CN117105425B - 一种黑臭水体的资源化生态治理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生态治理技术领域，尤其涉及一种黑臭水体的资源化生态治理方法，所述方法包括：采集黑臭水体相关参量，所述黑臭水体相关参量包括：黑臭水体水质参量和黑臭水体底泥参量，基于黑臭水体水质参量选择生态浮岛治理装置配比，基于费用效益比选择黑臭水体底泥资源化治理方案。本发明通过计算生态浮岛治理装置配比和最优费用效益比，能选择更合适的治理和资源化方案，能够更加高效的对黑臭水体进行治理。
Description
技术领域
本发明涉及生态治理技术领域，尤其涉及一种黑臭水体的资源化生态治理方法。
背景技术
黑臭水体的污染源主要有点源污染、面源污染、内源污染及其他污染源，其中内源污染主要为水体中污染超标的底泥以及水中的各种垃圾、漂浮物、腐败的水生植物或藻类等。黑臭水体底泥是污染物的汇聚和源头，即水体中的污染物会汇聚沉积至底泥中，底泥中的污染物也会释放至水体中。疏挖黑臭水体底泥污染物可减少底泥污染物向水体释放，是清除内源污染最直接的措施，特别是针对重度黑臭水体效果更为明显。如果仍然采用传统的堆弃方式处理水体底泥，不仅会造成土地被大量占用，而且堆弃的底泥很容易因降雨降雪的冲刷给环境带来二次污染，对土地和水环境的影响极大，底泥除了含有砂、石之外，还含有氮、磷等有机质营养成分，且其性质与黏土接近，因而具有很高的利用价值。但是，目前我国水体疏浚底泥的处理方式仍采用填埋、弃置、堆肥等传统方法。
如授权公告号为CN108545889B的中国专利公开了黑臭河道水体治理方法，包括：S1，将河道待治理段分成多个治理单元，抽取每个治理单元的水样进行COD测试并分为多个对应等级；S2，将排污管封闭再对治理单元内进行清淤；S3，待S2中清淤处理完成后，再对每个治理单元进行水样COD测试并重新分为多个对应等级；S4，根据治理单元不同的等级，对河道水体进行相应的水质处理；S5，后续处理及运营维护。通过上述设置，将河道水体分成多个等级并对应分开处理，首先各个部分的水体能够得到相似的治理效果，同时能够节省较大的成本，其次能够根据不同的等级来调整对不同水体治理所需要的步骤或试剂。
如授权公告号为CN108217957B的中国专利公开了河道黑臭水体综合治理装置及方法，包括：包括生态浮床，所述生态浮床上种植与水生植物，所述生态浮床的底部设置有曝气装置和微生物挂膜装置；所述曝气装置包括鼓风曝气机和设置在浮床底部的气体输送管，所述气体输送管上设置有曝气孔；所述鼓风曝气机通过输气管与所述气体输送管连通；所述微生物挂膜装置包括微生物制品输送管和若干仿生碳纤维水草，所述微生物制品输送管内填充有微生物制品，所述微生物制品输送管上设置有若干排料孔，各所述仿生碳纤维水草沿竖直方向设置在所述微生物制品输送管上，且各仿生碳纤维水草的进料口与所述排料孔一一对应连通。该发明低成本、结构简单，能够净化水体，解决河道水体污染问题。
以上专利均存在本背景技术提出的问题：城市黑臭水体的治理一般是按照污染源头控制、水质修复、生态修复、常态管理思路进行的，其中实现水体水质控制是治理体系中的关键环节，需要对黑臭水体本身参量和生态浮岛水生植物吸附污染物能力和无机基质吸附能力进行具体分析，以此选择最优方案配比；底泥利用途径主要包括直接土地利用、绿化种植土、填方、制备建筑骨料等，而目前的底泥处理利用方式较为简单，没有定量分析底泥资源化的成本费用，也没有对经济效益进行分析和评价。为了解决这些问题，本申请设计了一种黑臭水体的资源化生态治理方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供了一种黑臭水体的资源化生态治理方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种黑臭水体的资源化生态治理方法，包括：
采集黑臭水体相关参量，所述黑臭水体相关参量包括：黑臭水体水质参量和黑臭水体底泥参量；
基于黑臭水体水质参量选择生态浮岛治理装置配比；
计算最优费用效益比，并根据最优费用效益比选择黑臭水体底泥资源化治理方案。
进一步地，所述黑臭水体水质参量包括：黑臭水体化学需氧量COD、黑臭水体pH值、黑臭水体氨氮量NH3-N、黑臭水体总磷TP、黑臭水体总氮TN、黑臭水体氧化还原电位ORP和黑臭水体透明度。
进一步地，所述黑臭水体底泥参量包括：黑臭水体底泥含水率、黑臭水体底泥重金属含量和黑臭水体底泥pH值。
进一步地，所述生态浮岛治理装置包括：水生植物种植模块、浮体模块和无机基质模块，其中，所述水生植物种植模块由固定水生植物的框架构成，框架设置成纵横交错的条形板，并且将条形板设计成可调节大小的装置；无机基质模块设置基质槽体，用于吸水；基质槽体上方设置可活动套板，用于进行无机基质的放置与替换；浮体模块由PVC管制成，用于使整个生态浮岛治理装置漂浮在水体上。
进一步地，所述生态浮岛治理装置配比包括：水生植物配比和无机基质配比，其中，所述水生植物包括：旱伞草、菖蒲和鸢尾；所述无机基质包括：陶粒和火山石。
进一步地，评价指标包括方案经济成本、方案水质改善程度、方案操作难易程度、方案实施时长和方案长期环境效益。
进一步地，所述基于黑臭水体水质参量选择生态浮岛治理装置配比包括：
计算基于水生植物配比的黑臭水体水质参量去除率，
，
其中，表示基于水生植物配比的黑臭水体水质参量去除率，/>表示第/>种黑臭水体水质参量，/>、/>和/>分别表示水生植物中旱伞草、菖蒲和鸢尾的配比比例，，/>、/>和/>分别表示水生植物中旱伞草、菖蒲和鸢尾对黑臭水体中第/>种水质参量去除率；
计算基于无机基质配比的黑臭水体水质参量吸附程度，
，
其中，表示基于无机基质配比的黑臭水体水质参量吸附程度，/>表示第/>种黑臭水体水质参量，/>和/>分别表示无机基质中陶粒和火山石的配比比例，/>，和/>分别表示无机基质中陶粒和火山石对黑臭水体中第/>种水质参量吸附程度；
设定计算基于生态浮岛治理装置配比的黑臭水体水质净化系数为，计算公式为：
；
选择当基于生态浮岛治理装置配比的黑臭水体水质净化程度取最大值时，旱伞草、菖蒲和鸢尾的配比比例/>、/>和/>与无机基质中陶粒和火山石的配比比例/>和/>作为生态浮岛治理装置配比。
进一步地，所述选择黑臭水体底泥资源化治理方案包括：
基于黑臭水体底泥参量选择黑臭水体底泥资源化治理方案，并采集方案数据进行分析；
计算黑臭水体底泥资源化治理方案成本费用和资源化效益；
选择最优费用效益比对应的方案为最优资源化治理方案。
进一步地，所述黑臭水体底泥资源化治理方案包括：黑臭水体底泥治理方案和黑臭水体底泥资源化方案；黑臭水体底泥治理方案包括：物理分离法、稳定固化法和底泥脱水法；黑臭水体底泥资源化方案包括：土地堆肥、焚烧发电和建材制作。
进一步地，所述成本费用包括：治理成本费用和资源化生产成本费用；所述资源化效益包括：土地堆肥作为肥料、种植土省去的对土地施肥费用；底泥制成的建材用来销售的经济效益；焚烧发电产生的发电量带来的经济效益。
进一步地，所述计算最优费用效益比的计算公式为：
，
其中，表示第/>种黑臭水体底泥治理方案，/>表示第/>种黑臭水体底泥资源化方案，/>表示第/>种黑臭水体底泥治理方案和第/>种黑臭水体底泥资源化方案的费用效益比，/>表示第/>种黑臭水体底泥治理方案的治理成本费用，/>表示第种黑臭水体底泥资源化方案的资源化生产成本费用，/>表示第/>种黑臭水体底泥资源化方案的资源化效益；
取最小值时的/>为最优费用效益比。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明提出的一种黑臭水体的资源化生态治理方法，通过计算基于水生植物配比的黑臭水体水质参量去除率，并计算基于无机基质配比的黑臭水体水质参量吸附程度，能选择当黑臭水体水质净化程度最大时的旱伞草、菖蒲和鸢尾的配比比例与无机基质中陶粒和火山石的配比比例。
2.本发明提出的一种黑臭水体的资源化生态治理方法，基于黑臭水体底泥参量，计算黑臭水体底泥资源化治理方案成本费用和资源化效益，并基于费用效益比选择最优资源化治理方案，能使得黑臭水体底泥资源化治理效益最大化。
3.本发明提出的一种黑臭水体的资源化生态治理方法，通过把黑臭水体分为水质治理部分和底泥资源化治理部分，分别对两部分治理方案进行分析，能对水质治理部分和底泥资源化治理部分都实现精准地把控。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例1中一种黑臭水体的资源化生态治理方法流程示意图；
图2为本发明实施例2中一种黑臭水体的资源化生态治理方法生态浮岛治理装置图；
图3为本发明实施例3中一种黑臭水体的资源化生态治理方法水质治理方案流程图；
图4为本发明实施例4中一种黑臭水体的资源化生态治理方法底泥资源化治理方案流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
请参阅图1，本发明提供的一种实施例：一种黑臭水体的资源化生态治理方法，包括：
采集黑臭水体相关参量，所述黑臭水体相关参量包括：黑臭水体水质参量和黑臭水体底泥参量；
基于黑臭水体水质参量选择生态浮岛治理装置配比；
计算最优费用效益比，并根据最优费用效益比选择黑臭水体底泥资源化治理方案。
所述黑臭水体水质参量包括：黑臭水体化学需氧量COD、黑臭水体pH值、黑臭水体氨氮量NH3-N、黑臭水体总磷TP、黑臭水体总氮TN、黑臭水体氧化还原电位ORP和黑臭水体透明度。
黑臭水体水质参量由便携式水质仪器原位检测和实验室水质仪器检测。
所述黑臭水体底泥参量包括：黑臭水体底泥含水率、黑臭水体底泥重金属含量和黑臭水体底泥pH值。
黑臭水体底泥重金属含量通过对所提取的底泥使用微波消解仪进行消解，消解后使用电感耦合等离子体质谱ICP进行重金属种类及含量检测；黑臭水体底泥pH值采用土壤pH测定仪检测10个取样点底泥的pH值；黑臭水体底泥含水率通过使用冷冻干燥机，在实验室进行干燥实验，采用称重法进行测量，通过土壤含水率公式进行计算。
实施例2
请参阅图2，所述生态浮岛治理装置包括：水生植物种植模块、浮体模块和无机基质模块，其中，所述水生植物种植模块由固定水生植物的框架构成，框架设置成纵横交错的条形板，并且将条形板设计成可调节大小的装置；无机基质模块设置基质槽体，用于吸水；基质槽体上方设置可活动套板，用于进行无机基质的放置与替换；浮体模块由PVC管制成，用于使整个生态浮岛治理装置漂浮在水体上。
早期浮体主要为由竹子、树枝、稻秆和其他天然材料制成的框架结构，在应用于水处理时必须能够承受一定强度的风浪。此后，随着生态浮岛的发展，聚氯乙烯、UPVC管、发泡管、塑料网、聚丙烯球等浮体逐渐被引入。与天然材料相比，这些新型载体具有稳定性高，耐久性好，抗冲击载荷性强且不溶解的优点。
生态浮岛的作用主要针对富营养化的水质而言，通过减少COD(化学需氧量)、氮、磷的浓度来抑制赤潮的发生，提高水的透视度。水质净化要素有：1、植物茎等表面对生物特别是藻类的吸附；2、植物的营养吸收；3、水生昆虫的摄饵、羽化等；4、鱼类的摄饵、捕食；5、防止已沉淀的悬浮性物质再次上浮；6、日光的遮蔽效果；7、在湖泥表面的除氮。
所述生态浮岛治理装置配比包括：水生植物配比和无机基质配比，其中，所述水生植物包括：旱伞草、菖蒲和鸢尾；所述无机基质包括：陶粒和火山石。
水生植物作为生态浮岛的重要组成部分，不仅不断吸收污染物以满足自身生长发育，还通过植物根部为微生物的生长提供附着点，利用微生物的同化和转化来去除污染物；而无机基质具有吸附、絮凝和沉积水中污染物的功能，这些无机基质进一步增强了生态浮岛改善水质的作用。
实施例3
请参阅图3，所述基于黑臭水体水质参量选择生态浮岛治理装置配比包括：
计算基于水生植物配比的黑臭水体水质参量去除率，
，
其中，表示基于水生植物配比的黑臭水体水质参量去除率，/>表示第/>种黑臭水体水质参量，/>、/>和/>分别表示水生植物中旱伞草、菖蒲和鸢尾的配比比例，，/>、/>和/>分别表示水生植物中旱伞草、菖蒲和鸢尾对黑臭水体中第/>种水质参量去除率；
计算基于无机基质配比的黑臭水体水质参量吸附程度，
，
其中，表示基于无机基质配比的黑臭水体水质参量吸附程度，/>表示第/>种黑臭水体水质参量，/>和/>分别表示无机基质中陶粒和火山石的配比比例，/>，和/>分别表示无机基质中陶粒和火山石对黑臭水体中第/>种水质参量吸附程度；
设定计算基于生态浮岛治理装置配比的黑臭水体水质净化系数为，计算公式为：
；
选择当基于生态浮岛治理装置配比的黑臭水体水质净化程度取最大值时，旱伞草、菖蒲和鸢尾的配比比例/>、/>和/>与无机基质中陶粒和火山石的配比比例/>和/>作为生态浮岛治理装置配比。
其中，所述水生植物中旱伞草、菖蒲和鸢尾对黑臭水体中水质参量去除率由模拟实验测得，所述模拟实验包括：实验采用模拟生态浮岛的方式在实验室内开展；试验时每个装置里注入人工配置的同样污染程度的污水；将同一种水生植物与塑料浮板利用扎绳固定形成生态浮岛，植物的根部被浸泡在水样中以评估黑臭水体水质参量去除率，并将无机基质同样泡在水样中以评估黑臭水体水质参量吸附程度；每个试验桶每日取水样用于测定，并且定期补充蒸馏水，以补偿因蒸发和植物蒸腾而造成的水分损失，从而保证水位一致；取样频率每3天一次，取样前将水样混合均匀，消除实验误差；实验结束时，测量每个不同配比的生态浮岛黑臭水体水质参量具体数值，从而可以算出黑臭水体水质参量去除率、、/>和黑臭水体水质参量吸附程度/>和/>。
实施例4
请参阅图4，选择黑臭水体底泥资源化治理方案包括：
基于黑臭水体底泥参量选择黑臭水体底泥资源化治理方案，并采集方案数据进行分析；
计算黑臭水体底泥资源化治理方案成本费用和资源化效益；
选择最优费用效益比对应的方案为最优资源化治理方案。
黑臭水体底泥资源化治理方案包括：黑臭水体底泥治理方案和黑臭水体底泥资源化方案；黑臭水体底泥治理方案包括：物理分离法、稳定固化法和底泥脱水法；黑臭水体底泥资源化方案包括：土地堆肥、焚烧发电和建材制作。
物理分离法是指通过物理方法，将底泥中的垃圾、砂石筛分出来，垃圾外运集中处置，砂石则通过淋洗净化后，根据砂石的分级分别回收利用；稳定固化法是指在淤泥中加入材料，对淤泥进行改性、固化、稳定化，形成具有一定强度、可供利用的改性土，同时可改变淤泥中的污染物、重金属的形态，降低其活性，避免有害物质析出，污染周围环境；底泥脱水方法主要有自然干化、真空预压、土工管袋脱水和机械脱水。
土地堆肥是指利用生物降解过程将有机废弃物转化为具有良好肥力的有机肥料，用于改良土壤质量和提供植物所需的营养；底泥可制成的建材主要有水泥、砖、轻质骨料（陶粒）、微晶玻璃和纤维板等；焚烧发电可在较短的时间内处理大量城市污水厂的污泥，且在减容、减量的同时还能回收热能进行发电或者供热。
所述成本费用包括：治理成本费用和资源化生产成本费用；所述资源化效益包括：土地堆肥作为肥料、种植土省去的对土地施肥费用；底泥制成的建材用来销售的经济效益；焚烧发电产生的发电量带来的经济效益。
所述计算最优费用效益比的计算公式为：
，
其中，表示第/>种黑臭水体底泥治理方案，/>表示第/>种黑臭水体底泥资源化方案，/>表示第/>种黑臭水体底泥治理方案和第/>种黑臭水体底泥资源化方案的费用效益比，/>表示第/>种黑臭水体底泥治理方案的治理成本费用，/>表示第种黑臭水体底泥资源化方案的资源化生产成本费用，/>表示第/>种黑臭水体底泥资源化方案的资源化效益；
取最小值时的/>为最优费用效益比，选择最优费用效益比对应的第/>种黑臭水体底泥治理方案和第/>种黑臭水体底泥资源化方案作为最优方案。
实施例5
采集资源化生产成本费用、治理成本费用和资源化效益的相关数据，包括资源化市场价、污泥处理厂处理数据、底泥处置项目数据等；
以建材制作为例，资源化生产成本费用为：某污泥处理厂污泥制陶粒成本为400元每吨，按照底泥40%含水率折算底泥制陶粒的成本为640元每立方；
以建材制作为例，资源化效益为：每消耗1吨污泥可生成1.1立方的陶粒，普通陶粒市场价约为200元每立方，则每吨污泥制陶粒的效益为220元；
以物理分离法为例，治理成本费用为：以某底泥处置项目为指标，包括设备成本和运行成本，该项目底泥处理量除以设备成本得到平均单位设备成本，运行成本根据中电建水环境治理技术有限公司企业标准得到平均单位运行成本，平均单位的总成本为平均单位设备成本与平均单位运行成本之和，为33.8元每立方；
所以利用物理分离法治理和建材制作资源化的费用效益比为：(33.8+640)/220=3.063。
以上所述仅为本申请的较佳实例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。
Claims (5)
1.一种黑臭水体的资源化生态治理方法，其特征在于，包括：
采集黑臭水体相关参量，所述黑臭水体相关参量包括：黑臭水体水质参量和黑臭水体底泥参量；
基于黑臭水体水质参量选择生态浮岛治理装置配比；
计算最优费用效益比，并根据最优费用效益比选择黑臭水体底泥资源化治理方案；
所述黑臭水体水质参量包括：黑臭水体化学需氧量COD、黑臭水体pH值、黑臭水体氨氮量NH3-N、黑臭水体总磷TP、黑臭水体总氮TN、黑臭水体氧化还原电位ORP和黑臭水体透明度；
所述黑臭水体底泥参量包括：黑臭水体底泥含水率、黑臭水体底泥重金属含量和黑臭水体底泥pH值；
所述生态浮岛治理装置配比包括：水生植物配比和无机基质配比，其中，所述水生植物包括：旱伞草、菖蒲和鸢尾；所述无机基质包括：陶粒和火山石；
所述基于黑臭水体水质参量选择生态浮岛治理装置配比包括：
计算基于水生植物配比的黑臭水体水质参量去除率，
f(n)＝(a×ca(n)+b×cb(n)+c×cc(n))，
其中，f(n)表示基于水生植物配比的黑臭水体水质参量去除率，n表示第n种黑臭水体水质参量，a、b和c分别表示水生植物中旱伞草、菖蒲和鸢尾的配比比例，a+b+c＝1，ca(n)、cb(n)和cc(n)分别表示水生植物中旱伞草、菖蒲和鸢尾对黑臭水体中第n种水质参量去除率；
计算基于无机基质配比的黑臭水体水质参量吸附程度，
g(n)＝(t×ct(n)+h×ch(n))，
其中，g(n)表示基于无机基质配比的黑臭水体水质参量吸附程度，n表示第n种黑臭水体水质参量，t和h分别表示无机基质中陶粒和火山石的配比比例，t+h＝1，ct(n)和ch(n)分别表示无机基质中陶粒和火山石对黑臭水体中第n种水质参量吸附程度；
设定基于生态浮岛治理装置配比的黑臭水体水质净化系数为Z，计算公式为：
选择当基于生态浮岛治理装置配比的黑臭水体水质净化程度Z取最大值时，旱伞草、菖蒲和鸢尾的配比比例a、b和c与无机基质中陶粒和火山石的配比比例t和h作为生态浮岛治理装置配比；
所述计算最优费用效益比的计算公式为：
β(qp)＝(x(q)+y(p))/f(p)，
其中，q表示第q种黑臭水体底泥治理方案，p表示第p种黑臭水体底泥资源化方案，β(qp)表示第q种黑臭水体底泥治理方案和第p种黑臭水体底泥资源化方案的费用效益比，x(q)表示第q种黑臭水体底泥治理方案的治理成本费用，y(p)表示第p种黑臭水体底泥资源化方案的资源化生产成本费用，f(p)表示第p种黑臭水体底泥资源化方案的资源化效益；
β(qp)取最小值时的β(qp)为最优费用效益比。
2.根据权利要求1所述的一种黑臭水体的资源化生态治理方法，其特征在于，所述生态浮岛治理装置包括：水生植物种植模块、浮体模块和无机基质模块，其中，所述水生植物种植模块由固定水生植物的框架构成，框架设置成纵横交错的条形板，并且将条形板设计成可调节大小的装置；无机基质模块设置基质槽体，用于吸水；基质槽体上方设置可活动套板，用于进行无机基质的放置与替换；浮体模块由PVC管制成，用于使整个生态浮岛治理装置漂浮在水体上。
3.根据权利要求2所述的一种黑臭水体的资源化生态治理方法，其特征在于，所述选择黑臭水体底泥资源化治理方案包括：
基于黑臭水体底泥参量选择黑臭水体底泥资源化治理方案，并采集方案数据进行分析；
计算黑臭水体底泥资源化治理方案成本费用和资源化效益；
选择最优费用效益比对应的方案为最优资源化治理方案。
4.根据权利要求3所述的一种黑臭水体的资源化生态治理方法，其特征在于，所述黑臭水体底泥资源化治理方案包括：黑臭水体底泥治理方案和黑臭水体底泥资源化方案；所述黑臭水体底泥治理方案包括：物理分离法、稳定固化法和底泥脱水法；所述黑臭水体底泥资源化方案包括：土地堆肥、焚烧发电和建材制作。
5.根据权利要求4所述的一种黑臭水体的资源化生态治理方法，其特征在于，所述成本费用包括：治理成本费用和资源化生产成本费用；所述资源化效益包括：土地堆肥作为肥料、种植土省去的对土地施肥费用；底泥制成的建材用来销售的经济效益；焚烧发电产生的发电量带来的经济效益。
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