CN101153484A - 湖泊河口水面规模化漂浮植物养殖工程净化水质技术 - Google Patents

Abstract

一种湖泊河口水面规模化漂浮植物养殖工程净化水质的完备工艺和成套技术，主体由外界防护布水围隔、浮毯式消浪带、漂浮植物净化区、内侧布水围隔、曝气除臭复氧带、沉水植物净化区组成。通过外界防护布水围隔和浮毯式消浪带控制工程区边界，隔断工程区水体与湖面之间的水流交换并阻拟风浪；通过外界防护布水围隔和内侧布水围隔控制工程区进、出水流，实现均匀布水和统一水力停留时间；通过双列布设、弹性锚泊于湖底的大型网箱载体规模化养殖漂浮植物，成为净化水质的主要工艺单元；通过曝气带的除臭、复氧和沉水植物净化区的氧化净化去除出水中的臭气并恢复氧化状态，消除漂浮植物净化区出水对下游水体和周围环境的影响。可用于水体间连带污染的控制，包括入湖河流污染控制、出湖水流污染控制、湖泊沿岸污水排放点的水质净化、湖泊沿岸取水点(水源区)的水质净化等，对于去除藻类及氮、磷、有机污染物等均有显著功效。

Description

湖泊河口水面规模化漂浮植物养殖工程净化水质技术

所属技术领域：

水体环境工程。本发明涉及一种河口水面水质净化工程成套技术，包括边界防护、流场控制、大面积漂浮植物养殖、自然水体曝气除臭、沉水植物区氧化净化等，适用于在湖泊进、出河流的河口区水面建设临时性水质净化工程，去除自然水流中的藻类及各类污染物，控制地表水体间的连带污染。该项工程技术亦可用于湖岸污水排放点的水质净化或取水口的水质保护(尤其是漂浮性蓝藻的污染防护)。

背景技术：

入湖河流汇纳了径流区内难以控制的面源污染物和残留的点源污染物，是污染物进入湖泊的主要通道。对入湖河水进行拦截净化是一个很好的污染控制思路，已有河畔复合型湿地自流净化污染河水技术(抚仙湖)、构筑湿地抽提处理重污染河水技术(滇池)、河道水面生态浮床或漂浮植物养殖净化河水技术、河口自然湿地净化入湖河水技术等，得到了比较广泛的应用。但其局限性在于：占用陆地建设人工湿地的规模受到可利用土地面积的严格限制，并且人工湿地与河面之间存在高差，驱动人工湿地的运行尚需要较大水位差，提水造成了较高的运行能耗和费用；绝大部分河道已经高度人工化，河面宽度十分有限并且严格按照泄洪需要设计，河道水面生态浮床或漂浮植物养殖规模十分有限，并且存在阻碍泄洪问题，净化设施还有可能被洪水冲毁，漂浮植物因此而逸散全湖，有较大的生态风险；我国大部分湖泊堤岸人工化比较普遍，自然河口湿地已经很少存在。河口湖面提供了建设水质净化工程的广阔空间，完全可以根据需要确定建设规模，但风浪和水流冲击、水位自然波动以及河口区人工堤岸前的深水条件等是建设河口水质净化工程的主要限制因素。无锡市为减轻太湖蓝藻对梅园水厂的影响，曾经在取水口所在的渎山港河口水面建设竹篱圈养水葫芦，但因漂浮性蓝藻大量涌入水葫芦养殖区并在厌氧条件下腐烂分解，造成了严重的水质污染。至今尚未见到规模化、工艺化、工程化的河口湖面水质净化技术。

2003年云南省玉溪市星云湖暴发了严重的蓝藻水华，大量蓝藻经隔河下泄抚仙湖，危及抚仙湖水质和生态安全。玉溪市公开征集“隔河泄水蓝藻污染控制应急工程技术方案”，我们提出的“河口水面规模化漂浮植物养殖工程净化水质技术方案”入选，依托此项目我们研发了该项技术并在一年内成功实现了工程化应用。

发明内容：

本发明的目标在于：研发湖泊河口水面规模化漂浮植物养殖工程净化水质的完备工艺和成套技术，能够适应湖面风浪、水流、水位自然涨落、蓝藻污染、深水(10m以上)等自然条件，形成规模化、工艺化、工程化的河口湖面水质净化技术。为此，必须解决以下技术问题。

◆有效控制工程区外侧边界，实现工程区水体与湖面之间的隔离，防止水流和蓝藻对工程区的冲击，并抑制风浪，为工程区创造稳定的内部环境。

◆严格控制工程区内的水流，形成近似均一的扇形径向流场，保障滞留时间和净化效果。

◆在工程区深水条件下(10m以上)实现规模化、工程化的漂浮植物养殖。

◆对漂浮植物净化区出水实施脱臭、复氧、氧化净化处理，恢复其自然性状。

为解决以上技术问题并达到研发目标，这里以出湖河流河口水面水质净化工程为例，采取了以下技术方案。

(1)总体工艺

河口水面水质净化工程区以河口咽部为圆心呈扇形布设(附图1)，从外弧至圆心工艺过程为：外界防护布水围隔3→浮毯式消浪带4→漂浮植物净化区5→内侧布水围隔6→曝气除臭复氧带7→沉水植物净化区8→出水滤网9→泄水闸10→出水河道氧化沟11。

河口水面水质净化工程区的规模依据进水水质、出水标准、流量及温度条件等因子决定，滞留时间一般为10-20天，以去除藻类为目的时滞留时间不应小于14天。

(2)外界防护布水围隔

外界防护布水围隔3沿工程区外界弧线布设(图1)，将工程区与湖面水体1隔离开来，并兼有挡浪和控制进水功能。采用全封闭式柔性围隔结构(图2)，由柔性棒状浮体15、墙布17和石龙19三部分缝合而成，缝合处附加上纲绳16和下纲绳18。柔性棒状浮体15将围隔上端浮出水面，石龙19将围隔下端沉入湖底淤泥13中，借以形成封闭隔离作用。用缆绳21将围隔下纲绳18锚定在湖底木桩20上以防止围隔在水流和风浪冲击下发生位移，对应于缆绳21位置在围隔墙布17上附设尼龙带加强筋22，以增加围隔纵向强度。在围隔墙布17上水面下2-4m处设置一排进水孔23，其孔径和分布密度由所在位置的工程区径向水体断面面积确定，进水孔总面积(m²)＝设计过水流量(m³/s)÷设计过水流速(m/s)，进水孔23的设计过水流速为0.05m/s至0.1m/s。

(3)浮毯式消浪带

浮毯单元24采用有结尼龙网包裹禾草类植物漂浮植丛制成(图3)，为10m×10m正方形，四边附加纲绳25用于连接固定。浮毯式消浪带4沿工程区外界防护布水围隔3内侧弧线成单列布设(图1)，每个浮毯单元的四角以附加纲绳固定在φ800×400钢质浮鼓26上，相邻两个浮毯单元共用一对浮鼓。自每个浮鼓向湖底设斜拉缆绳27，斜拉缆绳下端固定在湖底木桩20上，斜拉缆绳设1.2左右的松弛系数以便适应水位变化和风浪引起的水面运动。

(4)漂浮植物净化区

漂浮植物养殖载体单元为10m×10m×0.4m的无盖聚乙烯网箱28(图4)，网箱四周上、下边缘附设八根聚乙烯纲绳29。养殖载体单元在漂浮植物净化区内沿扇形弧线成双列布设(图1)，网箱四角以纲绳29固定在φ800×400钢质浮鼓26上，相邻的网箱共用浮鼓。自双列网箱两侧的每个浮鼓向湖底设斜拉缆绳30，缆绳下端固定在湖底木桩20上，在缆绳2m左右水深处安装排水量45L的塑料浮球31，以便在水位变化时始终保持缆绳张紧(弹性锚泊)，保证网箱口部开张并高于水面。双列网箱之间保留10m左右间距，作为工程设施维护管理的通道(图1)。网箱内放养水葫芦等漂浮植物，这些水生植物充分生长后可蔓延覆盖双列网箱之间的通道，实现漂浮植物养殖区100％的水面覆盖。在冬季末期打捞处置漂浮植物，使漂浮植物覆盖度达到30％左右。

(5)内侧布水围隔

采用全封闭式柔性围隔(结构与边界防护布水围隔相同，见图2)，沿漂浮植物净化区内侧弧线布设(图1)，隔断水流进入河道的自然通路。在围隔水面下1.5m深度均匀布设一排进水孔23，进水孔总面积(m²)＝设计过水流量(m³/s)÷设计过水流速(m/s)，进水孔的设计过水流速一般在0.1m/s左右。内侧布水围隔6与外界防护布水围隔3配合，在扇形工程区内形成近似均一的径向流场32(图5)，使得沿径向水流在工程区内的滞留时间接近一致。同时使水流均匀通过内侧布水围隔6上的进水孔23，为相邻的曝气除臭复氧带7提供均匀的水力负荷。

(6)曝气除臭复氧带

如图6示，沿内侧布水围隔6的内侧，在支撑木桩33上架设弧线形曝气主管34，将一组微孔曝气管37安装在水面下2m深度，通过曝气支管35和球阀36与曝气主管连接。在曝气主管一端河岸上建鼓风机房12，由罗茨风机供气，供气压约30kpa，供气量为设计过水流量的五分之一至十分之一。通过对各布气支管上球阀的调节使整个曝气带的曝气强度趋于均匀。

(7)沉水植物净化区

如图1示，位于曝气除臭复氧带7内侧的河口咽部区域8，一般水比较浅，其面积约为整个河口水面水质净化工程区总面积的10％左右，水力滞留时间不小于24小时。高密度种植沉水植物，通过沉水植物光合作用释放的氧气以及沉水植物提供的表面吸附-生物膜作用完成对水体中污染物质的净化，使得出流水质接近于自然属性。

(8)出水滤网

如图7示，在河口咽部(沉水植物净化区8下游)设置由木桩38和上纲绳39支撑的拦污网40，拦污网用小网目(10-20mm)聚乙烯渔网制成，拦污网下端安装压脚石龙41，借以封闭河口，拦截打捞水流中携带的垃圾杂物和水生植物残体。

(9)泄水闸

为了控制泄水流量，充分发挥河口水面水质净化工程区的功能，可利用河道上原有的泄水闸10(图1)或新建泄水闸控制泄水流量，严格按照设计流量运行。在汛期如果上游湖泊水位过高需要泄洪时，可利用沙袋将两道布水围隔的浮体压入水面下，形成泄洪通道，再开启水闸至泄水流量。围隔上泄水通道的过水面积(m²)与泄洪流量(m³/s)的比值必须大于20，即围隔上泄水通道处的泄洪过水流速小于0.05m/s。

(10)出水河道氧化沟

对出水河道11(图1)进行必要的清淤并恢复水生植被和底栖动物，可以对下泻水流起到进一步自然氧化净化作用。

本发明实现了河口水面水质净化技术的规模化、工艺化和工程化，主要有以下优点：

(1)可靠的外侧边界防护。在深水(10m以上)条件下，将全封闭式柔性深水围隔与浮毯式消浪带组合使用，同时达到了工程区水体与湖面的隔离和平拟风浪之目的，解决了风浪、湖流、蓝藻等漂浮性污染物对工程区的冲击这一关键问题。

(2)两道全封闭式柔性围隔控制工程区布水。通过工程区外界和内侧两道柔性围隔上的进水孔控制工程区的进、出水流，并依据工程区水下地形和流量设计外侧防护布水围隔上进水孔的大小和密度，在扇形工程区内形成滞留时间相近的径向流场，保证了水质净化效果的空间一致性，实现了在河口水面水质净化工程区比较理想的布水。

(3)深水条件下大型载体漂浮植物规模化养殖。弹性锚泊于湖底的大型载体阵列为深水条件下的规模化漂浮植物养殖提供了可靠的手段，在漂浮植物100％覆盖水面和水位季节性涨落条件下，这样的漂浮载体系统可以稳定承载大面积漂浮植物，并能抵御强风的影响。

(4)曝气除臭复氧。在漂浮植物净化区下游布设曝气断面，通过曝气促进水体中气味物质的逸散并恢复水体氧化状态，消除了对下游水体和大气环境的不良影响。

(5)沉水植物氧化净化。漂浮植物净化区的出水达到了较高的清洁度，保证了2m左右的透明度和充足的水下光照，有利于河口咽部沉水植物净化区及出水河道中沉水植物的生长并提供了以下氧化净化机制：沉水植物通过光合作用直接将高氧化性能的氧气释放在水体中，可以使水体中的氧气含量过度饱和；沉水植物不仅提供了巨大的水中表面，并通过供氧、供碳形成了具有高氧化活性的生物膜。

附图说明：

图1——河口水面水质净化工程工艺布局

图2——全封闭式柔性围隔结构示意图

(a)柔性围隔横断面图

(b)柔性围隔侧面图

图3——浮毯式消浪带结构示意图

(a)浮毯单元及单列消浪带的组装固定

(b)消浪带连接部位断面图

图4——漂浮植物养殖载体单元及双列安装结构示意图

(a)漂浮植物养殖载体单元及其组装方式

(b)养殖载体连接部位断面图

图5——两道全封闭式柔性围隔控制工程区进出水形成的扇形流场

图6——曝气除臭复氧带结构示意图

(a)平面布设图

(b)局部结构图

图7——出水滤网结构示意图

(a)平面布设图

(b)局部结构图

图中：1.湖面，2.湖岸(人工堤)，3.外界防护布水围隔，4.浮毯式消浪带，5.布设大型载体阵列的漂浮植物净化区，6.内侧布水围隔，7.曝气除臭复氧带，8.沉水植物净化区，9.出水滤网，10.泄水闸，11.出水河道氧化沟，12.鼓风机房，13.水下松软淤泥层，14.水体，15.柔性棒状浮体，16.上纲绳，17.墙布，18.下纲绳，19.石龙，20.木桩，21.锚定缆绳，22.尼龙带加强筋，23.进水孔，24.浮毯单元，25.附加纲绳，26.浮鼓，27.斜拉缆绳，28.无盖聚乙烯网箱，29.纲绳，30.缆绳，31.塑料浮球，32.水流方向，33.曝气带支撑木桩，34.布气主管，35.布气支管，36.支管球阀，37.微孔曝气管，38.滤网支撑木桩，39.上纲绳，40.拦污网，41.压脚石龙。

具体实施方式：

本发明按照以下步骤进行工程性应用：

1.外界防护布水围隔、内侧布水围隔的制作与安装

(1)按照设计尺寸和材质要求，分段缝制墙布、石龙和柔性棒状浮体，每段的长度视宽度和材质而定，重量不宜超过200kg。

(2)按照设计位置投放浮标确定布设线路，搭建不小于6m×20m的浮动工作平台，自一端开始组装、布设围隔，边组装边布设，湖底定位木桩用水下打桩机施工。

2.浮毯式消浪带的制作与安装

(1)缝制10m×10m的正方形尼龙网片，以两层网片包裹禾草类植物漂浮植丛缝制成浮毯单体，沿四周缝结固定四根聚乙烯纲绳。

(2)按照设计位置进行组装和布设，以纲绳将浮毯单体的四角固定在四个浮鼓上，相邻两个浮毯单体共用一对浮鼓，自浮鼓向湖底木桩以斜拉绳固定。

3.漂浮植物养殖载体阵列的制作与安装

(1)缝制10m×10m×0.4m的无盖聚乙烯网箱，沿四周上、下边缝结固定八根聚乙烯纲绳。

(2)搭建不小于6m×20m的浮动工作平台，按照每一个载体阵列的设计位置自一端开始组装、布设。以纲绳将网箱的四角固定在四个浮鼓上，相邻网箱共用浮鼓，安装成双列。

自载体阵列两侧的每个浮鼓向湖底木桩以斜拉绳固定，并在斜拉绳上安装浮球。

(3)按照设计在每个网箱内放养漂浮植物。

4.曝气除臭复氧带的安装

(1)按照设计线路打支撑木桩，沿支撑木桩安装布气主管并接至陆上鼓风机房。

(2)在布气主管上安装预装好的布气主管+球阀+微孔曝气管套件。

5.出水滤网的制作与安装

(1)按照设计规格缝制滤网网片和石龙并进行缝合组装。

(2)按照设计线路打支撑木桩，沿木桩顶部布设上纲绳，将缝制好的滤网安装固定在支撑木桩的迎水一侧。

6.运行

(1)开启泄水闸并随时调节至设计流量，启动曝气系统，进入运行状态。

(2)每年冬末春初打捞处置约70％的漂浮植物。

应用举例：

本发明在云南省玉溪市星云湖“隔河泄水蓝藻去除应急工程”中得以正式应用。该工程利用星云湖隔河入口处建设扇形的蓝藻去除工程，半径400m，面积20公顷，最大水深10.5m，设计处理能力10万m³/d，蓝藻去除率80％-90％，水质提高一个等级。该工程2003年11月开工建设，2004年4月建成并投入运行，2005年通过验收，2007年通过技术成果鉴定，并被玉溪市授予科技进步一等奖。

Claims (5)

1.湖泊河口水面规模化漂浮植物养殖工程净化水质技术的整体工艺：①外界防护布水围隔→②浮毯式消浪带→③漂浮植物净化区→④内侧布水围隔→⑤曝气除臭复氧带→⑥沉水植物净化区→⑦出水滤网→⑧泄水闸→⑨出水河道氧化沟，其中①至⑤为核心工艺。

2.关键技术之一是利用全封闭式柔性边界防护布水围隔和浮毯式消浪带控制河口水质净化工程区外界，有效隔离工程区水体与湖面，防止风浪、水流、蓝藻的冲击。浮毯式消浪带由尼龙网包裹禾草类漂浮植丛成10m×10m浮毯单体，再与浮鼓组装成单列，通过斜拉缆绳自各个浮鼓固定在湖底木桩上。

3.关键技术之二是利用两道全封闭式柔性围隔控制河口水质净化工程区内的流场，实现了近似均匀的布水。根据工程区水下地形确定外界围隔上进水孔的大小和分布密度，根据工程区设计流量按照过水流速0.05-0.10m/s设计每道围隔上进水孔的总面积。

4.关键技术之三是弹性锚泊于深水区的大型载体阵列漂浮植物规模化养殖。以浮鼓支撑10m×10m×0.4m开口网箱成双列载体，并通过自两侧浮鼓向湖底木桩的弹性锚泊(装有45L浮球的斜拉缆绳)固定载体阵列并保持开口网箱纲绳的张紧，可适应水位波动并承受风力作用。

5.关键技术之四是通过曝气除臭复氧和沉水植物氧化净化恢复水体自然属性。将曝气除臭复氧带和沉水植物净化区结合，用以处理漂浮植物净化区的出水，具有驱散臭味、恢复氧化状态、深度净化水质之功效。

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