CN101544446B

CN101544446B - 一种微污染河道生物生态修复的系统

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Publication number: CN101544446B
Application number: CN2009100505039A
Authority: CN
Inventors: 徐亚同; 何国富; 何淑英; 张明
Original assignee: East China Normal University
Current assignee: East China Normal University
Priority date: 2009-05-04
Filing date: 2009-05-04
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2029-05-04
Also published as: CN101544446A

Abstract

本发明涉及水环境生态修复技术领域，尤其涉及一种微污染河道生物生态修复的系统，生物接触氧化模块采用弹性立体填料或组合填料，河道沿岸设置挺水植物浮床或浮水植物浮床，在河道上下游设置浮水植物净化带，浮床的水面覆盖率为15-20％；在河道两岸种植挺水植物和在水面抛种浮叶植物、在两倍透明度以上的水域范围内种植沉水植被；在河道两边的坡地上扦插未发芽的杨树或柳树枝条，同时在坡地的不同位置采用将杨树枝条或柳树枝条捆扎成一束的柴笼方式，按等高线水平浅埋入坡岸。本发明同现有技术相比，河道生态修复和构建，实现对一定浓度范围内的污染物自净化、自调节和自维持，是现阶段在无法实行全流域截污的条件下进行改善水质的有效途径。

Description

一种微污染河道生物生态修复的系统

[技术领域]

本发明涉及水环境生态修复技术领域，尤其涉及一种微污染河道生物生态修复的系统。

[背景技术]

水体富营养化是目前全国性的水环境问题，对受污染的河道进行治理修复是社会经济发展及生态环境建设的迫切需要，通常所指的水体污染主要包括氮、磷等营养物和有机物污染两方面，其去除也成为治理的关键，河道水质净化是一项复杂的系统工程，氮、磷等营养物和有机物污染的去除是治理的关键，其水污染主要技术可分为物理、化学和生物三类方法。目前水体治理的技术主要包括：引水冲淤和调水、人工增氧等工程措施；混凝沉淀、药剂杀藻、等物化方法；栽种高等水生植物等生态方法，然而，这些方法和措施中有些耗水、耗电量大，有些时间长见效慢，有些治标不治本，生物-生态法是国内、外近年来发展迅猛的一种新技术，具有处理效果好、造价低、耗能低、运行成本低等优点。

[发明内容]

本发明的目的在于克服现有技术的不足，采用环境工程与生态工程结合的技术，即生物接触氧化填料工艺、挺水植物与浮水植物浮床工程、水生生态系统构建技术、生态护坡工程，在此生物生态修复系统的作用下，有效改善并维持水体水质，优化水生生态系统，同时达到优化景观的效果。

为实现上述目的，本发明提出一种微污染河道生物生态修复的系统，包括生物接触氧化填料、挺水植物与浮水植物生态浮床、水生生态系统、生态护坡工程，其特征在于：所述的生物接触氧化模块是在毛竹框架内以25条/m³设置弹性立体填料或组合填料而成，置于河道水下0.5m；所述挺水植物和浮水植物生态浮床包括：河道沿岸设置挺水植物浮床或浮水植物浮床，且在河道上下游设置浮水植物净化带，浮床的水面覆盖率为15-20％；所述水生生态系统：在河道两岸种植挺水植物和在水面抛种浮叶植物、在两倍透明度以上的水域范围内种植沉水植被；所述生态护坡是在河道两边的坡地上直接扦插未发芽的杨树枝条或柳树枝条，同时在坡地的不同位置采用将杨树枝条或柳树枝条捆扎成一束的柴笼方式，按等高线水平浅埋入坡岸。

所述的浮床中所采用的挺水植物为芦苇与黄菖蒲、千屈菜、美人蕉、花叶芦竹、梭鱼草、再力花中的任意组合，种植密度为20株/m²；所述的浮水植物浮床中所采用的浮水植物采用聚草和香菇草的任意组合，种植密度为10株/m²；所述的浮水植物净化带是采用聚草、水花生、空心菜或香菇草中的任意组合。

所述的在河道两岸种植的挺水植物，是指在水面±0.5m范围以内的河堤上种植芦苇与黄菖蒲、千屈菜、香蒲或美人蕉中的任意若干种的组合，种植密度为20株/m²；所述的浮叶植物，是指在河道水面以下0.5m～1.5m范围内抛种睡莲或菱，浮水植物先在透明度高、水体浅的区域进行培养，生根后移植至需净化的区域，种植密度为10株/m²；所述的沉水植物是采用萍蓬草、菹草、马来眼子菜、狐尾藻或苦草的任意组合，其抛种的平面位置在两倍透明度以上的水域范围内，先用泥土裹住沉水植物的根部或茎部再抛入需净化的区域，抛种的密度为25株/m²。

本发明同现有技术相比，生物接触氧化净化工艺属于生物修复技术，为细菌，特别是世代时间长的硝化细菌提供载体附着生长，有效减少这类微生物的流失，通过微生物的生长繁殖与代谢来促进水体中氨氮、总氮及有机物的分解转化，此工艺吸取生物膜法处理污水的技术经验，为参与污染物净化的微生物、原生动物、小型浮游动物、甲壳动物等提供生长条件，通过形成一整条食物链，河水中污染物得到彻底地分解和转化，无需后期管理，管理维护方便；并充分考虑到节能问题，在水体中采取不布设曝气装置的措施，无动力消耗，将生物种群的品种、密度都成倍增加，使其净化功能相应增加；通过河道生态修复和构建，实现其对一定浓度范围内的污染物自净化、自调节和自维持，着眼于恢复水生植物，修复生态系统，是现阶段在无法实行全流域截污的条件下进行改善水质的有效途径。

[具体实施方式]

一、生物修复技术-生物接触氧化填料工艺

1、填料的选择：

生物接触氧化填料工艺中选择弹性立体填料和组合填料，弹性立体填料由高弹性长丝绕中心绳呈规则散环状编织而成，具有附着微生物膜的立体空间，在静止或脱水状态下，仍能保持填料的原有形状；

组合填料是在软性填料的基础上改进的另一类填料，由纤维束、塑料片、套管、中心绳组成，纤维束在中间塑料环片的支撑下，避免了纤维束中心结团的现象，同时也能起到良好的布水、布气作用，氧的利用率高。

在河道中溶解氧含量较高约为7mg/L左右的条件下，在本生物膜强化净化工程中采用不曝气的生态悬浮床模块技术，充分考虑到推广应用的节能，同时在不曝气的条件下，为能保持生物膜上微生物在充足的氧气条件下生长，填料布置的较稀疏，为25串/m³，两种填料的规格如下：

2、模块的设计：

生物接触氧化模块大小为5m×5m×1.5m，安装时采用环保的毛竹与尼龙绳将填料按要求绑扎，框架制作成之后，浸没于水下0.5m，用块石在框架底部平面4个节点处均匀锚定，保证模块可以耐受一定的引排水。

3、生物接触氧化模块的施工

生物接触氧化模块中填料的密度约为25条/m³，太密集容易造成水体的溶解氧不足，分布稀疏会减弱系统的净化能力，净化有的生物接触氧化模块所用的毛竹粗端直径需在150mm以上，长度8m以上；毛竹之间采用尼龙绳绑扎连接，并用直径3.5mm的铁丝加固；每个生物接触氧化模块所需锚定用重物质量需超过500kg，分8块均匀锚定，可将4个模块组合在一起，为防止河水形成短流，可将模块组件交错布置于水体，视河宽而定。

二、生态修复技术

1、挺水、浮水植物浮床改善水质工程

采用植物浮床技术大幅度降低水体中的营养盐浓度，迅速有效抑制浮游植物的过度繁衍，提高水体透明度，改善水体理化环境，为水生生物，尤其是沉水植物的恢复创造一个良好的生境条件，浮床可以随意移动，置于需要的位置，如初期可靠岸放置，待岸边水体透明度改善后，向河中心推移，浮床水面覆盖率约为15％～20％。

挺水植物生态浮床：由300块1m×2m的浮床单体组成，浮床单体采用直径110UPVC管材做成，所选择的植物品种有黄菖蒲、美人蕉、千屈菜、花叶芦竹、梭鱼草、再力花；浮水植物生态浮床：由300块1m×2m的浮床单体组成，浮床单体采用直径50UPVC管做成，所选植物品种为聚草及香菇草。

浮水植物净化带的最大优点是不受水深条件的控制，既能有效的除去部分有机污染物，也能起到美化环境的作用，选用聚草、水花生、空心菜、香菇草，在试验段河道上下游两段，设置各100m²的浮水植物净化带，起到拦截上下游带来的漂浮物，起到初步水质净化的作用。

2、沿岸挺水植物及浮叶植物的构建

考虑到与周围景观的协调性，在满足总体景观立意和重点景点要求的前提下，因地制宜地种植挺水植物选用：芦苇、黄菖蒲、千屈菜、香蒲、美人蕉等品种，种植密度为20株/m²，挺水植物的渗透能力强，比表面积大的基床结构和生长于基床上的植物，以及活跃在他们中间的生物群落，主要是土著微生物群落，对水体中的有机污染物产生截留、吸附、离子交换，以及好氧、厌氧、硝化、反硝化等生化分解作用，从而使水质得到净化，建立水体自净系统，挺水植物具有生存能力强，容易存活，生长繁殖速度快的特点，同时对水体的透明度要求也低。

水面的浮叶植物种植采用抛种的方式，选用睡莲或菱等，浮叶植物对于水体的透明度有一定的要求，为了保证浮叶植物能有效的存活，种植时可先在透明度高，水体较浅的区域对其进行培养，在其生根后抛种至所需净化的区域，种植密度为10株/m²，浮叶植物对于有效的形成多样化水环境有关键的作用，它能有效的避免阳光直射，特别在高温季节能减少光合作用，对降低水温有非常明显的作用，同时它也是土著微生物的有效载体，能有效的吸收水体中部分有机污染物。

3、沉水植被的构建

沉水植物种植的控制在两倍透明度以内的水域范围内，主要选择耐污性较强的品种，如萍蓬草、菹草、马来眼子菜、狐尾藻、苦草等，沉水性植物对水体的透明度要求较高，在达不到其生存条件的环境中便会腐烂，影响水质，所以种植过程中应该首先进行实验种植，在证明其能在对应的环境中存活后，再大面积种植。

沉水植物的种植采用抛种的方式，即事先用泥土裹住沉水植物的根部或茎部抛入对应区域即可，种植密度25株/m²。

4、生态护坡工程

采用存活植物及其他材料，来实现稳定边坡，减少水土流失，改善栖息地生境等。

活枝扦插：使用直接扦插能够成活并生长根系的乔灌木枝干，选用杨树或柳树枝条，在2月份进行，选择枝条还未发芽的时候开始扦插，有利于提高成活率。

柴笼：与活枝扦插同时进行，将枝条捆扎成一束，通常按等高线水平浅埋入岸坡高水位以上的位置，其工程特点为施工简单，造型容易，多用于坡度较缓的边坡水土流失控制，柴笼生长成型后具有很好的景观效果，与活枝扦插同时进行。

三、水样的检测程序

1、采样地点：

选取系统外对照点A；选取系统中部，生物接触氧化模块中心位置处的点B。

2、测定指标：

溶解氧DO、温度和透明度等指标在现场检测，DO和温度采用哈希精密型便携式溶氧仪测定；透明度采用塞氏盘法，TN、NH₃-N、TP、COD_Mn、BOD₅等指标在现场采集后带回实验室按文献：国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委，水和废水监测分析方法[M].(第四版)北京：中国环境科学出版社，2002.82～284，所述方法测定。

3、结果评价：

经过系统的生物生态修复，DO大于2mg/L，透明度在80cm以上，整体水质提高一个等级，C、N、P的全年平均去除率如下：

实施例1

滴水湖引水河水质净化，河道长约200m，水量约2.1万方。

一、生物接触氧化工程

布置32个生物接触氧化模块，共8组，填料立体填料与组合填料模块各16个。

二、水生生态构建

挺水、浮水植物浮床改善水质工程共1200m²，水面覆盖率为15％，沿岸挺水植物、水面浮叶植物、沉水植物分别有600m²、400m²和1600m²，浮水植物净化带面积为320m²，生态护坡工程中，扦插和柴笼的面积均为600m²。

三、水样的检测

选取系统外对照点A；选取系统中部，位于第4组弹性立体填料模块的点B，测定A、B点的溶解DO、温度和透明度等指标在现场检测，DO和温度采用哈希精密型便携式溶氧仪测定；透明度采用塞氏盘法，TN、NH₃-N、TP、COD_Mn、BOD₅等指标在现场采集后带回实验室测定。

四、结果分析

生物生态集成技术能使水体的透明度明显的提高，由35cm提高到80～100cm；较好地改善了水生态系统的生境条件，水体中的溶解氧可达到平衡，维持在3.0mg/L以上。水体中主要污染物质的去除率如下：

实施例2

世博园白莲泾水质净化，河道长约150m，水量约1.6万方。

一、生物接触氧化工程

布置24个生物接触氧化模块，共8组，填料立体填料与组合填料模块各12个。

二、水生生态构建

挺水、浮水植物浮床改善水质工程共800m²，水面覆盖率为15％。沿岸挺水、浮叶植物和沉水植物各有4500m²、300m²和1200m²，浮水植物净化带面积为240m²，生态护坡工程中，扦插和柴笼的面积均为400m²。

三、水样的检测

选取系统外对照点A；选取系统中部，位于第4组弹性立体填料模块的点B，测定A、B点的溶解氧DO、温度和透明度等指标在现场检测，DO和温度采用哈希精密型便携式溶氧仪测定；透明度采用塞氏盘法，TN、NH₃-N、TP、COD_Mn、BOD₅等指标在现场采集后带回实验室测定。

四、结果分析

生物生态集成技术能使水体的透明度明显的提高，由30cm提高到80～90cm；较好地改善了水生态系统的生境条件。水体中的溶解氧可达到平衡，维持在4.0mg/L以上，水体中主要污染物质的去除率如下：

实施例3

南汇某河道，河道长约200m，水量约1.8万方。

一、生物接触氧化工程

二、水生生态构建

挺水、浮水植物浮床改善水质工程共1200m²，水面覆盖率为15％。沿岸挺水、浮叶植物、沉水植物分别有600m²、400m²和1600m²，浮水植物净化带面积为320m²，生态护坡工程中，扦插和柴笼的面积均为600m²。

三、水样的检测

选取系统外对照点A；选取系统中部，位于第4组弹性立体填料模块的点B。测定A、B点的溶解氧DO、温度和透明度等指标在现场检测。DO和温度采用哈希精密型便携式溶氧仪测定；透明度采用塞氏盘法，TN、NH₃-N、TP、COD_Mn、BOD₅等指标在现场采集后带回实验室测定。

四、结果分析

生物生态集成技术能使水体的透明度明显的提高，由35cm提高到90～100cm；较好地改善了水生态系统的生境条件。水体中的溶解氧可达到平衡，维持在5.0mg/L以上。水体中主要污染物质的去除率如下表所示。

生物生态修复系统的生态环境效益评估：

人工协助下为引入水生植物种源，依靠水生植物的自然生长能力，在沿岸带恢复了由挺水植物、浮叶植物、浮水植物和沉水植物组成的水生植被，增加了水生植物的物种数、覆盖度和生物量，引水河段的生态系统的结构和功能得到恢复和改善，并且显示出以下效益：

1.环境生态效益

(1)吸收营养物质，净化水体。大型水生植物通过从底泥和河水中吸收N、P等营养元素，并且通过收获植株体可以将这些营养元素带出水体，从而降低水体的营养水平，达到净化水体的目的，且庞大的水生植物与根系与河水充分，具有类似生物膜的净化功能，可以通过表面吸附及周围微生物的作用分解转化湖水中的污染物。

(2)维持水体较高透明度。河岸的挺水、浮叶和沉水植物组成的植被屏障可有效拦截地表径流携带的泥沙等，能保持岸边水土，稳定水体，从而防止底泥悬浮，减少沉积物种污染物的释放，澄清了水质，提高水体的透明度。

(3)促进物种竞争，抑制藻类的生长。加大河道水生植物的覆盖率和生物量，生态修复的河段可以建立起抑制藻类的各种机制，维持河道生态系统结构的稳定性。例如利用水生植物的资源竞争机制，可以抑制并防止蓝藻水华。

2.生物生态效益

经过生态修复后的河段成为一种自然、稳定的生境，水草是某些底栖动物、鱼卵最为合适的附着基，可增加水生动物的多样性，因此植被多样性的恢复与改善为动物多样性的恢复打下基础，二者的相辅相成的关系加快了河道生物多样性的恢复。

3.景观生态经济效益

通过河道生态修复，将自然生长的堤岸植被、水生植物与景观植物进行合理搭配，更体现了河道景观美，沉水植物形成了水下绿毯，挺水植物美人蕉、再力花、千屈菜，浮叶植物睡莲在花期可形成各具特色的花卉。

Claims

1.一种微污染河道生物生态修复的系统，包括生物接触氧化填料、挺水植物与浮水植物生态浮床、水生生态系统、生态护坡工程，其特征在于：所述的生物接触氧化模块是在毛竹框架内以25条/m³设置弹性立体填料或组合填料而成，置于河道水下0.5m；所述挺水植物和浮水植物生态浮床包括：河道沿岸设置挺水植物浮床或浮水植物浮床，且在河道上下游设置浮水植物净化带，浮床的水面覆盖率为15-20％；所述水生生态系统：在河道两岸种植挺水植物和在水面抛种浮叶植物、在两倍透明度以上的水域范围内种植沉水植被；所述生态护坡是在河道两边的坡地上直接扦插未发芽的杨树枝条或柳树枝条，同时在坡地的不同位置采用将杨树枝条或柳树枝条捆扎成一束的柴笼方式，按等高线水平浅埋入坡岸。

2.如权利要求1所述的一种微污染河道生物生态修复的系统，其特征在于：所述的浮床中所采用的挺水植物为芦苇与黄菖蒲、千屈菜、美人蕉、花叶芦竹、梭鱼草、再力花中的任意组合，种植密度为20株/m²。

3.如权利要求1所述的一种微污染河道生物生态修复的系统，其特征在于：所述的浮床中所采用的浮水植物采用聚草和香菇草的任意组合，种植密度为10株/m²。

4.如权利要求1所述的一种微污染河道生物生态修复的系统，其特征在于：所述的浮水植物净化带是采用聚草、水花生、空心菜或香菇草中的任意一种或任意组合。

5.如权利要求1所述的一种微污染河道生物生态修复的系统，其特征在于：所述的在河道两岸种植的挺水植物为芦苇与黄菖蒲、千屈菜、香蒲或美人蕉中的任意组合，种植在水面±0.5m范围以内的河堤上，种植密度为20株/m²。

6.如权利要求1所述的一种微污染河道生物生态修复的系统，其特征在于：所述的浮叶植物为睡莲或菱，是在河道水面以下0.5m～1.5m范围内抛种，抛种密度为10株/m²，浮水植物先置于水体浅的高透明度区域养至生根后移植到需净化的区域。

7.如权利要求1所述的一种微污染河道生物生态修复的系统，其特征在于：所述的沉水植被是采用萍蓬草、菹草、马来眼子菜、狐尾藻或苦草的任意组合，其抛种的平面位置在两倍透明度以上的水域范围内，先用泥土裹住沉水植物的根部或茎部再抛入需净化的区域，抛种的密度为25株/m²。