CN104230100A - 用于河道水体原位修复的立体生态廊道系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于河道水体原位修复的立体生态廊道系统及方法，包括拦截单元、预处理单元、湿地单元、绿化截滤单元、反冲洗单元、排洪单元和植物控制单元。本发明可以有效地解决现有人工湿地需间歇运行和长期运行以后填料易堵塞的技术难题，提高整个系统的处理效果和耐冲击负荷能力，减少占地面积，同时兼具防洪功能。并且本发明集多项优化技术构成完善的生态净化系统，实现河道水环境改善、水生态修复的有机统一。具有占地面积小、可在河道原位处理且不影响排洪需求、处理效果好、氮磷去除能力强、应对冲击负荷适应能力强、无蚊蝇滋生、运行维护管理方便等优点，适用于处理受生活污水和工业废水污染的河道。

Description

用于河道水体原位修复的立体生态廊道系统及方法

技术领域

本发明涉及水生态污水治理技术领域，具体涉及一种用于河道水体原位修复的立体生态廊道系统及方法。

背景技术

城市河道作为城市景观中的重要组成部分，不仅要为城市供给居民的生活用水，还要保证城市的工业用水、消防用水及绿化灌溉等。在城市的多个组成系统中，河道具有防洪排水功能、景观文化功能、生态环境功能和雨水利用功能等，对城市的进步和发展起到了积极的推动作用。因此，建设良好的城市河道生态系统，从可持续发展的角度而言对人类的发展与延续起到了重要的作用。

随着城市经济的高速发展，城市化和工业化进程的加快，城市河道水环境受到了严重的污染和破坏。受污染的河道水滞留，河道淤积，水体浑浊甚至时常出现黑臭，被污染的河水其原作为生活和工业用水水源的功能已经完全丧失；河道水所具有的美化环境、调节城区小气候、景观旅游等功能大大下降，河道的积泥、淤塞使航运、防洪功能显著退化。水环境的恶化使城市人居环境和景观效果受到了严重破坏，因此对城市河道水进行水质修复刻不容缓。

对于河流、湖泊等地表水体修复，目前较为先进和科学的理念是生态治水，就具体的技术发展趋势来看，人工湿地技术是近十几年来国内外开发并已成功地用于治理受污染水体修复的新技术，也是生态修复技术发展的重要趋势。由于目前在国内大多采用单一的人工湿地技术对受污染的河道水进行治理，缺乏以人工湿地为其中某一单项技术的集成技术，因此造成水质净化单元难以处理高污染负荷的污染水，存在着对COD去除率低，总去除效率低，湿地填料容易堵塞等不足。特别是人工湿地由于占地问题，与上海等城市市区内生态用地紧缺的矛盾极为突出。因此，研究如何将人工湿地和其他技术相结合的集成技术与河道功能有机结合，利用河道现有用地建设水质净化系统，改善和恢复景观河道的生态环境是亟需解决的问题。

发明内容

鉴于上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于河道水体原位修复的立体生态廊道技术。该技术能够在处理城市河道污水中，无需水泵提升、实现河道内原位处理受污染水体，不占用或少占用两岸用地，并且有效地解决了河道行洪的需要；该技术处理效率高，可承受的污染物负荷大，能够彻底去除河道黑臭或富营养化问题，处理效果稳定。

根据本发明提供的一种用于河道水体原位修复的立体生态廊道系统，包括沿河道上游至下游方向依次设置的拦截单元、预处理单元、湿地单元、植物控制单元、；

所述拦截单元，用于将上游河道来水中的杂物进行拦截；

所述预处理单元，用于对经所述拦截单元的来水，进行曝气以及微生物降解；

所述湿地单元，用于使经所述预处理单元的来水，沿波浪式渗径反复流经床体的表层和底层，即反复经过好氧和厌氧的过程，实现对污染物的去除；

所述植物控制单元，用于对经所述湿地单元的来水，利用人工浮床种植挺水植物和浮水植物进行悬浮物拦截、氮磷吸收。

优选地，还包括如下任一种或任多种装置：

反冲洗单元，用于对人工湿地单元的填料进行反冲洗；

绿化截滤单元，用于设置在河道的岸边，拦截污染物进入河道；

排洪单元，用于在人工湿地单元的首尾之间提供排洪管道。

优选地，所述拦截单元采用不锈钢格栅或者不锈钢筛网。

优选地，所述预处理单元，包括曝气管网、柔性填料、曝气头和浮水植物；

曝气管网的一端高于柔性填料并与供气装置相连，曝气管网的另一端延伸至柔性填料的下方并连接曝气头；浮水植物设置在柔性填料的上方。

优选地，所述湿地单元包括沿河道上游至下游方向依次设置的多道隔墙，相邻的隔墙之间填充有多孔性填料；多孔性填料上方种植有湿地植物；

位于最上游的隔墙为上部含有过水孔的过水孔隔墙，位于最下游的隔墙为顶端能够形成漫流的漫流隔墙，其中，所述漫流隔墙的顶端低于过水孔隔墙的顶端；

在所述位于最上游的隔墙与所述位于最下游的隔墙之间，沿河道上游至下游方向：

-设置有1道下部含有过水孔的过水孔隔墙；或者

-依次交替设置有下部含有过水孔的过水孔隔墙、漫流隔墙。

优选地，所述植物控制单元，包括沉水植物、第一挺水植物、第二挺水植物、浮床；

第二挺水植物种植在浮床上。

优选地，多孔性填料包括砾石、钢渣、沉水陶粒等中的任一种或多种组合；湿地植物包括美人蕉、黄菖蒲、菖蒲、香蒲、芦苇中的任一种或任多种植物。

优选地，所述反冲洗单元，包括反冲洗管道，其中，所述反冲洗管道设置在所述人工湿地单元的填料的下方，所述人工湿地底部设置反冲洗单元以解决湿地填料堵塞问题，在反冲洗管道下部两侧位置处分别开出气孔。

优选地，所述排洪单元，包括过水管道、溢流管道、阀门；

过水管道穿过所述人工湿地单元的首尾两端，并位于人工湿地单元的下部，过水管道的上游端设置有阀门；

溢流管道穿过所述人工湿地单元的首尾两端，并位于人工湿地单元的上方，溢流管道的上游端设置有阀门。

根据本发明提供的一种用于河道水体原位修复的方法，其利用上述的用于河道水体原位修复的立体生态廊道系统，对河道水体进行原位修复。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明有效地解决现有人工湿地需间歇运行和长期运行以后填料易堵塞的技术难题，提高整个系统的处理效果和耐冲击负荷能力，减少占地面积，同时兼具防洪功能。

2、本发明由多项技术优化集成，构成完善的生态净化系统，发挥多种技术互补、协同作用的集成优势，实现河道水环境改善、水生态修复和景观功能的有机统一。

3、本发明具有占地面积小、可在河道原位处理且不影响排洪需求、处理效果好、氮磷去除能力强、应对冲击负荷适应能力强、无蚊蝇滋生、运行维护管理方便、具有景观功能等优点，适用于处理受生活污水和工业废水污染的河道。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的平面结构示意图。

图2为本发明的剖面结构示意图。

图3为本发明的人工湿地单元纵剖面结构示意图。

图4为本发明的人工湿地单元反冲洗横支管纵剖面结构示意图。

图中：

拦截单元	1
		曝气管网	2
柔性填料	3
		曝气头	4
第一过水孔	5
		第一隔墙	6
第二隔墙	7
		反冲洗管	8
混凝土基础	9
		浮水植物	10
湿地植物	11
		第二过水孔	12
阀门	13
		第一过水管道	14
第二过水管道	15
		多组份填料	16
沉水植物	17
		挺水植物	18
浮床	19
		草坪绿化带	20
反冲洗横支管	21
		出气孔	22

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明所解决的技术问题可以通过以下方案来实现：

(1)拦截单元

上游河道来水在进入水质净化系统之前，先经过一个不锈钢格栅(或者不锈钢筛网)将粗大的垃圾和漂浮物拦截在格栅外，格栅外垃圾定期进行清理。

(2)预处理单元

在格栅和隔墙之间为预处理单元，预处理单元是针对河道受生活或工业污水影响导致的污染物浓度高、污水流量不稳定而设计的一种处理单元，该单元集微孔曝气、柔性填料接触氧化和植物调控等技术于一体。

水面采用浮岛技术种植水生植物，植物覆盖整个河面，一方面起到景观作用，另一方面减少河面臭味。同时，通过植物吸收和根系表面微生物的降解，也可以去除部分污染物。

浮岛下部挂生物膜载体，可为微生物提供良好的附着界面，在填料表面形成微生物膜，减少污水处理过程中微生物的流失，提高系统抗污染负荷的能力，从而大大提高污水处理的效果。

河道底部辅以微孔曝气，增加水体中的溶解氧，为微生物代谢活动提供氧源。微孔曝气具有充氧效率高、能耗低、噪声小等优点。

(3)多组分波式流湿地单元

人工湿地处理单元位于预处理段的下游，采用波式流结构。波式流湿地是一种新型的人工湿地结构形式，在波式流湿地内部，水体沿波浪式渗径反复流经床体的表层和底层，即反复经过好氧和厌氧的过程，实现对污染物的高效去除。该单元由三个关键部分组成：植物、微生物和基质。耐水的植物扎根于基质床，床体内浸满了水体，基质支持着这些植物，而植物的根系则为各种微生物提供生存家园，充分发挥了系统间的协调作用，在相同面积情况下处理能力大幅度提高，能够克服天然湿地比较脆弱的缺点，具有负荷率高、占地面积小、效果可靠、耐冲击负荷和不易滋生蚊蝇等优点。

(4)植物控制单元

种植水生植物是构建河道生态系统的关键环节。水生植物不仅能够有效去除水体中的COD和氮、磷，也能为水生动物提供养料和生存环境，是河道生态系统中不可缺少的组成部分。

植物控制区主要是利用人工浮床种植挺水植物和浮水植物，利用浮床可以根据水位自动进行调整高度的特点，给挺水植物和浮水植物创造生长环境条件，有利于植物的成活和生长。在河底种植沉水植物，起到拦截悬浮物，吸收氮磷、提高透明度等净化效果。

(5)绿化截滤单元

结合河道两岸绿化带的分布情况和绿化用地资源，因地制宜地将两岸绿化用地改造成绿化带渗滤系统，绿化带渗滤系统底部填充基质填料，基质填料表面种植景观效果好、去污能力强的植物，一方面起到绿化景观的功能，另一方面起到拦截面源污染的作用，使污染物在绿化截滤带进行滞留或分解一部分后进入河道中。

(6)排洪单元

由于人工湿地设置在河道内，考虑到河道的防汛排洪功能设置了防洪单元。首先在人工湿地内部碎石垫层上方铺设UPVC加筋排水管，并在第一道隔墙设置阀门，在大雨来临之前开闸，可将河道内水位进行预降。其次在人工湿地上部设置了2根UPVC加筋排水管，在底部排水管来不及排水时打开闸门，加大排水力度。再次隔墙高程低于河道高水位高程，遇到特大洪水时上游来水可以直接从人工湿地上方溢流。

(7)反冲洗单元

为了预防人工湿地堵塞，在人工湿地填料内设置了反冲洗管，通过管道连接成管网系统，在反冲洗管上均匀布出气孔，当填料堵塞时，通过总管对反冲洗管充气，对填料系统进行反冲洗，可有效地解决人工湿地填料的堵塞问题，大大延长了人工湿地的使用寿命。

更为具体地，请参阅图1、图2和图3，河道上游来水经过拦截单元1拦截后水平推流进入预处理单元，所述拦截单元1的种类不限，只要能够拦截粗大的垃圾和漂浮物即可。优选地，所述拦截单元1可为不锈钢格栅或不锈钢筛网中的一种。

预处理单元包括曝气管网2、柔性填料3、曝气头4和浮水植物10，曝气管网2一端连通外界供气装置，另一端连接曝气头4，曝气头4为微孔曝气，气流通过曝气管网2透过曝气头4鼓入河道底部进行曝气。微孔曝气管网2设于河道底部以上0.5m处，防止污泥堵塞曝气头4。优选地，所述供气装置可为鼓风机、空气压缩机或压缩空气罐中的一种。供气装置通过气流导管与曝气管网2连接，所述的气流导管可为柔性管，可为刚性管，也可部分为柔性管、部分为刚性管，具体可根据实际情况进行设置。曝气头4上部是多孔装置柔性填料3，柔性填料3淹没在水中，只要能够为微生物聚集生长提供载体即可。在本实施例中，柔性填料3是一种仿生系统的生物膜载体，每立方米载体比表面积可达250平方米。水面种植浮水植物10，优选对水中氮磷吸收能力较强的植物。在本实施例中，浮水植物10选用黄花鸢尾。

河水经过预处理单元处理后，从人工湿地首道第一隔墙6上部第一过水孔5进入人工湿地单元。人工湿地单元首尾两端隔墙均为37墙，下部基础为钢筋混凝土基础9。为了保证人工湿地单元从上部出水漫流进入植物控制单元，可将人工湿地分割成偶数仓，如：2、4、6仓等，具体可根据河道实际情况而定，在本实施例中，人工湿地分割为4仓。每仓中间填充不同种类多组份填料16，多组分填料16均为多孔性填料，均有不同大小的空隙度，只要能够保证水体在填料间流动和为微生物生长提供载体即可。优选地，多组分填料16可为加气粒子、碎石、陶粒、钢渣、砾石或火山岩等填料中的两种或两种以上任意组合(在变化例中，也可以仅由一种填料构成)。在本实施例中，多组分填料16采用沉水陶粒为主，底部设一定厚度的砾石和钢渣。水流从上部第一过水孔5处均匀流入人工湿地内，依此向下向前流动，以波状流至底部第二过水孔，穿过底部第二过水孔后向上向前波状流至第三道第二隔墙上方，从作为漫流隔墙的第二隔墙上方漫流而过，然后再进入底部第二过水孔，这样依此流动直至最后一仓漫流进入下游植物控制单元。除首尾两道隔墙外，由于两边受力平衡，中间隔墙均为24墙，从河道底部砌筑至水平高程附近，水流从底部过的隔墙高程高于水面，需要漫流的隔墙高程低于水面。人工湿地单元上方在填料内种植湿地植物11，湿地植物11应具有净化水质和美化环境等功能。优选地，湿地植物11可以是美人蕉、黄菖蒲、菖蒲、香蒲或芦苇等挺水植物中的一种或任意组合。在本实施例中，湿地植物11选用美人蕉。

在下游植物控制单元，岸边种沉水植物17和挺水植物18，水深处放置浮床19，只要能够起到净化水质和美观环境即可。优选地，沉水植物17可以是金鱼藻、轮叶黑藻、茨藻、菹草或伊乐藻中的一种或者任意组合，其中轮叶黑藻宜夏季种，菹草和伊乐藻宜冬季种，不同季节两类植物交替生长，可保证全年内净水效果良好。挺水植物18可以是芦苇、香蒲、菱草中的一种或者任意组合，菱草和香蒲叶片较多茎秆不明显，而芦苇主茎明显叶片较少，这些种类上的差异将导致植物对水体中营养盐吸收的不同、弥补各自的缺陷。浮床19上可以种植荷花、水葱、美人蕉、茭白、千屈菜中的一种或者任意组合，能改善原有的生态环境。

在两岸护坡上设置生态截滤带单元，在基层内填充基质填料，基质可以是土壤、植物秸秆、锯末中的一种或任意组合，在本实施例中，基质选用土壤。基质上种植草坪绿化带，草坪绿化带可以是狗牙根、早熟禾、高羊茅、白三叶、红花草、四季青草坪中的一种或任意组合，在本实施例中，种植四季青草坪。当河道两岸为护岸时，所述生态截滤带单元可省去。

在人工湿地的下方设置了反冲洗管道8，反冲洗管道主管管径为Ф100，竖直连接到下层反冲洗管网中，反冲洗横支管管径为Ф20管道，反冲洗管道8必须能承受设计要求的压力和具有防腐功能。优选地，反冲洗管道8可以是钢管或者钢塑管中的一种。在底部的反冲洗横支管上开出气孔以保证反冲洗时气流顺利的从管道内排出对多组份填料16进行清洗。出气孔开孔方式请参阅图4，在反冲洗横支管下部两侧45°位置开孔，防止横支管上部填料堵塞出气孔，所述开孔孔径一般为0.2～0.8mm，在本实施例中取0.5mm。一般的，出气孔开孔间距50～100cm，底部反冲洗横支管管间距50～100cm，管道终端封死。在本实施例中，所述开孔间距取50cm，横支管管间距取50cm。当人工湿地堵塞时，通过外界供气装置对主管进行充气，配合水流进行反冲洗。所述的外接供气装置与预处理单元中的相同。

对于排洪单元，在人工湿地上部安装第一过水管道两根，在人工湿地底部安装第二过水管道一根，只要能够及时排出上游来的河水即可，并分别在第一过水管道、第二过水管道的进水口安装阀门13，在水位正常时关闭。在本实例中，第一过水管道选用管径Ф600mm，第二过水管道选用管径Ф800mm。遇有大暴雨天气时，打开第二过水管道上的闸门使洪水直接从第二过水管道流至下游，当第二过水管道无法及时排出上游来的河水时，打开两根第一过水管道上的阀门，三根过水管道同时排水。此时，第一过水管道、第二过水管道起到了超越管的作用。另外设计隔墙高程比常水位高，遇到特大暴雨时，洪水可直接从人工湿地上部溢流排洪，此时不考虑对污染物降解问题，以行洪安全为第一。

本发明所述的生态廊道系统长宽比根据河流实际情况而定，预处理单元长宽比一般不小于2:1且不大于4:1，人工湿地单元长宽比一般不小于6:1且不大于10:1，植物控制单元长宽比一般不小于20:1且不大于40:1。

运行方式：连续运行，预处理单元理论停留时间16.8h，人工湿地单元理论停留时间25.9h，植物控制单元理论停留时间144h。

将本发明一种用于河道水体原位修复的立体生态廊道建在城市河道内，应用于某河道水质修复工程中，日处理水量1000m³，该水质修复生态廊道建成后，连续运行2年的平均处理效果如表1所示。

表1立体生态廊道连续运行2年水质状况对比表(平均值)

水质参数	进水	出水	去除率(％)
				氨氮NH3-N/(mg/L)	27.0±8.5	13.3±5.8	53.4±10.4
总磷TP/(mg/L)	2.4±0.8	1.0±0.3	56.6±10.1

化学需氧量CODCr/(mg/L)

210.2±73.1

66.9±38.6

67.2±13.2

本立体生态廊道河道水体修复技术解决了长期困扰城市河道存在的可用面积少、原位处理效率低、集成技术少造成河道水质不稳定、人工湿地容易堵塞、无法与排洪相结合的难题，特别适用于城市内自然或人工控制的可单向流动的受污染河道水体修复。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种用于河道水体原位修复的立体生态廊道系统，其特征在于，包括沿河道上游至下游方向依次设置的拦截单元、预处理单元、湿地单元、植物控制单元；

所述拦截单元，用于将上游河道来水中的杂物进行拦截；

所述预处理单元，用于对经所述拦截单元的来水，进行曝气以及微生物降解；

所述湿地单元，用于使经所述预处理单元的来水，沿波浪式渗径反复流经床体的表层和底层，即反复经过好氧和厌氧的过程，实现对污染物的去除；

所述植物控制单元，用于对经所述湿地单元的来水，利用人工浮床种植挺水植物和浮水植物进行悬浮物拦截、氮磷吸收。

2.根据权利要求1所述的用于河道水体原位修复的立体生态廊道系统，其特征在于，还包括如下任一种或任多种装置：

反冲洗单元，用于对人工湿地单元的填料进行反冲洗；

绿化截滤单元，用于设置在河道的岸边，拦截污染物进入河道；

排洪单元，用于在人工湿地单元的首尾之间提供排洪管道。

3.根据权利要求1所述的用于河道水体原位修复的立体生态廊道系统，其特征在于，所述拦截单元采用不锈钢格栅或者不锈钢筛网。

4.根据权利要求1所述的用于河道水体原位修复的立体生态廊道系统，其特征在于，所述预处理单元，包括曝气管网、柔性填料、曝气头和浮水植物；

曝气管网的一端高于柔性填料并与供气装置相连，曝气管网的另一端延伸至柔性填料的下方并连接曝气头；浮水植物设置在柔性填料的上方。

5.根据权利要求1所述的用于河道水体原位修复的立体生态廊道系统，其特征在于，所述湿地单元包括沿河道上游至下游方向依次设置的多道隔墙，相邻的隔墙之间填充有多孔性填料；多孔性填料上方种植有湿地植物；

位于最上游的隔墙为上部含有过水孔的过水孔隔墙，位于最下游的隔墙为顶端能够形成漫流的漫流隔墙，其中，所述漫流隔墙的顶端低于过水孔隔墙的顶端；

在所述位于最上游的隔墙与所述位于最下游的隔墙之间，沿河道上游至下游方向：

-设置有1道下部含有过水孔的过水孔隔墙；或者

-依次交替设置有下部含有过水孔的过水孔隔墙、漫流隔墙。

6.根据权利要求1所述的用于河道水体原位修复的立体生态廊道系统，其特征在于，所述植物控制单元，包括沉水植物、第一挺水植物、第二挺水植物、浮床；

第二挺水植物种植在浮床上。

7.根据权利要求5所述的用于河道水体原位修复的立体生态廊道系统，其特征在于，多孔性填料包括砾石、钢渣、沉水陶粒中的任一种或多种组合；湿地植物包括美人蕉、黄菖蒲、菖蒲、香蒲、芦苇中的任一种或任多种植物。

8.根据权利要求2所述的用于河道水体原位修复的立体生态廊道系统，其特征在于，所述反冲洗单元，包括反冲洗管道，其中，所述反冲洗管道设置在所述人工湿地单元的填料的下方，所述人工湿地底部设置反冲洗单元以解决湿地填料堵塞问题，在反冲洗管道下部两侧位置处分别开出气孔。

9.根据权利要求2所述的用于河道水体原位修复的立体生态廊道系统，其特征在于，所述排洪单元，包括过水管道、溢流管道、阀门；

过水管道穿过所述人工湿地单元的首尾两端，并位于人工湿地单元的下部，过水管道的上游端设置有阀门；

溢流管道穿过所述人工湿地单元的首尾两端，并位于人工湿地单元的上部，溢流管道的上游端设置有阀门。

10.一种用于河道水体原位修复的方法，其特征在于，所述用于河道水体原位修复的方法，利用权利要求1至9中任一项所述的用于河道水体原位修复的立体生态廊道系统，对河道水体进行原位修复。