CN102531182A - 微污染入库（入湖）河流的水质净化及生态湿地修复系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微污染入库(入湖)河流的水质净化及生态湿地修复系统，该系统包括水力自控翻转闸门、人工湿地和多级阶梯式人工湿地护坡，所述水力自控翻转闸门设河道中将其拦截为上游和下游，所述人工湿地设于水力自控翻转闸门上游的河道内，所述多级阶梯式人工湿地护坡系统设于水力自控翻转闸门上游的河道两岸；所述多级阶梯式人工湿地护坡包括由无砂混凝土板和桩构成的板桩构件，该板桩构件在河道岸坡上从由高至低一排排地设置，在相邻两排板桩构件之间填充有填料并种植植物。本发明提供一种微污染入库(入湖)河流的水质净化及生态湿地修复技术，通过利用生态护岸和生态湿地方法修复河道受污染水体，从而使COD、BOD、TP和TN含量大大降低。
Description
技术领域
本发明属于河道水质净化技术领域，具体涉及一种应用于微污染入库(入湖)河流的水质净化及河流护坡生态湿地修复技术。
背景技术
随着现代经济的迅速发展，受工业和城市废水以及农田地表径流等人为因素的影响，河流污染问题日益严重。目前我国湖泊的主要环境问题为水体富营养化，引起水体富营养化的主要污染物是氮、磷等营养物质，而入湖河流是其污染的主要来源。入湖河流多为微污染河流，其氮、磷和有机物去除是控制湖泊富营养化的关键之一。微污染河水治理有自身的特殊性，和生活污水相比，属于低浓度微污染水体，在处理工艺、处理要求上有很大的差别，不能套用现有的污水处理方法和理论。微污染河道水体的产生、水量和水质的主要特点为：(1)河道污水流量大且流量变化有明显的季节性和周期性。一般夏季多雨期河道流量较大，而冬春季节河道流量较小有很强的季节性；受污染河流水流量一般都比较大，处理难度增加；(2)污染物浓度较低，水质指标高锰酸盐指数平均低于20mg/L，氨氮平均低于5mg/L，TN低于10mg/L，TP低于0.5mg/L，浓度远低于生活污水和工业废水。(3)河流水系覆盖面大，来水污染物浓度变化较大。一般河流枯水期污染物浓度最高，平水期浓度居中，丰水期浓度最低。(4)河流水体污染物种类复杂，不仅含有氮磷和有机物等污染物，还包括不可降解污染物和其他有毒污染物。
目前对于微污染河水净化的技术方法主要可分为三类，即物理方法、化学方法和生物方法。
物理方法主要有调水稀释法、底泥疏浚法和机械曝气法，此法中多为原位处理法。
缺点：(1)不能从根本上解决污染问题，只是局部改善河流的水质；(2)引起二次污染，费用较高；
化学方法主要是向受污染河水中投加混凝剂、酶抑制剂等，使河流污染物絮凝沉淀，杀死水体有害微生物。此种方法简单有效、效果迅速，在治理藻类水华、饮用水净化中应用较广泛。
缺点：(1)易引起二次污染。投加物质本身就是一种化学试剂，可能会改变水体环境，毒害某种水生生物；(2)化学试剂价格昂贵，不适合长期使用。
生物生态方法主要有人工湿地、生态浮床技术等技术。
1、人工湿地
人工湿地是一种由人工构建和调控的湿地系统，通过其在生态系统中物理、化学和生物作用的优化组合来进行废水处理。基质、植物和微生物与多湿环境共同构成了人工湿地的基本要素，形成了湿地特有的生态系统。在受污染河流中适当设置人工湿地，有利于河流水体的污水净化、吸附受污水体中的营养物质，达到净化修复微污染河水的作用。
缺点：(1)人工湿地填料比例要求比较高，技术相对复杂，而且造价高，不适于大规模水体处理；(2)日常维护较复杂；(3)受环境气温和季节性影响较明显；(4)占地面积大，水力负荷小，工程技术要求较高。
2、生态浮床技术
生态浮床技术以高分子材料或者竹木材料为载体，将高等水生植物或改良的陆生植物种植到富营养化水体的水面，通过植物根部的吸收、吸附作用和物种竞争相克机理，削减水体中的氮磷及有机物质，从而净化水质。生态浮床除了能够去除水体中的污染物，还有良好的景观效果、增加水体生物多样性以及一定的经济效益。
缺点：(1)目前生态浮床的应用一般属于原位水体修复，需要占用较大的水面面积，影响河流通航和防汛；(2)水生植物生长受光照、气温和季节等环境因素影响较大，使得生态浮床在全年净化效果波动较大。
现有的河道生态修复技术主要依靠在河道两侧种植挺水植物和沉水植物，如《一种用于河道水体生态修复的梯级装置》；或者在河道内放置种植了植物的浮床等方式来净化水质，如《漂浮复合植物带原位生态修复水体的系统》。上述技术一方面可以通过该类植物自身直接吸收河水中的污染物质，起到净化水质的作用，另一方面，上述植物具有微生物载体的作用，可以大幅提高河道内的微生物总量，从而强化河道的自然净化能力。
以上两项技术尽管可以修复受损河道的生态环境，净化受污染的河水水质，但在实际河道水质修复工程中，由于存在以下明显缺陷，该两项技术均未得到工程推广。在平水和枯水季节，河水径流量较少，大部分河滩裸露，仅在主河道有水流。一方面，枯水季节河道水质普遍较差，另一方面，枯水季节的水流仅与主河道接触，水力停留时间较短，河道的水质净化能力得不到有效发挥，河水得不到有效净化。
目前普遍采用的生态型护坡技术有多种方式，如采用土工材料复合种植基、铁丝网与 碎石复合种植基、土工材料固土种植基、植被型生态混凝土、水泥生态种植基以及土壤固化剂等对河岸、边坡进行护坡，对稳定岸坡结构有较好效果，并且对岸坡景观进行了一定的改善，但是对截留面源入河污染物的作用非常有限，且成本太高，当场进行施工且施工量也很大，推广使用受到了限制。
发明内容
本发明针对现有的河道生态修复技术与河道防洪功能要求矛盾的问题，提供一种河道水质净化及生态修复可调节湿地技术，该技术将每一条入库(或入湖)河流治污，保证进入湖区的水质，并且可以提高河流的自净能力，恢复河流的生态系统，该技术既可实现对河道水质的有效净化，又可保障河道在洪水季节的正常泄洪。
本发明的目的可以通过以下措施达到：
一种微污染入库(入湖)河流的水质净化及生态湿地修复系统，该系统包括水力自控翻转闸门、人工湿地和多级阶梯式人工湿地护坡，所述水力自控翻转闸门设河道中将其拦截为上游和下游，所述人工湿地设于水力自控翻转闸门上游的河道内，所述多级阶梯式人工湿地护坡系统设于水力自控翻转闸门上游的河道两岸坡上；所述多级阶梯式人工湿地护坡包括由无砂混凝土板和桩构成的板桩构件，该板桩构件在河道岸坡上从由高至低一排排地设置，在相邻两排板桩构件之间填充有填料并种植植物。
水力自控翻转闸门可以调节河道内水位，并可以调节人工湿地内河水的水力停留时间，在平水期和枯水期可以蓄水，在丰水期也不会影响河流的泄洪能力。
本发明中的人工湿地内可种植沉水植物和/或挺水植物。
本发明中的板桩构件中的无砂混凝土板沿水平面的竖直方向设置，板桩构件中的桩(或者还在填料的配合下)将无砂混凝土板固定在河道岸坡上。无砂混凝土板背向河道的一侧设置有透水土工布。
板桩构件中的多个无砂混凝土板左右侧边相连构成与河道方面相同的一排桩构件；在河道垂直的方向上从河道岸坡顶部至河道水面，各排板桩构件呈向下的多级阶梯状分布。
本发明中相邻两排板桩构件之间的填料，自上而下分别为种植土、陶粒和粗砾石。相邻两排板桩构件之间种植的植物，从河道岸坡顶部至河道水面依次为陆上植物、挺水植物和沉水植物。
本发明中的挺水植物选自花叶芦竹、再力花和香蒲中的一种或几种；所述沉水植物选自伊乐藻、金鱼藻、黑藻和马来眼子菜中的一种或几种。
本发明使用多级阶梯式人工湿地护坡系统的生态护岸，少用和不用刚性的砼或浆砌石护坡。采取多级景观型湿地护坡，种植景观植物，为水生植物的生长、水生动物的繁殖、两栖动物的栖息繁衍活动创造条件，这种护岸工程既能稳定河床，又能改善生态和美化环境，避免了混凝土工程带来的负面作用。沿岸向水体中央依次布置陆上植物、挺水植物和沉水植物组成的垂直生态系列，此生态系列对氮、磷和重金属都有吸附和富集作用，垂直生态系列为微生物和水生动物提供栖息和生存空间，增加河道物种的多样性。挺水植物以选择能适应水位变化、植株较高、根系生长深、能抗水流冲刷、耐粗放管理、节水、耐污能力强、能迅速形成种群、多年生、兼顾美观有观赏价值的植物作为草种条件，如花叶芦竹、再力花和香蒲等；沉水植物伊乐藻、金鱼藻、黑藻和马来眼子菜等，不仅耐污，而且分孽速度快，无性繁殖能力强，能有效净化水质，一次种植多年生长。
本发明的多级阶梯式人工湿地护坡系统能够稳定河道岸坡，同时具有良好的透水性，降雨径流进入河道边坡后，以下渗和溢流的方式，经过系统逐级处理后进入河道。粗砾石、陶粒和种植土等填料和植物根系表面生长了大量微生物并形成生物膜，当降雨径流携带大量污染物进入河道岸坡时，径流中的固体悬浮物被填料和植物根系阻挡截留，有机质通过生物膜的吸附及同化、异化作用而得以清除；植物根系对氧的传递释放，使其周围微环境中依次出现好氧、缺氧和厌氧现象和交替环境，因而保证了径流水中的氮、磷不仅能被植物及微生物作为营养成份直接吸收，而且还可以通过硝化、反硝化作用及微生物对磷的过量积累作用从径流中去除，达到截留污染物进入河道的目的和效果；河道中的水经过该岸坡时，通过上述过程也能得到相当程度的净化。
本发明中，沉水植物伊乐藻、金鱼藻、黑藻和马来眼子菜的种植方法：在每年的3-4月份选择水流平缓，底泥厚度20cm以上的河道，将草截成10cm左右的茎，像插秧一样，以3-4支为一丛插入底泥，密度为50×50cm，几种不同的沉水植物间隔种植。
本发明中，挺水植物花叶芦竹、再力花和香蒲的种植方法：在每年的3-4月份选择河道内间歇性淹水和浅滩区域种植，以4-5支为一丛种植插入底泥，密度为50×50cm，几种不同的挺水植物间隔种植。
本发明提供一种微污染入库(入湖)河流的水质净化及生态湿地修复技术，通过利用生态护岸和生态湿地方法修复河道受污染水体，从而使COD、BOD、TP和TN含量大大降低。
附图说明
图1是微污染入库(入湖)河流的水质净化及生态湿地修复系统平面图。
图2是多级阶梯式人工湿地护坡系统剖面图。
图中标号：1为河道内人工湿地，2为沉水植物，3为多级阶梯式人工湿地护坡，4为无砂混凝土桩，5为无砂混凝土板，6为挺水植物，7为多级阶梯式人工湿地护坡种植植物，8为水力自控翻转闸门基础，9为水力自控翻转闸门，10为透水土工布，11为防渗土工布，12为种植土，13为陶粒，14为粗砾石。
具体实施方式
本发明的微污染入库(入湖)河流的水质净化及生态湿地修复技术首先是在主河道上修建水力自控翻转闸门，再将其锚固于坝基上，可以自动调节河流水位，在翻转闸门的上游形成蓄水区。在每年的3-4月份选择蓄水区中水流平缓，底泥厚度20cm以上的河道，将伊乐藻、金鱼藻、黑藻和马来眼子菜截成10cm左右的茎，像插秧一样，以3-4支为一丛插入底泥，密度为50×50cm，几种不同的沉水植物间隔种植，这几种沉水植物的肢体柔软，茎叶细长，在水流冲涮下不断摆动，对水流产生的阻力很小，不影响河道的防洪能力。在每年的3-4月份选择河道内间歇性淹水和浅滩区域种植花叶芦竹、再力花和香蒲，以4-5支为一丛进行种植，密度为50×50cm，几种不同的挺水植物间隔种植。该蓄水区形成了人工湿地。
在平水和枯水季节(每年的4月至6月以及9月至次年3月)，通过升高翻转闸门的高度进行蓄水，使河道上游水位升高，以提高水力停留时间，改善处理效果。
在丰水季节(一般是6月至9月)，可以通过翻转闸门的高度进行放水，从而避免对河道行洪产生影响，河道主要承担泄洪功能。丰水季节，由于河流流量充裕，基本可以淹没人工湿地中的所有沉水植物，人工湿地的水质净化能力也能得到充分发挥。
平水季节，在调节人工湿地水力停留时间7-10天时，湿地入口COD含量平均为38.7mg/L，湿地出口COD含量平均为13.3mg/L，COD去除率可达65％。枯水季节，在调节人工湿地水力停留时间35-45天时，湿地入口COD含量平均为67.7mg/L，湿地出口COD含量平均为17.1mg/L，COD去除率可达74.7％。
在河道的岸坡上按一定排列规律打入无砂混凝土桩，无砂混凝土桩的两侧有凹槽，无砂混凝土板5沿水平面的竖直方向设置无，砂混凝土板的一侧嵌入，另一侧嵌入另一无砂混凝土桩的凹槽内，构成无砂混凝土板桩构件，
处同一排的多个无砂混凝土板左右侧边相连构成与河道方面相同的一排桩构件。在河道垂直的方向上从河道岸坡顶部至河道水面，各排板桩构件呈向下的多级阶梯状分布。各排板桩构件从河道岸坡底部逐渐向上直至坡顶的排列；在无砂混凝土板背水的一面上设置透水土工布，阻止土、砂透过；在每相邻两排无砂混凝土板桩构件之间放置填料，填料自 下而上为粗砾石、陶粒和种植土，然后在每一排植物种植区内种植植物，从下至上可依次种植沉水植物、挺水植物和陆上植物等不同植物，形成不同植物的阶梯式景观效果。
采取多级景观型湿地护坡，种植景观植物，为水生植物的生长、水生动物的繁殖、两栖动物的栖息繁衍活动创造条件，这种护岸工程既能稳定河床，又能改善生态和美化环境，避免了混凝土工程带来的负面作用。沿岸向水体中央依次布置陆上植物、挺水植物和沉水植物组成的垂直生态系列，此生态系列对氮、磷和重金属都有吸附和富集作用，垂直生态系列为微生物和水生动物提供栖息和生存空间，增加河道物种的多样性。多级阶梯式人工湿地护坡系统能够稳定河道岸坡，同时具有良好的透水性，降雨径流进入河道边坡后，以下渗和溢流的方式，经过系统逐级处理后进入河道。粗砾石、陶粒和种植土等填料和植物根系表面生长了大量微生物并形成生物膜，当降雨径流携带大量污染物进入河道岸坡时，径流中的固体悬浮物被填料和植物根系阻挡截留，有机质通过生物膜的吸附及同化、异化作用而得以清除；植物根系对氧的传递释放，使其周围微环境中依次出现好氧、缺氧和厌氧现象和交替环境，因而保证了径流水中的氮、磷不仅能被植物及微生物作为营养成份直接吸收，而且还可以通过硝化、反硝化作用及微生物对磷的过量积累作用从径流中去除，达到截留污染物进入河道的目的和效果；河道中的水经过该岸坡时，通过上述过程也能得到相当程度的净化。对地表径流的处理达到了较好的效果，COD的进水浓度为96.3mg/L，出水浓度为17.33mg/L，去除率为82％。
Claims (10)
1.一种微污染入库(入湖)河流的水质净化及生态湿地修复系统，其特征在于该系统包括水力自控翻转闸门(9)、人工湿地(1)和多级阶梯式人工湿地护坡(3)，所述水力自控翻转闸门(9)设河道中将其拦截为上游和下游，所述人工湿地(1)设于水力自控翻转闸门(9)上游的河道内，所述多级阶梯式人工湿地护坡系统(3)设于水力自控翻转闸门(9)上游的河道两岸坡上；所述多级阶梯式人工湿地护坡(3)包括由无砂混凝土板(5)和桩(4)构成的板桩构件，该板桩构件在河道岸坡上从由高至低一排排地设置，在相邻两排板桩构件之间填充有填料并种植植物。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于在人工湿地(1)内种植沉水植物(2)和/或挺水植物(6)。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述板桩构件中的无砂混凝土板(5)沿水平面的竖直方向设置，板桩构件中的桩(4)将无砂混凝土板(5)固定在河道岸坡上。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于板桩构件中的多个无砂混凝土板(5)左右侧边相连构成与河道方面相同的一排桩构件；在河道垂直的方向上从河道岸坡顶部至河道水面，各排板桩构件呈向下的多级阶梯状分布。
5.根据权利要求1、3或4所述的系统，其特征在于所述无砂混凝土板(5)背向河道的一侧设置有透水土工布(10)。
6.根据权利要求1或3所述的系统，其特征在于相邻两排板桩构件之间的填料，自上而下分别为种植土(12)、陶粒(13)和粗砾石(14)。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于相邻两排板桩构件之间种植的植物，从河道岸坡顶部至河道水面依次为陆上植物、挺水植物和沉水植物。
8.根据权利要求1、2或7所述的系统，其特征在于所述挺水植物(6)选自花叶芦竹、再力花和香蒲中的一种或几种；所述沉水植物(2)选自伊乐藻、金鱼藻、黑藻和马来眼子菜中的一种或几种。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于所述沉水植物(2)的种植方法为：在每年的3-4月份选择水流平缓，底泥厚度20cm以上的河道，将草截成10cm左右的茎，以3-4支为一丛插入底泥，几种不同的沉水植物间隔种植。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于所述挺水植物(6)的种植方法为：在每年的3-4月份选择河道内间歇性淹水和浅滩区域种植，以4-5支为一丛插入底泥，几种不同的挺水植物间隔种植。
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