一种农业非点源污水净化的分根区滴灌系统及其应用的制作方法

2021-01-06 19:01:14|

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本发明涉及农业滴灌技术领域，具体涉及一种农业非点源污水净化的分根区滴灌系统及其应用。

背景技术：

伴随着全球温度升高，水资源日益匮乏，匮乏的水资源严重制约着我国农业的发展，在我国的西北种植区，这种由于水资源匮乏影响种植的情况尤其明显，而利用农村地区的非点源污水进行灌溉成为缓解水资源紧张的环保途径之一；目前，最常用的灌溉方式为漫灌、沟灌、滴灌和喷灌等，而滴灌和喷灌在高效节水方面具有明显优势；在植物利用吸收水分角度，滴灌能够实现精准灌溉，使植物更充分的吸收水分和养分；

农业非点源污水主要包括农村生活排放的污水、化肥农药等随农田排水的污水及畜禽养殖排放的污水；这些污水已成为分布最广且最为重要的污染，随地表径流和土壤下渗污染水体；

国内关于滴灌和喷灌的研究较多，现有的滴灌技术大多是是以水库或者地下水作为滴灌水源，浪费了大量水资源；在精准灌溉方面，大部分学者的研究主要集中在精准监控和定量施肥上，鲜有利用当地非点源污水进行分根区精确灌溉。

技术实现要素：

针对上述存在的问题，一种农业非点源污水净化的分根区滴灌系统及其应用，滴灌系统包括系统包括锥形污水池、耦合型微动力水质净化器和爪式滴灌装置，在使用时，农村非点源污水通过进水管流入锥形污水池中被净化，净化过的水通过爪式滴灌装置对农作物进行分根区灌溉，本滴灌系统结构巧妙，节能环保，能够实现精准节水滴灌，保证农作物根系均匀分布生长，具有操作简单，环保高效，维修方便，可循环使用的特点。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种农业非点源污水净化的分根区滴灌系统，包括锥形水池、耦合型微动力水质净化器和爪式滴灌装置，锥形水池通过进水管与农村非点源污水管道连通，耦合型微动力水质净化器设置在锥形水池中，爪式滴灌装置与锥形水池中心部的净水池连通；

所述耦合型微动力水质净化器为圆柱形水质净化体，由外到内依次包括取污盒、石墨烯改性生物炭膜层、微生物根箱和光催化反应器；

所述爪式滴灌装置包括输水管、压力泵、灌溉主管、灌溉支管和滴头，压力泵设置在净水池的底部，输水管的一端与压力泵连接，另一端通过截止阀和滴灌接头与灌溉主管连接，灌溉支管等距设置在灌溉主管上，且灌溉支管通过转接结构与滴头连接。

优选的，所述的取污盒由不锈钢丝网制成，所述不锈钢丝网的空隙直径为5mm；所述微生物根箱和光催化反应器之间用土工布隔开。

优选的，所述的耦合型微动力水质净化器中设置层墨烯改性生物炭膜，石墨烯改性生物炭膜层为将石墨烯修饰的改性生物炭粉末附着在有通孔的泡沫铜上形成的膜状结构。

优选的，所述的微生物根箱为培养好的芦苇根箱，箱体内部从上而下依次设置有铁碳土壤层、生物陶粒层和鹅卵石层，在箱体内种植若干棵芦苇，所述箱体为四面镂空的不锈钢圆柱。

优选的，所述的光催化反应器由氙灯灯带和核壳型磁性tio2微球凝胶层构成，所述氙灯灯带沿净水池隔板外壁均匀垂直分布8条，所述核壳型磁性tio2微球凝胶层用24目的超透光丝网包裹。

优选的，所述的转接结构包括接头承插和连接软管，接头承插的进水端与灌溉支管的末端连接，输水端与连接软管连接，滴头安装在连接软管的末端。

优选的，所述的滴头的垂直长度分别为10cm，15cm，20cm，30cm和35cm。

优选的，所述的进水管对称设置在锥形水池上端口部的两侧，锥形水池的高度为1.5m，内径为5m，水池的底部是内径为1m的圆形平底；所述净水池设置在光催化反应器内侧，净水池周围侧板用隔板做成，底部均匀分布个单向进水口，净水池高度为1m，内径为1m。

优选的，所述的核壳型磁性tio2微球凝胶的制作过程为：

将n-异丙基丙烯酰胺、n,n'0-亚甲基双丙烯酰胺和去离子水在室温下溶解混合，混合均匀后加入一定重量比的核壳型磁性tio2微球进行再次混合，混合均匀后，将混合溶液倒入凝胶模具，在冷水浴下通氮气分钟，放入冰箱静置24h后取出凝胶，沿垂直于凝胶方向切割成薄片，置于清水中，得到卷曲状的核壳型磁性tio2微球凝胶；

其中：加入的n-异丙基丙烯酰胺：n,n'0-亚甲基双丙烯酰胺：离子水：核壳型磁性tio微球的重量比为30:2:15:15；所述凝胶模具为30cm*30cm*10cm的黑色正方体，正方体盖可打开，内部每间隔5mm分布一个1mm宽的黑色隔板。

利用非点源污水处理的分根区滴灌系统进行灌溉，包括

步骤一：污水通过进水口流入锥形污水池后，在重力作用下，先通过耦合型微动力水质净化器中的取污盒和石墨烯改性生物炭膜，取污盒将不溶于水的固体污染物截留，石墨烯改性生物炭膜能够吸附非点源污染水中的脂类有机物及重金属有毒物质，降低水的浊度；

步骤二：当污水进一步流过耦合型微动力水质净化器中的微生物根箱时，填料层对污染物进行吸附，聚集在根部的大量微生物和细菌能够利用污水中的氮磷营养物，对其降解，进行脱氮除磷；

步骤三：污水在经过光催化反应器时，核壳型磁性tio2微球凝胶在光催化作用下能够彻底降解难降解有机污染物和酚类有机物；

步骤四：净化过的水通过单向进水口流入净水池，在压力泵的驱动下，通过灌溉主管，再通过滴头实现对茶树的分根区灌溉。

本发明的有益效果是：本发明公开了一种农业非点源污水净化的分根区滴灌系统及其应用，与现有技术相比，本发明的改进之处在于：

（1）本发明设计了一种农业非点源污水净化的分根区滴灌系统，包括锥形水池、耦合型微动力水质净化器和爪式滴灌装置，其中耦合型微动力水质净化器包括取污盒、石墨烯改性生物炭膜层、微生物根箱和光催化反应器，在使用时，通过石墨烯改性生物炭膜对脂类有机物和重金属的吸附，可延长后续装置使用时长，提高了对污染物的处理效率，同时石墨烯改性生物炭膜具有丰富的空隙结构，提高了吸附作用，渗透性强，使污水顺利流向下一处理单元；微生物根箱内的根系繁多，富集大量微生物和细菌，提高了对氮磷的去除效率；光催化反应器中的核壳型磁性tio2微球凝胶能够进行回收，经过处理可重复使用，不产二次污染；

（2）同时，爪式滴灌装置能够将爪式滴头预埋在土壤不同深度中，能够将水按照植物不同根系层需求进行定量滴灌，高效节约水资源，本灌溉装置具有运行耗能低，操作简单，环保高效，改善农村地区的卫生条件，美化乡村环境的优点。

附图说明

图1为本发明农业非点源污水处理的分根区滴灌系统示意图。

图2本发明耦合型微动力水质净化器结构示意图。

图3本发明耦合型微动力水质净化器俯视图。

图4本发明爪式滴头剖面图。

图5本发明微生物根箱示意图。

图6本发明凝胶模具示意图。

其中：1.进水管，2.锥形水池，3.耦合型微动力水质净化器，4.截止阀，5.爪式滴灌装置，6.输水管，7.压力泵，8.单向进水口，9.茶树，10.泡沫铜，11.石墨烯改性生物炭膜，12.芦苇，13.土工布，14.光催化反应器，15.微生物根箱，16.氙灯灯带，17.净水池，18滴头，19.接头承插，20.灌溉支管，21.连接软管，22.铁碳土壤层，23.锈钢圆柱，24.生物陶粒层，25.鹅卵石层，26.黑色隔板，27.正方体盖，28.不锈钢丝网，29.滴灌接头，30.灌溉主管，31.取污盒。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

参照附图1-6所示的一种农业非点源污水净化的分根区滴灌系统及其应用，其中，所述农业非点源污水净化的分根区滴灌系统包括锥形水池2、耦合型微动力水质净化器3和爪式滴灌装置5，锥形水池2通过进水管1与农村非点源污水管道连通，将农村非点源污水管道中的污水导入锥形水池2内，耦合型微动力水质净化器3设置在锥形水池2中，对污水进行净化，净化后的水渗入与锥形水池2中心部的净水池17中，爪式滴灌装置5与净水池17连通，将净水池17中的净水抽出，对茶树9进行滴灌；所述耦合型微动力水质净化器3为圆柱形水质净化体，由外到内依次包括取污盒31、石墨烯改性生物炭膜层11、微生物根箱15和光催化反应器14，使用时，利用污盒31将不溶于水的固体污染物截留，石墨烯改性生物炭膜11吸附非点源污染水中的脂类有机物及重金属有毒物质，降低水的浊度，微生物根箱15对污水中的氮磷营养物进行利用，对其降解，进行脱氮除磷，光催化反应器14的核壳型磁性tio2微球凝胶在光催化作用下能够彻底降解难降解有机污染物和酚类有机物，经过净化的说，通过单向进水口8进入净水池17中；

所述爪式滴灌装置5包括输水管6、压力泵7、灌溉主管30、灌溉支管20和滴头18，压力泵7设置在净水池17的底部，将净水池17中的水抽出，输水管6的一端与压力泵7连接，另一端通过截止阀4和滴灌接头29与灌溉主管30连接，灌溉支管20等距设置在灌溉主管30上，且灌溉支管20通过转接结构与滴头18连接，使用时在压力泵7的驱动下，通过灌溉主管30，再通过滴头18实现对茶树的分根区灌溉。

优选的，为了对不溶于水的固体污染物截留，所述的取污盒31采用不锈钢丝网28制成，且所述不锈钢丝网28的空隙直径为5mm；

优选的，为了避免水流反渗，所述微生物根箱15和光催化反应器14之间用土工布13隔开，且所述耦合型微动力水质净化器3的外径为1.3m，内径为1.0m，高度为1m。

优选的，所述的石墨烯改性生物炭膜层11为将石墨烯修饰的改性生物炭粉末附着在有大量通孔的泡沫铜10上形成的膜状结构，石墨烯改性生物炭膜在使用一段时间后可以取出更换，反冲洗后重新附着石墨烯改性生物炭，同时为了保证墨烯改性生物炭膜11的可吸附非点源污染水中的脂类有机物及重金属有毒物质，降低水的浊度，所述的耦合型微动力水质净化器3中设置3层墨烯改性生物炭膜11；同时，所述石墨烯改性生物炭膜层11具有丰富的空隙结构，提高了吸附作用，且渗透性强，可以使污水顺利流向下一处理单元。

优选的，所述的微生物根箱15为培养好的芦苇根箱，箱体内部从上而下依次设置有铁碳土壤层22、生物陶粒层24和鹅卵石层25，在箱体内种植若干棵芦苇12，芦苇根系经过诱导培养垂直生长至整个箱体，根系周围负载有大量微生物，在使用时，利用铁碳土壤层22、生物陶粒层24和鹅卵石层25等填料层对水中的污染物进行吸附，聚集在芦苇根部的大量微生物和细菌能够利用污水中的氮磷营养物，对其降解，达到脱氮除磷的效果；所述箱体为四面镂空的不锈钢圆柱23，且所述不锈钢圆柱23的高为1m，直径为20cm。

优选的，所述的光催化反应器14由氙灯灯带16和核壳型磁性tio2微球凝胶层构成，所述氙灯灯带16沿净水池隔板外壁均匀垂直分布8条，所述核壳型磁性tio2微球凝胶层用24目的超透光丝网包裹。

优选的，所述的转接结构包括接头承插19和连接软管21，接头承插19的进水端与灌溉支管20的末端连接，输水端与连接软管21连接，滴头18安装在连接软管21的末端，且为保证好的转接效果，所述接头承插19优选使用六通接头承插，且六通接头承插的5个输水段均与对应的连接软管21连接；且所述滴头18的垂直长度分别为10cm，15cm，20cm，30cm和35cm，使用时在茶树9周围均匀打出5种不同深度的孔，将滴头预先插入，进行灌溉。

优选的，所述的进水管1对称设置在锥形水池2上端口部的两侧，锥形水池2的高度为1.5m，内径为5m，水池的底部是内径为1m的圆形平底；

优选的，所述净水池17设置在光催化反应器14内侧，净水池周围侧板用隔板做成，底部均匀分布8个单向进水口8，通过单向进水口8将净化后的水流入净水池17中，所述净水池17高度为1m，内径为1m。

其中：所述核壳型磁性tio2微球凝胶的制作过程包括：

将n-异丙基丙烯酰胺、n,n'0-亚甲基双丙烯酰胺和去离子水在室温下溶解混合，混合均匀后加入一定重量比的核壳型磁性tio2微球进行再次混合，混合均匀后，将混合溶液倒入凝胶模具，在冷水浴下通氮气30分钟，放入冰箱静置24h后取出凝胶，沿垂直于凝胶方向切割成薄片，置于清水中，得到卷曲状的核壳型磁性tio2微球凝胶；

其中：加入的n-异丙基丙烯酰胺：n,n'0-亚甲基双丙烯酰胺：离子水：核壳型磁性tio2微球的重量比为30:2:15:15；所述核壳型磁性tio2微球在使用一段时间后可通过外加磁场，将微球分离出，同时可保证催化性能的持续使用，循环使用多次。

优选的，所述的凝胶模具为30cm*30cm*10cm的黑色正方体27，正方体盖可打开，内部每间隔5mm分布一个1mm宽的黑色隔板26。

实施例1：利用本发明所述的非点源污水处理的分根区滴灌系统进行灌溉，其步骤包括：

步骤一：污水通过进水口1流入锥形污水池2后，在重力作用下，先通过耦合型微动力水质净化器3中的取污盒31和石墨烯改性生物炭膜11，取污盒31将不溶于水的固体污染物截留，石墨烯改性生物炭膜11可吸附非点源污染水中的脂类有机物及重金属有毒物质，降低水的浊度，同时石墨烯改性生物炭膜11具有良好的渗透性，且具有丰富的孔隙结构，能够将油脂类和重金属聚集在膜上；

步骤二：当污水进一步流过耦合型微动力水质净化器3中的微生物根箱15时，填料层对污染物进行吸附，聚集在芦苇根部的大量微生物和细菌能够利用污水中的氮磷营养物，对其降解，达到脱氮除磷的效果；

步骤三：由于非点源污水中cod严重超标，经过石墨烯改性生物炭膜11和微生物根箱15的吸附过滤和降解后，无法将所有小分子有机污染物去除，污水在经过光催化反应器14时，核壳型磁性tio2微球凝胶在光催化作用下可彻底降解难降解有机污染物和酚类有机物；

步骤四：净化过的水通过单向进水口8流入净水池17，在压力泵7的驱动下，通过灌溉主管30，再通过滴头18实现对茶树9的分根区灌溉，实现对茶树9的精灌。

本非点源污水处理的分根区滴灌系统填补了我国目前利用农业非点源污水进行精准灌溉技术缺乏的空白，能够将农业非点源污水进行净化，然后分根区精准灌溉在茶树的根部，不仅有效的净化了污水，改善了农村环境，而且有效的节约了水资源，具有操作简单，环境友好，耗能低等特点。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

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