本發(fā)明涉及一種水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)，尤其是一種地表徑流污染物治理系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前針對農(nóng)田面源污染的技術(shù)除了種植制度優(yōu)化、科學(xué)施肥、農(nóng)藥減量和殘留控制等源頭控制技術(shù)外，對污染物已經(jīng)產(chǎn)生后的控制技術(shù)有生態(tài)田埂、生態(tài)攔截帶、生態(tài)攔截溝、前置庫技術(shù)、人工濕地技術(shù)。

生態(tài)田埂是將現(xiàn)有田埂加高10～15cm，可有效防止30～50mm降雨時產(chǎn)生地表徑流，或在稻田施肥初期減少灌水以降低表層水深度，從而可減少大部分的農(nóng)田地表徑流。在田埂的兩側(cè)可栽種植物，形成隔離帶，在發(fā)生地表徑流時可有效阻截氮、磷養(yǎng)分損失和控制殘留農(nóng)藥向受納水體遷移，但對大面積的農(nóng)田，改造工程量大，污染物去除率低，措施有效性較低。

生態(tài)攔截帶是在旱地的周邊建一生態(tài)隔離帶，由地表徑流攜帶的泥沙、氮、磷養(yǎng)分、農(nóng)藥等通過生態(tài)隔離帶被阻截，將大部分泥沙，部分可溶性氮、磷養(yǎng)分、農(nóng)藥等留在生態(tài)攔截帶內(nèi)，攔截帶種植的植物可吸收徑流中的氮、磷養(yǎng)分，從而減少地表徑流攜帶的氮、磷等向受納水體遷移。生態(tài)攔截帶需根據(jù)地型、坡度、土壤類型設(shè)置不同的寬度，寬度范圍從10～150m不等，占地面積大，對土地資源稀缺的地方尤其不利。

生態(tài)攔截溝是指具有一定寬度和深度，由水、土壤和生物組成，具有自身獨特結(jié)構(gòu)并發(fā)揮相應(yīng)生態(tài)功能的農(nóng)田泥質(zhì)溝渠生態(tài)系統(tǒng)，也稱之為農(nóng)田溝渠濕地生態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)溝渠能夠通過截留泥沙、土壤吸附、植物吸收、生物降解等一系列作用，減少水土流失，降低進入地表水中氮、磷的含量。收割植物解決二次污染問題，溝渠中水生植物對污水中的氮、磷有很好的吸收能力，水生植物能被農(nóng)民收割，解決了二次污染問題。建造靈活、無動力消耗、運行成本低廉。但溝渠中植物需定期收割和補種，溝渠一般尺寸較大，占地面積大，大量的植物對泥沙截留作用易引起溝渠淤堵。

前置庫技術(shù)是通過調(diào)節(jié)來水在前置庫區(qū)的滯留時間，使徑流污水中的泥沙和吸附在泥沙上的污染物質(zhì)在前置庫沉降；利用前置庫內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)，吸收去除受納水體和底泥中的污染物。前置庫技術(shù)因其費用較低、適合多種條件等特點，是目前防治面源污染的有效措施之一，但處理系統(tǒng)龐大，易受地形限制。

人工濕地技術(shù)是由人工建造和控制運行的與沼澤地類似的地面，將污水、污泥有控制的投配到經(jīng)人工建造的濕地上，污水與污泥在沿一定方向流動的過程中，主要利用土壤、人工介質(zhì)、植物、微生物的物理、化學(xué)、生物三重協(xié)同作用，對污水、污泥進行處理的一種技術(shù)。人工濕地是一個綜合的生態(tài)系統(tǒng)，它應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)中物種共生、物質(zhì)循環(huán)再生原理，結(jié)構(gòu)與功能協(xié)調(diào)原則，在促進廢水中污染物質(zhì)良性循環(huán)的前提下，充分發(fā)揮資源的生產(chǎn)潛力，防止環(huán)境的再污染，獲得污水處理與資源化的最佳效益。但由于農(nóng)田地表徑流中含有大量的泥沙、雜物，這些物質(zhì)進入人工濕地后，會很快造成堵塞，進而影響人工濕地的處理效果；同時由于降雨的時空不均勻性，會導(dǎo)致人工濕地超負荷運轉(zhuǎn)，或污水停留時間過短，造成污染物去除率低的缺點。

公開號為CN101045585A的專利文件公開了一種河流面源污染物的旁置生物凈化方法，該方法所用的污染物治理系統(tǒng)依次包括以下部分：1、攔水閘與引水渠系統(tǒng)；2、平流式沉沙池系統(tǒng)；3、配水系統(tǒng)（配水渠與水下溝）；4、植物強凈化系統(tǒng)（濕生帶、挺水帶、浮葉帶、沉水植物帶）；5、深水凈化系統(tǒng)；6、放水閘系統(tǒng)。該方法采用了一套綜合處理系統(tǒng)對河流面源污染物進行凈化，一定程度上克服了采用單一方法存在的缺陷。

但如果將這套系統(tǒng)用于治理小流域農(nóng)田地表徑流污染物，其仍然存在許多缺陷，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1、該系統(tǒng)中使用的平流式沉沙池的設(shè)置需要很大的占地面積，因此用于治理農(nóng)田地表徑流污染物時需要大量征用農(nóng)田，這在現(xiàn)實情況中是難以實施的，若縮小沉沙池面積，則沉沙效果將達不到處理要求。2、由于農(nóng)田地表徑流中含有大量的氮、磷成分（農(nóng)作物施肥所致），因此農(nóng)田地表徑流污染物的治理主要還包括了氮、磷成分的去除，在該套治理系統(tǒng)中，氮、磷的去除主要是靠植物強凈化系統(tǒng)來完成（平流式沉沙池的氮、磷去除效果非常有限，僅能去除泥沙中夾帶的氮、磷），因此需要較龐大的植物強凈化系統(tǒng)，這同樣在實際情況中難以實施。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)中農(nóng)田地表徑流污染物治理系統(tǒng)占地面積大、處理效果差的問題，本發(fā)明提供了一種小流域農(nóng)田地表徑流污染物治理系統(tǒng)。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：小流域農(nóng)田地表徑流污染物治理系統(tǒng)，包括依次連接的引水系統(tǒng)，沉沙池，人工濕地和氧化塘；其特征在于：所述引水系統(tǒng)由具有緩流和截沙作用的截水溝組成；所述人工濕地包括終沉集水區(qū)和植物吸收區(qū)；所述植物吸收區(qū)種植有對氮、磷有吸收作用的植物；終沉集水區(qū)與植物吸收區(qū)之間設(shè)置有透水墻。

本發(fā)明的目的在于保持良好的農(nóng)田地表徑流污染物治理能力的前提下縮小治理系統(tǒng)的占地面積。因此本發(fā)明在現(xiàn)有治理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行了改進。

采用現(xiàn)有技術(shù)和方法若要充分去除農(nóng)田地表徑流中的有機物、氮、磷等污染物，達到類水標準，需要建設(shè)較龐大的處理系統(tǒng)和增加動力設(shè)施（如曝氣機）。為縮小處理系統(tǒng)占地面積，減少運行成本，發(fā)明人提出：若能夠?qū)⒌乇韽搅魉矔r流量大，收集時間短，來水間歇性處理的缺點轉(zhuǎn)化成流量小，來水持續(xù)穩(wěn)定的特點，則能保證地表徑流在植物凈化系統(tǒng)中有足夠停留時間，使植物能充分吸收地表徑流中的氮、磷成分，有機物被有效降解，則治理系統(tǒng)的占地面積可大大縮小。為滿足上述要求，本發(fā)明將人工濕地分為終沉集水區(qū)和植物吸收區(qū)，并在終沉集水區(qū)和植物吸收區(qū)之間設(shè)置了透水墻，通過透水墻的緩慢透水作用，達到調(diào)節(jié)水量的時空不均勻性，將短時間收集的地表徑流轉(zhuǎn)換成長時間才能透完的水量（如處理20min收集50m³地表徑流，轉(zhuǎn)換為處理0～50m³/d的地表徑流），流量大大降低，保證植物吸收區(qū)的來水水量穩(wěn)定、均勻和有足夠的停留時間，濕地面積大大減少，設(shè)施不超負荷運行，處理效果穩(wěn)定可靠。

需要說明的是，如果沉沙池來水的含沙量或懸浮物含量較高，將很容易導(dǎo)致透水墻孔隙堵塞，導(dǎo)致本方案無法實施。針對這一問題，本發(fā)明將沉沙步驟分成了三步，第一步是采用了具有緩流、截沙作用的截水溝，截水溝能對泥沙起到一定的截留作用；第二步即為沉沙池沉沙；第三步是人工濕地的終沉集水區(qū)，由于透水墻對來水的攔截作用，進入終沉集水區(qū)的沉沙池來水的流速會大大降低，使得水中殘留的懸浮物在終沉集水區(qū)中更容易沉淀。采用三步沉沙法能大大提高泥沙和懸浮物去除率，以使來水能順利通過透水墻而不造成透水墻孔隙堵塞。同時三步沉沙還能大大減小沉沙池的負荷，使得即便采用小型沉沙池也能達到很好的沉沙效果，縮小沉沙池面積，從而進一步縮小了整個農(nóng)田地表徑流污染物治理系統(tǒng)的占地面積。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述人工濕地通過進水渠與沉沙池連通，在進水渠上還連通有可開閉的溢流渠，通過打開溢流渠可將進水渠中的來水導(dǎo)入受納水體中。由于透水墻對水流的攔截作用，長時間的暴雨可能導(dǎo)致終沉集水區(qū)中水位上升使得水體溢出終沉集水區(qū)或溢過透水墻。然而根據(jù)農(nóng)田地表徑流的特點，徑流中的污染物含量集中在降雨初期的0～1h內(nèi)，降雨后期徑流中污染物含量很低。因此人工濕地可只處理降雨初期的地表徑流，而降雨后期的地表徑流經(jīng)過截水溝、沉沙池的處理后即可直接排入受納水體。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述截水溝的結(jié)構(gòu)為：包括溝渠框架，所述溝渠框架由帶有孔穴的硬質(zhì)水泥板建成。孔穴結(jié)構(gòu)能增大阻力，減緩水速，促進流水攜帶的顆粒物沉淀?？籽ㄐ螤羁蔀槎噙呅巍⑷切?、四邊形、圓形等。更佳的，孔穴中可引入苔蘚類低矮貼地植物，以增強截水溝的緩流、截沙能力，同時種植的植物還具有吸附氮、磷等污染物的能力，污染物的去除率可達5～20%，減小了后續(xù)沉沙池、人工濕地和氧化塘的處理負荷，從而起到縮小系統(tǒng)占地面積的作用。因截水溝內(nèi)環(huán)境較為平順，不易引起泥沙局部淤積成堆，影響排水功能，同時省略了后期植物收割和補種的工作，簡化了后期管理維護工作。截水溝的排水、蓄水功能的偏向可根據(jù)實際情況進行比降調(diào)整。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述沉沙池為圓池結(jié)構(gòu)，沉沙池的進水口沿圓池的切線方向設(shè)置。沉沙池對農(nóng)田地表徑流懸浮物進行二次沉淀，根據(jù)離心沉降原理，采用切線進入方式和圓池結(jié)構(gòu)增強沉沙池的沉沙效率，進一步縮小沉沙池占地面積。

作為本發(fā)明的進一步改進，終沉集水區(qū)占濕地總面積10～40%，植物吸收區(qū)占濕地總面積60～90%。植物吸收區(qū)的面積根據(jù)透水墻的透水量和設(shè)計停留時間進行確定，透水量越小，植物吸收區(qū)的面積越小。終沉集水區(qū)中還可種植浮水植物，以使終沉集水區(qū)具備一定吸收氮、磷等污染物的功能。植物吸收區(qū)水位一般在2m以下，若水位太高，種植植物的類型會受到一定限制。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述透水墻的墻體包覆有用于造型和加固墻體的剛性網(wǎng)籠。透水墻墻體可一體成型并在墻體上設(shè)置孔隙，也可以采用分散的顆粒狀材料筑成。當透水墻墻體采用分散的顆粒狀材料筑成時，可以用剛性網(wǎng)籠包覆墻體，以起到將分散的顆粒狀材料進行造型和加固透水墻的目的，同時網(wǎng)籠結(jié)構(gòu)不會對透水墻的透水性能造成影響，可使水流均勻透過透水墻，以調(diào)節(jié)來水的時空不均勻性，保證透水墻的透水性能，網(wǎng)籠的材質(zhì)可選用金屬材質(zhì)或其他剛性材質(zhì)。更佳的，透水墻的墻體材質(zhì)選自爐渣、沸石、活性炭、碎磚中的一種或任意幾種。這些材料均為對氮、磷有較強吸附能力，使透水墻同時具備對氮、磷的吸附的作用，減小植物吸收區(qū)負荷，從而進一步減小人工濕地占地面積。透水墻的材料配比和透水率可根據(jù)計算和現(xiàn)場進行實驗確定。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述植物吸收區(qū)設(shè)置有具有導(dǎo)流作用的折流板。設(shè)置折流板可避免植物吸收區(qū)的水流出現(xiàn)死角和串流。更佳的，折流板也采用爐渣、沸石、活性炭、碎磚等對氮、磷吸附性較強的材質(zhì)，并設(shè)置剛性網(wǎng)籠附于砌墻外側(cè)進行加固，可進一步加強對氮、磷的吸附，從而減小植物吸收區(qū)負荷，從而進一步減小人工濕地占地面積。濕地的植物宜根據(jù)當?shù)貧夂?、植物污染物吸收率、當?shù)厥┓是闆r等因素進行綜合考慮選擇，優(yōu)選種植對氮、磷等污染物有較強吸收作用的沉水、挺水植物。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述氧化塘采用筑壩形式圍成，筑壩高度為高于受納水體允許最高水位0.5m以上。更佳的，所述筑壩為雙層攔水壩，所述雙層攔水壩包括內(nèi)層壩和外層壩，內(nèi)層壩下部允許水流通過，內(nèi)層壩高度高于外層壩高度，外層壩高度為高于受納水體允許最高水位0.5m以上。

氧化塘可以采用橡膠壩或其他形式筑壩形式對小流域的部分區(qū)域進行攔截、隔斷圍成。更進一步的，可利用流域自然地勢，采用雙層攔水壩圍成，內(nèi)層壩為上部實壩，下部可通過設(shè)置有支撐作用的柱體懸空等方法以允許水流通過；外層壩為常規(guī)攔水壩。雙層攔水壩結(jié)構(gòu)可有效減緩來水在氧化塘中的流速，增加水體停留時間，使水體得到更充分的深層凈化。

氧化塘內(nèi)淺水區(qū)域可種植挺水植物，進一步吸收氮、磷等物質(zhì)；深水區(qū)可利用具有高效凈化作用的易沉藻類、具有固定化脫氮除磷微生物的漂浮床、曝氣增氧、微生物培養(yǎng)以及其他高效人工強化凈化技術(shù)進一步去除氮、磷和有機污染物等，庫區(qū)可結(jié)合污染物凈化要求，進行適度水產(chǎn)養(yǎng)殖，如鰱魚、鳙魚等。攔截形成的氧化塘可提升0.5m以上的水位高度，保證出水產(chǎn)生跌水充氧效果，使出水溶解氧濃度在5～8mg/L內(nèi)，促進水體的自凈能力。特點是利用流域自然形態(tài)進行改造，不額外增加占地面積，建設(shè)成本低；采用雙層攔水壩可有效減緩河流流速，保證氧化塘內(nèi)工程設(shè)施不被沖毀、沖走，運行、維護穩(wěn)定可靠；通過機械增氧和水生植物系統(tǒng)增強水系統(tǒng)污染物去除能力，筑壩提升水位，跌水充氧增加出水氧含量，促進水體自凈能力。污染物的去除率達5～30%，最終使出水達到地表III類水要求，尤其適合不泄洪的小流域治理（小流域通常是指二、三級支流以下以分水嶺和下游河道出口斷面為界集水面積在50km²以下的相對獨立和封閉的自然匯水區(qū)域。水利上通常指面積小于50 km²或河道基本上是在一個縣屬范圍內(nèi)的流域。小流域一般面積不超過50km²。小流域的基本組成單位是微流域，是為精確劃分自然流域邊界并形成流域拓撲關(guān)系而劃定的最小自然集水單元）。

本發(fā)明的有益效果是：1）減少小流域農(nóng)田地表徑流污染物治理系統(tǒng)的占地面積，大大降低該污染物治理系統(tǒng)的設(shè)置對地形的依賴；2）透水墻，具有緩流截沙作用的截水溝和具有懸浮物沉淀作用的終沉集水區(qū)相互配合作用成為一個有機整體，使本方案的實施成為可能；3）將徑流中泥沙沉降分為三步進行，有機物、氮、磷等污染物的降解和吸收分為多步進行（截水溝、終沉集水區(qū)、透水墻、植物吸收區(qū)、折流板、氧化塘均具有污染物去除功能），使得農(nóng)田地表徑流中有機物、氮、磷等污染物的去除更徹底，并降低治理系統(tǒng)單個部分的處理負荷，形成一個高效、精簡、平衡、穩(wěn)定的污染物治理系統(tǒng)；4）整個系統(tǒng)的各組成部分能根據(jù)實際情況靈活調(diào)整，環(huán)境適應(yīng)性強；5）治理系統(tǒng)不易淤堵，植物補種方便（僅人工濕地和氧化塘植物需要補種），維護成本低；6）出水能達到地表類水要求，對大部分的小流域，不增加受納水體自凈負荷，不增加環(huán)境容量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的設(shè)備流程圖。

圖2是截水溝斷面圖。

圖3是截水溝溝渠框架結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是沉沙池結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是人工濕地結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是氧化塘俯視圖。

圖7是氧化塘斷面圖。

圖中標記為：1-終沉集水區(qū)，2-植物吸收區(qū)，3-透水墻，4-進水渠，5-溢流渠，6-受納水體，7-溝渠框架，8-孔穴，9-折流板，10-出水渠，11-內(nèi)層壩，12-外層壩。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明。

如圖1～圖7所示，本發(fā)明的小流域農(nóng)田地表徑流污染物治理系統(tǒng)，包括依次連接的截水溝，沉沙池，人工濕地和氧化塘；截水溝的溝渠框架7由帶有孔穴8的硬質(zhì)水泥板建成，孔穴8的形狀為菱形，孔穴8內(nèi)種植有苔蘚植物；沉沙池為圓池結(jié)構(gòu)，沉沙池的進水口沿圓池的切線方向設(shè)置；人工濕地通過進水渠4與沉沙池連通，在進水渠4上還連通有可開閉的溢流渠5，通過打開溢流渠5可將進水渠4中的來水導(dǎo)入受納水體6中；人工濕地包括終沉集水區(qū)1和植物吸收區(qū)2；終沉集水區(qū)1占濕地總面積20%，植物吸收區(qū)2占濕地總面積80%；終沉集水區(qū)1種植有浮水植物，植物吸收區(qū)2種植有挺水植物；終沉集水區(qū)1與植物吸收區(qū)2之間設(shè)置有透水墻3，透水墻3墻體主要材質(zhì)為顆粒狀活性炭，在墻體外側(cè)包覆有金屬網(wǎng)籠；植物吸收區(qū)2設(shè)置有具有導(dǎo)流作用的折流板9，折流板9主要材質(zhì)為顆粒狀活性炭，在板體外側(cè)包覆有金屬網(wǎng)籠；氧化塘由兩組雙層壩攔截而成，內(nèi)層壩11高度高于外層壩12高度0.5m，外層壩12高度為高于受納水體6允許最高水位0.5m；氧化塘內(nèi)淺水區(qū)域種植挺水植物；深水區(qū)利用具有高效凈化作用的易沉藻類、具有固定化脫氮除磷微生物的漂浮床、曝氣增氧、微生物培養(yǎng)技術(shù)進一步去除氮、磷和有機污染物等，庫區(qū)進行適度水產(chǎn)養(yǎng)殖。

降雨初期，農(nóng)田地表徑流進入截水溝進行初步沉沙和預(yù)處理后進入沉沙池進行沉沙；沉沙池出水進入人工濕地的終沉集水區(qū)1，在終沉集水區(qū)1中，由于透水墻的攔截作用，水流速度放緩，水中殘余的泥沙等懸浮物得到有效沉淀，形成的含固量很低的來水被透水墻3攔截，來水以50m³/d的速率緩慢、均勻地透過透水墻3，同時水中的氮、磷被活性炭材質(zhì)的透水墻吸收，在透水墻3另一側(cè)的植物吸收區(qū)2中形成緩慢、均勻的水流，保證來水在植物吸收區(qū)2中有足夠的停留時間以使植物吸收區(qū)2中種植的挺水植物對氮、磷等污染物進行充分的吸收，植物吸收區(qū)2中設(shè)置有折流板9，可防止形成死角或串流，折流板9采用活性炭筑成，對氮、磷等污染物有一定吸收能力。若長時間暴雨，因后期雨水污染物濃度很低，則可打開位于人工濕地進水渠4上的溢流渠5，使后期雨水經(jīng)沉沙池處理后即直接排入受納水體6。經(jīng)人工濕地處理后的來水通過出水渠10進入氧化塘，在氧化塘中進行進一步的深度處理，由于氧化塘筑壩高度為高于受納水體6允許最高水位0.5m，因此溢流出水形成跌水充氧，增加出水氧含量，促進水體自凈能力，出水達到地表類水要求。