭石作基质；生物过滤箱按前一只的左侧贴紧沟渠的沟壁，则后一只的右侧贴紧沟壁，两箱间隔7m，呈S形状排列在沟渠底部；沟渠水面种植漂浮植物水浮-2 -2莲，种植密度均为20株 m ，生物过滤箱种植再力花，种植密度为20株 m ；

[0045] 2）基质组合吸附区：在该区段的沟渠底部全面铺设厚度为0.1 m由120目粉煤灰与60目蛭石按重量1:3的混合物；

[0046] 3）排水闸门：位于沟渠的末端，调节稻田排水在沟渠中的水力停留时间为8小时。

[0047] 本例方法运行期间，每周对沟渠进出口水质进行监测，运行1个月后，其进水口总-1 -1氮与总磷浓度分别为14.34与2.06 mg L ，出水口分别为6.89 与0.82 mg L ，氮、磷削减率分别为51.9%与60.2%，透明度从0.2m增加到了0.3m。

[0048] 实施例5：（利用排水沟渠拦截消纳稻田流失氮、磷的方法3）

[0049] 按如下步骤进行：

[0050] （1）排水沟渠水面面积与稻田面积之比为1:5000；稻田每天平均排水量为每公顷-1 -110 t，排水中总氮平均浓度为50.7 mg L ，总磷平均浓度为4.92 mg L 。

[0051] （2）排水沟渠的结构：由前段的水生植物组合吸收区与后段的基质组合吸附区及末端的排水闸门组成，其中，水生植物组合吸收区与基质组合吸附区的长度比例为1:1；具体是：

[0052] 1）水生植物组合吸收区：由生物过滤箱和水生植物及沟渠组成，其中每只生物过滤箱由多孔砖砌成，其长度为1.2 m，高度为沟渠高的1/2，宽度为沟渠宽的1/2；箱内填充对氮、磷具较强吸附能力的蛭石作基质；生物过滤箱按前一只的左侧贴紧沟渠的沟壁，则后一只的右侧贴紧沟壁，两箱间隔5m，呈S形状排列在沟渠底部；沟渠水面种植漂浮植物水浮-2 -2莲，种植密度均为30株 m ，生物过滤箱种植美人蕉，种植密度为20株 m 。

[0053] 2）基质组合吸附区：在该区段的沟渠底部全面铺设厚度为0.2 m由120目粉煤灰与60目蛭石按重量1:4的组合基质；

[0054] 3）排水闸门：位于沟渠的末端，调节稻田排水在沟渠中的水力停留时间为12小时。

[0055] 本例方法运行期间，每周对沟渠进出口水质进行监测，运行1个月后，其进水口总-1 -1氮与总磷浓度分别为18.68与2.95 mg L ，出水口为7.50与1.54 mg L ，氮、磷削减率分别为59.9%与47.8%。