CN103028596A - 一种适用于南方重金属污染区的土壤渗漏液与地表径流拦截净化系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于南方重金属污染区的土壤渗漏液与地表径流拦截净化系统及方法。本发明主要用以控制重金属污染区的污染扩散，包括阻截污染区水土流失、净化土壤渗漏液和径流、修复和增强退化湿地功能。本发明建设、运行和维护管理成本低，无能耗；拦截净化效果好，可降低污染区水土流失量90%以上，处理系统出水水质可达到国家《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）和《地下水质量标准》(GB/T14848-93)III类标准；技术适应面广，可在南方不同类型的重金属污染区推广应用。

Description

一种适用于南方重金属污染区的土壤渗漏液与地表径流拦截净化系统及方法

技术领域

本发明属于环境保护领域的生态工程技术领域，具体涉及一种适用于南方重金属污染区的土壤渗漏液与地表径流拦截净化系统及方法，该系统和方法主要用于拦截控制重金属污染区水土流失和重金属污染扩散，维护周边区域环境的生态安全。

背景技术

重金属污染区土壤既是采矿、冶炼等工业企业污染物的受体，也是周边区域的污染源，由降水带来的土壤侵蚀，尤其是暴雨期产生的水土流失会导致污染扩散，对周边区域土水环境带来危害。污染土壤中可溶性金属离子和化合物最终会进入水体，影响更大区域的生态安全。重金属污染治理工程实施会带来直接的污染，采用生态技术可以修复污染区植被与景观，但修复污染土壤需要的时间很长。

国内外近年来开发了系列控制农业面源污染的生态拦截技术，主要方法是构建含有不同植物种类的沟渠系统，用以拦截径流泥沙，利用植物、根系微生物和基质填料的综合作用滞留和去除氮、磷等面源污染物。国际上近期发展了用以处理污染水体的可渗透反应墙(Permeable Reactive Barrier)技术，其采用还原性强的化学反应介质，可去除多种重金属元素以及硝酸根、硫酸根等污染物。以上技术在农业面源污染控制和污染水体治理中取得一定成效，但应用于重金属污染扩散控制方面的事例甚少。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种适用于南方重金属污染区的土壤渗漏液与地表径流拦截净化系统及方法，主要用以控制重金属污染区污染的扩散，重点是阻截污染区水土流失、净化土壤渗漏液和径流、修复和增强污染区退化湿地功能。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

一种适用于南方重金属污染区的土壤渗漏液与地表径流拦截净化系统，所述土壤渗漏液与地表径流拦截净化系统包括渗漏液与径流收集系统，通过水井与渗漏液与径流收集系统连接的渗漏液与径流处理系统；所述渗漏液与径流收集系统为构建于污染区边缘的暗沟，所述暗沟由下至上依次为石砾层、A吸附填料层和原土层，所述原土层上种植植物；所述渗漏液与径流处理系统由通过水井串联的第一级垂直潜流单元、第二级垂直潜流单元和第三级垂直潜流单元组成，每一级垂直潜流单元由下至上依次为石粒层、B吸附填料层和细沙层，所述细沙层上种植湿地植物。

其中，所述A吸附填料层为天然沸石；所述第一级垂直潜流单元中B吸附填料层为天然沸石和FeO；第二级垂直潜流单元中B吸附填料层为膨胀蛭石和硅藻土；第三级垂直潜流单元中B吸附填料层为水滑石和CaCO₃；所述原土层和细沙层上的植物选自如下植物：

先锋植物：商陆、黄荆条、铁扫帚、鬼针草冬茅、狗牙根、艾蒿、草木犀、白茅、斑地锦、野生大豆、律草、蒲公英、野葛、白背叶；

用材林植物：泡桐、栾树、任木、马尾松、苦楝、黄杨、海桐、香樟；

工业原料植物：盐肤木、构树、棕榈、枫香、芦苇、芦竹、龙须草、苎麻、香根草、野桐；

能源植物：乌桕、黄连木、白檀、光皮树、蓖麻、矮象草、芒属植物、杨树、能源柳；

景观植物：德国鸢尾、紫叶美人蕉、美人蕉、花叶芦竹、香蒲、香菇草、梭鱼草、旱伞草、千屈菜、黑三棱、东方香蒲、鸢尾、灯芯草、姜花、菖蒲、再力花、鸭趾草、山矾、六道木、夹竹桃、小叶女贞、木绣球、复羽叶栾树、杜英、千头柏、球核荚迷、金银花。

本发明还提供了一种适用于南方重金属污染区的土壤渗漏液与地表径流拦截净化方法，所述方法包括如下步骤：

（1）构建渗漏液与径流收集系统：在污染区边缘构建暗沟，暗沟底层铺设石砾，中层铺设吸附填料，表层覆盖原土，原土上配置不同的抗性植物形成抗污染植物群落带，即完成渗漏液与径流收集系统的构建；

（2）构建渗漏液与径流处理系统：在渗漏液与径流收集系统出水汇集处的水井后依次设置第一级垂直潜流单元，第二级垂直潜流单元和第三级垂直潜流单元，所述三级垂直潜流单元之间通过水井连通；每级垂直潜流单元底层铺设石粒，中层铺设吸附填料，表层铺设细沙，细沙上配置湿地植物，即完成渗漏液与径流处理系统的构建。

（3）运行与维护管理：步骤（1）构建的渗漏液与径流收集系统和（2）构建的渗漏液与径流处理系统组成土壤渗漏液与地表径流拦截净化系统，土壤渗漏液与地表径流拦截净化系统建成后自然运行，人工维护管理系统中的植物和监测水质。

其中，步骤（1）所述暗沟中层铺设的吸附填料为天然沸石；步骤（2）所述第一级垂直潜流单元中层铺设的吸附填料为为天然沸石和FeO，第二级垂直潜流单元中层铺设的吸附填料为膨胀蛭石和硅藻土，第三级垂直潜流单元中层铺设的吸附填料为水滑石和CaCO₃；所述暗沟表层和垂直潜流单元表层的植物配置方法为：选用不同季节的优势和建群植物，构建复合立体型抗污染生物群落模式；植物选择的依据是植物抗重金属胁迫、适应干湿交替环境和吸收利用重金属元素的能力及其经济、美学和可持续利用价值；植物配置遵循的原则为：（1）因地制宜，尽可能选用速生、抗污染力强的本土植物；（2）丰富植被生物多样性，以多年生优势和建群木本植物为主搭配一年生草本植物，形成完整的生物群落；（3）强化植被立体空间效应，通过合理地配置，改善林相与根系的空间结构；（4）增强植被自然更替的能力，采用冷、暖季植物套种模式，实现系统植物群落的自然换季。优选地，所述暗沟表层和垂直潜流单元表层的植物选自如下植物：

先锋植物：商陆、黄荆条、铁扫帚、鬼针草冬茅、狗牙根、艾蒿、草木犀、白茅、斑地锦、野生大豆、律草、蒲公英、野葛、白背叶；

用材林植物：泡桐、栾树、任木、马尾松、苦楝、黄杨、海桐、香樟；

工业原料植物：盐肤木、构树、棕榈、枫香、芦苇、芦竹、龙须草、苎麻、香根草、野桐；

能源植物：乌桕、黄连木、白檀、光皮树、蓖麻、矮象草、芒属植物、杨树、能源柳；

景观植物：德国鸢尾、紫叶美人蕉、美人蕉、花叶芦竹、香蒲、香菇草、梭鱼草、旱伞草、千屈菜、黑三棱、东方香蒲、鸢尾、灯芯草、姜花、菖蒲、再力花、鸭趾草、山矾、六道木、夹竹桃、小叶女贞、木绣球、复羽叶栾树、杜英、千头柏、球核荚迷、金银花。

下面结合原理对本发明作进一步说明：

本发明的适用于南方重金属污染区的土壤渗漏液与地表径流拦截净化系统包含渗漏液与径流收集系统与处理系统：

渗漏液与径流收集系统为环绕污染区边缘构建的暗沟，暗沟底层铺设石砾，中层铺设吸附填料，表层覆盖原土，配置不同的抗性植物，形成抗污染植物群落带。暗沟位置、数量、长度、宽度、深度、外墙高度、填料选择与用量、通透性和植物种类配置等设计依据污染类型与程度、地形、坡度、土壤质地及当地降水状况来确定，标准是能长期、有效地拦截水土流失、并将渗入暗沟的水导入汇集口的处理系统。暗沟的表观形似植物绿化带（网），其作用除了阻截水土流失、收集渗漏液与径流外，沟内的吸附填料和表层生长的植物及根际微生物还具有原位处理的功能。因此，收集系统也是净化处理的初级单元。

渗漏液与径流处理系统设置在拦截系统汇集出水口，作用是对汇集的渗漏液与径流进行深度处理，以保证进入自然水体的水质达到国家规定的安全标准。本发明采用的土壤渗漏液与径流处理系统是一个综合吸附、可渗透反应墙与生物群落作用的组合人工湿地系统，含三个串联的垂直潜流单元，每个单元铺设不同的反应介质和吸附填料，表层种植湿地植物。汇集的土壤渗漏液与地表径流自单元表层垂直下渗，再由连接的水井出水进入下一单元，水质在逐级单元植物、根际微生物、反应介质和填料的综合作用下得以净化。

吸附填料（见表1）包括氧化还原性化学物质（用以钝化重金属污染物）、阳离子吸附剂（用以吸附截留以阳离子形态存在的重金属污染物）和阴离子吸附剂（用以吸附截留以阴离子形态存在的重金属污染物）。系统填料用量与填料饱和当量容量、污染类型及程度相关，实践应用中可基于平衡吸附与解吸曲线来确定填料用量。

植物配置的方法是选用不同季节的优势和建群植物，构建复合立体型抗污染生物群落模式。植物选择的依据是其抗重金属胁迫、适应干湿交替环境和吸收利用重金属元素的能力及其经济、美学和可持续利用价值。植物配置遵循的原则是①因地制宜，尽可能选用速生、抗污染力强的本土植物，②丰富植被生物多样性，以多年生优势和建群木本植物为主搭配一年生草本植物，形成完整的生物群落，③强化植被立体空间效应，通过合理地配置，改善林相与根系的空间结构，④增强植被自然更替的能力，采用冷、暖季植物套种模式，实现系统植物群落的自然换季。基于南方重金属污染区植被调查、盆栽试验和污染矿区生态修复示范工程检验筛选的5大类（先锋、用材林、工业原料、能源和景观）植物种类如下：

先锋植物：商陆、黄荆条、铁扫帚、鬼针草冬茅、狗牙根、艾蒿、草木犀、白茅、斑地锦、野生大豆、律草、蒲公英、野葛、白背叶；

用材林植物：泡桐、栾树、任木、马尾松、苦楝、黄杨、海桐、香樟；

工业原料植物：盐肤木、构树、棕榈、枫香、芦苇、芦竹、龙须草、苎麻、香根草、野桐；

能源植物：乌桕、黄连木、白檀、光皮树、蓖麻、矮象草、芒属植物、杨树、能源柳；

景观植物：德国鸢尾、紫叶美人蕉、美人蕉、花叶芦竹、香蒲、香菇草、梭鱼草、旱伞草、千屈菜、黑三棱、东方香蒲、鸢尾、灯芯草、姜花、菖蒲、再力花、鸭趾草、山矾、六道木、夹竹桃、小叶女贞、木绣球、复羽叶栾树、杜英、千头柏、球核荚迷、金银花。

系统建成后自然运行，需要少量人工维护管理系统植物和监测水质。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

（1）拦截净化效果好，可降低污染区水土流失量90%以上，处理系统出水水质可达到国家《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）和《地下水质量标准》(GB/T14848-93)III类标准；

（2）系统建设、运行和维护管理成本低，无能耗；

（3）植物、根际微生物、反应介质和吸附填料的综合作用可实现系统净化能力的生物再生，不需要更换填料；

（4）采用季节性植物套种模式可实现自然换季，系统稳定性和可持续性强、景观生态学价值高；

（5）适应面广，可在南方不同类型的重金属污染区推广应用。

在达到重金属污染土壤治理目标前，采用本技术建立土壤渗漏液和地表径流拦截净化处理系统，是控制污染扩散，保证区域生态环境安全的有效途径之一。本项发明结合重金属污染环境治理周期长的实际情况，通过借鉴与创新，集成抗污染植物群落配置、吸附、可渗透反应墙和人工湿地技术，形成完整的重金属污染区土壤渗漏液与地表径流拦截净化处理技术体系，具有创新性。

附图说明

图1为本发明土壤渗漏液与地表径流拦截净化系统结构示意图，其中箭头方向为水流方向；

图2为本发明渗漏液与径流收集系统结构示意图；

图3为本发明渗漏液与径流处理系统结构示意图，其中箭头方向为水流方向。

图中：1、石砾层；2、A吸附填料层；3、原土层；4、第一级垂直潜流单元；5、第二级垂直潜流单元；6、第三级垂直潜流单元；7、石粒层；8、B吸附填料层；9、细沙层；10、水井；11、污染区；12、暗沟。

具体实施方式

实施例1

参见图1至图3，,所述适用于南方重金属污染区的土壤渗漏液与地表径流拦截净化系统包括渗漏液与径流收集系统，通过水井与渗漏液与径流收集系统连接的渗漏液与径流处理系统；所述渗漏液与径流收集系统为构建于污染区11边缘的暗沟12，所述暗沟12由下至上依次为石砾层1、A吸附填料层2和原土层3，所述原土层3上种植植物；所述渗漏液与径流处理系统由通过水井10串联的第一级垂直潜流单元4、第二级垂直潜流单元5和第三级垂直潜流单元6组成，每一级垂直潜流单元由下至上依次为石粒层7、B吸附填料层8和细沙层9，所述细沙层9上种植湿地植物。

如表1所示，所述A吸附填料层2为天然沸石；所述第一级垂直潜流单元中B吸附填料层8为天然沸石和FeO；第二级垂直潜流单元中B吸附填料层8为膨胀蛭石和硅藻土；第三级垂直潜流单元中B吸附填料层8为水滑石和CaCO₃。

表1

所述原土层3上种植的植物配置如表2所示：

表2 

植物群落配置组合: 用材林+先锋植物+景观植物

所述细沙层9上种植的植物配置如表3所示： 

表3

实施例2

所述适用于南方重金属污染区的土壤渗漏液与地表径流拦截净化系统中原土层3上种植的植物配置如表4所示，其他结构同实施例1：

表4

植物群落配置组合: 工业原料植物+先锋植物+景观植物

实施例3

所述适用于南方重金属污染区的土壤渗漏液与地表径流拦截净化系统中原土层3上种植的植物配置如表5所示，其他结构同实施例1：

表5

植物群落配置组合:  能源植物+先锋植物+景观植物

实施例4

一种适用于南方重金属污染区的土壤渗漏液与地表径流拦截净化方法，所述方法包括如下步骤：

（1）构建渗漏液与径流收集系统：在污染区边缘构建暗沟，暗沟底层铺设石砾，中层铺设吸附填料，表层覆盖原土，原土上配置不同的抗性植物形成抗污染植物群落带，即完成渗漏液与径流收集系统的构建；

（2）构建渗漏液与径流处理系统：在渗漏液与径流收集系统出水汇集处的水井后依次设置第一级垂直潜流单元，第二级垂直潜流单元和第三级垂直潜流单元，所述三级垂直潜流单元之间通过水井连通；每级垂直潜流单元底层铺设石粒，中层铺设吸附填料，表层铺设细沙，细沙上配置湿地植物，即完成渗漏液与径流处理系统的构建。

（3）运行与维护管理：步骤（1）构建的渗漏液与径流收集系统和（2）构建的渗漏液与径流处理系统组成土壤渗漏液与地表径流拦截净化系统，土壤渗漏液与地表径流拦截净化系统建成后自然运行，人工维护管理系统中的植物和监测水质。

如实施例1中表1所示，步骤（1）所述暗沟中层铺设的吸附填料为天然沸石；步骤（2）所述第一级垂直潜流单元中层铺设的吸附填料为为天然沸石和FeO，第二级垂直潜流单元中层铺设的吸附填料为膨胀蛭石和硅藻土，第三级垂直潜流单元中层铺设的吸附填料为水滑石和CaCO₃。

所述暗沟表层和垂直潜流单元表层的植物配置方法为：选用不同季节的优势和建群植物，构建复合立体型抗污染生物群落模式；植物选择的依据是植物抗重金属胁迫、适应干湿交替环境和吸收利用重金属元素的能力及其经济、美学和可持续利用价值；植物配置遵循的原则为：①因地制宜，尽可能选用速生、抗污染力强的本土植物；②丰富植被生物多样性，以多年生优势和建群木本植物为主搭配一年生草本植物，形成完整的生物群落；③强化植被立体空间效应，通过合理地配置，改善林相与根系的空间结构；④增强植被自然更替的能力，采用冷、暖季植物套种模式，实现系统植物群落的自然换季。其中，暗沟表层原土上的植物配置如表2所示，垂直潜流单元表层细沙上的植物配置如表3所示。

实施例5

一种适用于南方重金属污染区的土壤渗漏液与地表径流拦截净化方法，其中，暗沟表层原土上的植物配置如表4所示，垂直潜流单元表层细沙上的植物配置如表3所示，其他步骤同实施例4。

实施例6

一种适用于南方重金属污染区的土壤渗漏液与地表径流拦截净化方法，其中，暗沟表层原土上的植物配置如表5所示，垂直潜流单元表层细沙上的植物配置如表3所示，其他步骤同实施例4。 

Claims (8)

1.一种适用于南方重金属污染区土壤渗漏液与地表径流拦截净化系统，其特征在于，所述土壤渗漏液与地表径流拦截净化系统包括渗漏液与径流收集系统，通过水井与渗漏液与径流收集系统连接的渗漏液与径流处理系统；所述渗漏液与径流收集系统为构建于污染区（11）边缘的暗沟（12），所述暗沟（12）由下至上依次为石砾层（1）、A吸附填料层（2）和原土层（3），所述原土层（3）上种植植物；所述渗漏液与径流处理系统由通过水井（10）串联的第一级垂直潜流单元（4）、第二级垂直潜流单元（5）和第三级垂直潜流单元（6）组成，每一级垂直潜流单元由下至上依次为石粒层（7）、B吸附填料层（8）和细沙层（9），所述细沙层（9）上种植湿地植物。

2.如权利要求1所述的土壤渗漏液与地表径流拦截净化系统，其特征在于，所述A吸附填料层（2）为天然沸石。

3.如权利要求1所述的土壤渗漏液与地表径流拦截净化系统，其特征在于，所述第一级垂直潜流单元中B吸附填料层（8）为天然沸石和FeO；第二级垂直潜流单元中B吸附填料层（8）为膨胀蛭石和硅藻土；第三级垂直潜流单元中B吸附填料层（8）为水滑石和CaCO₃。

4.如权利要求1所述的土壤渗漏液与地表径流拦截净化系统，其特征在于，所述原土层（3）和细沙层（9）上的植物选自如下植物：

先锋植物：商陆、黄荆条、铁扫帚、鬼针草冬茅、狗牙根、艾蒿、草木犀、白茅、斑地锦、野生大豆、律草、蒲公英、野葛、白背叶；

用材林植物：泡桐、栾树、任木、马尾松、苦楝、黄杨、海桐、香樟；

工业原料植物：盐肤木、构树、棕榈、枫香、芦苇、芦竹、龙须草、苎麻、香根草、野桐；

能源植物：乌桕、黄连木、白檀、光皮树、蓖麻、矮象草、芒属植物、杨树、能源柳；

景观植物：德国鸢尾、紫叶美人蕉、美人蕉、花叶芦竹、香蒲、香菇草、梭鱼草、旱伞草、千屈菜、黑三棱、东方香蒲、鸢尾、灯芯草、姜花、菖蒲、再力花、鸭趾草、山矾、六道木、夹竹桃、小叶女贞、木绣球、复羽叶栾树、杜英、千头柏、球核荚迷、金银花。

5.一种适用于南方重金属污染区土壤渗漏液与地表径流拦截净化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

（1）构建渗漏液与径流收集系统：在污染区边缘构建暗沟，暗沟底层铺设石砾，中层铺设吸附填料，表层覆盖原土，原土上配置不同的抗性植物形成抗污染植物群落带，即完成渗漏液与径流收集系统的构建；

（2）构建渗漏液与径流处理系统：在渗漏液与径流收集系统出水汇集处的水井后依次设置第一级垂直潜流单元，第二级垂直潜流单元和第三级垂直潜流单元，所述三级垂直潜流单元之间通过水井连通；每级垂直潜流单元底层铺设石粒，中层铺设吸附填料，表层铺设细沙，细沙上配置湿地植物，即完成渗漏液与径流处理系统的构建；

（3）运行与维护管理：步骤（1）构建的渗漏液与径流收集系统和（2）构建的渗漏液与径流处理系统组成土壤渗漏液与地表径流拦截净化系统，土壤渗漏液与地表径流拦截净化系统建成后自然运行，人工维护管理系统中的植物和监测水质。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤（1）所述暗沟中层铺设的吸附填料为天然沸石；步骤（2）所述第一级垂直潜流单元中层铺设的吸附填料为为天然沸石和FeO，第二级垂直潜流单元中层铺设的吸附填料为膨胀蛭石和硅藻土，第三级垂直潜流单元中层铺设的吸附填料为水滑石和CaCO₃。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述暗沟表层和垂直潜流单元表层的植物配置方法为：选用不同季节的优势和建群植物，构建复合立体型抗污染生物群落模式；植物选择的依据是植物抗重金属胁迫、适应干湿交替环境和吸收利用重金属元素的能力及其经济、美学和可持续利用价值；植物配置遵循的原则为：（1）因地制宜，选用速生、抗污染力强的本土植物；（2）丰富植被生物多样性，以多年生优势和建群木本植物为主搭配一年生草本植物，形成完整的生物群落；（3）强化植被立体空间效应，通过合理地配置，改善林相与根系的空间结构；（4）增强植被自然更替的能力，采用冷、暖季植物套种模式，实现系统植物群落的自然换季。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述暗沟表层和垂直潜流单元表层的植物选自如下植物：

先锋植物：商陆、黄荆条、铁扫帚、鬼针草冬茅、狗牙根、艾蒿、草木犀、白茅、斑地锦、野生大豆、律草、蒲公英、野葛、白背叶；

用材林植物：泡桐、栾树、任木、马尾松、苦楝、黄杨、海桐、香樟；

工业原料植物：盐肤木、构树、棕榈、枫香、芦苇、芦竹、龙须草、苎麻、香根草、野桐；

能源植物：乌桕、黄连木、白檀、光皮树、蓖麻、矮象草、芒属植物、杨树、能源柳；

景观植物：德国鸢尾、紫叶美人蕉、美人蕉、花叶芦竹、香蒲、香菇草、梭鱼草、旱伞草、千屈菜、黑三棱、东方香蒲、鸢尾、灯芯草、姜花、菖蒲、再力花、鸭趾草、山矾、六道木、夹竹桃、小叶女贞、木绣球、复羽叶栾树、杜英、千头柏、球核荚迷、金银花。

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