半明渠除污裝置設(shè)計與分析

武啟輝，李 潔，李 征，齊小靜

武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，湖北武漢 430072

0 引言

由于水資源短缺,不少污灌區(qū)直接用未經(jīng)處理的污水澆灌作物，使灌區(qū)的土壤、農(nóng)作物甚至地下水被嚴(yán)重污染,對灌區(qū)的飲水及糧食安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。

目前，處理水污染方法有物理、化學(xué)、生物方法。其中，化學(xué)方法有化學(xué)藥劑殺藻、加鐵鹽促磷沉淀等；物理方法有疏挖底泥、引水沖淤等.生物方法有氧化塘等[2]。這些生態(tài)水體修復(fù)技術(shù)主要用來處理河道的水環(huán)境問題，對于灌區(qū)渠道的研究應(yīng)用有待進(jìn)一步探索。

半明渠除污裝置的研究與應(yīng)用將給渠道引水凈化處理提供新的思路，在有效地處理水體富營養(yǎng)化問題的同時節(jié)省成本，保證灌溉水質(zhì)，對于減輕農(nóng)田環(huán)境污染,修復(fù)農(nóng)田生態(tài),保障我國農(nóng)產(chǎn)品供給和人民身體健康具有重大意義.

1 裝置工作原理

污水中污染物主要為過量的硝酸根離子和磷酸根離子，因而此裝置針對氮磷進(jìn)行處理，凈化水源。裝置所需物質(zhì)主要有粘土、砂土、少量的氧化鐵等。此半明渠渠道可設(shè)置定點補(bǔ)充反應(yīng)物及催化劑的開口，保證反應(yīng)效果，延長渠道使用壽命。

1.1 硝酸根離子的去除

去除硝酸根離子主要利用反硝化反應(yīng)，即反硝化細(xì)菌在缺氧條件下，還原硝酸鹽，釋放分子態(tài)氮（N2）或一氧化二氮（N2O），以達(dá)減少硝酸根離子含量的目的。其生化過程可用下式表示：

此裝置渠道由砂土與粘土經(jīng)一定比例混合而成，利用土壤中反硝化細(xì)菌進(jìn)行反硝化反應(yīng)[3]。影響該反應(yīng)進(jìn)行的主要條件有：碳源、通氣狀況、溫度。此裝置將加入其中的碳粉及其他有機(jī)物作為碳源，提供反應(yīng)能量。裝置上部含有塑料膜夾層的粘土層，可在保證隔離氧氣的同時起保溫作用，提供必要的反應(yīng)條件。

此外，由于上述反應(yīng)進(jìn)行速率較慢，所以需合理地控制流速，保證24 小時的反應(yīng)時間，確保除污效果。

1.2 磷酸根離子的去除

去除磷酸根離子主要通過磷酸根離子的化學(xué)沉淀和混凝作用。向裝置中加入適量的鐵鹽、鈣鹽或鋁鹽，通過磷酸根離子與鋁離子、鐵離子或鈣離子的化學(xué)沉淀作用加以去除。

所謂鐵接觸法除磷，就是通過零價鐵的電化學(xué)腐蝕和生物化學(xué)腐蝕產(chǎn)生Fe2+，F(xiàn)e2+隨后在有氧條件下被氧化成Fe3+，F(xiàn)e3+與污水中的磷酸根離子結(jié)合生成磷酸鐵鹽等難溶性物質(zhì)，最終通過排除系統(tǒng)中生成的沉淀物，去除污水中的磷。鐵接觸法除磷技術(shù)是一種操作簡單、運行費用低廉、處理效果好、適于處理中小規(guī)模生活污水的處理技術(shù)[4]。

因土壤膠體大多顯現(xiàn)負(fù)電荷，故正價金屬離子易吸附在土壤膠體表面。據(jù)此原理，將粘土與砂土混合，水流與粘土充分接觸，保證反映的充分進(jìn)行。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對凈水的目標(biāo)，為延長路徑，增加水體流動時間，保證反應(yīng)的充分進(jìn)行性，需對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，并計算檢驗。

2.1 結(jié)構(gòu)圖

將渠道劃分為四層，第一層承接雨水，第二層為抽水進(jìn)水口，一二層間由絕氣板分隔；第三層為砂土粘土分布層，第四層承接凈化過后的水。第三層中，將砂土粘土均勻混合分布其中，假設(shè)混合后綜合滲透系數(shù)k=2×10-5cm/s。結(jié)構(gòu)布置圖如下：

圖1 方案二整體圖

圖2 斷面示意圖

圖3 分解圖

圖4 帶閘門示意圖

2.2 分析計算

中等干旱年中稻總灌溉定額330m3/畝（《農(nóng)田水利學(xué)》第三版），平原區(qū)農(nóng)渠長度500m～1000m，控制面積200～600 畝。水近似垂向滲流，水力坡降i2=1；第三層厚度L2=1.7m；

滲透寬度b=4m；渠道長度L=1000 m；滿足實際灌溉供水要求。

3 創(chuàng)新點及優(yōu)勢

1）利用反硝化反應(yīng)去氮，化學(xué)方法除磷的技術(shù)相當(dāng)成熟，該裝置可創(chuàng)造出兩種反應(yīng)進(jìn)行的條件，利用此法除污效果可以得到保障。生物凈化和化學(xué)凈化相結(jié)合，不僅能使反應(yīng)快速有效的進(jìn)行，又避免了傳統(tǒng)的化學(xué)處理方式帶來的水體二次污染問題；

2）創(chuàng)造性地將除污裝置設(shè)置在渠道中，在輸水的同時進(jìn)行去污，節(jié)省空間和時間。在原來渠道的基礎(chǔ)上即可改造成新型半明槽渠道，充分利用了已有的灌溉設(shè)備，節(jié)約成本。渠道采取水流自上而下流動，可以在很大程度上增大水力坡降和過水?dāng)嗝婷娣e，滿足流量要求；

3）反應(yīng)物主要由砂土、粘土、氧化鐵等組成，反硝化細(xì)菌主要來自土壤，材料廉價易得。利用巧妙的方式設(shè)置反應(yīng)條件，節(jié)省開銷，并保證除污效果。

4 結(jié)論

1）本文通過對現(xiàn)有污水處理方法的分析，采用粘土、氧化鐵為基本原料，設(shè)置必要的環(huán)境進(jìn)行氮磷的去除，原料廉價，成本小。

2）創(chuàng)造性構(gòu)思半明渠的設(shè)計思路，并提出了結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，利用粘土、砂土的滲透性能，采取水流自上而下流動的方式設(shè)計滲徑，達(dá)到了除污效果的同時滿足灌溉流量要求，切實可行。

[1]章力建，黃修橋，仵峰，等.農(nóng)田灌溉系統(tǒng)中的立體污染及防治對策[J].灌溉排水報，2005，24(6).

[2]李旭東，楊蕓.廢水生物處理新技術(shù)[J].精細(xì)與專用化學(xué)品，2002，10(17)：19-21.

[3]Hellinga C, Schellen A A J C, Mulder J W, etal. The SHARON process:an innovative method for nitmgen removal from ammonia-rich wastewater[J].wat.sci.Tech.1998，37(9)：135-142.

[4]Nishiguchi Z Takahashi Z Haruta S.The technics of phosphorus removal by iron-contactor(I l—-Rotating iron discs system[J].Water&Wastewater，1989，31(11)：3-10.