半明渠除污装置设计与分析

武启辉，李 洁，李 征，齐小静

武汉大学水利水电学院，湖北武汉 430072

0 引言

由于水资源短缺,不少污灌区直接用未经处理的污水浇灌作物，使灌区的土壤、农作物甚至地下水被严重污染,对灌区的饮水及粮食安全构成严重威胁[1]。

目前，处理水污染方法有物理、化学、生物方法。其中，化学方法有化学药剂杀藻、加铁盐促磷沉淀等；物理方法有疏挖底泥、引水冲淤等.生物方法有氧化塘等[2]。这些生态水体修复技术主要用来处理河道的水环境问题，对于灌区渠道的研究应用有待进一步探索。

半明渠除污装置的研究与应用将给渠道引水净化处理提供新的思路，在有效地处理水体富营养化问题的同时节省成本，保证灌溉水质，对于减轻农田环境污染,修复农田生态,保障我国农产品供给和人民身体健康具有重大意义.

1 装置工作原理

污水中污染物主要为过量的硝酸根离子和磷酸根离子，因而此装置针对氮磷进行处理，净化水源。装置所需物质主要有粘土、砂土、少量的氧化铁等。此半明渠渠道可设置定点补充反应物及催化剂的开口，保证反应效果，延长渠道使用寿命。

1.1 硝酸根离子的去除

去除硝酸根离子主要利用反硝化反应，即反硝化细菌在缺氧条件下，还原硝酸盐，释放分子态氮（N2）或一氧化二氮（N2O），以达减少硝酸根离子含量的目的。其生化过程可用下式表示：

此装置渠道由砂土与粘土经一定比例混合而成，利用土壤中反硝化细菌进行反硝化反应[3]。影响该反应进行的主要条件有：碳源、通气状况、温度。此装置将加入其中的碳粉及其他有机物作为碳源，提供反应能量。装置上部含有塑料膜夹层的粘土层，可在保证隔离氧气的同时起保温作用，提供必要的反应条件。

此外，由于上述反应进行速率较慢，所以需合理地控制流速，保证24 小时的反应时间，确保除污效果。

1.2 磷酸根离子的去除

去除磷酸根离子主要通过磷酸根离子的化学沉淀和混凝作用。向装置中加入适量的铁盐、钙盐或铝盐，通过磷酸根离子与铝离子、铁离子或钙离子的化学沉淀作用加以去除。

所谓铁接触法除磷，就是通过零价铁的电化学腐蚀和生物化学腐蚀产生Fe2+，Fe2+随后在有氧条件下被氧化成Fe3+，Fe3+与污水中的磷酸根离子结合生成磷酸铁盐等难溶性物质，最终通过排除系统中生成的沉淀物，去除污水中的磷。铁接触法除磷技术是一种操作简单、运行费用低廉、处理效果好、适于处理中小规模生活污水的处理技术[4]。

因土壤胶体大多显现负电荷，故正价金属离子易吸附在土壤胶体表面。据此原理，将粘土与砂土混合，水流与粘土充分接触，保证反映的充分进行。

2 结构设计

针对净水的目标，为延长路径，增加水体流动时间，保证反应的充分进行性，需对结构进行设计，并计算检验。

2.1 结构图

将渠道划分为四层，第一层承接雨水，第二层为抽水进水口，一二层间由绝气板分隔；第三层为砂土粘土分布层，第四层承接净化过后的水。第三层中，将砂土粘土均匀混合分布其中，假设混合后综合渗透系数k=2×10-5cm/s。结构布置图如下：

图1 方案二整体图

图2 断面示意图

图3 分解图

图4 带闸门示意图

2.2 分析计算

中等干旱年中稻总灌溉定额330m3/亩（《农田水利学》第三版），平原区农渠长度500m～1000m，控制面积200～600 亩。水近似垂向渗流，水力坡降i2=1；第三层厚度L2=1.7m；

渗透宽度b=4m；渠道长度L=1000 m；满足实际灌溉供水要求。

3 创新点及优势

1）利用反硝化反应去氮，化学方法除磷的技术相当成熟，该装置可创造出两种反应进行的条件，利用此法除污效果可以得到保障。生物净化和化学净化相结合，不仅能使反应快速有效的进行，又避免了传统的化学处理方式带来的水体二次污染问题；

2）创造性地将除污装置设置在渠道中，在输水的同时进行去污，节省空间和时间。在原来渠道的基础上即可改造成新型半明槽渠道，充分利用了已有的灌溉设备，节约成本。渠道采取水流自上而下流动，可以在很大程度上增大水力坡降和过水断面面积，满足流量要求；

3）反应物主要由砂土、粘土、氧化铁等组成，反硝化细菌主要来自土壤，材料廉价易得。利用巧妙的方式设置反应条件，节省开销，并保证除污效果。

4 结论

1）本文通过对现有污水处理方法的分析，采用粘土、氧化铁为基本原料，设置必要的环境进行氮磷的去除，原料廉价，成本小。

2）创造性构思半明渠的设计思路，并提出了结构设计方案，利用粘土、砂土的渗透性能，采取水流自上而下流动的方式设计渗径，达到了除污效果的同时满足灌溉流量要求，切实可行。

[1]章力建，黄修桥，仵峰，等.农田灌溉系统中的立体污染及防治对策[J].灌溉排水报，2005，24(6).

[2]李旭东，杨芸.废水生物处理新技术[J].精细与专用化学品，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.