一种无动力潜流生态截污沟渠系统及其施工方法

本发明涉及农业废水生态处理技术领域，尤其涉及一种无动力潜流生态截污沟渠系统及其施工方法。

背景技术：

农业面源污染主要是指在农业种养生产过程中，畜禽养殖产生的污染，农地中的土粒，氮，磷，农药及其它有害物质，在降水或者灌溉过程中，通过地表径流进入受纳水体所造成的污染，包括畜禽粪便流失，种养化肥和农药污染，秸秆污染，还包括未经收集处理的生活垃圾，未能收纳和管理的生活污水和农地水土流失等造成的水土污染。

生态沟渠在实际应用中还存在一些亟待解决的问题：

1)普通的生态沟渠对污染物的去除效率不高；

2)生物多样性比较单一，稳定性不足；

因此，为了减少农业面源所带来的污染以及当前生态环境美观的要求，通过优化生态沟渠的布局，希望能设计一种美观适合游赏，生态且环保节能的减少农业面源污染的无动力潜流生态截污沟渠系统，实现对农业面源污染的有效拦截，净化农业废水的氮磷钾去除，降低氮磷流失对水环境造成的污染。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种无动力潜流生态截污沟渠系统及其施工方法，以克服上述现有技术中的不足。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种无动力潜流生态截污沟渠系统，包括沟渠主体以及依次铺设于沟渠主体内的填充底料支撑层、双介质生物基质层和生态种植层，生态种植层采取沉水植物和挺水植物混合栽种的方式。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，沟渠主体为曲线型。

更进一步，沟渠主体为波浪形。

进一步，沟渠主体由依坡地呈自然落差的梯田分布设置。

进一步，沟渠主体为上大下小的倒梯形体结构。

进一步，填充底料支撑层、双介质生物基质层和生态种植层的厚度比在1-2:2-4:1-2范围内。

进一步，填充底料支撑层采用混凝土与浆砌卵石结合的方式衬砌，浆砌卵石砌缝宽度小于40mm，浆砌卵石以长度垂直于坡面或水流方向的方式铺砌。

进一步，双介质生物基质层包括天然沸石、多孔生态砖、微生物混合粉状菌剂、固化剂和硅酸盐。

进一步，微生物混合粉状菌剂包括脱磷除氮菌副球菌、絮凝菌土壤杆菌和cod降解菌芽孢杆菌，其中，cod降解菌芽孢杆菌：絮凝菌土壤杆菌：脱磷除氮菌副球菌的重量份数比在1-3:0.3-1:1-3范围内。

进一步，沟渠主体的底部和边坡上铺设防渗层。

进一步，防渗层为hdpe土工膜。

一种无动力潜流生态截污沟渠的施工方法，包括如下步骤：

s100、施工倒梯形结构的沟渠主体；

s200、沟渠主体底部与边坡上铺设防渗层；

s300、铺盖混凝土和浆砌卵石，以完成填充底料支撑层铺设；

s400、将天然沸石、多孔生态砖、固化剂、磷酸盐和微生物混合粉状菌剂按照比例混合配置，铺设于填充底料支撑层上，以完成双介质生物基质层铺设；

s500、在双介质生物基质层上铺设生态种植层；

s600、生态种植层上种植挺水植物和沉水植物。

本发明的有益效果是：

将各具特点的生态单元按照一定的比例和方式组合成具有污水净化和资源化双重功能的无动力潜流生态截污沟渠系统，不同的生态单元通过沟渠拦截径流和泥沙，植物滞留和吸收水中营养盐，微生物代谢等过程，实现生态拦截氮、磷的功能，从而实现农田废水中污染物的净化；

曲线型的生态沟渠系统能够组成生态拦截型沟渠，降低水流速度，水力停留时间增加，促进了流动中的悬浮物质及颗粒物沉积，有利于污染物的降解；

植物层主要通过物理，化学及生物作用对去除8％-16％的氮；通过根部吸收溶解态的无机磷，根部底泥与水体之间产生磷浓度梯度差，增加磷从水体向底泥迁移；微生物可以将有机氮在碱性条件下通过胺化作用和矿化作用转为氨氮；微生物可以将有机磷通过微生物作用转化为无机磷后，被植物吸收利用；另外，微生物可以通过硝化和反硝化作用，降低水体中氮磷的浓度和比例；

据文献调研表明：由于微生物的作用可有效去除80％以上的氮素，适当选取一些根系较为发达的植物，可以为附近的微生物提供更多的附着空间，加速水体中大分子有机物的降解；可以通过筛选高效土著植物、优化填料配置、建立适宜的生物栖息环境，形成“污染物-微生物-浮游生物-沉水/挺水植物”的良性微生态演替结构，从而强化对农村种植业氮磷等面源污染物的控制，其中微生物可以缓慢进入水体，整个截留过程中污染物经过基质吸附、过滤、沉淀等物理过程及微生物的转化、氧化分解等生化过程，最终截留水体中农业面源污染的物质；

对示范工程实施地的植物种植情况进行前期实地调研之后，发现示范地的农田水质如下：tn的浓度范围在1-13mg/l,tp的浓度范围在0.03-26mg/l，氨氮的浓度范围变化在3.20-6.50mg/l,cod的浓度范围变化在17.5-36mg/l；

采用单一的物种去除富营养化存在抗逆性和抗虫性差等问题，系统波动较大，水质净化效果不稳定，而采用沉水植物和挺水植物混合栽种的方式比单一物种净化富营养化水体效果更佳，不仅增加了对农业废水中氮磷的去除率，也能美化当地的生态环境；挺水植物具有发达的根系，可以为微生物提供附着基质和栖息场所，发达的根系有利于微生物的生长，从而可以加速根系周围有机胶体的分解；沉水植物是水系中稳态和水质改善的关键，并且对氮磷营养盐有较好的去除能力，并且拥有较强的克藻作用，因此，本生态沟渠采用沉水植物和挺水植物混合栽种的方式；

另外，不仅可以利用废弃的生态沟渠系统进行改造，把原本的生态排水沟渠构建成具有自身独特结构并发挥生态功能的沟渠系统，同时也可以按设计要求重新施工建设；投资成本低，工程实施简单，处理过的农业废水可以循环使用，适用于农业面源污染的防控，具有减少环境污染和节约水资源的双重价值。

附图说明

图1为本发明所述无动力潜流生态截污沟渠系统的截面图；

图2为本发明所述无动力潜流生态截污沟渠系统的平面图，无动力曲线生态沟渠系统可以增加农田废水在生态沟渠中的水力停留时间，从而增加污染物的去除效率。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、沟渠主体，2、填充底料支撑层，3、双介质生物基质层，4、生态种植层，5、防渗层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

如图1、图2所示，一种无动力潜流生态截污沟渠系统，包括沟渠主体1、填充底料支撑层2、双介质生物基质层3和生态种植层4，其中，填充底料支撑层2、双介质生物基质层3和生态种植层4于沟渠主体1的底部从下至上依次铺设，生态种植层4采取沉水植物和挺水植物混合栽种的方式，采用多种水生植物混合栽种的方式能够高效去除生态沟渠中过量的氮磷钾，达到净化水质的效果，此外，多种水生植物能构成一个生态系统，不仅能美化环境还能供行人驻足观赏。

实施例2

如图1、图2所示，本实施例为在实施例1的基础上所进行的进一步优化，其具体方案如下：

沟渠主体1为曲线型，优选为波浪形。

实施例3

如图1、图2所示，本实施例为在实施例1或2的基础上所进行的进一步优化，其具体方案如下：

沟渠主体1由依坡地呈自然落差的梯田分布设置，即沟渠系统分布于坡地梯田内，呈曲线型，由于具有自然落差的坡度，因此不需要额外的水泵进行输送，解决了动力输送的问题。

实施例4

如图1、图2所示，本实施例为在实施例1或2或3的基础上所进行的进一步优化，其具体方案如下：

沟渠主体1为上大下小的倒梯形体结构，两侧沟渠壁上采用表面多孔设计，边坡以衬砌方式为主。实施例5

如图1、图2所示，本实施例为在实施例1～4任一实施例的基础上所进行的进一步优化，其具体方案如下：

填充底料支撑层2、双介质生物基质层3和生态种植层4的厚度比在1-2:2-4:1-2范围内，优选为1:2:1。

实施例6

如图1、图2所示，本实施例为在实施例1～5任一实施例的基础上所进行的进一步优化，其具体方案如下：

填充底料支撑层2采用混凝土与浆砌卵石结合的方式衬砌，浆砌卵石砌缝宽度小于40mm；将渠道边坡和沟渠底部夯实，铺设砂砾垫层应均匀分布，密实度大于90％，铺设时，浆砌卵石以长度垂直于坡面或水流方向的方式铺砌；拌合用水泥，砂，细石按有关要求合格检验，细石直径为0.5-1cm之间。

实施例7

如图1、图2所示，本实施例为在实施例1～6任一实施例的基础上所进行的进一步优化，其具体方案如下：

双介质生物基质层3包括天然沸石、多孔生态砖、微生物混合粉状菌剂、固化剂和硅酸盐；

通常情况下，双介质生物基质层3由下述重量数组成：

天然沸石：4份、多孔生态砖：4份、微生物混合粉状菌剂：3份、固化剂：1份、硅酸盐：1.5份；天然沸石是一种绿色廉价的天然非金属矿物材料，具有矿物储备量大，比表面积大的优势，对氨氮的去除具有较高的选择性。多孔生态砖具有生态环保，较低成本的特点，不仅可以固定植物，还可以增强整个砖体与泥土的稳定性。其中固化剂，硅酸盐的使用可以让原有的颗粒分散速度加快，改善水化物生成过程的协调性。

以上材料按照比例进行混合配制。

多孔生态砖的表面微结构有利于微生物的生长附着且具有较高的除磷性能，可以高效去除农业废水中的磷污染，

微生物能将农业废水中大分子有机物转化为小分子物质，同时产生二氧化碳(co2)，无机盐和生长因子，为其提供一个良好的生态环境，促进微生物的生长，增加对农业废水中氮磷钾的截污去除能力；

然沸石对氨氮有极强的吸附性，可以快速拦截废水中的氨氮。

实施例8

如图1、图2所示，本实施例为在实施例7的基础上所进行的进一步优化，其具体方案如下：

微生物混合粉状菌剂包括脱磷除氮菌副球菌、絮凝菌土壤杆菌和cod降解菌芽孢杆菌；

其中，cod降解菌芽孢杆菌：絮凝菌土壤杆菌：脱磷除氮菌副球菌的重量份数比在1-3:0.3-1:1-3范围内。根据前期实地调研水质采样分析可知，农田废水中氮磷含量较高，因此cod降解菌芽孢杆菌和脱磷除氮菌副球菌的重量份数占得比重较大。

实施例9

如图1、图2所示，本实施例为在实施例1～8任一实施例的基础上所进行的进一步优化，其具体方案如下：

沟渠主体1的底部和边坡上铺设防渗层5，避免造成地下水污染，整个沟渠主体1均做防水处理，避免沟渠主体1漏水问题；通常情况下，防渗层5优选为hdpe土工膜。

实施例10

一种无动力潜流生态截污沟渠的施工方法，包括如下步骤：

s100、施工倒梯形结构的沟渠主体1，其中，在施工倒梯形结构的沟渠主体1过程中，将沟渠低洼处进行回填夯实平整，将沟渠底部和边坡上的杂石碎物清理干净，保证坡面平顺；

s200、沟渠主体1底部与边坡上铺设防渗层，防渗层为hdpe土工膜，避免造成地下水污染；

s300、铺盖混凝土和浆砌卵石，浆砌卵石平整度采用浆砌片石的标准(30mm),浆砌卵石表面平整，密实，浆砌卵石勾缝应采用m10级水泥砂浆勾缝；砂浆坍落度取4cm～5cm,砂浆强度应符合设计规定，砂浆所用水泥，砂水均经过试验部门试验合格，监理认可方可使用，铺设厚度为10cm～20cm，以完成填充底料支撑层2铺设；

s400、将天然沸石、多孔生态砖、固化剂、磷酸盐和微生物混合粉状菌剂按照比例混合配置，铺设于填充底料支撑层2上，铺设厚度为20cm～40cm，以完成双介质生物基质层3铺设；

s500、在双介质生物基质层3上铺设生态种植层4，铺设厚度为10cm～20cm；

s600、生态种植层4上种植挺水植物和沉水植物，以及在沟渠主体1边坡上种植狗牙根草，在沟渠主体1的岸边种植进行绿化植被的设计。

挺水植物可以为菖蒲、美人蕉等，沉水植物可以为藻类、苦草等。

根据相关调研表明，生态沟渠对tn的去除率可达50％以上，对tp的去除率可达60％以上，对化学需氧量(cod)的去除率可达65％以上，显著的拦截了农田中的氮磷等营养物质，降低了水体的污染程度和富营养化程度。通过筛选高效土著植物、优化填料配置、建立适宜的生物栖息环境，形成“污染物-微生物-浮游生物-沉水/挺水植物”的良性微生态演替结构，从而强化对水稻种植业氮磷等面源污染物的控制，其中微生物可以缓慢进入水体，整个截留过程中污染物经过基质吸附、过滤、沉淀等物理过程及微生物的转化、氧化分解等生化过程，最终截留水体中农业面源污染的物质。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。