一种基于海绵铁还原的水肥灌溉一体化系统的制作方法

1.本发明涉及农业灌溉技术领域，尤其涉及一种基于海绵铁还原的水肥灌溉一体化系统。


背景技术：

2.多年来，氮污染一直是世界范围内面临的水环境问题。根据生态环境部连续多年发布的“环境状况公报”，地表水氨氮浓度、地下水“三氮”、近岸海域无机氮都是主要的污染指标。有报道，20世纪90年代以后，许多集水区的氮浓度迅速上升至15mg/l以上，目前中国人为造成的氮排入淡水的速度为1450万吨/年，约为安全排放阈值估值(520万吨/年)的2.7倍。水环境中的氮污染来源多样，其中农业来源是重要来源之一。
3.在我国，一方面面临严峻的水环境氮污染形势，另一方面则是氮肥的大量使用造成的资源浪费。随着我国农业生产集约化程度的不断提高，肥料投入量逐渐加大，农田氮素施用量(合成化肥 复合肥)目前达到4037万t，约占全球的41％，施氮强度为232kg
·
hm
‑2，降雨产生的农田地表氮流失量逐渐增加，导致我国的江、河、湖、库及近海水域都面临着富营养化的威胁，并引起了许多水环境问题。据报道，太湖流域氮对地表水的污染负荷量每年高达2.5
×
104t，占氮素化肥施用量的16.8％，太湖和巢湖面源污染物对tn的贡献率达到59％和63％，已成为水体富营养化最主要的污染源。
4.农业氮肥主要以无机氮的形式施加于土壤中，但无论是作为肥料，还是减轻水环境污染，氨氮远优于硝氮。其一，硝氮远较氨氮易于流失。这主要是由于硝氮主要以no3‑
形式存在，大多数的土壤颗粒带负电荷，因此no3‑
不容易被土壤颗粒吸附，易于随水流失。而带正电荷的nh
4
容易被土壤颗粒吸附，起到缓释效果，利于植物根系的吸附和吸收。其二，nh
4
较no3‑
更易为植物利用。这主要是由于硝氮在植物吸收合成蛋白的过程中，需要首先转换为氨氮，然后再形成氨基酸和蛋白质，而氨氮则直接参与氨基酸和蛋白质的合成。其三，从人体健康角度看，nh
4
较no3‑
更为安全。虽然鱼类等水生动物对nh
4
的耐受性更低，但 no3‑
的危害具有潜在累积性。nh
4
的高浓度存在需要还原或厌氧环境，一般在氧化还原电位为正的自然环境中不易形成高浓度，而硝酸盐和亚硝酸盐则易于在自然环境中形成高浓度存在，长期高浓度硝酸盐或亚硝酸盐的摄入具有致癌效应。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种基于海绵铁还原的水肥灌溉一体化系统，在采用地表水或地下水为水源灌溉农田时，将水中的硝氮快速转化为氨氮并随水进入土壤，不但利于氮肥的高效利用，减少了农田氮流失，而且减少了水环境的氮污染。
6.为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
7.提供一种基于海绵铁还原的水肥灌溉一体化系统，包括依次管路连接的第一水泵、海绵铁化学还原装置、灌溉调节池、第二水泵和滴灌管；所述海绵铁化学还原装置内装填有海绵铁填料，所述海绵铁填料颗粒的粒径为0.5
‑
1.0mm。
8.进一步地，所述海绵铁化学还原装置包括套设的装置外壳和装置内壳，靠近所述装置内壳左、右内壁处分别竖直设置有相互平行的入流区室隔板、出流区室隔板；
9.所述入流区室隔板上面不与所述装置内壳内壁连接，前、后、下面均与所述装置内壳内壁连接，所述入流区室隔板右面上等间距设置有相互平行且垂直于所述入流区室隔板的若干第一共聚聚丙烯板，每个所述第一共聚聚丙烯板的右面靠近所述出流区室隔板但不连接，前面和后面与所述装置内壳内壁连接；
10.所述出流区室隔板下面不与所述装置内壳内壁连接，前、后、上面均与所述装置内壳内壁连接，所述出流区室隔板左面上等间距设置有相互平行且垂直于所述出流区室隔板的若干第二共聚聚丙烯板，每个所述第二共聚聚丙烯板的左面靠近所述入流区室隔板但不连接，前面和后面与所述装置内壳内壁连接；所述第一共聚聚丙烯板和第二共聚聚丙烯板间隔设置；
11.所述入流区室隔板与装置内壳内壁围成的空间装填有入流布水区填料；所述出流区室隔板与装置内壳内壁围成的空间装填有出流过滤区填料；所述装置内壳上内壁、第一共聚聚丙烯板和第二共聚聚丙烯板、所述装置内壳下内壁之间装填有所述海绵铁填料。
12.进一步地，所述装置外壳和装置内壳之间装填有发泡保温材料。
13.进一步地，所述第一水泵和海绵铁化学还原装置之间的管路上依次设置有第一流量计、流速调节阀。
14.进一步地，所述灌溉调节池中设有水质检测系统和搅拌器。
15.进一步地，所述海绵铁化学还原装置和灌溉调节池之间的管路上设置有第一闸阀；所述灌溉调节池和第二水泵之间的管路上设置有第二闸阀。
16.进一步地，所述第二水泵和滴灌管之间设有第二流量计。
17.进一步地，所述第一水泵上接有抽水管。
18.本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：
19.本发明的水肥灌溉一体化系统，在采用地表水或地下水为水源灌溉农田时，将水中的硝氮快速转化为氨氮并随水进入土壤，不但利于氮肥的高效利用，减少了农田氮流失，而且减少了水环境的氮污染；并且装置简单、便捷、运行成本低廉，非常适合农业上使用推广。
20.本发明的实验表明，进水硝氮浓度为30mg/l时，经过海绵铁系统4h后，硝氮转化为氨氮的转化率约为96.5％，出水硝氮浓度为1.05mg/l。经过土壤过滤 6h后，出水氨氮0.3mg/l，出水tn 1.45mg/l。出水氨氮、硝氮浓度分别符合地下水(gb/t14848
‑
2017)iii、ii类标准，可作为地下水补给水源；出水氨氮、 tn分别符合地表水(gb3838
‑
2002)ii、iv类标准，可作为地表水补给水源。盆栽实验观察表明，经过海绵铁过滤后的灌溉土壤中，韭菜耐受重金属cd的能力明显增强。
附图说明
21.图1为本发明水肥灌溉一体化系统的示意图；
22.图2为海绵铁还原硝酸盐氮实验的结果图；
23.图3为海绵铁出水中铁浓度的结果图；
24.图4为海绵铁过滤灌溉的土壤中韭菜对cd
2
离子的耐受结果照片；
25.其中的附图标记为：
[0026]1‑
抽水管；2
‑
第一水泵；3
‑
第一流量计；4
‑
流速调节阀；5
‑
装置外壳；6
‑
发泡保温材料；7
‑
装置内壳；8
‑
入流布水区填料；9
‑
海绵铁填料；10
‑
第一共聚聚丙烯板；11
‑
出流区室隔板；12
‑
出流过滤区填料；13
‑
入流区室隔板；14
‑
第一闸阀； 15
‑
水质检测系统；16
‑
搅拌器；17
‑
灌溉调节池；18
‑
第二闸阀；19
‑
第二水泵；20
‑ꢀ
第二流量计；21
‑
滴灌管；22
‑
第二共聚聚丙烯板。
具体实施方式
[0027]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0028]
为便于描述，在发明的实施例中，上、下、左、右、前、后均相对本发明附图而言，上述方向仅便于描述本发明实施例的技术方案，而不应构成对这些方案的限制性解释。
[0029]
实施例1
[0030]
本实施例提供一种基于海绵铁还原的水肥灌溉一体化系统，包括依次管路连接的第一水泵2、海绵铁化学还原装置、灌溉调节池17、第二水泵19和滴灌管 21；海绵铁化学还原装置内装填有海绵铁填料9，上述海绵铁填料9颗粒的粒径为0.5
‑
1.0mm。
[0031]
上述海绵铁化学还原装置和灌溉调节池17之间的管路上设置有第一闸阀 14；灌溉调节池17和第二水泵19之间的管路上设置有第二闸阀18；第二水泵 19和滴灌管21之间设有第二流量计20；第一水泵2上接有抽水管1。
[0032]
海绵铁，是以赤铁矿为原料，经高温下一氧化碳还原而制得的零价铁，利用零价铁的强还原能力，工业生产中主要用作除氧剂。铁作为地壳中第四丰度的元素，其材质来源广泛，成本低廉，并且铁对环境无毒无害，是一种绿色材料。近年来，有利用零价铁还原固化土壤和水等环境介质中的重金属，但多是纳米级的，制备成本高。而海绵铁作为一种多孔状固体颗粒，具有比表面积大，来源广泛，成本低廉的特点。另外，在农业研究中，有报道发现富铁环境中的根系铁膜能够阻挡植物对重金属离子的吸收。而且铁也是作物和人体所需微量元素中数量最大的元素，在作物信号传导和动物血红蛋白合成中具有重要作用。
[0033]
本发明采用具有海绵铁化学还原装置的水肥灌溉一体化系统，在采用地表水或地下水为水源灌溉农田时，将水中的硝氮快速转化为氨氮并随水进入土壤，不但利于氮肥的高效利用，减少了农田氮流失，而且减少了水环境的氮污染。
[0034]
此外，本发明采用的海绵铁填料9的颗粒粒径为0.5
‑
1.0mm，颗粒粒径小于 0.5mm的海绵铁颗粒易于结块，不利于水流通过，颗粒粒径大于1.0mm的颗粒还原性质变差。更换下来的海绵铁颗粒可进一步用于铁盐絮凝剂的资源化利用。
[0035]
本发明中，上述海绵铁化学还原装置包括套设的装置外壳5和装置内壳7，装置外壳5和装置内壳7之间装填有发泡保温材料6；靠近装置内壳7左、右内壁处分别竖直设置有相互平行的入流区室隔板13、出流区室隔板11；
[0036]
入流区室隔板13上面不与装置内壳7内壁连接，前、后、下面均与装置内壳7内壁连接，入流区室隔板13右面上等间距设置有相互平行且垂直于入流区室隔板13的若干第一共聚聚丙烯板10，每个第一共聚聚丙烯板10的右面靠近出流区室隔板11但不连接，前面和后面与装置内壳7内壁连接；
[0037]
出流区室隔板11下面不与装置内壳7内壁连接，前、后、上面均与装置内壳7内壁连接，出流区室隔板11左面上等间距设置有相互平行且垂直于出流区室隔板11的若干第二共聚聚丙烯板22，每个第二共聚聚丙烯板22的左面靠近入流区室隔板13但不连接，前面和后面与装置内壳7内壁连接；第一共聚聚丙烯板10和第二共聚聚丙烯板22间隔设置；
[0038]
入流区室隔板13与装置内壳7内壁围成的空间装填有入流布水区填料8；出流区室隔板11与装置内壳7内壁围成的空间装填有出流过滤区填料12；装置内壳7上内壁、第一共聚聚丙烯板10和第二共聚聚丙烯板22、装置内壳7下内壁之间装填有海绵铁填料9。
[0039]
上述海绵铁化学还原装置的结构设计，保证了进水与海绵铁填料9的接触时间和接触面积，保证水中的硝氮被充分还原为氨氮。
[0040]
做为一个优选例，上述第一水泵2和海绵铁化学还原装置之间的管路上依次设置有第一流量计3、流速调节阀4。流速调节阀4的设计也是为了保证水中的硝氮被充分还原为氨氮。
[0041]
做为一个优选例，灌溉调节池17中设有水质检测系统15和搅拌器16。水质检测系统15，可以测硝氮还原过后的水中的硝氮和氨氮浓度，与地表水和地下水的标准进行比对，同时通过控制浓度将水中的氨氮控制为适合植物生长的浓度，最后通过水泵对庄稼作物进行灌溉。
[0042]
实施例2
[0043]
2.1海绵铁还原硝酸盐氮的实验
[0044]
准备1l具橡皮塞三角烧瓶5个，在4个三角烧瓶中填满经过自来水清洗的海绵铁颗粒(粒径0.5
‑
1mm)，1个作为空白对照。然后在空白对照中加入no3‑
浓度为30mg/l的溶液，在余下的4个烧瓶中分别加入no3‑
浓度为10mg/l、 20mg/l、30mg/l、40mg/l(化学纯kno3经计量后配置)的溶液。溶液均注满至橡皮塞位置，然后加上橡皮塞(分别标记为ck30、n10、n20、n30、n40)。
[0045]
在1h、2h、3h、4h、6h分别利用注射器抽取水样，测定水中的硝氮、氨氮浓度以及ph。实验结果如图2所示。
[0046]
可见，在其他条件相同，在不同浓度的硝氮溶液中，加入质量、规格相同的海绵铁，水体初始硝氮浓度越高，其硝氮浓度降低效果越明显，最后的硝氮浓度近乎0(图2a)。从图2b可见，减少的硝氮转化为了氨氮，海绵铁颗粒间隙水中氨氮浓度随时间不断升高，大约在4h左右升高到稳定值，且初始硝氮浓度越高，氨氮浓度升高的越快。由于进水中只加入硝氮，所以这里生成的氨氮就是来源于加入的硝氮的还原(即硝酸盐异化铁还原)。可见，细颗粒海绵铁作为强还原剂可以通过化学过程将水中硝氮快速还原为氨氮。
[0047]
对比图2a和图2b可知，海绵铁间隙水中硝氮还原减少和生成氨氮的增加基本都在4h后达到峰值。另由图2c可见，和空白对照相比，在零价铁还原硝酸盐过程中，导致出水ph的有所升高，所得溶液ph在7
‑
9。
[0048]
2.2海绵铁出水中铁浓度的观察
[0049]
接2.1，6h后，将上述具塞烧瓶中的水样用注射器各取出20ml，分别置于5 个试管中，敞口放置，其水面和大气直接接触。1d、2d、3d分别取水样，在580nm 处利用3mm比色管观察其吸光度的变化(分别标记为ck30、nfe10、nfe20、 nfe30、nfe40)。
[0050]
结果如图3所示，和对照相比，经过海绵铁过滤后的出水中吸光度值都有所提高。
加入不同浓度亚硝酸盐的海绵铁颗粒过滤液中，其出水吸光度没有明显差异。海绵铁过滤液的吸光度随时间随时间变化也没有明显差异。这说明，海绵铁过滤液出水中铁离子浓度并不会随加入硝酸盐浓度的升高而增加，也不会随时间而发生明显变化。分析原因主要是由于零价铁被氧化为三价铁后，形成氢氧化铁沉淀物，一般不易随水流出。出水少量的铁可以补充植物生长所需的铁元素，适量补充铁元素有利于促进湿地植物的生长，对农作物的生长有利。
[0051]
2.3海绵铁出水经土壤过滤后排水氮素浓度
[0052]
准备5个h＝10cm、d＝8cm的小种植盆(底部带直径为0.5cm的小孔，事先透明胶密封)，取绿化土壤填充。每个种植盆填充体积0.5l左右。然后，分别将上述2.1节实验(6h)后的出水通过表面缓慢浇撒均匀注入到小种植盆中，直至种植盆土壤表面水分不再下渗为止。经计量，每个种植盆灌入实验水样约 0.18l。
[0053]
将这5个种植盆静置室外开放环境3天(晴天，大气温度20
‑
35摄氏度)，从土壤表面看不到明显的湿润，判断土壤水分已经基本蒸发完毕。然后打开种植盆底部的透水孔，在每个种植盆土壤表面开始均匀缓慢的灌入自来水(每个种植盆灌入自来水0.2l)，并将经种植盆底部透水孔的出水分别接入5个烧杯中(分别标记为cks30、ns10、ns20、ns30、ns40)。
[0054]
然后分别测定5个烧杯水样中的氨氮和硝氮浓度，实验结果如表1所示。
[0055]
表1
[0056][0057]
注：(1)这里总氮只考虑无机氮中的氨氮和硝氮，不考虑有机氮和亚硝氮；
[0058]
(2)s
‑
iii表示地表水iii类，g
‑
iii表示地下水iii类。
[0059]
可见，土壤系统对硝氮和氨氮都有一定的拦截处理能力，这主要来源于土壤中矿物的吸附、植物吸收、微生物转化等。但是，相对于硝氮，土壤对氨氮的拦截处理能力更强，其去除效率更高，这主要是由于大部分的土壤颗粒带负电荷，有利于吸附氨氮阳离子。因此，经过海绵铁过滤后，由于初始进水中的硝氮转化为氨氮，所以灌溉土壤出水中的总氮损失减少(出水tn去除效率提高)。
[0060]
由于这里的进水来自初始tn(no3‑
)浓度30mg/l的kno3，可见，海绵铁的加入，使得在tn量不变的情况下，使得硝氮转化为氨氮，在海绵铁和硝氮比例适中的情况下，出水硝氮和氨氮都比较低，氮肥得到最大程度的利用，得到的水符合各类标准。况且低价态的氨氮又可以作为肥料存在，所以有益无害。
[0061]
如果从更有效利用氮肥的角度，初始的海绵铁过滤系统进水10mg/l较佳(其出水tn最少)，如果从处理硝氮污染地表水或地下水的角度，初始的海绵铁过滤系统进水30mg/l左右较好，tn处理效率较高，且出水满足地下水和地表水标准要求。
[0062]
综上，经过海绵铁过滤系统的出水再经过土壤过滤层后，其出水中tn会明显降低，说明提升了土壤对tn的利用效率，降低了tn进一步污染地表水或地下水环境的风险。
[0063]
2.4海绵铁过滤灌溉的土壤中韭菜对cd
2
离子的耐受观察
[0064]
首先，取4kg左右的绿化土，在塑料薄膜上均匀摊开，风干，压碎，检出石块、树枝等大颗粒有形物。然后将30mg/l的cdcl2溶液0.25l用小喷雾器均匀喷洒到土壤上，并搅拌均匀。土壤中cd含量大约1.15mg/kg(不考虑土壤中原始cd
2
含量，30mg/l*112/182*0.25l/4kg＝1.15mg/kg)。
[0065]
然后，准备如2.3节实验同样的5个小种植盆(底部密封)，每个种植盆中均匀填入上述被cd
2
污染的土壤约0.75kg。
[0066]
其次，在每个种植盆中移栽1簇韭菜幼苗(每簇5棵)。移栽前，通过肉眼观察，确保每簇韭菜幼苗的生长状况基本一致。
[0067]
最后，在5个种植盆中分别利用2.1节实验后的ck30、n10、n20、n30、 n40出水(6h后)进行灌溉，每次灌溉用水0.12l/盆。种植盆置于室外阳台，每3天左右灌溉1次(每次0.12l/盆)，连续培养15天。
[0068]
韭菜幼苗培养前和培养结束后，置于白纸上拍照。观察幼苗生长是否受重金属影响，结果如图4(a培养前，b培养后)所示。
[0069]
可见，初始5盆韭菜的形态性状差别不大，经过15天培养后，cd污染土中的对照组(没有经过零价铁颗粒过滤，仅施加硝态氮)ck30的植物形态明显萎缩，韭菜长势最差。经过海绵铁颗粒过滤后的出水灌溉的韭菜长势明显好于对照，比培养前植株分蘖数量有所增加。实验组中(经过海绵铁过滤出水灌溉组)，不同进水硝氮浓度，韭菜的长势差别不大。因此，可以看出，经过海绵铁处理过后的水浇灌韭菜，基本都呈现好的生长态势，相较于ck30的高硝氮浓度，n40中的高硝氮浓度并没有对于植物生长造成多大的影响。分析原因，这主要是由于硝氮转化为氨氮后被土壤颗粒吸附，起到缓释氮肥的作用，并且灌溉水中铁离子的存在利于在土壤植物根系表面形成根系铁膜，阻隔植物根系对重金属的吸收，减缓重金属毒害作用。
[0070]
综上，经过海绵铁过滤系统灌溉的土壤中，韭菜(叶菜)耐受重金属(cd
2
) 污染能力明显提高。
[0071]
上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容及图示所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。