專利名稱：一種用于污染河流水質(zhì)改善的河道凈化器技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利涉及一種河道浄化器技術(shù)，主要通過(guò)在水體受到污染和生境遭到破壞的流域河道內(nèi)原位構(gòu)建河道浄化器，以改善污染河流水質(zhì)并對(duì)受損河道進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。
背景技術(shù)：
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的持續(xù)快速發(fā)展，對(duì)水資源的需求量越來(lái)越大，但同時(shí)產(chǎn)生的各種エ業(yè)和生活廢水也越來(lái)越多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009年全國(guó)廢水排放總量為589. 2億噸，比上年増加3. O %，其中エ業(yè)廢水排放量為234. 4億噸，生活廢水排放量為354. 8億噸，分別占排放總量的39. 8%和60. 2%。雖然近年來(lái)我國(guó)エ業(yè)企業(yè)和城鄉(xiāng)居民的環(huán)境保護(hù)意識(shí)已經(jīng)得到很大程度的提高，但由于我國(guó)過(guò)去一段時(shí)間著重發(fā)展經(jīng)濟(jì)而忽視了環(huán)境保護(hù)，此外還由于資金投入不足和環(huán)保領(lǐng)域的法律法規(guī)制度不健全等原因，導(dǎo)致目前我國(guó)的環(huán)境形勢(shì)比較 嚴(yán)峻。當(dāng)前我國(guó)利用的水資源主要是河流、湖泊以及淺層地下水，其中以前兩種為主，所以導(dǎo)致我國(guó)地表水資源連年減少，湖泊水位逐年降低，部分河道出現(xiàn)斷流等現(xiàn)象。另ー方面，我國(guó)的污水處理率遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家，而且污水廠的排放標(biāo)準(zhǔn)偏低，即使達(dá)標(biāo)排放仍會(huì)對(duì)自然水體造成一定的破壞。處于城市下游的諸多河流已經(jīng)接納了大量城市污水廠出水，甚至直接在功能上將其劃分為排污河道，此舉造成了河流水生態(tài)的嚴(yán)重惡化，水功能遭到破壞，危及流域內(nèi)的動(dòng)植物，也給沿岸居民的生產(chǎn)生活帶來(lái)嚴(yán)重的負(fù)面影響。所以，對(duì)受損河流的治理與修復(fù)勢(shì)在必行。目前，對(duì)污染河流的生物/生態(tài)修復(fù)技術(shù)主要有以下幾種。(I)植物修復(fù)技術(shù)用于水體修復(fù)的植物主要分為浮水、挺水和沉水三種類型，其代表性植物主要有蘆葦、香蒲和風(fēng)眼蓮等。植物可以利用根系吸收水體中的溶解態(tài)氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽供自身生長(zhǎng)，發(fā)達(dá)的根系還具有吸附功能，植物通過(guò)光合作用產(chǎn)生的氧能夠向根部傳輸并釋放進(jìn)入水體，在根系周圍形成微小的好氧區(qū)域利于微生物降解污染物。此外，有研究表明，植物的根系能夠分泌出具有殺菌和抑制藻類生長(zhǎng)的物質(zhì)。但是如果植物不收割，其吸收的氮磷物質(zhì)在植物枯萎腐爛后仍會(huì)重新釋放到水體中去，造成二次污染。(2)人工濕地技術(shù)人工濕地的污染凈化過(guò)程涉及物理、化學(xué)和生物等多方面綜合作用。對(duì)污染河水的浄化主要有以下幾種途徑通過(guò)過(guò)濾和截留去除顆粒物；通過(guò)濕地介質(zhì)的吸附、絡(luò)合、離子交換等作用去除磷和重金屬離子；通過(guò)濕地微生物作用降解有機(jī)污染物，去除水中的氮；通過(guò)植物吸收去除水中的氮磷和富集的重金屬。(3)生態(tài)穩(wěn)定塘技術(shù)生態(tài)穩(wěn)定塘是ー種主要依靠自然生物凈化功能的污水生物處理技術(shù)，主要分為好氧塘、兼性塘和厭氧塘三類，塘中污水的凈化過(guò)程與自然水體的自凈過(guò)程相近。污水在塘內(nèi)流動(dòng)緩慢，具有較長(zhǎng)的停留時(shí)間，通過(guò)水中微生物的代謝活動(dòng)和包括水生植物、魚(yú)類等在內(nèi)的多種生物的綜合作用，使污染物降解，水體得到?jīng)坊?。塘?nèi)不同生物種群形成多條食物鏈網(wǎng)，構(gòu)成完整的生態(tài)系統(tǒng)。(4)礫石接觸氧化技術(shù)礫石接觸氧化技術(shù)是在河道中鋪設(shè)礫石填料層，或?qū)⑽廴竞铀畬?dǎo)流引入礫石填料層中，由于填料表面長(zhǎng)有ー層微生物膜，河水從礫石層中流過(guò)時(shí)與生物膜充分接觸，水中污染物在膜中微生物作用下得到充分降解。同時(shí)，水中顆粒物也能夠通過(guò)吸附、沉淀和截留等作用得到去除。
本專利技術(shù)正是基于污染河流的生物生態(tài)修復(fù)原理，并結(jié)合上述幾種已在國(guó)內(nèi)外污染河流修復(fù)中應(yīng)用的常見(jiàn)技術(shù)，通過(guò)在現(xiàn)有河道內(nèi)部原位構(gòu)建河道浄化器，在不影響河道原有的行洪、運(yùn)輸及魚(yú)類洄游等基本功能的前提下，對(duì)污染水體進(jìn)行原位浄化，達(dá)到對(duì)受損河道進(jìn)行生物生態(tài)修復(fù)的目的。

發(fā)明內(nèi)容
河道浄化器構(gòu)筑物包括人工河心洲、生態(tài)丁壩以及由生態(tài)凈化渠、生態(tài)好氧塘串聯(lián)而成的旁路生態(tài)浄化系統(tǒng)。通過(guò)人工河心洲分隔河道，構(gòu)建旁路生態(tài)浄化系統(tǒng)，同時(shí)利用生態(tài)丁壩擋水，使水進(jìn)入系統(tǒng)。旁路生態(tài)浄化系統(tǒng)在河道內(nèi)的交錯(cuò)分布，使河道呈蜿蜒曲折、急緩多變的多樣化形態(tài)，利于水體復(fù)氧及生態(tài)修復(fù)。部分水流將流經(jīng)旁路生態(tài)凈化系統(tǒng)，使水質(zhì)得到?jīng)坊?；其余水流從河道流過(guò)，依托水體復(fù)氧和自浄功能降解污染物。旁路生態(tài)凈化系統(tǒng)エ藝流程為“生態(tài)凈化渠-生態(tài)好氧塘-生態(tài)凈化渠-開(kāi)放河段”。生態(tài)凈化渠由填充礫石、砂層和植物組成。主體區(qū)為大量的礫石，依靠其較大的比表面積、豐富的Ca含量，同時(shí)借助渠道較為緩慢的流速，通過(guò)沉淀、截留、吸附等作用去除水體中C0D、TP以及其他各類污染物。系統(tǒng)上層由于植物根系的氧氣傳導(dǎo)作用，水體呈兼性偏好氧狀態(tài)，大量微生物存在于本層區(qū)域，與植物共同作用，吸收轉(zhuǎn)化污染物。系統(tǒng)下層水深較大，基本呈厭氧狀態(tài)，存在部分厭氧微生物，對(duì)水質(zhì)浄化起著相應(yīng)作用。系統(tǒng)下層更大的意義在于上層微生物死亡后逐漸進(jìn)入下層，并最終沉淀、轉(zhuǎn)化成泥炭層，將污染物永久地從水體中去除。當(dāng)渠道內(nèi)水位變動(dòng)，或受到自然、人為擾動(dòng)時(shí)，生態(tài)凈化渠中水位隨之波動(dòng)，從而帶來(lái)氧環(huán)境變動(dòng)，為氨氮、總氮等的轉(zhuǎn)化去除提供條件。生態(tài)凈化渠依托河道而建，導(dǎo)致長(zhǎng)寬比過(guò)大，末端易出現(xiàn)缺氧現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)外當(dāng)前研究普遍認(rèn)為，生態(tài)凈化渠長(zhǎng)寬比宜小于8，因此，生態(tài)凈化渠后設(shè)置生態(tài)好氧塘或開(kāi)放河段，使水體復(fù)氧，以利于氨氮等的去除。


圖I為河道浄化器總平面布置圖(単位米)；圖2為河道浄化器內(nèi)各處的剖面圖(単位分米)；圖3為河道浄化器模擬裝置平面圖(単位毫米)；圖4為模擬裝置內(nèi)凈化渠剖面圖(単位毫米)；圖5為O. 2m3/m2. d負(fù)荷下，河道中“三氮”變化情況；注橫坐標(biāo)“沿程采樣距離”系指采樣點(diǎn)距離進(jìn)水端的距離，其中Om處為進(jìn)水端，25m處為出水端(下同)；圖6為O. 2m3/m2. d負(fù)荷下，河道中SRP和TP的變化情況；圖7為O. 2m3/m2. d負(fù)荷下，凈化渠中各指標(biāo)的變化情況。
具體實(shí)施例方式根據(jù)待修復(fù)的具體河道設(shè)計(jì)了河道浄化器，主要包含人工河心洲、生態(tài)丁壩和生態(tài)凈化系統(tǒng)?？偲矫娌贾脠D如圖I所示。 每段生態(tài)凈化系統(tǒng)長(zhǎng)度為80m，寬約為7m，包含兩座長(zhǎng)度均為35m的生態(tài)凈化渠和中間ー個(gè)長(zhǎng)為IOm的生態(tài)好氧塘。生態(tài)凈化渠上層20cm為砂層，種植挺水植物；下層填充50cm厚粒徑為20-40cm的碌石；碌石層與砂層之間用土工布分隔。生態(tài)凈化渠剖面圖如圖2a所示。人工河心洲在現(xiàn)有河底高程上由土方堆砌I. 2m而成。河心洲形態(tài)隨河道岸邊形態(tài)而變化，長(zhǎng)度為80m，頂部寬度lm，底部寬度7. 2m，坡度為I : 3。河心洲四周采用大礫石(粒徑20-50cm)護(hù)腳，防止水力沖刷。河心洲上栽種植物。生態(tài)丁壩垂直于河心洲而構(gòu)建,長(zhǎng)6m,高O. 8m,頂部寬度Im,底部寬度5. 8m,坡度為I : 3，頂部栽種植物。生態(tài)丁壩主要作用為分流來(lái)水進(jìn)入生態(tài)凈化渠，同時(shí)有一定的污染物凈化效果。河道在生態(tài)丁壩及生態(tài)好氧塘處的剖面圖分別為如圖2b和圖2c所示。河道浄化器工程中，植物選擇以土著物種、耐受性強(qiáng)、繁殖快為原則，挺水植物主要采用蘆葦及香蒲，可在局部區(qū)域選用水蔥或菖蒲；沉水植物采用菹草、金魚(yú)藻、狐尾藻、苦草等。具體實(shí)施例I.河道凈化器模擬裝置的構(gòu)建2010年，在天津市武清區(qū)大黃堡鄉(xiāng)選址建造了河道浄化器模擬裝置。模擬裝置的尺寸為27X2X 1. 25m(長(zhǎng)X寬X高)，底面坡度為I%，在進(jìn)水端設(shè)有ー個(gè)容積為2m3的進(jìn)水池。裝置內(nèi)部設(shè)置兩個(gè)長(zhǎng)度均為8m的PVC板制作的截面為梯型的人工河心洲，安放在前后距進(jìn)水端和出水端各3m的河道兩邊。梯型河心洲將2m寬的模擬裝置縱向分割為兩半。其中ー邊仍作為河道，具有開(kāi)闊的水面，主要利用水中顆粒物自身的沉降作用以及水中的微生物作用去除污染物，同時(shí)通過(guò)風(fēng)カ擾動(dòng)表面復(fù)氧和水體中藻類的光合作用產(chǎn)生氧氣，使水體具有相對(duì)較高的溶解氧。而另一半邊填裝不同粒徑的礫石和粗砂，并在粗砂上面種植蘆葦，建成生態(tài)凈化渠來(lái)凈化河水。利用的浄化原理有人工濕地技術(shù)和礫石間接觸氧化等，是對(duì)污染河水中污染物的ー種人工強(qiáng)化降解。生態(tài)凈化渠分別建在模擬河道的兩邊，長(zhǎng)度均為8m，其中包含ー個(gè)Im長(zhǎng)的生態(tài)好氧塘和前后兩個(gè)長(zhǎng)均為3. 5m的生態(tài)凈化渠。凈化渠的填料分為三層，最下層是30cm厚的粒徑為40mm 60mm的大塊碌石層，中間層是20cm厚的粒徑為IOmm 30mm的小碌石層，最上層是20cm厚的粗砂層。在粗砂層上栽種在當(dāng)?shù)剡m宜生長(zhǎng)的蘆葦。所以河道浄化器模擬裝置包含4個(gè)生態(tài)凈化渠單元和兩個(gè)生態(tài)好氧塘。分別在4個(gè)凈化渠單元的中間垂直埋入3根ー組的PVC管，管的末端均勻地打孔以利于過(guò)水，三根管子的下端分別埋在三層填料的中間處，便于測(cè)量電極插入3根豎管中測(cè)量?jī)艋现邢氯龑觾?nèi)部的ORP、DO、pH等參數(shù)指標(biāo)。另外，在填料各層的中間還埋有均勻打孔的水平導(dǎo)管并延伸至墻壁外側(cè)，連接閥門，便于采集凈化渠內(nèi)部的水樣以分析硝酸鹽、氨氮等參數(shù)的變化情況。河道中也在沿程方向上設(shè)有3個(gè)采樣點(diǎn)。模擬裝置的平面圖和凈化渠的剖面圖分別如圖3和圖4所示。
河道浄化器模擬裝置于5月底完成蘆葦?shù)脑苑N，開(kāi)始以平均O. 06m3/m2. d的負(fù)荷進(jìn)水，一方面使裝置成熟穩(wěn)定，另一方面使蘆葦盡快扎根存活。一段時(shí)間過(guò)后，蘆葦長(zhǎng)勢(shì)良好，已經(jīng)覆蓋生態(tài)凈化渠表面，此外礫石填料的表面也長(zhǎng)有ー層黃褐色的生物膜，顯示河道浄化器模擬裝置已經(jīng)進(jìn)入成熟穩(wěn)定階段。隨后模擬裝置進(jìn)入正式運(yùn)行階段。2.結(jié)果分析正式開(kāi)始運(yùn)行以后，首先是考察水力負(fù)荷調(diào)控對(duì)河道浄化器處理污染河水的效果，進(jìn)水負(fù)荷分別設(shè)定為O. 2m3/m2. d、0. 06m3/m2. d和0m3/m2. d (靜置)。然后再將河道浄化器中水位從O. 85m調(diào)低到O. 5m,考察在低水位下河道浄化器的效果，井比較在高低兩種水位下裝置的處理效果。進(jìn)水負(fù)荷為O. 2m3/m2. d時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。 I)進(jìn)水水力負(fù)荷為O. 2m3/m2. d條件下，河道凈化器的處理效果圖5說(shuō)明了河道凈化器在O. 2m3/m2. d進(jìn)水負(fù)荷下,河道中的氨氮、硝態(tài)氮和總氮的去除效果。進(jìn)水氨氮的濃度為3. 64mg/L,在距離進(jìn)水端7m處濃度已經(jīng)大幅下降，往后氨氮濃度仍緩慢降低，最終在出水端降為I. lOmg/し進(jìn)水中硝態(tài)氮的濃度為2. 18mg/L，從圖中可以看出河道對(duì)硝態(tài)氮雖然有一定的去除效果，但相對(duì)于氨氮和總氮來(lái)說(shuō)要低許多。最低硝態(tài)氮濃度出現(xiàn)在距離進(jìn)水端12. 5m處,最終出水濃度為I. 72mg/Lo進(jìn)水的總氮達(dá)6. 68mg/L，但其在河道中沿程持續(xù)降低，同樣在7m處的濃度降幅最大，出水的總氮濃度為3. 37mg/し所以，總體來(lái)看，“三氮”濃度在河道中均有不同程度的降低，其中氨氮的去除效果最佳，總氮次之，硝態(tài)氮的去除效果相對(duì)最差，經(jīng)過(guò)河道浄化器以后，氨氮、總氮和硝態(tài)氮濃度分別減少了 70%、50%和21%。在O. 2m3/m2. d的負(fù)荷下，河道中SRP和TP的沿程變化情況如圖6所示。從圖中可以看出進(jìn)水的SRP和TP的濃度分別為O. 84mg/L和I. 28mg/L，經(jīng)過(guò)河道凈化器以后，兩者的濃度分別降低了 9%和27%，出水的濃度分別為O. 77mg/L和O. 93mg/L。SRP的濃度最低值出現(xiàn)在河道凈化器的中間，之后濃度又略微上升，在該處的濃度為O. 62mg/L。TP的去除效果比較明顯，在進(jìn)水濃度為I. 28mg/L時(shí)，在距進(jìn)水端7m就已經(jīng)去除了 27%，之后河道中TP濃度略有波動(dòng)，但出水的濃度仍降至O. 93mg/L。圖7是河道凈化器在進(jìn)水負(fù)荷為O. 2m3/m2. d時(shí)，各形態(tài)氮磷在凈化渠內(nèi)的濃度變化情況。結(jié)合圖5和圖6中給出的進(jìn)水各污染物指標(biāo)的濃度可以發(fā)現(xiàn)，浄化渠對(duì)各污染指標(biāo)的去除效果是非常明顯的。圖7中的a圖是凈化渠不同位置處出水的氨氮濃度變化，可以明顯看出浄化渠上層對(duì)氨氮的去除效果最好，平均出水濃度O. 086mg/L，去除率高達(dá)98%，而中層和下層的出水中氨氮平均濃度分別為O. 48mg/L和O. 68mg/L。b圖是硝態(tài)氮濃度的變化，從圖中可知還是上層對(duì)硝態(tài)氮的去除效果最好，平均出水濃度為O. 42mg/L。與氨氮情況不同的是，浄化渠下層中的硝態(tài)氮濃度要低于中層，可以說(shuō)明由于下層的溶解氧濃度最低，所以反硝化作用去除了一部分硝態(tài)氮。c圖凈化渠中總氮濃度變化情況。總體來(lái)看，上層中的總氮濃度最低，下層次之，中間層的濃度最高，各層的平均濃度分別為O. 55mg/L、I. 50mg/L和I. 77mg/L，分析原因可能是上層為砂層且長(zhǎng)有蘆葦，通過(guò)砂層的吸附和蘆葦根系的吸收能去除一部分氨氮，當(dāng)然主要的是該層內(nèi)部有充足的溶解氧，使微生物活性較高，對(duì)總氮的去除效果也最好。而中層和下層為粒徑較大的礫石層，吸附、截留顆粒物的能力較砂層要弱，而且中下層的溶解氧濃度較低，致使微生物的活性總體上要低于上層。對(duì)于下層的總氮濃度低于中層，可能的原因就是下層的氧環(huán)境適宜反硝化菌的生長(zhǎng)，所以反硝化作用較強(qiáng)，將部分氮素轉(zhuǎn)化成氣態(tài)從水體中徹底去除。d圖和e圖是凈化渠中SRP和TP的濃度變化情況。從圖中可以看出上層對(duì)SRP和TP的去除效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于中層和下層，該層內(nèi)SRP和TP的平均濃度分別為O. 026mg/L和O. 17mg/L，而中層內(nèi)的SRP和TP平均濃度分別為O. 45mg/L和O. 67mg/L,下層內(nèi)的SRP和TP的平均濃度分別為O. 49mg/L和O. 68mg/L,但兩層的磷去除率均在40%以上。磷的去除主要通過(guò)介質(zhì)吸附、表面絡(luò)合反應(yīng)等途徑去除，上層粗砂的粒徑要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于中下層的礫石，具有更大的比表面積和活性吸附位點(diǎn)，同時(shí)蘆葦根系也能吸收部分磷，所以最終導(dǎo)致上層出水中SRP和TP的濃度要低于中下層，但總體上效果均較好。2)河道浄化器模擬裝置的總體運(yùn)行效果模擬裝置持續(xù)運(yùn)行經(jīng)歷了多個(gè)季節(jié)，蘆葦也經(jīng)歷了完成的生根、發(fā)芽、生長(zhǎng)、枯萎的完整過(guò)程。表I是裝置在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)各污染物的去除效果。表I水質(zhì)指標(biāo)的具體去除率
權(quán)利要求
1.河道凈化器技術(shù)是ー種污染河流水質(zhì)修復(fù)改善的新型技木，其特征包括人工河心洲、生態(tài)丁壩和生態(tài)凈化系統(tǒng)三部分。
2.根據(jù)權(quán)利I要求，人工河心洲延河流走向建造，其特征是人工河心洲上部高出水面，將河道分為兩半，ー側(cè)正常保持河道原有的行洪、魚(yú)類洄游等功能，另ー側(cè)構(gòu)建生態(tài)凈化系統(tǒng)。河心洲側(cè)面坡度為I : 3，底部四周采用大塊礫石(粒徑20-50cm)護(hù)腳，高出水面部分栽種水生植物。
3.根據(jù)權(quán)利I及權(quán)利2要求，生態(tài)丁壩垂直于河心洲而建，上部高出水面并栽種水生植物，坡度為I : 3，底部四周用大塊礫石( 粒徑20-50cm)護(hù)腳。
4.根據(jù)權(quán)利I要求，生態(tài)凈化系統(tǒng)包含生態(tài)凈化渠和生態(tài)好氧塘兩部分，主要特征是生態(tài)好氧塘連接生態(tài)凈化渠，構(gòu)成“凈化渠-好氧塘-浄化渠”串聯(lián)系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利I及權(quán)利4要求，生態(tài)凈化渠分為上下兩層，下層為50cm厚的粒徑為20-40cm礫石填料，上層為20cm厚的砂層，并在砂層中種植挺水植物；礫石層與砂層之間用土工布分隔。水位既可以控制在砂層以上，也可以控制在砂層以下。
全文摘要
一種用于污染河流水質(zhì)改善技術(shù)的河道凈化器技術(shù)。河道凈化器構(gòu)筑物包括人工河心洲、生態(tài)丁壩以及由生態(tài)凈化渠、生態(tài)好氧塘串聯(lián)而成的旁路生態(tài)凈化系統(tǒng)。通過(guò)人工河心洲分隔河道，構(gòu)建旁路生態(tài)凈化系統(tǒng)，同時(shí)利用生態(tài)丁壩擋水，使水進(jìn)入系統(tǒng)。旁路生態(tài)凈化系統(tǒng)在河道內(nèi)的交錯(cuò)分布，使河道呈蜿蜒曲折、急緩多變的多樣化形態(tài)，利于水體復(fù)氧及生態(tài)修復(fù)。部分水流將流經(jīng)旁路生態(tài)凈化系統(tǒng)，使水質(zhì)得到凈化；其余水流從河道流過(guò)，依托水體復(fù)氧和自凈功能降解污染物。旁路生態(tài)凈化系統(tǒng)工藝流程為“生態(tài)凈化渠-生態(tài)好氧塘-生態(tài)凈化渠-開(kāi)放河段”。
文檔編號(hào)C02F3/32GK102838208SQ20111017078
公開(kāi)日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2011年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月23日
發(fā)明者單保慶, 王元月, 唐文忠, 張文強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心