CN102838208A - 一种用于污染河流水质改善的河道净化器技术 - Google Patents

Abstract

一种用于污染河流水质改善技术的河道净化器技术。河道净化器构筑物包括人工河心洲、生态丁坝以及由生态净化渠、生态好氧塘串联而成的旁路生态净化***。通过人工河心洲分隔河道，构建旁路生态净化***，同时利用生态丁坝挡水，使水进入***。旁路生态净化***在河道内的交错分布，使河道呈蜿蜒曲折、急缓多变的多样化形态，利于水体复氧及生态修复。部分水流将流经旁路生态净化***，使水质得到净化；其余水流从河道流过，依托水体复氧和自净功能降解污染物。旁路生态净化***工艺流程为“生态净化渠-生态好氧塘-生态净化渠-开放河段”。

Description

一种用于污染河流水质改善的河道净化器技术

技术领域：

本专利涉及一种河道净化器技术，主要通过在水体受到污染和生境遭到破坏的流域河道内原位构建河道净化器，以改善污染河流水质并对受损河道进行生态修复。 

背景技术：

随着我国经济和社会的持续快速发展，对水资源的需求量越来越大，但同时产生的各种工业和生活废水也越来越多。据统计，2009年全国废水排放总量为589.2亿吨，比上年增加3.0％，其中工业废水排放量为234.4亿吨，生活废水排放量为354.8亿吨，分别占排放总量的39.8％和60.2％。虽然近年来我国工业企业和城乡居民的环境保护意识已经得到很大程度的提高，但由于我国过去一段时间着重发展经济而忽视了环境保护，此外还由于资金投入不足和环保领域的法律法规制度不健全等原因，导致目前我国的环境形势比较严峻。当前我国利用的水资源主要是河流、湖泊以及浅层地下水，其中以前两种为主，所以导致我国地表水资源连年减少，湖泊水位逐年降低，部分河道出现断流等现象。另一方面，我国的污水处理率远低于发达国家，而且污水厂的排放标准偏低，即使达标排放仍会对自然水体造成一定的破坏。处于城市下游的诸多河流已经接纳了大量城市污水厂出水，甚至直接在功能上将其划分为排污河道，此举造成了河流水生态的严重恶化，水功能遭到破坏，危及流域内的动植物，也给沿岸居民的生产生活带来严重的负面影响。所以，对受损河流的治理与修复势在必行。 

目前，对污染河流的生物/生态修复技术主要有以下几种。 

(1)植物修复技术 

用于水体修复的植物主要分为浮水、挺水和沉水三种类型，其代表性植物主要有芦苇、香蒲和风眼莲等。植物可以利用根系吸收水体中的溶解态氮、磷等营养盐供自身生长，发达的根系还具有吸附功能，植物通过光合作用产生的氧能够向根部传输并释放进入水体，在根系周围形成微小的好氧区域利于微生物降解污染物。此外，有研究表明，植物的根系能够分泌出具有杀菌和抑制藻类生长的物质。但是如果植物不收割，其吸收的氮磷物质在植物枯萎腐烂后仍会重新释放到水体中去，造成二次污染。 

(2)人工湿地技术 

人工湿地的污染净化过程涉及物理、化学和生物等多方面综合作用。对污染河水的净化主要有以下几种途径：通过过滤和截留去除颗粒物；通过湿地介质的吸附、络合、离子交换等作用去除磷和重金属离子；通过湿地微生物作用降解有机污染物，去除水中的氮；通过植物吸收去除水中的氮磷和富集的重金属。 

(3)生态稳定塘技术 

生态稳定塘是一种主要依靠自然生物净化功能的污水生物处理技术，主要分为好氧塘、兼性塘和厌氧塘三类，塘中污水的净化过程与自然水体的自净过程相近。污水在塘内流动缓慢，具有较长的停留时间，通过水中微生物的代谢活动和包括水生植物、鱼类等在内的多种生物的综合作用，使污染物降解，水体得到净化。塘内不同生物种群形成多条食物链网，构成完整的生态***。 

(4)砾石接触氧化技术 

砾石接触氧化技术是在河道中铺设砾石填料层，或将污染河水导流引入砾石填料层中，由于填料表面长有一层微生物膜，河水从砾石层中流过时与生物膜充分接触，水中污染物在膜中微生物作用下得到充分降解。同时，水中颗粒物也能够通过吸附、沉淀和截留等作用得到去除。 

本专利技术正是基于污染河流的生物生态修复原理，并结合上述几种已在国内外污染河流修复中应用的常见技术，通过在现有河道内部原位构建河道净化器，在不影响河道原有的行洪、运输及鱼类洄游等基本功能的前提下，对污染水体进行原位净化，达到对受损河道进行生物生态修复的目的。 

发明内容

河道净化器构筑物包括人工河心洲、生态丁坝以及由生态净化渠、生态好氧塘串联而成的旁路生态净化***。通过人工河心洲分隔河道，构建旁路生态净化***，同时利用生态丁坝挡水，使水进入***。旁路生态净化***在河道内的交错分布，使河道呈蜿蜒曲折、急缓多变的多样化形态，利于水体复氧及生态修复。部分水流将流经旁路生态净化***，使水质得到净化；其余水流从河道流过，依托水体复氧和自净功能降解污染物。旁路生态净化***工艺流程为“生态净化渠-生态好氧塘-生态净化渠-开放河段”。 

生态净化渠由填充砾石、砂层和植物组成。主体区为大量的砾石，依靠其较大的比表面积、丰富的Ca含量，同时借助渠道较为缓慢的流速，通过沉淀、截留、吸附等作用去除水体中COD、TP以及其他各类污染物。***上层由于植物根系的氧气传导作用，水体呈兼性偏好氧状态，大量微生物存在于本层区域，与植物共同作用，吸收转化污染物。***下层水深较大，基本呈厌氧状态，存在部分厌氧微生物，对水质净化起着相应作用。***下层更大的意义在于上层微生物死亡后逐渐进入下层，并最终沉淀、转化成泥炭层，将污染物永久地从水体中去除。当渠道内水位变动，或受到自然、人为扰动时，生态净化渠中水位随之波动，从而带来氧环境变动，为氨氮、总氮等的转化去除提供条件。 

生态净化渠依托河道而建，导致长宽比过大，末端易出现缺氧现象。国内外当前研究普遍认为，生态净化渠长宽比宜小于8，因此，生态净化渠后设置生态好氧塘或开放河段，使 水体复氧，以利于氨氮等的去除。 

附图说明：

图1为河道净化器总平面布置图(单位：米)； 

图2为河道净化器内各处的剖面图(单位：分米)； 

图3为河道净化器模拟装置平面图(单位：毫米)； 

图4为模拟装置内净化渠剖面图(单位：毫米)； 

图5为0.2m³/m².d负荷下，河道中“三氮”变化情况； 

注：横坐标“沿程采样距离”系指采样点距离进水端的距离，其中0m处为进水端，25m处为出水端(下同)； 

图6为0.2m³/m².d负荷下，河道中SRP和TP的变化情况； 

图7为0.2m³/m².d负荷下，净化渠中各指标的变化情况。 

具体实施方式：

根据待修复的具体河道设计了河道净化器，主要包含人工河心洲、生态丁坝和生态净化***。总平面布置图如图1所示。 

每段生态净化***长度为80m，宽约为7m，包含两座长度均为35m的生态净化渠和中间一个长为10m的生态好氧塘。生态净化渠上层20cm为砂层，种植挺水植物；下层填充50cm厚粒径为20-40cm的砾石；砾石层与砂层之间用土工布分隔。生态净化渠剖面图如图2a所示。 

人工河心洲在现有河底高程上由土方堆砌1.2m而成。河心洲形态随河道岸边形态而变化，长度为80m，顶部宽度1m，底部宽度7.2m，坡度为1∶3。河心洲四周采用大砾石(粒径20-50cm)护脚，防止水力冲刷。河心洲上栽种植物。 

生态丁坝垂直于河心洲而构建，长6m，高0.8m，顶部宽度1m，底部宽度5.8m，坡度为1∶3，顶部栽种植物。生态丁坝主要作用为分流来水进入生态净化渠，同时有一定的污染物净化效果。河道在生态丁坝及生态好氧塘处的剖面图分别为如图2b和图2c所示。 

河道净化器工程中，植物选择以土著物种、耐受性强、繁殖快为原则，挺水植物主要采用芦苇及香蒲，可在局部区域选用水葱或菖蒲；沉水植物采用菹草、金鱼藻、狐尾藻、苦草等。 

具体实施例： 

1.河道净化器模拟装置的构建 

2010年，在天津市武清区大黄堡乡选址建造了河道净化器模拟装置。模拟装置的尺寸为27×2×1.25m(长×宽×高)，底面坡度为1％，在进水端设有一个容积为2m³的进水池。装置内部设置两个长度均为8m的PVC板制作的截面为梯型的人工河心洲，安放在前后距进水端和出水端各3m的河道两边。梯型河心洲将2m宽的模拟装置纵向分割为两半。其中一边仍作为河道，具有开阔的水面，主要利用水中颗粒物自身的沉降作用以及水中的微生物作用去除污 染物，同时通过风力扰动表面复氧和水体中藻类的光合作用产生氧气，使水体具有相对较高的溶解氧。而另一半边填装不同粒径的砾石和粗砂，并在粗砂上面种植芦苇，建成生态净化渠来净化河水。利用的净化原理有人工湿地技术和砾石间接触氧化等，是对污染河水中污染物的一种人工强化降解。 

生态净化渠分别建在模拟河道的两边，长度均为8m，其中包含一个1m长的生态好氧塘和前后两个长均为3.5m的生态净化渠。净化渠的填料分为三层，最下层是30cm厚的粒径为40mm～60mm的大块砾石层，中间层是20cm厚的粒径为10mm～30mm的小砾石层，最上层是20cm厚的粗砂层。在粗砂层上栽种在当地适宜生长的芦苇。所以河道净化器模拟装置包含4个生态净化渠单元和两个生态好氧塘。 

分别在4个净化渠单元的中间垂直埋入3根一组的PVC管，管的末端均匀地打孔以利于过水，三根管子的下端分别埋在三层填料的中间处，便于测量电极***3根竖管中测量净化渠上中下三层内部的ORP、DO、pH等参数指标。另外，在填料各层的中间还埋有均匀打孔的水平导管并延伸至墙壁外侧，连接阀门，便于采集净化渠内部的水样以分析硝酸盐、氨氮等参数的变化情况。河道中也在沿程方向上设有3个采样点。模拟装置的平面图和净化渠的剖面图分别如图3和图4所示。 

河道净化器模拟装置于5月底完成芦苇的栽种，开始以平均0.06m³/m².d的负荷进水，一方面使装置成熟稳定，另一方面使芦苇尽快扎根存活。一段时间过后，芦苇长势良好，已经覆盖生态净化渠表面，此外砾石填料的表面也长有一层黄褐色的生物膜，显示河道净化器模拟装置已经进入成熟稳定阶段。随后模拟装置进入正式运行阶段。 

2.结果分析 

正式开始运行以后，首先是考察水力负荷调控对河道净化器处理污染河水的效果，进水负荷分别设定为0.2m³/m².d、0.06m³/m².d和0m³/m².d(静置)。然后再将河道净化器中水位从0.85m调低到0.5m，考察在低水位下河道净化器的效果，并比较在高低两种水位下装置的处理效果。进水负荷为0.2m³/m².d时的实验结果如下。 

1)进水水力负荷为0.2m³/m².d条件下，河道净化器的处理效果 

图5说明了河道净化器在0.2m³/m².d进水负荷下，河道中的氨氮、硝态氮和总氮的去除效果。进水氨氮的浓度为3.64mg/L，在距离进水端7m处浓度已经大幅下降，往后氨氮浓度仍缓慢降低，最终在出水端降为1.10mg/L。进水中硝态氮的浓度为2.18mg/L，从图中可以看出河道对硝态氮虽然有一定的去除效果，但相对于氨氮和总氮来说要低许多。最低硝态氮浓度出现在距离进水端12.5m处，最终出水浓度为1.72mg/L。进水的总氮达6.68mg/L，但其在河道中沿程持续降低，同样在7m处的浓度降幅最大，出水的总氮浓度为3.37mg/L。所以， 总体来看，“三氮”浓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，总氮次之，硝态氮的去除效果相对最差，经过河道净化器以后，氨氮、总氮和硝态氮浓度分别减少了70％、50％和21％。 

在0.2m³/m².d的负荷下，河道中SRP和TP的沿程变化情况如图6所示。从图中可以看出进水的SRP和TP的浓度分别为0.84mg/L和1.28mg/L，经过河道净化器以后，两者的浓度分别降低了9％和27％，出水的浓度分别为0.77mg/L和0.93mg/L。SRP的浓度最低值出现在河道净化器的中间，之后浓度又略微上升，在该处的浓度为0.62mg/L。TP的去除效果比较明显，在进水浓度为1.28mg/L时，在距进水端7m就已经去除了27％，之后河道中TP浓度略有波动，但出水的浓度仍降至0.93mg/L。 

图7是河道净化器在进水负荷为0.2m³/m².d时，各形态氮磷在净化渠内的浓度变化情况。结合图5和图6中给出的进水各污染物指标的浓度可以发现，净化渠对各污染指标的去除效果是非常明显的。图7中的a图是净化渠不同位置处出水的氨氮浓度变化，可以明显看出净化渠上层对氨氮的去除效果最好，平均出水浓度0.086mg/L，去除率高达98％，而中层和下层的出水中氨氮平均浓度分别为0.48mg/L和0.68mg/L。b图是硝态氮浓度的变化，从图中可知还是上层对硝态氮的去除效果最好，平均出水浓度为0.42mg/L。与氨氮情况不同的是，净化渠下层中的硝态氮浓度要低于中层，可以说明由于下层的溶解氧浓度最低，所以反硝化作用去除了一部分硝态氮。c图净化渠中总氮浓度变化情况。总体来看，上层中的总氮浓度最低，下层次之，中间层的浓度最高，各层的平均浓度分别为0.55mg/L、1.50mg/L和1.77mg/L，分析原因可能是上层为砂层且长有芦苇，通过砂层的吸附和芦苇根系的吸收能去除一部分氨氮，当然主要的是该层内部有充足的溶解氧，使微生物活性较高，对总氮的去除效果也最好。而中层和下层为粒径较大的砾石层，吸附、截留颗粒物的能力较砂层要弱，而且中下层的溶解氧浓度较低，致使微生物的活性总体上要低于上层。对于下层的总氮浓度低于中层，可能的原因就是下层的氧环境适宜反硝化菌的生长，所以反硝化作用较强，将部分氮素转化成气态从水体中彻底去除。d图和e图是净化渠中SRP和TP的浓度变化情况。从图中可以看出上层对SRP和TP的去除效果要远远好于中层和下层，该层内SRP和TP的平均浓度分别为0.026mg/L和0.17mg/L，而中层内的SRP和TP平均浓度分别为0.45mg/L和0.67mg/L，下层内的SRP和TP的平均浓度分别为0.49mg/L和0.68mg/L，但两层的磷去除率均在40％以上。磷的去除主要通过介质吸附、表面络合反应等途径去除，上层粗砂的粒径要远远小于中下层的砾石，具有更大的比表面积和活性吸附位点，同时芦苇根系也能吸收部分磷，所以最终导致上层出水中SRP和TP的浓度要低于中下层，但总体上效果均较好。 

2)河道净化器模拟装置的总体运行效果 

模拟装置持续运行经历了多个季节，芦苇也经历了完成的生根、发芽、生长、枯萎的完整过程。表1是装置在整个运行过程中对各污染物的去除效果。 

表1  水质指标的具体去除率 

上表列出了模拟装置在整个运行期间内的具体去除率数值。可以看出，装置对氨氮的去除效果非常好，最低值为45％，最高值达92％，平均去除率也均在70％以上。对总氮的去除效果也较好，最低去除率为30％，平均去除率在40％～55％之间。当重点关注河道净化器对污染河水中氮素的去除效果时，从上表看出，最优运行工况为进水负荷0.06m³/m²d并且保持高水位运行。在该工况下，氨氮、硝态氮、总氮、SRP和TP的平均去除率分别为77％、78％、55％、30％和31％。 

综述所述，河道净化器技术能够有效地去除污染河水中的氮磷污染物，又因为其具有建造费用低、运行简便、不消耗动力、不影响河道原有功能等诸多优点，所以能够普遍应用于各种受污染河道的生物生态修复，前景非常广泛。 

Claims (5)

1.河道净化器技术是一种污染河流水质修复改善的新型技术，其特征包括人工河心洲、生态丁坝和生态净化***三部分。

2.根据权利1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，将河道分为两半，一侧正常保持河道原有的行洪、鱼类洄游等功能，另一侧构建生态净化***。河心洲侧面坡度为1∶3，底部四周采用大块砾石(粒径20-50cm)护脚，高出水面部分栽种水生植物。

3.根据权利1及权利2要求，生态丁坝垂直于河心洲而建，上部高出水面并栽种水生植物，坡度为1∶3，底部四周用大块砾石(粒径20-50cm)护脚。

4.根据权利1要求，生态净化***包含生态净化渠和生态好氧塘两部分，主要特征是生态好氧塘连接生态净化渠，构成“净化渠-好氧塘-净化渠”串联***。

5.根据权利1及权利4要求，生态净化渠分为上下两层，下层为50cm厚的粒径为20-40cm砾石填料，上层为20cm厚的砂层，并在砂层中种植挺水植物；砾石层与砂层之间用土工布分隔。水位既可以控制在砂层以上，也可以控制在砂层以下。

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