一种用于农田尾水处理的富藻沟系统及处理方法

摘要

本发明公开了一种用于农田尾水处理的富藻沟系统及处理方法，包括富藻沟渠、推流器、水位控制闸门、排水连通涵管、水生生物塘及调控站；农田尾水从农田排出后进入富藻沟系统，在推流器作用下保持流速，由沟内的藻菌共生系统对尾水进行净化处理，然后通过排水连通涵管进入水生生物塘进一步净化处理，经沟塘系统处理后的水由调控站提升至农田进行循环利用。本发明采用沟－塘联合工艺对农田尾水进行深度净化，将普通的沟渠改造成富含藻类的富藻沟，有效地增加了沟渠的污染物去除能力，同时采用调控站将处理后的尾水提升回农田进行资源循环利用，达到节约灌溉用水、氮磷资源、减少外排水量、削减水环境污染压力等目的。

权利要求

1.一种用于农田尾水处理的富藻沟系统，其特征在于，所述系统包括富藻沟渠、推流器、水位控制闸门、排水连通涵管、水生生物塘及调控站；其中：所述富藻沟渠围绕在田块的四周，田块之间的沟渠彼此连通，在维持一定水位的条件下，形成沟渠环路；所述富藻沟渠的排水口与外部水体和水生生物塘连通；

所述水位控制闸门设置于富藻沟渠及水生生物塘所有出水口，用于水位控制；

所述推流器由太阳能光伏电池提供动力，所述沟渠环路按一定间距设置推流器，使富藻沟渠中的水保持一定流速，使藻类充分接受阳光照射，维持富藻沟渠中藻类的浓度；藻类和细菌在富藻沟中自然形成菌藻共生系统；

所述排水连通涵管，用于富藻沟渠与水生生物塘的连通；

所述水生生物塘，用于富藻沟渠出水中藻类的分离、农田尾水的深度净化、水的储存及水量的调节，所述水生生物塘位于整个系统内的最低处，以保证农田尾水能通过自流进入水生生物塘内；

所述调控站，采用动力将水生生物塘处理后的农田尾水提升至农田进行循环利用，或将多余水量强排出区域，所述调控站位于所述水生生物塘的出水端；

所述水生生物塘中部设置有导流墙，使水生生物塘中的水流按照流程流动，避免短流；

所述水生生物塘设有进水口和出水口，其中进水口通过排水连通涵管连接到富藻沟渠的排水口，出水口连接到调控站和外部水体；在水生生物塘靠近排水连通涵管的一侧种植植物。

2.如权利要求1所述的用于农田尾水处理的富藻沟系统，其特征在于，所述富藻沟渠面积占田地总体面积的1%-1.5%。

3.如权利要求2所述的用于农田尾水处理的富藻沟系统，其特征在于，所述富藻沟渠的横截面为等腰梯形或矩形，渠深为40-100cm，渠内有效水深30～80cm，农田排水期沟渠最短水力停留时间10h。

4.如权利要求1所述的用于农田尾水处理的富藻沟系统，其特征在于，所述富藻沟渠的水位由水位控制闸门控制在30～80cm。

5.如权利要求1所述的用于农田尾水处理的富藻沟系统，其特征在于，所述富藻沟渠的水流速度为0.15 0.2m/s。

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6.如权利要求1-5任一项所述的用于农田尾水处理的富藻沟系统，其特征在于，所述水生生物塘的深度为2-3m，水力停留时间至少2天。

7.如权利要求1-5任一项所述的用于农田尾水处理的富藻沟系统，其特征在于，所述水生生物塘中种植水生植物，所种水生植物兼顾沉水、挺水和浮水植物，塘面植物覆盖面积不超过塘总面积30%。

8.一种采用权利要求1-7任一项所述系统的农田尾水处理方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，农田尾水从农田排出后进入富藻沟系统，在推流器作用下保持一定流速，由富藻沟渠内的藻菌共生系统对其进行净化处理；

步骤二，农田尾水在富藻沟内停留一定时间后，通过排水连通涵管进入水生生物塘，依靠水生生物塘内植物、微生物、底泥构成的生态净化系统，在物理、化学和生物作用下进一步净化处理，水生生物塘内设置导流墙，增加水的流程及其在塘内的停留时间；

步骤三，经富藻沟系统处理后的水由调控站提升至农田进行循环利用，利用之后多余的水则进入下一个循环。

说明书

一种用于农田尾水处理的富藻沟系统及处理方法

技术领域

[0001] 本发明涉及的是低污染水处理领域，具体为一种用于农田尾水处理的富藻沟系统及处理方法。

背景技术

[0002] 高投入、高产出是目前我国种植业的主要特点，因此导致了高强度的氮磷排放。以太湖流域为例，农田肥料年用量平均为氮肥570～600kg/hm2，磷肥79.5～99kg/hm2，大大超过了合理施用量范围，化肥平均利用率仅为30％～35％。过量的化肥投入提高了土壤的氮磷背景值，增加了氮磷向水体流失的风险和流失量。不合理的施肥和灌溉排水模式造成农田尾水氮磷超标，由于污水处理设施建设的滞后，大量没有经过处理的农田尾水直接排入农村的水环境，最终进入湖泊等受纳水体。因此，为了实现对面源污染的有效控制，遏制水环境富营养化趋势，对农田尾水进行收集处理显得尤为重要。

[0003] 考虑到农村的经济基础和管理水平现状，农田尾水的治理不可能纳入市政污水处理管网，市政污水处理所采用的生物处理技术虽然有较高的有机物、氮、磷去除率，但其基建成本高，运行费用高，管理要求也高。而农田尾水具有水量季节变化大，峰值水量大，可循环利用等特点，应该充分利用农村当地的自然环境，因地制宜地采用去除效果好、投资省、能耗低、管理简便的技术，以确保建成的污水处理设施能长期稳定运行。农村地区由于经济相对落后，在建设污水处理设施时固然要考虑处理效果和经济方面的因素，但最重要的是设施建成后的长期稳定运行。由于农村地区文化水平相对落后，基本无环保专业人员在农村任职，因此，在选择污水处理技术时，为保证设施建成后的长期稳定运行，应将维护简单和能耗低的处理技术放在首位；其次，在保证长效运行的前提下最大限度地削减污水中的污染负荷。

[0004] 目前用以处理农田尾水的技术主要有稳定塘、土地处理和生物膜处理等，其中，土地处理较适合作为小规模农田尾水处理设施，或作为二级处理的后续处理加以应用；生物膜处理技术由于对启动、维护管理要求较高，需要专业人员进行运行管理，因此，在农村地区缺乏长效运行的基础；传统稳定塘氮磷去除效率低，难以满足当前控制水环境富营养化的需要。高效藻类塘工作作为好氧塘的强化，除具有传统稳定塘投资省、能耗低和维护简单的优点外，有机物和氮磷去除效率较传统稳定塘进一步提高，而且高效藻类塘无噪音和臭气产生，水体的流动又避免了蚊虫的滋生。因此，该技术非常适合在气候温暖的地区用于农田尾水的处理及回用。然而高效藻类塘也存大占地较大，在耕地日趋紧张，缺乏条件的地区，其应用受到一定限制，因此需对其进行改进。

[0005] 经检索，申请号为CN201510593877.0的中国专利，涉及一种拟自然的生态农田构建方法。所述的拟自然的生态农田构建方法，包括农田、沟渠、机耕路、农田缓冲带和缓冲净化塘的构建，在农田生产功能的基础上，进一步发挥农田的生态功能，将农田作为环境氮、磷的消纳汇，利用农田土壤碳汇、生物多样性控制农田面源污染。

[0006] 申请号为CN201510593442.6的中国专利，该专利公开一种硬化沟渠生态化改造的方法，属于农田环保领域，通过构建漂浮型生态沟、护壁型生态沟或漂浮型与护壁型间隔混合式生态沟，并相应的栽种对污染物具有吸附能力的挺水植物、浮水植物以及沉水植物，实现对农田尾水的处理。

[0007] 公开号为CN103466799A的中国专利，该专利涉及一种利用生态塘拦截稻田地表径流流失养分的植物配置方法，属于环境生态学领域。在农田排水沟末端增加生态塘环节，根据稻季农田养分流失特征，以及不同水生植物的养分富集特点和景观效果，在农田生态塘配置水葫芦、水芹菜、睡莲、慈菇、湿生美人蕉等水生植物，拦截稻季农田地表径流流失养分。减少农田地表径流对周围水环境的影响，为农业生产可持续发展和农业生态环境安全提供理论支撑。

[0008] 但是上述专利技术，重点关注了农田尾水的处理与净化，沟渠的污染物去除能力有待进一步提高，且同时没有考虑处理后尾水的循环利用。

发明内容

[0009] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于农田尾水处理的富藻沟系统及处理方法。本发明采用沟－塘联合工艺对农田尾水进行深度净化，将普通的沟渠改造成富含藻类的富藻沟，有效地增加了沟渠的污染物去除能力，同时采用调控站将处理后的尾水提升回农田进行资源循环利用，达到节约灌溉用水、氮磷资源、减少外排水量、削减水环境污染压力等目的。

[0010] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0011] 根据本发明的第一目的，提供一种用于农田尾水处理的富藻沟系统，所述系统包括富藻沟渠、推流器、水位控制闸门、排水连通涵管、水生生物塘及调控站；其中：

[0012] 所述富藻沟渠围绕在田块的四周，田块之间的沟渠彼此连通，在维持一定水位的条件下，形成沟渠环路；所述富藻沟渠的排水口与外部水体、水生生物塘连通；

[0013] 所述水位控制闸门设置于富藻沟渠及水生生物塘所有出水口，用于水位控制；

[0014] 所述推流器由太阳能光伏电池提供动力，所述沟渠环路按一定间距设置推流器，使富藻沟渠中的水保持一定流速，使藻类充分接受阳光照射，维持富藻沟渠中藻类的浓度；藻类和细菌在富藻沟中自然形成菌藻共生系统；

[0015] 所述排水连通涵管，用于富藻沟渠与水生生物塘的连通；

[0016] 所述水生生物塘，用于富藻沟渠出水中藻类的分离、农田尾水的深度净化、水的储存及水量的调节，所述水生生物塘位于整个系统内的最低处，以保证农田尾水能通过自流进入水生生物塘内；

[0017] 所述调控站，采用动力将水生生物塘处理后的农田尾水提升至农田进行循环利用，或将多余水量强排出区域，所述调控站位于所述水生生物塘的出水端。

[0018] 优选的，所述富藻沟渠面积占田地总体面积的1％-1.5％。

[0019] 优选的，所述富藻沟渠的横截面为等腰梯形或矩形，当然，采用其他形状也是可以实现的；渠深为40-100cm，渠内有效水深30～80cm，农田排水期沟渠最短水力停留时间10h。

[0020] 优选的，所述富藻沟渠的水位由水位控制闸门控制在30～80cm。

[0021] 优选的，所述富藻沟渠的水流速度为0.15～0.2m/s，所述推流器由太阳能光伏电池提供动力。

[0022] 优选的，所述水生生物塘的深度为2-3m，水力停留时间为最低2天。

[0023] 优选的，所述水生生物塘中种植水生植物并注重景观效果和经济效益。所种植物可兼顾沉水、挺水和浮水植物，塘面植物覆盖面积以不超过塘总面积30％为宜，植物以本地种为主，如芦苇、菖蒲、水花生、水葫芦、水芹菜、睡莲、湿生美人蕉等。

[0024] 优选的，所述水生生物塘设有进水口和出水口，其中进水口通过排水连通涵管连接到富藻沟渠的排水口，出水口连接到调控站和外部水体；在水生生物塘靠近排水连通涵管的一侧种植植物，在水生生物塘中部设置导流墙，使水生生物塘中的水流按照流程流动，避免短流。

[0025] 根据本发明的第二目的，提供一种采用上述系统的农田尾水处理方法，包括如下步骤：

[0026] 步骤一，农田尾水从农田排出后进入富藻沟系统，在推流器作用下在富藻沟渠内保持一定流速，由富藻沟渠内的藻菌共生系统对其进行净化处理；

[0027] 步骤二，农田尾水在富藻沟内停留一定时间后，通过排水连通涵管进入水生生物塘，依靠水生生物塘内植物、微生物、底泥构成的生态净化系统，在物理、化学和生物作用下进一步净化处理，水生生物塘内设置导流墙，增加水的流程及其在塘内的停留时间；

[0028] 步骤三，经富藻沟系统处理后的水由调控站提升至农田进行循环利用，利用之后多余的水则进入下一个循环。

[0029] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

[0030] (1)本发明针对已建有适量沟渠的农田，只需进行沟渠之间的互通，整修，无需另建，节约土地资源和工程投资。

[0031] (2)本发明中富藻沟渠中的水可作为灌溉用水就地利用，水生生物塘出水亦可提升至农田中循环利用，农田灌溉用水量以及排水量可降低50％以上，大幅度节约灌溉用水，降低周围水体环境污染负荷。

[0032] (3)本发明利用太阳能作为推流器能源，无需额外铺设电线，节约能源，方便安装。

[0033] (4)本发明对污水中的COD、氮和磷有较好的去除效果，水生生物塘亦可种植经济作物，产生效益。

[0034] (5)本发明具有占地少、成本低、能耗低、适应性强和处理效果好的优点。

附图说明

[0035] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

[0036] 图1为本发明一实施例的富藻沟系统平面布局示意图；

[0037] 图2为本发明一实施例的效果图；

[0038] 其中，1-富藻沟渠，2-水流方向，3-推流器，4-水位控制闸门，5-排水连通涵管，6-水生生物塘，7-调控站。

具体实施方式

[0039] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

[0040] 如图1所示，一种用于农田尾水处理的富藻沟系统，所述系统包括富藻沟渠1、推流器3、水位控制闸门4、排水连通涵管5、水生生物塘6及调控站7；其中：

[0041] 所述富藻沟渠1围绕在田块的四周，田块之间的沟渠彼此连通，在维持一定水位的条件下，形成沟渠环路；所述富藻沟渠的排水口与外部水体、水生生物塘连通；在一实施例中，所述富藻沟渠的沟渠面积占田地总体面积的1％-1.5％；所述富藻沟渠的横截面为等腰梯形或矩形，渠深为40-100cm，渠内有效水深30～80cm，农田排水期沟渠最短水力停留时间10h；

[0042] 所述水位控制闸门4设置于富藻沟渠1及水生生物塘6所有出水口，用于控制水位；在一实施例中，所述水位控制闸门将富藻沟内水位控制在30～80cm；

[0043] 所述推流器3由太阳能光伏电池提供动力，所述沟渠环路按一定间距设置推流器3，使富藻沟渠1中的水保持一定流速，使藻类充分接受阳光照射，维持富藻沟渠1中藻类的浓度，藻类和细菌在富藻沟中自然形成菌藻共生系统；在一实施例中，所述富藻沟渠1内水流速度控制在0.15～0.2m/S，所述推流器3由太阳能光伏电池提供动力；

[0044] 排水连通涵管5，用于富藻沟渠1与水生生物塘6的连通；

[0045] 水生生物塘6，用于富藻沟渠1出水中藻类的分离、农田尾水的深度净化、水的储存及水量的调节等，水生生物塘6一般位于整个系统的最低处，以保证农田尾水能通过自流进入水生生物塘6内；在一实施例中，所述水生生物塘的深度为2-3m，水力停留时间为最低2天；塘面植物覆盖面积以不超过塘总面积30％为宜；

[0046] 调控站7，采用动力将水生生物塘6处理后的农田尾水提升至农田进行循环利用，或在极端情况下将多余水量强排出区域，达到节约灌溉用水、减少外排水量、保证生产安全的目的。调控站7一般位于水生生物塘6出水端。

[0047] 以下将本发明上述系统应用到位于江苏省宜兴市某农场，进行农田尾水处理，具体如下：

[0048] 如图1、2所示：共五个田块，其中：

[0049] 田块1四周为高效藻类I型沟渠，沟渠横截面为梯形，上底宽0.6m，下底宽0.25m，深0.7m，有效水0.6m,总长度337m，总容积100.26m3，有效容积85.8m3；

[0050] 田块2～田块5四周为高效藻类II型沟渠，沟渠横截面为梯形，上底宽1.05m，下底宽0.4m，深0.85m，有效水深0.75m,总长度2258m，总容积1391.49m3，有效容积1227.9m3。

[0051] 上述的I型和II型渠道总计长度2595m，总容积1491.75m3，总有效容积1313.7m3，区内农田尾水峰值水量约为1500m3/d，即在峰值排水期间，富藻沟渠系统保证水力停留时间HRT不小于16h。

[0052] 富藻沟渠1共有三个排水口，其中两个与外部河道连通，一个通过排水连通涵管5与水生生物塘6连通。每个排水口设置水位控制翻板闸门4一座，闸高100cm，宽50cm，可根据需要控制富藻沟渠1水深在0-80cm之间变化。排水连通涵管5为DN500UPVC管，富藻沟渠1中的水通过排水连通涵管5溢流至水生生物塘6。

[0053] 推流器3由太阳能光伏电池提供动力，每一沟渠环路1设置两座推流器，以推动沟渠中的水保持一定流速，使藻类充分接受阳光照射，维持沟渠中藻类的浓度。

[0054] 水生生物塘6面积约为8亩，周长约为860m，水深约2m，塘有效容积10000m3，在农田尾水峰值水量1500m3/d的情况下保证水生塘HRT大于6天。在水生生物塘6靠近排水连通涵管5的一侧种植水花生，菖蒲及其他植物，并如图2所示，在水生生物塘6中部设置导流墙，导流墙采用松木桩加防水土工膜进行构建，其主要作用是增加水的流程及其在塘内的停留时间，避免短流。

[0055] 农田尾水在富藻沟内的藻菌共生系统作用下对水中的有机物、氮、磷等进行去除，在水生生物塘6内则依靠植物、微生物、底泥等构成的生态净化系统，在物理、化学和生物作用下得到净化后，通过调控站7输送到农田中，实现水的循环利用。

[0056] 实施效果：原农田尾水排水口出水CODCr浓度30～100mg/L，氨氮浓度1.8～2.2mg/L，TN浓度2～4mg/L，TP浓度为0.5～1.5mg/L，经过循环处理后，水生植物塘出水CODCr平均约35mg/L，出水CODCr可稳定达到地表水环境质量标准中规定的V类标准。氨氮出水平均浓度为
0.6mg/L,可达到地表水III类标准，总氮出水平均浓度为1.5mg/L，可达地表水V类标准，总磷出水平均浓度0.15mg/L，可达地表水II类标准。并且由于农田水循环利用，总排放大大缩减，最终可实现污染物年排放总量削减50％以上。

[0057] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。