一种适用于岩溶区农业残余有机农药去除的人工湿地系统

摘要

本发明提供了一种适用于岩溶区农业残余有机农药去除的人工湿地系统，属于污水处理技术领域，所述人工湿地系统，自下而上依次设置卵石层、土壤层和植物层；所述人工湿地系统的顶端设置进水口，所述人工湿地系统的底部设置出水收集系统；所述出水收集系统包括若干直径0.5～2cm的穿孔管和集水干管；所述穿孔管表面包裹滤网；所述集水干管的出水口设置于所述人工湿地系统的外部；所述植物层种植菖蒲、美人蕉、再力花和狭叶香蒲中的一种或几种；所述卵石层和土壤层的厚度比为1:(1.5～2.5)。本发明提供的人工湿地系统对岩溶水文地质条件适应性强，对持续性有机农药具有良好的富集和植物吸收降解作用。

说明书

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，尤其涉及一种适用于岩溶区农业残余有机农药去除的人工湿地系统。

背景技术

岩溶区，又称喀斯特地貌区，是富钙高碱(碳酸盐浓度高、pH值高)特性明显的区域，该区域在我国分布最广，其集中分布于桂、黔、滇等省区，川、渝、湘、晋、甘、藏等省区部分地区亦有分布。岩溶区农业由于其地质地貌影响，其农业残余农药等的去除具特殊性，常规净化技术需进行特殊工艺设计和处理方可适用。

有机氯农药(organochlorinepesticides,OCPs)是环境中典型的持久性有机污染物(pesticidesorganicpollutants,POPs)之一，具有难降解性、生物积累性、半挥发性和高毒性等特征。OCPs的半挥发性特征，使其能够从水体和土壤中挥发至大气或吸附在大气颗粒中进行远距离迁移和沉淀，造成全球范围的污染。同时，环境中的OCPs可通过食物链作用在各生物体内积累，造成生物体内神经、免疫、内分泌系统等器官的损害，对人类和生态系统构成严重危害，引起国际社会关注，联合国环境规划署公布的《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》也提出逐步减少和/或消除使用包括有机氯农药在内的21种持久性有机污染物。从1970年开始，世界各国家陆续禁止生产和使用OCPs，我国也在1980年开始禁止生产和使用。尽管OCPs已被禁止使用几十年，但由于其难降解的特性，OCPs仍在我国甚至全球环境中有较高残留。六氯环己烷(HCHs)是一种常见的有机氯农药，在环境中检出量较高。其中β-HCH是各异构体中最稳定的一种，在自然环境条件下难以进行光解和水解等非生物分解，微生物的降解速度也较为缓慢，因此在环境介质中仍具有较高的残留量。

人工湿地是人为利用地面的土壤和填料(基质)，选择性在经过设计的基质中种植植物来进行污水处理的一种生态系统，被认为是处理农药污染最有潜力的方法之一。国外研究调查表明，北美洲、北欧国家为了解决本国农药面源污染的问题，广泛应用人工湿地治理受污染的河流，但普遍存在人工湿地所选植物对富钙高碱土壤适应性差、对污染物富集/净化速度慢等缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种适用于岩溶区农业残余有机农药去除的人工湿地系统；本发明提供的垂直潜流式人工湿地系统，对岩溶水文地质条件适应性强，对持续性有机农药具有良好的富集和植物吸收降解作用。

本发明对人工湿地进行了不同填料层设计，对土壤层进行了耐富钙高碱设计，植物种类提供了多种适用于岩溶水化学特征水质的植物，系统具有耐富碱高钙水质优势，且对Ca

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供了一种适用于岩溶区农业残余有机农药去除的人工湿地系统，自下而上依次设置卵石层、土壤层和植物层；

所述人工湿地系统的顶端设置进水口，所述人工湿地系统的底部设置出水收集系统；

所述出水收集系统包括若干直径0.5～2cm的穿孔管和集水干管；所述穿孔管表面包裹滤网；所述集水干管的出水口设置于所述人工湿地系统的外部；

所述植物层种植菖蒲、美人蕉、再力花和狭叶香蒲中的一种或几种；

所述卵石层和土壤层的厚度比为1:(1.5～2.5)。

优选的，所述土壤层包括红壤和/或生物炭。

优选的，所述红壤的添加量为土壤层总质量的1％～3％。

优选的，所述生物炭的添加量为土壤层总质量的3％～5％，所述生物炭的粒径为10～40目。

优选的，所述土壤层表面3～5cm以下添加生物炭。

优选的，所述植菖蒲、美人蕉的高度分别为1.3～1.5m。

优选的，所述卵石的粒径为3～4cm。

优选的，所述穿孔管表面包裹滤网的孔径的目数为80～200目。

优选的，所述人工湿地系统构建于容器中。

优选的，所述容器为铝制容器。

本发明的有益效果：本发明提供的适用于岩溶区农业残余有机农药去除的人工湿地系统结构简单，成本低廉，通过卵石层、土壤层和植物层的共同作用，特别是土壤层中掺杂生物炭等技术操作以及特殊植物的选取，提升了系统对岩溶水文地质条件适应性，对持续性有机农药具有良好的富集和植物吸收降解作用。根据实施例的记载，本发明提供的人工湿地系统对低浓度的有机氯农药β-HCH的污染水体具有较好的处理效果，并为不同植物人工湿地在净化β-HCH过程的净化效果提供数据参考。

附图说明

图1为本发明实施例1制得的处理有机农药的垂直潜流式人工湿地系统的结构示意图；图中：1为进水口，2为无植物区域，3为植物区域，4为土壤层(掺杂红壤、生物炭)，5为卵石层，6为出水口；

图2为本发明实施例1不同植物人工湿地水中β-HCH含量变化；图中：K为空白对照，1-1、2-1、3-1为3组平行的菖蒲人工湿地，1-2、2-2、3-2为3组平行的美人蕉人工湿地；A、B、C分别代表第一、第二和第三组不同植物人工湿地水中β-HCH含量随时间变化折线图；

图3为本发明实施例1不同植物人工湿地根区基质中β-HCH含量变化；图中：K为空白对照，1-1、2-1、3-1为3组平行的菖蒲人工湿地，1-2、2-2、3-2为3组平行的美人蕉人工湿地；A、B、C分别代表第一、第二和第三组不同植物人工湿地根区土壤中β-HCH含量随时间变化折线图。

具体实施方式

本发明提供了一种适用于岩溶区农业残余有机农药去除的人工湿地系统，自下而上依次设置卵石层、土壤层和植物层；所述人工湿地系统的顶端设置进水口，所述人工湿地系统的底部设置出水收集系统；所述出水收集系统包括若干直径0.5～2cm的穿孔管；所述穿孔管表面包裹滤网；所述穿孔管的出水口设置于所述人工湿地系统的外部；所述植物层种植菖蒲、美人蕉、再力花和狭叶香蒲中的一种或几种；所述卵石层和土壤层的厚度比为1:(1.5～2.5)。

在本发明中，所述人工湿地系统优选的依据现场条件设置形状，优选为长方形；所述人工湿地系统可选的挖方型槽作为容器。在本发明中，也可以采用其他材质制备的容器，例如铝制容器、不锈钢容器或塑料板容器。

本发明在所述卵石层铺设卵石，所述卵石的粒径优选为3～4cm；所述卵石层的厚度优选为10～50cm，更优选为20～40cm；所述卵石层的作用为阻隔土壤进入集水系统，提升经处理的出水的汇水效率。本发明中，所述卵石层和土壤层的厚度比优选为1:(1.8～2.2)，更优选为1:2。

在本发明中，所述土壤层铺设土壤，所述土壤层的厚度优选为20～100cm。在本发明中，所述土壤层优选的包括红壤和/或生物炭。在本发明中，所述红壤的添加量优选为土壤层总质量的1％～3％，更优选为2％；所述红壤优选的与原土壤混合均匀即可，提升原土壤的粘滞性。本发明对所述红壤的来源没有特殊限定，采用本领域常规的红壤即可。在本发明中，所述红壤的作用是增强土壤粘度，降低土壤流失量。在本发明中，所述生物炭的添加量优选为土壤层总质量的3％～5％，更优选为4％；在本发明中，所述生物炭的粒径优选为10～40目；所述生物炭优选的为毛竹炭和/或桉树炭；本发明优选的在所述土壤层表面3～5cm以下添加生物炭；所述添加生物炭的土壤厚度优选的根据种植的植物类型、植物根系决定，设置为10～30cm。在本发明中，所述生物炭的作用是降低土壤密实性，所述添加了生物炭的土壤能够强化污染物的吸附富集功能，利于植物根系对目标污染物的吸收净化。

在本发明中，所述植物层优选的种植菖蒲或美人蕉；所述植菖蒲、美人蕉的高度分别优选为1.3～1.5m，更优选为1.4m。在本发明中，优选的选择长势旺盛的植株移栽。在本发明中，所述菖蒲、美人蕉、再力花和狭叶香蒲对富钙高碱(碳酸盐浓度高、pH值高)土壤适应性强。

在本发明中，所述人工湿地系统的顶端设置进水口。本发明对所述进水口没有特殊限定，能够实现进水功能即可。

在本发明中，所述人工湿地系统的底部设置出水收集系统；所述出水收集系统包括若干直径0.5～5cm的穿孔支管，穿孔支管与集水干管成“非”字形状连接，集水干管直径为2～10cm，集水干管通过活接连接出水口；所述穿孔管表面包裹滤网，所述滤网孔径的目数优选为80～200目，更优选为100目，所述滤网的作用是防止泥样进管造成堵塞。在本发明中，所述穿孔管的出水口设置于所述人工湿地系统的外部；在本发明中，所述出水口外部优选的连接出水阀，用于排水。在本发明中，优选的在所述出水口设置恒压通气管，所述恒压通气管的高度与所述人工湿地系统的高度相等，所述恒压通气管的作用是保证出水管检修和恒压稳定出水。在本发明具体实施过程中，进水从人工湿地系统顶端进入自然平均布水，经过所述人工湿地系统下渗至出水收集系统，集中出水。

在本发明中，所述人工湿地系统优选的可设置为预制式反应器，优选的采用不锈钢、铝板或塑料板制作，本发明中所述预制式反应器可在工地外进行调试运行，后进入现场。本发明所述预制式反应器具体在工地外调试过程中，种植植物20～40d后即可放空预制式反应器中的水，优选的种植植物30d后放空预制式反应器中的水，投加实验用水；所述实验用水为含有有机氯农药的污染水，优选为含有β-HCH的配置水；在实验过程中，优选的适时添加自来水，保持系统内液位不变。

下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

一种处理有机农药的垂直潜流式人工湿地系统

小型模拟垂直流潜流式人工湿地系统构建在长方体铝质容器内(规格：长×宽×高＝1m×0.5m×0.6m)，在距容器底1cm处设置一个直径为2cm的出水口，出水口内部连接集水干管，用于收集水样，穿孔支管与集水干管成“非”字形状连接；所述穿孔管直径2cm，穿孔管上的孔洞的直径为0.5cm；并用100目滤布3层包裹，防止泥土堵塞水管，出水口外部接入一个水龙头用于排水。容器的中部用300目滤网隔开两块相同容积的区域(区域规格：长×宽×高＝0.5m×0.5m×0.6m)，两块区域的底部均铺设10cm厚的卵石(粒径3～4cm)，卵石上部铺设20cm厚的土壤，添加土壤层总质量2％红壤以增强土壤粘度，降低土壤流失量；添加3％毛竹炭，毛竹炭粒径采用范围为过20目筛的筛下组分，添加毛竹炭的土壤一般设置在土壤层3cm以下，将菖蒲和美人蕉分别植入2个湿地装置的其中一块区域内，而另一块无植物(人工湿地系统具体结构参见图1)。

本实例中种植的菖蒲、美人蕉是在花卉基地购买的，主要挑选长势好的菖蒲，美人蕉，高度大约1.4m，移植到人工湿地系统中，使其适应新的生长环境，植物植入后，在系统中加入自来水(pH为6.9，溶氧量为4.70mg/L)，并持水位在土壤上5cm处，植物生长30d后将全部的水放干，并为每个系统配制并投加浓度为20μg/L的β-HCH实验室配置水60L，60L污染水体中添加霍格兰营养液500mL，为植物提供足够的养分。每种植物做3个平行，并设置一个有相同基质但无植物的空白对照系统，即3个菖蒲人工湿地系统、3个美人蕉人工湿地系统和1个无植物的空白对照系统。在实验过程中，适时添加自来水，保持系统内液位不变。

利用本实施例中人工湿地系统试验运行的60天，定期采集7个人工湿地水样，依照方案测试方法，通过固相萃取-气相色谱检测不同植物人工湿地水中β-HCH的含量(结果见表1)。各组人工湿地水中β-HCH含量变化趋势(结果见图2)。其中菖蒲湿地系统对β-HCH平均去除率最高，为95.03％，其次是美人蕉湿地系统，为93.35％。

表1各组人工湿地水中β-HCH含量(单位：μg/L)

注：K为无植物人工湿地，1-1、2-1、3-1为3组平行的菖蒲人工湿地，1-2、2-2、3-2为3组平行的美人蕉人工湿地。

试验运行的60天内，定期采集人工湿地土样，依照方案测试方法，通过固相萃取-气相色谱检测不同植物人工湿地土壤中β-HCH的含量，得到植物根区土壤中β-HCH的含量(见表2)及变化趋势(见图3)。其中根区土壤中菖蒲湿地系统对β-HCH平均去除率最高，为57.21％，其次是美人蕉湿地系统，为52.65％。

表2平行组人工湿地根区土壤中β-HCH含量(单位：μg/kg)

注：K为无植物人工湿地，1-1、2-1、3-1为3组平行的菖蒲人工湿地，1-2、2-2、3-2为3组平行的美人蕉人工湿地。

实施例2

一种处理有机农药的垂直潜流式人工湿地系统

垂直流潜流式人工湿地系统构建在桂林市某村农田的自然湿地中，成多单元设计。以下以单元构筑物的尺寸、处理过程说明。

本单元系统以挖方型槽作为处理容器，尺寸为：长×宽×高＝5m×2.5m×1.2m)，在距容器底5cm处设置一个直径为10cm的出水口，出水口内部连接集水干管，用于收集水样，穿孔支管与集水干管成“非”字形状连接；所述穿孔管直径为10cm，穿孔管上的孔洞的直径为1.0cm；并用100目滤布3层包裹，防止泥土堵塞水管，出水口外部接入一个球阀用于控制排水。在容器的底部铺设25cm厚的卵石(粒径3～4cm)，卵石上部铺设50cm厚的土壤，添加土壤层总质量2％红壤以增强土壤粘度，降低土壤流失量；添加3％毛竹炭，毛竹炭粒径采用范围为过20目筛的筛下组分，添加毛竹炭的土壤设置在土壤层5cm以下，将长势良好的菖蒲植入挖方型槽式人工湿地中。

本实例中种植的菖蒲是从当地花卉基地购买的，需挑选长势良好的菖蒲，高度为1.4m，移植到人工湿地系统中，使其适应新的生长环境，植物植入后，在系统中加入自然湿地中的农田沟渠水(pH均值为7.9，溶氧量均值为6.5mg/L，总氮均值为2.55mg/L，总磷均值为0.16mg/L)，并持水位在土壤上5cm处，植物生长30d后将全部的水放干，并用实验基地农田沟渠水配制模拟含2～7μg/L(均值为5μg/L)β-HCH的农田沟渠水，农田沟渠水中所含氮磷营养可为植物生长提供足够的养分。在实验过程中，通过流量计控制处理水量，调节好出水管球阀开度以保持人工湿地系统内液位基本保持稳定。

利用本实施例中人工湿地系统持续进出水、试验运行60天，定期采集人工湿地出水水样，依照方案测试方法，通过固相萃取-气相色谱检测人工湿地出水水中β-HCH的含量(结果见表3)。运行结果表明，菖蒲人工湿地系统对模拟农田沟渠水中β-HCH去除率介于83.5％～95.2％，去除率平均值为89.5％。

表3连续流人工湿地出水水中β-HCH含量(单位：μg/L)

由上述实施例数据可知，本发明提供的人工湿地系统能有效去除水及土壤中的β-HCH，人工湿地系统对水环境及土壤环境的有机污染有较好的净化作用，并为不同植物人工湿地在净化β-HCH过程的净化效果提供数据参考。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。