本发明一种农田退水氮磷污染多级高效拦截与回用的构建方法，涉及农业环境保护领域。通过三级高效拦截与回用设施实现对农田退水氮磷污染高效拦截与回用。第一级为水生植物耦合底栖动物生态池净化设施，构建水生植物根系协同底栖动物加快降解底泥氮磷污染物。第二级为多级强化微生物脱氮除磷设施，形成短程硝化反硝化并兼具同步硝化反硝化。第三级拦截为新型生物炭基氮磷拦截与回用设施，实现简单预处理和高效分层吸附，吸附饱和复合生物炭填料作为炭基肥回用农田，实现全链式的循环利用。本发明将多级高效拦截与养分回用相结合，能有效缓解农业面源污染的环境压力，最终实现农田退水氮磷流失大幅消减，同时实现废弃物资源化利用。
1.一种农田退水氮磷污染多级高效拦截与回用的构建方法，其特征在于包括三级高效拦截与回用设施的构建，所述三级高效拦截与回用设施包括依次连通的第一级拦截设施（1）、第二级拦截设施（2）及第三级拦截设施（3）；
第一级拦截设施（1）：由斜板沉淀池（101）和生态池（102）组成，所述斜板沉淀池（101）设置在农田退水沟渠的主渠上；所述生态池（102）内种植沉水植物（103）和挺水植物（104）及其底部投加底栖动物（105）；
第二级拦截设施（2）：包括依次连通的第一反应室（201）、第二反应室（202）、第三反应室（203）和第四反应室（204），各反应式内均装填有生物炭填料（205），第一反应室（201）为低溶解氧模式，加入硝化菌后进行短程硝化反应；第二反应室（202）为兼氧状态，加入硝化菌和反硝化菌，进行同步消化与反硝化反应；第三反应室（203）为厌氧状态，加入反硝化菌进行短程反硝化；第四反应室（204）为低溶解氧状态，加入硝化菌进行短程硝化反应；第四反应室（204）和第三反应室（203）之间设置有回流装置（206）；
第三级拦截设施（3）：包括并联设置的第一吸附塔（301）和第二吸附塔（302），第一吸附塔（301）的上端与第二级拦截设施（2）的出水口连通，第一吸附塔（301）的下端与第二吸附塔（302）的下端通过管道连接，管道上设置有真空泵（303），第二吸附塔的顶部设置最终出水口（304）；
所述第一吸附塔（301）内的上部固定设置有打孔挡板（305），下部固定设置有中格栅（306），从打孔挡板（305）往中格栅（306）方向依次装填有鹅卵石层（307）、中粒度石英砂层（308）、细粒度石英砂层（309），中格栅（306）的栅条净间距为10‑30mm；所述第二吸附塔（302）的下部固定设置有细格栅（310），细格栅（310）的栅条间距为5‑20mm，其上依次设置三层复合生物炭填料（311），复合生物炭填料（311）从下往上体积比为3:2:1；
其中，生物炭填料为畜禽粪污经炭化处理得到，具体的制备方法为：
1）原料干燥：将原料畜禽粪污脱水至含水率70‑80%后，采用1‑2mol/L的HCl、H3PO4或HNO3浸渍，搅拌2‑4h，烘箱85‑110℃干燥12‑24h后，粉碎至粒径<0.1mm，制得干粪粉；
2）炭化：将干粪粉在密闭容器中进行液氮预处理，干粪粉与液氮的重量比为2：1‑1.5，并搅拌30‑60min，随后加入无水乙醇快速挥发，乙醇分2‑3次添加，共计3‑5min添加完毕，每次添加量与干粪粉的重量比为2：0.8‑1.5，随后用超纯水洗涤过滤，烘箱85‑110℃干燥12‑
24h，掺氮含量为8‑20%；将烘干后的产物在氮气氛围下于管式炉中以10‑20℃/min的升温速率裂解，并在最高温度为500‑800℃保持2‑5h炭化，制得氮掺杂专用生物炭填料，作为第二级拦截设施中微生物的载体；
复合生物炭填料的具体制备为， 将氮掺杂生物炭填料与粉煤灰分散于水溶液中，生物炭填料与粉煤灰的重量比为3：1.5‑2，固液体积比为1：3‑5；通入氮气40‑80min，氮气速率为
400‑700mL/min，随后于微波加热炉中加热搅拌3‑6h，微波加热功率为250‑400W，搅拌转速为350‑650r/min；再将产物用无水乙醇和超纯水交替洗涤，直至溶液pH呈中性，随后在85‑
100℃下真空干燥，得到高效氮磷吸附复合生物炭填料。
2.如权利要求1所述的一种农田退水氮磷污染多级高效拦截与回用的构建方法，其特征在于所述斜板沉淀池（101）底部设置有污泥斗（106）及与污泥斗（106）连通的排泥管107，斜板沉淀池（101）的中上部设置有多层带孔斜板（108）。
3.如权利要求1所述的一种农田退水氮磷污染多级高效拦截与回用的构建方法，其特征在于所述挺水植物（104）为美人蕉、野茭白、再力花、芦苇、莲中的一种或几种；所述沉水植物（103）为苦草或菹草；所述底栖动物（105）为河蚬或螺蛳，构建河蚬+苦草、河蚬+菹草、螺蛳+苦草或螺蛳+菹草不同组合的底栖生物调控系统，底栖生物调控系统沉水植物覆盖率2
为10%‑50%，底栖动物（105）投加量为0.5‑4kg/m ，所述斜板沉淀池（101）和生态池（102）的体积比为1：3‑4。
4.如权利要求1所述的一种农田退水氮磷污染多级高效拦截与回用的构建方法，其特征在于第一级拦截设施（1）和第二级拦截设施（2）之间的连通管道上设置有进水阀门，控制3
进水流速为3‑10m/h，第一反应室（201）、第二反应室（202）、第三反应室（203）和第四反应室（204）的体积比为1:1:1.5‑2:1，相邻两个反应室之间通过一组隔板（207）相隔，隔板（207）底部具有向一侧延伸设置的斜面（208），各反应室顶部均设置有沼气出口（209），低溶解氧状态的反应室底部设置有曝气管（210），并配置在线溶解氧测定仪（211），确保溶解氧在0.5‑1mg/L，曝气管（210）上设置有多个曝气孔，其上还设置有用于将空气输送至曝气管（210）内的泵。
5.如权利要求1所述的一种农田退水氮磷污染多级高效拦截与回用的构建方法，其特征在于短程硝化反应温度控制在10‑20℃，反硝化反应温度控制在15‑30℃，在各反应室底部及第一反应室（201）和第四反应室（204）的侧面均嵌接设置有电加热板（212），各反应室内均安装有温度传感器（213）。
6.如权利要求1所述的一种农田退水氮磷污染多级高效拦截与回用的构建方法，其特征在于三级高效拦截与回用设施与汇水农田面积比例为1:200‑300。
一种农田退水氮磷污染多级高效拦截与回用的构建方法
技术领域
[0001] 本发明属于农业环境保护技术领域，具体涉及一种农田退水氮磷污染多级高效拦截与回用的构建方法。
背景技术
[0002] 近年来，我国城市化进程加速发展，由农业面源污染引起的水环境问题如化肥农药的使用呈爆发性增长等，其中，尤其是氮、磷等物质是面源污染废水中的主要污染物，也是导致水质退化和生态系统退化的主要原因。据我国67个湖泊富营养化程度的调查结果显示，约56%的湖泊处于中营养和中一富营养程度，15%处于富营养型状态，而处于重富营养型的约占9%。若此情况不加以及时控制，就会严重破环生态系统内部结构，影响环境可持续发展。但现有的农业面源污染控制技术，如缓冲带技术、人工湿地技术、生态池技术等，只能对农业面源污染进行一定控制，并不能达到对农业面源污染的较佳控制和资源的有效利用。因此，提高氮磷生态拦截技术、提升氮磷利用率以及农业废弃物资源利用对于控制农业面源污染十分重要，亟需研发一种新型农田退水氮磷污染多级高效拦截与回用技术，以便缓解农业面源污染的环境压力。
发明内容
[0003] 针对现有技术中存在的问题，本发明设计的目的在于提供一种农田退水氮磷污染多级高效拦截与回用的构建方法，用以解决现有技术中存在不能达到对农业面源污染的较佳控制和资源的有效利用的问题，具有经济高效，易于操作等特点，本技术适用于农田汇水面积不低于300亩农业园区农田退水处理工程化应用或现有工程改良。
[0004] 本发明通过 以下技术方案加以实现：
[0005] 所述的一种农田退水氮磷污染多级高效拦截与回用的构建方法，其特征在于包括三级高效拦截与回用设施的构建，所述三级高效拦截与回用设施包括依次连通的第一级拦截设施、第二级拦截设施及第三级拦截设施；
[0006] 第一级拦截设施：由斜板沉淀池和生态池组成，所述斜板沉淀池设置在农田退水沟渠的主渠上；所述生态池内种植沉水植物和挺水植物及其底部投加底栖动物；该阶段挺水植物与沉水植物的根系与底栖动物耦合，构成植物根系与动物微生物协同拦截削减污染物的作用机制，有效减少沉淀于沟渠底泥的氮磷污染；水生植物具有吸附污染并利用一部分污染作为自身生长，其余部分被根系的底栖动物吸收利用，形成一个良性的物质循环，是一种新型的生态化处理技术；
[0007] 第二级拦截设施：包括依次连通的第一反应室、第二反应室、第三反应室和第四反应室，各反应式内均装填有生物炭填料，第一反应室为低溶解氧模式，加入硝化菌后进行短程硝化反应；第二反应室为兼氧状态，加入硝化菌和反硝化菌，进行同步消化与反硝化反应；第三反应室为厌氧状态，加入反硝化菌进行短程反硝化；第四反应室为低溶解氧状态，加入硝化菌进行短程硝化反应；第四反应室和第三反应室之间设置有回流装置，用于将第四反应室中的一部分出水回流至第三反应室即厌氧反应室，另一部分出水从第四反应室上部出水槽流出，装填在各个反应室内的生物炭填料，可有效促进短程硝化反应以及同步硝化反硝化过程的电子传递，强化微生物脱氮；
[0008] 第三级拦截设施：包括并联设置的第一吸附塔和第二吸附塔，第一吸附塔的上端与第二级拦截设施的出水口连通，第一吸附塔的下端与第二吸附塔的下端通过管道连接，管道上设置有真空泵，第二吸附塔的顶部设置最终出水口。该阶段复合生物炭填料是畜禽干粪与工业废弃物粉煤灰进行资源化利用，制备出对于氮磷具有专项高效吸附的新型吸附剂。
[0009] 采用并联式分层吸附塔,第二级拦截设施出水首先从顶部进入第一吸附塔，进行简单预处理，分层过滤并去除杂质。再从底部进入第二吸附塔，底部进水处采用细格栅，保证进水水流分布均匀。再依次经过三层复合生物炭填料吸附，从顶部出水，进入蓄水池。最终处理的出水符合地表水环境质量标准基本项目标准限值表百度(GB3838‑2002)Ⅲ类至Ⅳ类，基本可以饮用。
[0010] 所述的一种农田退水氮磷污染多级高效拦截与回用的构建方法，其特征在于所述斜板沉淀池底部设置有污泥斗及与污泥斗连通的排泥管，斜板沉淀池的中上部设置有多层带孔斜板。
[0011] 所述的一种农田退水氮磷污染多级高效拦截与回用的构建方法，其特征在于所述挺水植物为美人蕉、野茭白、再力花、芦苇、莲中的一种或几种；所述沉水植物为苦草或菹草；所述底栖动物为河蚬或螺蛳，构建河蚬+苦草、河蚬+菹草、螺蛳+苦草或螺蛳+菹草不同组合的底栖生物调控系统，底栖生物调控系统沉水植物覆盖率为10%‑50%，底栖动物投加量2
为0.5‑4kg/m，所述斜板沉淀池和生态池的体积比为1：3‑4。
[0012] 所述的一种农田退水氮磷污染多级高效拦截与回用的构建方法，其特征在于第一级拦截设施和第二级拦截设施之间的连通管道上设置有进水阀门，控制进水流速为3‑3
10m/h，第一反应室、第二反应室、第三反应室和第四反应室的体积比为1:1:1.5‑2:1，相邻两个反应室之间通过一组隔板相隔，隔板底部具有向一侧延伸设置的斜面，各反应室顶部均设置有沼气出口，低溶解氧状态的反应室底部设置有曝气管，并配置在线溶解氧测定仪，确保溶解氧在0.5‑1mg/L，曝气管上设置有多个曝气孔，其上还设置有用于将空气输送至曝气管内的泵。
[0013] 所述的一种农田退水氮磷污染多级高效拦截与回用的构建方法，其特征在于短程硝化反应温度控制在10‑20℃，反硝化反应温度控制在15‑30℃，在各反应室底部及第一反应室和第四反应室的侧面均嵌接设置有电加热板，各反应室内均安装有温度传感器。
[0014] 所述的一种农田退水氮磷污染多级高效拦截与回用的构建方法，其特征在于所述第一吸附塔内的上部固定设置有打孔挡板，下部固定设置有中格栅，从打孔挡板往中格栅方向依次装填有鹅卵石层、中粒度石英砂层、细粒度石英砂层，中格栅的栅条净间距为10‑30mm；所述第二吸附塔的下部固定设置有细格栅，细格栅的栅条间距为5‑20mm，其上依次设置三层复合生物炭填料，复合生物炭填料从下往上体积比为3:2:1。
[0015] 所述的一种农田退水氮磷污染多级高效拦截与回用的构建方法，其特征在于生物炭填料为畜禽粪污经炭化处理得到，具体的制备方法为：
[0016] 1）原料干燥：将原料畜禽粪污脱水至含水率70‑80%后，采用1‑2mol/L的HCl、H3PO4或HNO3浸渍，搅拌2‑4h，烘箱85‑110℃干燥12‑24h后，粉碎至粒径<0.1mm，制得干粪粉；
[0017] 2）炭化：将干粪粉在密闭容器中进行液氮预处理，干粪粉与液氮的重量比为2：1‑1.5，并搅拌30‑60min，随后加入无水乙醇快速挥发，乙醇分2‑3次添加，共计3‑5min添加完毕，每次添加量与干粪粉的重量比为2：0.8‑1.5，随后用超纯水洗涤过滤，烘箱85‑110℃干燥12‑24h，掺氮含量为8‑20%；将烘干后的产物在氮气氛围下于管式炉中以10‑20℃/min的升温速率裂解，并在最高温度为500‑800℃保持2‑5h炭化，制得氮掺杂专用生物炭填料，作为第二级拦截设施中微生物的载体。
[0018] 所述的一种农田退水氮磷污染多级高效拦截与回用的构建方法，其特征在于复合生物炭填料的具体制备为， 将氮掺杂生物炭填料与粉煤灰分散于水溶液中，生物炭填料与粉煤灰的重量比为3：1.5‑2，固液体积比为1：3‑5；通入氮气40‑80min，氮气速率为400‑700mL/min，随后于微波加热炉中加热搅拌3‑6h，微波加热功率为250‑400W，搅拌转速为
350‑650r/min；再将产物用无水乙醇和超纯水交替洗涤，直至溶液pH呈中性，随后在85‑100℃下真空干燥，得到高效氮磷吸附复合生物炭填料。
[0019] 所述的一种农田退水氮磷污染多级高效拦截与回用的构建方法，其特征在于三级高效拦截与回用设施与汇水农田面积比例为1:200‑300。
[0020] 本发明复合生物炭填料吸附饱和后，进行收集，加入生态池里面的收割植物与死亡动物，晾干或烘干得到缓释型炭基有机肥。在施用缓释型炭基有机肥时，测定肥料的营养成分，依据当地土壤的理化性质确定最佳施用量，在作物行间开沟，将此肥料施入其中覆土。该技术操作简单、高效稳定、经济廉价，具有以废治废的资源化利用优势，特别适合于农田退水处理工程化应用或现有工程改良。
[0021] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0022] 1）本发明实行农田退水氮磷污染高效三级拦截，消减农田退水氮磷污染效果显著，性能高效稳定，经济环保，回收能源高，易于应用，适合于农田退水处理工程化应用或现有工程改良；
[0023] 2）本发明涉及废弃物畜禽粪便和粉煤灰，属于“以废治废”和可持续发展的制备技术，有效解决了畜禽粪便和粉煤灰的高附加值利用问题，具有良好的经济和环境效益。同时吸附饱和的粉煤灰负载生物炭又可作为炭基氮肥还田，实现全链式农田氮磷流失防控与资源化回用，能有效缓解农业面源污染的环境压力。
附图说明
[0024] 图1为本发明农田退水氮磷污染多级高效拦截技术装置示意图；
[0025] 图2为生态池中水生植物耦合底栖动物生态净化设施处理效能图；
[0026] 图3为第二级拦截设施多级强化微生物脱氮除磷效能图；
[0027] 图4为第三级拦截设施处理效能图；
[0028] 图中，1‑第一级拦截设施，101‑斜板沉淀池，102‑生态池，103‑沉水植物，104‑挺水植物，105‑底栖动物，106‑污泥斗，107‑排泥管，108‑带孔斜板，2‑第二级拦截设施，201‑第一反应室，202‑第二反应室，203‑第三反应室，204‑第四反应室，205‑生物炭填料，206‑回流装置，207‑隔板，208‑斜面。209‑沼气出口，210‑曝气管，211‑在线溶解氧测定仪，212‑电加热板，213‑温度传感器，3‑第三极拦截设施，301‑第一吸附塔，302‑第二吸附塔，303‑真空泵，304‑最终出水口，305‑打孔挡板，306‑中格栅，307‑鹅卵石层，308‑中粒度石英砂层，309‑细粒度石英砂层，310‑细格栅，311‑复合生物炭填料。
具体实施方式
[0029] 以下结合说明书附图对本发明做进一步详细描述，并给出具体实施方式。
[0030] 本发明一种农田退水氮磷污染多级高效拦截与回用的构建方法，其所使用的装置如图1所示，三级高效拦截与回用设施的构建，包括依次连通的第一级拦截设施、第二级拦截设施及第三级拦截设施；三级高效拦截与回用设施与汇水农田面积比例为1:200‑300。
[0031] 第一级拦截设施：由斜板沉淀池和生态池组成，斜板沉淀池设置在农田退水沟渠的主渠上，斜板沉淀池底部设置有污泥斗及与污泥斗连通的排泥管，斜板沉淀池的中上部设置有多层带孔斜板；生态池内种植沉水植物和挺水植物及其底部投加底栖动物；挺水植物为美人蕉、野茭白、再力花、芦苇、莲中的一种或几种；沉水植物为苦草或菹草；底栖动物为河蚬或螺蛳，构建河蚬+苦草、河蚬+菹草、螺蛳+苦草或螺蛳+菹草不同组合的底栖生物调2
控系统，底栖生物调控系统沉水植物覆盖率为10%‑50%，底栖动物投加量为0.5‑4kg/m ，斜板沉淀池和生态池的体积比为1：3‑4。
[0032] 第二级拦截设施：包括依次连通的第一反应室、第二反应室、第三反应室和第四反应室，各反应式内均装填有生物炭填料，第一反应室为低溶解氧模式，加入硝化菌后进行短程硝化反应；第二反应室为兼氧状态，加入硝化菌和反硝化菌，进行同步消化与反硝化反应；第三反应室为厌氧状态，加入反硝化菌进行短程反硝化；第四反应室为低溶解氧状态，加入硝化菌进行短程硝化反应；第四反应室和第三反应室之间设置有回流装置；第一级拦3
截设施和第二级拦截设施之间的连通管道上设置有进水阀门，控制进水流速为3‑10m/h，第一反应室、第二反应室、第三反应室和第四反应室的体积比为1:1:1.5‑2:1，相邻两个反应室之间通过一组隔板相隔，隔板底部具有向一侧延伸设置的斜面，各反应室顶部均设置有沼气出口，低溶解氧状态的反应室底部设置有曝气管，并配置在线溶解氧测定仪，确保溶解氧在0.5‑1mg/L，曝气管上设置有多个曝气孔，其上还设置有用于将空气输送至曝气管内的泵。短程硝化反应温度控制在10‑20℃，反硝化反应温度控制在15‑30℃，在各反应室底部及第一反应室和第四反应室的侧面均嵌接设置有电加热板，各反应室内均安装有温度传感器。
[0033] 第三级拦截设施：包括并联设置的第一吸附塔和第二吸附塔，第一吸附塔的上端与第二级拦截设施的出水口连通，第一吸附塔的下端与第二吸附塔的下端通过管道连接，管道上设置有真空泵，第二吸附塔的顶部设置最终出水口。具体为，第一吸附塔内的上部固定设置有打孔挡板，下部固定设置有中格栅，从打孔挡板往中格栅方向依次装填有鹅卵石层、中粒度石英砂层、细粒度石英砂层，中格栅的栅条净间距为10‑30mm；所述第二吸附塔的下部固定设置有细格栅，细格栅的栅条间距为5‑20mm，其上依次设置三层复合生物炭填料，复合生物炭填料从下往上体积比为3:2:1；复合生物炭填料的最上层到最终出水口的距离≤30mm。
[0034] 本发明生物炭填料为畜禽粪污经炭化处理得到，具体的制备方法为：1）原料干燥：将原料畜禽粪污脱水至含水率70‑80%后，采用1‑2mol/L的HCl、H3PO4或HNO3浸渍，搅拌2‑4h，烘箱85‑110℃干燥12‑24h后，粉碎至粒径<0.1mm，制得干粪粉；2）炭化：将干粪粉在密闭容器中进行液氮预处理，干粪粉与液氮的重量比为2：1‑1.5，并搅拌30‑60min，随后加入无水乙醇快速挥发，乙醇分2‑3次添加，共计3‑5min添加完毕，每次添加量与干粪粉的重量比为
2：0.8‑1.5，随后用超纯水洗涤过滤，烘箱85‑110℃干燥12‑24h，掺氮含量为8‑20%；将烘干后的产物在氮气氛围下于管式炉中以10‑20℃/min的升温速率裂解，并在最高温度为500‑
800℃保持2‑5h炭化，制得氮掺杂专用生物炭填料，作为第二级拦截设施中微生物的载体。
[0035] 复合生物炭填料的具体制备为， 将氮掺杂生物炭填料与粉煤灰分散于水溶液中，生物炭填料与粉煤灰的重量比为3：1.5‑2，固液体积比为1：3‑5；通入氮气40‑80min，氮气速率为400‑700mL/min，随后于微波加热炉中加热搅拌3‑6h，微波加热功率为250‑400W，搅拌转速为350‑650r/min；再将产物用无水乙醇和超纯水交替洗涤，直至溶液pH呈中性，随后在85‑100℃下真空干燥，得到高效氮磷吸附复合生物炭填料。
实施例
[0036] 本构建方法具体用于农田汇水面积400亩的农业园区，种植作物为单季稻，农田退2
水集中于高效拦截与回用设施的进水口，拦截设施总面积约为2100m。待系统稳定运行15天后，连续监测30天水质指标，测定相关数据并取平均值，农田退水COD、氨氮、总氮以及总磷浓度平均为60.5mg/L、11.2mg/L、17.5mg/L和2.1mg/L。
[0037] 第一级为水生植物耦合底栖动物生态净化设施，包括斜板沉淀池和生态池，斜板沉淀池和生态池的体积比为1：3。将斜板沉淀池设置在农田退水沟渠的的主渠上，主田埂宽3
度为1‑2m，高度为3‑5m；长度为600‑800m，农田水进水流速为3‑5m /h。生态池中选择美人蕉
2
为挺水植物，构建螺蛳+苦草组合的底栖生物调控系统，其中底栖动物投加量为2kg/m。
[0038] 如图2所示，农田退水经过第一级生态池净化设施后，处理出水COD、氨氮、总氮以及总磷得到有效的降解，去除率分别为51.5%、43.4%、49.6%和42%，表明水生植物与底栖动物联合有效去除了农田退水的氮磷污染物，高于一般生态池对于氮磷30%左右的去除率，但是处理后出水仍对收纳水体具有潜在的污染危险，还需要进一步处理。
[0039] 第二级为多级强化微生物脱氮除磷设施，即多级折流生物脱氮装置。该装置的进3
水流速为6m/h，4个反应室的体积比为1：1：2：1。第一反应室内为低溶解氧模式，曝气管保证水中溶解氧为0.8mg/L，加入亚硝酸盐单胞菌，控制反应温度为20℃。第二反应室内为兼氧状态，同时加入亚硝酸盐单胞菌和硝酸盐杆球菌，控制反应温度为16℃。第三反应室内为厌氧状态，加入硝酸盐杆球菌，控制反应温度为30℃。第四反应室为低溶解氧模式，加入亚硝酸盐单胞菌，控制反应温度为20℃。第四反应室部分出水回流至第三反应室，每个反应室中加入氮掺杂猪粪炭作为微生物载体，该生物炭填料底部距反应室底部为30cm，填料顶部距水面为25cm。
[0040] 生物炭填料由以下方法制备：
[0041] （1）原料干燥：将原料畜禽粪污脱水至含水率85%后，采用1mol/L的HCl浸渍，搅拌3h，烘箱100℃干燥15小时后，粉碎至粒径<0.1mm，制得猪粪干粉；
[0042] （2）炭化：将猪粪干粉在密闭容器中进行液氮预处理，猪粪干粉与液氮的重量比为2：1.5，并搅拌40min，随后加入无水乙醇快速挥发，乙醇分2次添加，共计4分钟添加完毕，每次添加量与猪粪干粉的重量比为2：1，随后用超纯水洗涤过滤，烘箱100℃干燥15小时，掺氮含量为15%。将烘干后的产物在氮气氛围下于管式炉中以每分钟15℃的升温速率裂解，并在最高温度为600℃保持2.5小时裂解，制得氮掺杂裂解专用猪粪炭；
[0043] 图3表明经过第二级脱氮除磷后的农田出水与第一级出水相比，COD、氨氮、总氮和总磷得到进一步有效去除，去除率分别为31.5%、72.4%、68.5%和71%，表明多级强化微生物脱氮除磷高效的对农田退水氮磷进行了生物降解，成本低且性能稳定高效。
[0044] 第三级为复合专用生物炭基新型氮磷拦截设施，即并联式分层吸附塔。第二级装置出水首先从顶部进入第一吸附塔，依次经过以下填料：打孔挡板、鹅卵石层、中粒度石英砂层、细粒度石英砂层、中格栅。其中，中格栅的栅条净间距为20mm。再从底部进入第二吸附塔，底部进水处采用栅条净间距为10mm的格栅，再依次经过三层复合生物炭填料。三层复合生物炭填料所占体积比为从下往上为3：2：1，该复合生物炭填料为猪粪炭负载粉煤灰制得复合专用生物炭。随后从顶部出水，进入蓄水池。
[0045] 复合生物炭填料制备：将氮掺杂裂解猪粪炭与粉煤灰分散于水溶液中，氮掺杂猪粪炭与粉煤灰的重量比为3：2，固液体积比为1：4。通入氮气60min，氮气速率为550mL/min，随后于微波加热炉中加热搅拌4h，微波加热功率为350W，搅拌转速为600r/min。再将产物用无水乙醇和超纯水交替洗涤，直至溶液pH呈中性，随后在100℃下真空干燥，得到复合生物炭填料。
[0046] 测定最终出水的COD、氨氮、总氮以及总磷浓度见图4，去除率分别为11.5%、40.8%、65.2%和48.5%，表明研发的复合专用生物炭有效去除了农田退水的氮磷污染物。最终综合处理后出水COD、氨氮、总氮以及总磷浓度分别为17.8mg/L、0.99mg/L、0.98mg/L、0.18mg/L，低于地表水环境质量标准基本项目标准限值(GB3838‑2002)Ⅲ类，基本可以饮用。
[0047] 定期将第三级拦截设施中吸附饱和的复合生物炭填料与生态池内的过量水生物质与动物掺杂，作为缓释型炭基肥，在农田行间开沟，埋入其中并覆土，其与土壤掺杂比例均为5 %。表1数据表明添加炭基肥有效的改良了土壤，施用的氮磷肥不易流失，适宜于土壤改良的实际应用。同时，添加炭基肥也显著提升了土壤的肥料，农田流失的氮磷被资源化回用，显著提高了辣椒和番茄的产量。
[0048] 表1炭基肥对土壤改良与增产的效能
[0049]
[0050] 该发明将农田退水氮磷污染进行多级高效拦截，在实施例中取得显著效果，对减轻农业面源污染的环境压力具有重要作用。同时，该发明将氮磷拦截与回用技术相结合，一方面具有经济实用的优点，另一方面该全链式的循环利用系统也具有“以废治废”、“变废为宝”的可持续技术优势，具有良好的工业化推广和应用前景。
