CN103172179B - 兼有水质净化和盾构弃土消纳处置功能的人工湿地装置 - Google Patents

兼有水质净化和盾构弃土消纳处置功能的人工湿地装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及兼有水质净化和盾构弃土消纳处置功能的人工湿地装置，该装置按水流方向包括进水槽，湿地床和出水槽，所述的湿地床内设有废浆消纳区或者弃土消纳区，当待处理盾构废弃物为液态废浆时，所述的湿地床包括自上而下分别是人工浮床区、过渡区和废浆消纳区，或者，当待处理盾构废弃物为固状弃土时，所述的湿地床包括自上而下分别是人工湿地区和弃土消纳区。与现有技术相比，本发明将废浆和弃土作为具有利用价值的资源封存起来，既解决了废浆和弃土的消纳问题，又体现了人工湿地的环境友好功能，采用生态工程的处置方式，运行成本低，易于管理维护。

Description

兼有水质净化和盾构弃土消纳处置功能的人工湿地装置
技术领域
本发明涉及一种环境保护技术领域的装置，具体是涉及一种兼有水质净化和盾构废浆/弃土消纳处置功能的人工湿地。
背景技术
在盾构施工过程中，开挖土料与泥水混合形成高密度泥浆，由排浆泵及管道输送至地面，经过滚动筛，除砂器等物理分离形成工程上无法回用的厚浆，厚浆排入弃浆池，久而久之表层干化为弃土。泥水盾构的出浆量一般为掘土体积的2～3倍，若不经妥善，必将会对周边生态环境造成破坏。同时，盾构弃土均为地下深层土质，本身的污染性小，是极好的资源化材料，因此应加以适当处理，以利于今后的开发利用。
传统的泥浆处理技术有填埋法、固化法、土地耕作法等。普通的填埋法土方工程量比较大，并且不具备生态功能，可能会为环境安全留下隐患；固化法成本偏高，并且彻底改变了盾构弃土的物理性质，加大了资源化利用的难度；土地耕作法对地形地貌以及土壤结构要求较高，不易展开实施。
开发针对盾构废浆和弃土的生态方法可以有效解决这类环境问题。既能够有效储备废弃物资源，同时也不造成环境污染。采用生态人工湿地(Constructed Wetland，CW)是一种应用广泛的生态工程技术，指用人工筑成水池或沟槽，底面铺设防渗漏隔水层，填充一定深度的基质层，种植水生植物，利用基质、植物、微生物的物理、化学、生物协同作用使污水得到净化。传统人工湿地按照污水流动方式分为表面流人工湿地、水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地。目前人工湿地普遍用于水质污染的净化和生态环境的改善，得到广泛的重视和发展。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种将废浆和弃土作为具有利用价值的资源封存起来，既解决了废浆和弃土的消纳问题，又起到净化水质的作用，低碳环保、运行成本低、易于管理维护的兼有水质净化和盾构弃土消纳处置功能的人工湿地装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：兼有水质净化和盾构弃土消纳处置功能的人工湿地装置，该装置按水流方向包括进水槽，湿地床和出水槽，其特征在于，所述的湿地床内设有废浆消纳区或者弃土消纳区，当待处理盾构废弃物为液态废浆时，所述的湿地床包括自上而下分别是人工浮床区、过渡区和废浆消纳区，或者，当待处理盾构废弃物为固状弃土时，所述的湿地床包括自上而下分别是人工湿地区和弃土消纳区。
所述的装置为长方体槽状，其长宽比为(3～5)∶1，装置主体位于地面以下，高度相对水面液位的超高不小于0.3m，所述的人工浮床区水深为0.4～0.5m，过渡区为0.2～0.3m，所述的废浆消纳区深度为3～5m；所述的人工湿地区包括植物区和基质层，植物区水深为0.2～0.3m、基质层厚度为0.2～0.3m，所述的弃土消纳区深度一般为3～5m。
所述的装置的BOD5负荷为15～50Kg/hm2.d，水力负荷小于0.1m3/m2.d，水力停留时间为3～6d，水力坡度为小于0.5％。
所述的进水槽与湿地床之间设有穿孔墙，通过穿孔墙进行均匀布水，所述的穿孔墙的孔洞设于水面以下0.1～0.2m处。
所述的湿地床与出水槽之间设有可控制液位的多根集水弯管，多根集水弯管并列设置。
所述的多根集水弯管根据实际需要可设置1-10根。
所述的废浆消纳区上部中央位置设有三角反射档板，该三角反射档板通过泥浆输送管连接泥浆泵，待处置废浆通过泥浆泵及泥浆输送管道从废浆消纳区上部中央位置注入，通过三角反射档板将泥浆分散进入到废浆消纳区，同时加大颗粒碰撞，增进泥水分离，所述的废浆消纳区底部设有防渗层；
所述的弃土消纳区底部以及弃土消纳区与湿地植物区之间均设有防渗层，待处置弃土一次性填入弃土消纳区中，待处置含水率低于20％，人工湿地区为表面流人工湿地或水平潜流人工湿地。
所述的防渗层的渗透系数小于或等于10-8m/s，该防渗层由工程防水材料制成，所述的防渗层为黏土层或聚乙烯薄膜。
所述的人工浮床区或人工湿地区种植具有一定景观或经济价值的水生植物，种植密度为3株/m2～9株/m2；可选择多种植物作为优势种搭配栽种，增加植物的多样性并具有景观效果。
所述的人工浮床区由浮床植物通过扦插移栽而成，应用定植篮或穿孔泡沫板对植物进行固定；所述的湿地植物区由水生植物通过扦插移栽固定于土壤中而成。
与现有技术相比，本发明创造了将废浆和弃土作为具有利用价值的资源封存起来的固废生态处理技术，既解决了废浆和弃土的消纳问题，又起到净化水质的作用，体现了湿地的环境友好功能。本发明具有以下优势：
1)大幅减少了土方工程量，降低了实施难度；
2)将废浆和弃土原样储存，没有对其进行改性，便于日后的开发利用；
3)实施方式可根据现场情况灵活调整，提高了工程可行性；
4)尤其是对废浆采用人工浮岛的形式消纳处理，摒弃了传统的机械分离后再处理，既低碳环保，又降低了运行成本并且易于管理维护；
5)选择种植具有一定经济价值的水生植物，既实现了景观功能，又体现了经济补偿作用。
附图说明
图1是本发明的废浆消纳式湿地结构示意图；
图2是本发明的弃土消纳式湿地结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，一种兼有水质净化和盾构弃土消纳处置功能的人工湿地装置包括自上而下设置的人工浮床区4、过渡区7和废浆消纳区8，相关水质净化装置按照水流方向包括进水口1、进水槽2、穿孔墙3、人工浮床区4、集水弯管11、出水槽12和出水口13。相关泥浆处置装置包括泥浆泵10、泥浆输送管5、三角反射挡板6、废浆消纳区8、防渗层9，废浆消纳区8上部中央位置设有三角反射档板6，该三角反射档板6通过泥浆输送管5连接泥浆泵10，待处置废浆通过泥浆泵10及泥浆输送管道5从废浆消纳区上部中央位置注入，通过三角反射档板6将泥浆分散进入到废浆消纳区8，同时加大颗粒碰撞，增进泥水分离。
人工湿地装置为长方体槽状，其长宽比为3∶1，深为0.8m。
湿地的总表面负荷率为0.1m3/m2.d左右，水力停留时间为3d左右，湿地的水力坡度为0.3％。
进水槽2与人工浮床区之间设有穿孔墙3，通过穿孔墙3实现均匀布水，穿孔墙3的孔洞设于水面以下20cm处，孔径不大于3cm，水流经穿孔墙进入人工浮床区5。
废浆消纳区8有效深度为3m，底部设防渗层6，具体实施方法是先将废浆消纳区8底部作防渗处理，再通过泥浆泵10向其中注浆，泥浆通过泥浆输送管5进入废浆消纳区8，并在三角反射板6的作用下实现泥浆颗粒的碰撞絮凝，实现泥水分离，颗粒不断下沉，水面上升，当液面上升到人工浮床的设计高度时，即可安装人工浮床，并栽种浮床植物。
人工浮床区5有效水深40cm，浮岛植物通过扦插移栽，可应用定植篮或穿孔泡沫板对植物进行固定。按照植物生长周期进行定期收割，收割时保留水面以上足够的茎秆长度。
人工浮床区4和废浆消纳区8之间为过渡区7，厚度在0.2m，主要是避免泥浆沉淀过程中影响到人工浮床区上清液。
防渗层9渗透系数不应大于10-8m/s，可采用黏土层、聚乙烯薄膜等工程防水材料。
人工浮床区与出水槽12之间采用集水弯管11控制液位，集水弯管11和穿孔墙进水孔的高差应满足水力坡度0.3％，集水弯管11溢流高度决定湿地床水位高度，集水弯管11数量可根据实际情况需要设置，一般可设置1-10根。
出水口13的高度根据排放液位实际情况确定，原则上不应高于集水弯管11的溢流高度。
实施例1的工作过程如下：
如图1所示，隧道工地现场的污水或湿地周边的天然水体经进水口1流入进水槽2中，再经穿孔墙3进入人工浮床区4。人工浮床区4种植经济或景观植物，植物根系由于大量微生物的生长而形成生物膜。水流经生物膜时，悬浮颗粒物被植物根系阻挡截留；有机污染物通过生物膜的吸收、同化及异化作用而被除去；因植物根系对氧的传递释放，使其周围的环境中依次出现好氧、缺氧、厌氧状态，保证了水中的氮磷不仅能通过植物和微生物作为营养吸收，而且还可以通过硝化、反硝化作用将其除去，最后通过收割栽种植物将污染物最终除去。经人工浮床区净化的水质通过集水弯管11溢流进入出水槽12，最终经出水口13流出湿地装置。
实施例2
如图2所示，一种兼有水质净化和盾构弃土消纳处置功能的人工湿地装置按照水流方向包括进水口1，进水槽2，穿孔墙3，人工湿地区4′，弃土消纳区5′，防渗层9′，集水弯管11，出水槽12，出水口13。
人工湿地装置为长方体槽状，长宽比为3∶1，人工湿地区4可采用表面流人工湿地或水平潜流人工湿地。人工湿地区的总表面负荷率为0.1m3/m2.d左右，水力停留时间为3d左右，湿地的水力坡度为0.3％。
进水槽2与人工湿地区4′之间采用穿孔墙3均匀布水，孔洞设于水面以下10cm处，孔径不大于3cm，水流经穿孔墙3进入人工湿地区4′。
人工湿地区4′有效水深20cm，湿地植物通过扦插移栽固定于土壤中，按照植物生长周期进行定期收割，收割时保留水面以上足够的茎秆长度。
弃土一次性填入弃土消纳区5中，弃土含水率应低于20％。
弃土消纳区5′底部以及弃土消纳区5′与人工湿地区4′之间均设有防渗层9′，防渗层9′渗透系数不应大于10-8m/s，可采用黏土层、聚乙烯薄膜等工程防水材料。具体实施方法是先将湿地床底部作防渗处理，再向其中填入弃土约3m，夯实后再次作防渗处理，在防渗层上铺设种植土壤约20cm，最后栽种湿地植物。
人工湿地区4′与出水槽12之间采用集水弯管11控制液位，集水弯管11和穿孔墙进水孔的高差应满足水力坡度0.3％，集水弯管11溢流高度决定湿地床水位高度，集水弯管11数量可根据实际情况需要设置。
出水口13的高度根据排放液位实际情况确定，原则上不应高于出水弯管8的溢流高度。
实施例2的工作过程如下：
如图2所示，隧道工地现场的污水或湿地周边的天然水体经进水口1流入进水槽2中，再经穿孔墙3进入人工湿地区4′。人工湿地区4′种植经济或景观植物，水中的氮、磷营养在湿地植物区得到水生植物的净化，同时其发达的根系提供了微生物栖息的场所，通过微生物的吸收、同化及异化作用对水质进行综合净化，水生植物光合作用可以为水体输送溶解氧，保持湿地植物区较充足的溶解氧水平。最后通过收割栽种植物将水中的污染物最终除去。经湿地植物区净化的水质通过集水弯管11溢流进入集水区12，最终经出水口13流出湿地装置。
实施例3
一种兼有水质净化和盾构弃土消纳处置功能的人工湿地装置，该装置人工湿地装置为长方体槽状，长宽比为5∶1，湿地的总表面负荷率为0.1m3/m2.d左右，水力停留时间为6d左右，湿地的水力坡度为0.4％。穿孔墙的孔洞设于水面以下10cm处，孔径不大于3cm。人工浮床区有效水深为50cm，废浆消纳区深度为30m。湿地床与集水区之间采用出水弯管控制液位，弯管和穿孔墙进水孔的高差应满足水力坡度0.4％，弯管溢流高度决定湿地床水位高度，弯管数量可根据实际情况需要设置。其余同实施例1。
实施例4
一种兼有水质净化和盾构弃土消纳处置功能的人工湿地装置，该装置人工湿地装置为长方体槽状，长宽比为5∶1，湿地的总表面负荷率为0.1m3/m2.d左右，水力停留时间为6d左右，湿地的水力坡度为0.4％。穿孔墙的孔洞设于水面以下20cm处，孔径不大于3cm。湿地植物区有效水深为30cm，弃土消纳区深度为5m。湿地床与集水区之间采用出水弯管控制液位，弯管和穿孔墙进水孔的高差应满足水力坡度0.4％，弯管溢流高度决定湿地床水位高度，弯管数量可根据实际情况需要设置。其余同实施例2。

Claims (8)

1.兼有水质净化和盾构弃土消纳处置功能的人工湿地装置，该装置按水流方向包括进水槽，湿地床和出水槽，其特征在于，所述的湿地床内设有弃土消纳区，所述的湿地床包括自上而下分别是人工湿地区和弃土消纳区；
所述的弃土消纳区底部以及弃土消纳区与湿地植物区之间均设有防渗层，待处置弃土一次性填入弃土消纳区中，待处置弃土含水率低于20％，人工湿地区为表面流人工湿地或水平潜流人工湿地。
2.根据权利要求1所述的兼有水质净化和盾构弃土消纳处置功能的人工湿地装置，其特征在于，所述的装置为长方体槽状，其长宽比为（3～5）：1，装置主体位于地面以下，高度相对水面液位的超高不小于0.3m，所述的人工湿地区包括植物区和基质层，植物区水深为0.2～0.3m、基质层厚度为0.2～0.3m，所述的弃土消纳区深度一般为3～5m。
3.根据权利要求1所述的兼有水质净化和盾构弃土消纳处置功能的人工湿地装置，其特征在于，所述的装置的BOD5负荷为15～50Kg/hm2·d，水力负荷小于0.1m3/m2.d，水力停留时间为3～6d，水力坡度为小于0.5%。
4.根据权利要求1所述的兼有水质净化和盾构弃土消纳处置功能的人工湿地装置，其特征在于，所述的进水槽与湿地床之间设有穿孔墙，通过穿孔墙进行均匀布水，所述的穿孔墙的孔洞设于水面以下0.1～0.2m处。
5.根据权利要求1所述的兼有水质净化和盾构弃土消纳处置功能的人工湿地装置，其特征在于，所述的湿地床与出水槽之间设有可控制液位的多根集水弯管，多根集水弯管并列设置。
6.根据权利要求5所述的兼有水质净化和盾构弃土消纳处置功能的人工湿地装置，其特征在于，所述的多根集水弯管根据实际需要设置1-10根。
7.根据权利要求1所述的兼有水质净化和盾构弃土消纳处置功能的人工湿地装置，其特征在于，所述的防渗层的渗透系数小于或等于10-8m/s，该防渗层由工程防水材料制成，所述的防渗层为黏土层或聚乙烯薄膜。
8.根据权利要求1所述的兼有水质净化和盾构弃土消纳处置功能的人工湿地装置，其特征在于，所述的湿地植物区由水生植物通过扦插移栽固定于土壤中而成。
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