CN104310592B - 一种北方地区入湖口河流分流净化人工湿地处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明针对现有河道人工湿地技术的缺陷，提供一种可用于北方低温地区入湖口河道复合人工湿地处理系统，该系统由壅水区、排水区和复合人工湿地系统三大部分构成。湿地够在北方地区全年运行，解决北方地区由于气温低冬季无法运行的问题。

Description

一种北方地区入湖口河流分流净化人工湿地处理系统

技术领域

本发明属于人工湿地处理技术领域，具体涉及一种适用于北方地区入湖口河流分流净化人工湿地处理系统。

背景技术

近年来，随着我国国民经济的高速发展，环境污染及由此而伴生的问题日益显现。调查表明，全国范围内各类河道污染日趋严重，至20世纪末超过一半的河段为IV、V类乃至劣V类水质，严重加剧了我国水资源的短缺，制约了经济的持续发展，同时对人民的生命健康构成了极大危害。

对于受污染河道的治理，底泥疏浚是直接去除内源污染的有效方法，但其成本较高，大面积实施困难。利用生态修复方法降低内源污染，尤其是活性较强的铵氮，已成为近年来的研究热点。但实践表明高浓度的污染物很容易导致土壤吸附饱和，并因缺氧而削弱其对各类污染物包括铵氮等的脱除，导致人工湿地对河水的净化能力降低，尤其在冬季，挺水植物、浮叶植物以及大多数沉水植物生长受阻。

常见的水体生态修复技术包括河岸带水生植物构建、生态浮床、人工曝气复氧、底泥污染控制、建立人工湿地、生物操纵等技术。河岸带水生植物构建是通过在河岸带浅水处种植水生植物，重建河岸带水生植物群丛，改善河流湿地生态系统的本底状况，健全河流湿地生态系统结构完整性，提升湿地生境风貌，提高河流污染物的自净能力，削减带入下游水体的污染量。生态浮床技术是利用物种的共生关系，以水生植物为主体，建立高效的人工生态系统，降低河流污染负荷。河道曝气是通过加速河流的复氧过程，使溶解氧浓度提高，增强好氧生物的活性，从而提高水体自净能力。底泥疏浚可以彻底清除底泥的有毒、有害物质。建立人工湿地则是利用湿地的沉淀、吸附、降解等作用，对污水进行处理。

河流岸坡生态修复。河流岸坡防护大量使用混凝土或钢筋混凝土等人工建筑材料，破坏了河岸连接水生态系统和陆地生态系统的纽带作用，使河流的生态功能丧失。所以，河流岸坡生态修复应采用透水、透气材料代替硬质材料，如生态袋、生态混凝土砌块、石笼、松木桩、三维土工网等。对于坡度较小、岸坡较稳定的河道，可以采用纯植物措施进行防护，河流断面类型应尽量采用复式断面。

生物多样性恢复。恢复生物多样性，首先要恢复生物的栖息地。采用生态学与工程学相结合的方法，恢复河流水陆交错区的功能，建造能够适合水生动植物、两栖动物生存繁殖的河岸工程生态结构，还要根据所要修复目标生物的生活习性，设置鱼巢、鱼道、浅滩、深塘、丁坝等，尽可能地保留河流中的滩地。

河流形态修复。在保证防洪安全的前提下，将人造化的矩形、梯形断面修整为自然形态，根据河流生态学理念，宜宽则宽、需弯则弯；在保持河道的自然平面形态的同时，提高河道排涝泄洪以及抗旱引水的能力，处理好生态保护与土地规划利用之间的关系。

人工湿地是人工设计与建造的由饱和基质、挺水与沉水植被、动物和水体组成的复合体。在20世纪70年代，人工湿地处理系统大多利用原有的天然湿地，将天然湿地系统与人工建造的氧化塘处理系统结合起来，既保持了天然湿地的原有结构，又提高了氧化塘系统的处理效果；80年代以后，人工湿地发展为由人工建造的、以不同粒径的砾石等为填料基质，并种植有一定去污能力植物的处理系统，这样的构建模式使得人工湿地进入了规模性的应用阶段。

人工湿地的一般工艺流程包括预处理、水生植物池和集水排水3大部分，如：原污水→格栅→污水集水池→植物池A→植物池B→集水池→回用或排放水体，其中起主要净化作用的是水生植物池，因此几乎所有的研究都是在水生植物池中进行。

根据污水在湿地床中流动的方式，可将人工湿地分为3种类型：垂直流人工湿地、潜流式人工湿地和表面流人工湿地。

垂直流人工湿地主要用于处理氨氮含量高的污水，污水从湿地表面纵向流向填料床的底部；其对磷的去除效率差异很大，且体积负荷较小，对介质要求较高，水流容易堵塞，不利于推广使用，但与表面流、潜流式人工湿地相比，垂直流人工湿地具有较强的去除有机物和氮的能力，且有很高的稳定性及抗冲击负荷能力。

潜流式人工湿地由一个或多个填料床组成，污水从一端水平流过填料床到另一端。与表面流湿地相比，其对BOD₅、COD_Cr、SS和重金属的去除效果较好，同时，处理过程中减少了臭气的散发和臭味的产生，而且床体可以对污水保温，这种工艺在国际上有较多的研究和应用，用于处理生活污水、工业废水、医疗废水、暴雨径流、矿山废水、石油开采废水、垃圾场渗滤液等污水，但潜流式人工湿地容易发生堵塞现象。

表面流人工湿地的水力路径以地表推流为主，在污水处理过程中，主要是通过植物茎叶的拦截、土壤的吸附过滤和污染物的自然沉降来达到去除污染物的目的。表面流人工湿地的去污能力高于天然湿地处理系统，但与垂直流、潜流式人工湿地相比，其去污效果相对较差。

人工湿地系统是一个半开放、半封闭的生态系统，它形成了良好的内部循环，投资低、处理污水效果明显，操作简单、维护和运行费用低廉，在处理污水的同时还可以种草、养鱼，增加收益，节约资源，具有较好的经济效益和生态效益，在大、中、小城市和乡村缺少专业管理和技术人员的条件下均能使用，具有极其广阔的应用前景。但中国南北气候差异较大，要在全国范围内统一推广人工湿地污水处理系统困难较大。

现有人工湿地系统的缺点:

1）由于湿地植物的阻挡作用，河道人工湿地无法解决泄洪和净化处理运行之间的矛盾，在洪水期湿地植物影响泄洪；

2）经过一段时间的运行湿地普遍存在阻塞问题，降低了其净化效率；

3）北方湿地植物冬季死亡腐烂分解带来二次污染，影响水体水质；

4）投入人力物力较大，管理成本较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种北方地区入湖口河流分流净化人工湿地处理系统，对河道受污染水体进行净化处理,作为湖库水生态治理的重要手段。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种北方地区入湖口河流分流净化人工湿地处理系统，包括壅水区、排水区和复合人工湿地系统，

壅水区通过在河道设置橡胶坝形成，排水区和复合人工湿地系统沿河道宽度方向并列设置，排水区和复合人工湿地系统均处于壅水区下游，复合人工湿地系统包括湿地区和位于橡胶坝与湿地区之间的缓冲区，设置于橡胶坝底部的进水暗渠沟通壅水区和缓冲区，进水暗渠出水流速在缓冲区降低，通过降低橡胶坝高度使得壅水区的水直接通过排水区流入湖泊，

湿地区水面面积不小于100m×1000m，湿地区库容不小于100000m³，

湿地区上游端布置多个阀门控制的进水口，湿地区下游端布置多个阀门控制的出水口，出水口数量大于进水口数量，湿地区包括按水流方向顺次布置的第一区、第二区、第三区和第四区，

第一区为香蒲为主挺水植物区，第一区占湿地区水面面积的25-30%，设计水深为0.3-0.6m，挺水植物种植密度为15-25株/m²，植被覆盖率90%以上，

第一区与第二区之间设置滚水坝，

第二区为芦苇为主挺水植物区，第二区占湿地区水面面积的20-26%，设计水深为0.3-0.6m，挺水植物种植密度为15-30株/m²，植被覆盖率90%以上，

第三区为沉水植物为主植物区，第三区占湿地区水面面积的24-28%，设计水深为1.0-2.0m，沉水植物采用不同季节生长期植物混合种植的方式，在春季种植喜温性植物，在秋季种植北方耐寒性植物，

第四区占湿地区水面面积的20-25%，第四区包括挺水植物区、浮叶植物区和沉水植物区，在第四区宽度方向上，沉水植物区位于第四区的中间区域，挺水植物区位于第四区的两外侧区域，浮叶植物区位于挺水植物区和沉水植物区之间；挺水植物区设计水深为0.3-0.6m，挺水植物种植密度为10-15株/m²，种植种类为荷、再力花和梭鱼草中的至少一种，植被覆盖率25%-45%；浮叶植物区漂浮植物种植密度为10-15株/m²，植被覆盖率40%-60%；沉水植物区沉水植物种植密度为20-30株/m²，植被覆盖率30%-50%。

上述北方地区入湖口河流分流净化人工湿地处理系统，缓冲区整体呈扇形，缓冲区的两个直线边界分别为湿地区上游端边界和与湿地区上游端边界相交的河岸。

上述北方地区入湖口河流分流净化人工湿地处理系统，缓冲区设计水深为1.5-2.0m，设计水面控制标高高于湿地区两年以上最低水位1.0-1.5m，设计面积为湿地区水面面积的10%。

上述北方地区入湖口河流分流净化人工湿地处理系统，进水暗渠为3-5个。

上述北方地区入湖口河流分流净化人工湿地处理系统，壅水区库容应满足进入湿地区水流能够在湿地区内停留9-10天，壅水区水深大于2m。

上述北方地区入湖口河流分流净化人工湿地处理系统，滚水坝上具有沿滚水坝长度方向间隔设置的凸起的行人台阶，两相邻行人台阶之间为水溢流通道。

上述北方地区入湖口河流分流净化人工湿地处理系统，第三区种植的喜温性植物为苦草、轮叶黑藻、轮藻和大茨藻中的至少一种，第三区种植的北方耐寒性植物为菹草。

上述北方地区入湖口河流分流净化人工湿地处理系统，第三区点缀浮叶植物，浮叶植物为荇菜、菱角和睡莲中的至少一种。

上述北方地区入湖口河流分流净化人工湿地处理系统，壅水区面积不小于500m×3000m。

上述北方地区入湖口河流分流净化人工湿地处理系统，排水区宽度不小于150m。

通过在河道设置橡胶坝形成壅水区，将河水通过人工抬升的方式形成水位落差，同时沉淀泥沙，解决过多泥沙对湿地的堵塞问题。排水区和复合人工湿地系统沿河道宽度方向并列设置，降低橡胶坝高度壅水区的水直接通过排水区流入湖泊，保证汛期顺利排洪，这种并列设置方式满足排洪和净化的同时需要。湿地区的第一区和第二区分别为高密度的香蒲为主挺水植物区和芦苇为主挺水植物区，形成拦截屏障，挺水植物的收割增加经济效益，解决衰亡腐烂带来的二次污染问题。设置滚水坝，增加水体的处理停留时间，增加了水体中的溶解氧，提高了微生物生存环境质量，提高了水体的净化效率。采用不同生长期沉水植物混合种植的模式，解决植物衰亡所带来的二次污染问题。出水口数量大于进水口，以利于水流平缓流动，消减过大水流对湿地造成的冲刷。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步详细的说明：

图1为本发明的俯视图。

图2为湿地区的示意图。

图3为湿地区的进出水口布置示意图。

图4为滚水坝的示意图。

图中：1壅水区,2缓冲区,3湿地区,4排水区,5进水暗渠,6第一区,7第二区,8第三区,9第四区,10滚水坝,11行人台阶。

具体实施方式

如图1至图4所示，一种北方地区入湖口河流分流净化人工湿地处理系统，包括壅水区1、排水区4和复合人工湿地系统。

壅水区通过在河道设置橡胶坝形成。橡胶坝可调节高度，来满足对不同壅水区水深的需求，在枯水期抬升坝体将自然水体蓄积，以满足复合人工湿地的需水要求。排水区和复合人工湿地系统沿河道宽度方向并列设置，排水区和复合人工湿地系统均处于壅水区下游。复合人工湿地系统包括湿地区3和位于橡胶坝与湿地区之间的缓冲区2。设置于橡胶坝底部的进水暗渠5沟通壅水区和缓冲区，进水暗渠通过阀门控制水量，进水暗渠出水流速在缓冲区降低，通过降低橡胶坝高度使得壅水区的水直接通过排水区流入湖泊。

进一步地，壅水区面积不小于500m×3000m。

进一步地，排水区宽度不小于150m。

进一步地，壅水区库容应满足进入湿地区水流能够在湿地区内停留9-10天，壅水区水深大于2m。

进一步地，进水暗渠为3-5个，布置于湿地区对应的橡胶坝底部。

进一步地，缓冲区整体呈扇形，由一弧形边界和两直线边界围成，缓冲区的两个直线边界分别为湿地区上游端边界和与湿地区上游端边界相交的河岸。

更进一步，缓冲区设计水深为1.5-2.0m，设计水面控制标高高于湿地区两年以上最低水位1.0-1.5m，设计面积为湿地区水面面积的10%。

缓冲区设置于壅水区和湿地区之间，进水暗渠的出水进入缓冲区，在缓冲区内水流速度逐渐降低，大大降低了对湿地区的冲刷作用。缓冲区整体呈扇形，大大减少水流漩涡的形成，降低了对湿地区的冲刷作用。

湿地区水面面积不小于100m×1000m，湿地区库容不小于100000m³。

湿地区上游端布置多个阀门控制的进水口，湿地区下游端布置多个阀门控制的出水口，出水口数量大于进水口数量，出水口数量大于进水口，以利于水流平缓流动，消减过大水流对湿地造成的冲刷。湿地区包括按水流方向顺次布置的第一区6、第二区7、第三区8和第四区9。

第一区为香蒲为主挺水植物区，第一区占湿地区水面面积的25-30%，设计水深为0.3-0.6m，挺水植物种植密度为15-25株/m²，植被覆盖率90%以上。

在春季植物生长初期应适当降低水深，以满足植物生长的需要，在植物生长后期可适当抬升水位。香蒲等挺水植物形成拦截屏障，拦截河水中携带的颗粒污染物，同时通过植物的吸附、吸收以及微生物的硝化一反硝化作用，去除部分的氮、磷等营养盐，改善水质。

第一区与第二区之间设置滚水坝10，通过滚水坝的设计增加的了水体中的溶解氧，提高了水体的自净能力。进一步地，滚水坝上具有沿滚水坝长度方向间隔设置的凸起的行人台阶11，两相邻行人台阶之间为水流溢流通道。水体从底部溢流,人可从顶部凸出部分行走,以满足景观和行人游览的需求。

第二区为芦苇为主挺水植物区，第二区占湿地区水面面积的20-26%，设计水深为0.3-0.6m，挺水植物种植密度为15-30株/m²，植被覆盖率90%以上。

在春季植物生长初期应适当降低水深，以满足植物生长的需要，在植物生长后期可适当抬升水位。同香蒲类似，芦苇等挺水植物形成拦截屏障，拦截河水中携带的颗粒污染物，同时通过植物的吸附、吸收以及微生物的硝化一反硝化作用，进一步去除部分的氮、磷等营养盐，改善水质。同时由于前面滚水坝的设计增加了水体中的溶解氧，提高了微生物生存环境质量，提高了水体的净化效率。

冬季针对水生植物大面积死亡问题，在植物死亡后采用人工收割的方式对香蒲和芦苇等挺水植物进行收割，由于芦苇和香蒲可作为复合门、床垫和屋顶等填充材料，具有较高的经济价值，因此，这两种主要植物的收割既解决了死亡腐败所带来的二次污染问题，有为当地管理部门增加了经济效益，具有良好的推广前景。

第三区为沉水植物为主植物区，第三区占湿地区水面面积的24-28%，设计水深为1.0-2.0m，沉水植物采用不同季节生长期植物混合种植的方式，在春季种植喜温性植物，在秋季种植北方耐寒性植物。

沉水植物采用不同季节生长期植物混合种植的方式，在春季种植苦草、轮叶黑藻、轮藻、大茨藻等喜温性植物，在秋季主要种植菹草，菹草为北方耐寒性植物，秋季发芽生长，冬季春季为主要生长期。苦草、轮叶黑藻、轮藻、大茨藻等喜温性植物在秋季开始衰亡时正好是菹草的生长期，通过菹草的生物吸收和净化作用来消减喜温植物的衰亡所带来的二次污染，同时菹草的衰亡期正好是苦草、轮叶黑藻、轮藻、大茨藻等喜温性植物的生长期，如此，可形成沉水植物的季相交替，保证全年都能满足对水体净化的需求，由于冬季来水量较少，因此该区为冬季对水体净化的主要区域。在第三区可同时点缀荇菜、菱角、睡莲等浮叶植物，以满足景观美化的需要。

第三区种植的喜温性植物为苦草、轮叶黑藻、轮藻和大茨藻中的至少一种，第三区种植的北方耐寒性植物为菹草。

第三区可点缀浮叶植物，浮叶植物为荇菜、菱角和睡莲中的至少一种，以满足景观美化的需要。

第四区占湿地区水面面积的20-25%，第四区包括挺水植物区、浮叶植物区和沉水植物区，在第四区宽度方向上，沉水植物区位于第四区的中间区域，挺水植物区位于第四区的两外侧区域，浮叶植物区位于挺水植物区和沉水植物区之间；挺水植物区设计水深为0.3-0.6m，挺水植物种植密度为10-15株/m²，种植种类为荷、再力花和梭鱼草中的至少一种，植被覆盖率25%-45%；浮叶植物区漂浮植物种植密度为10-15株/m²，植被覆盖率40%-60%；沉水植物区沉水植物种植密度为20-30株/m²，植被覆盖率30%-50%。

第四区是整个净化流程中最重要的部分，通过水生生物的共同作用，进一步降低进水中污染物浓度，改善水质。

实施实例

在xxxx湖入湖口布置复合人工湿地系统，库长900m，库宽140m，库区共可分为四大区域，分别种植不同的水生植物，沿水流方向依次为香蒲（Typhaorientalis）区（长240m），芦苇（Phragmitesaustralis）区（长220m），沉水植物+浮叶植物区（长230m），挺水植物+浮叶植物+沉水植物区（长210m）。

TP（总磷）的去除效率在6、8和10月份相对较高，分别为42.59%，31.00%和48.00%，在2、4和12月相对较低，分别为21.82%，26.76%和22.00%。对正磷酸盐的去除在6月份最高，为40.43%，其余月份相对较低，在17.65%-28.57%之间波动，但波动相对较小。

对TN（总氮）的去除效率在6、8和10月份相对较高，分别为43.42%，32.00%和28.11%。在2、4和12月相对较低，分别为26.36%、18.52%和19.02%。

在6和8月份中前置库系统对硝态氮、氨氮去除效率相对较高。

系统在全年对污水氮磷的去除率均为正值，在6-10月份系统对氮磷的去除效率相对较高，对TP和TN的去除率为31.00%-48.00%，28.11%-43.42%。其他月份相对较低，TP和TN的去除率为21.82%-26.76%，18.52%-26.36%。

具体见表1

本发明针对现有河道人工湿地技术的缺陷，提供一种可用于北方低温地区入湖口河道复合人工湿地处理系统，该系统由壅水区、排水区和复合人工湿地系统三大部分构成。湿地够在北方地区全年运行，解决北方地区由于气温低冬季无法运行的问题。

Claims (10)

1.一种北方地区入湖口河流分流净化人工湿地处理系统，其特征在于：包括壅水区、排水区和复合人工湿地系统，

壅水区通过在河道设置橡胶坝形成，排水区和复合人工湿地系统沿河道宽度方向并列设置，排水区和复合人工湿地系统均处于壅水区下游，复合人工湿地系统包括湿地区和位于橡胶坝与湿地区之间的缓冲区，设置于橡胶坝底部的进水暗渠沟通壅水区和缓冲区，进水暗渠出水流速在缓冲区降低，通过降低橡胶坝高度使得壅水区的水直接通过排水区流入湖泊，

湿地区水面面积不小于100m×1000m，湿地区库容不小于100000m³，

湿地区上游端布置多个阀门控制的进水口，湿地区下游端布置多个阀门控制的出水口，出水口数量大于进水口数量，湿地区包括按水流方向顺次布置的第一区、第二区、第三区和第四区，

第一区为香蒲为主挺水植物区，第一区占湿地区水面面积的25-30%，设计水深为0.3-0.6m，挺水植物种植密度为15-25株/m²，植被覆盖率90%以上，

第一区与第二区之间设置滚水坝，

第二区为芦苇为主挺水植物区，第二区占湿地区水面面积的20-26%，设计水深为0.3-0.6m，挺水植物种植密度为15-30株/m²，植被覆盖率90%以上，

第三区为沉水植物为主植物区，第三区占湿地区水面面积的24-28%，设计水深为1.0-2.0m，沉水植物采用不同季节生长期植物混合种植的方式，在春季种植喜温性植物，在秋季种植北方耐寒性植物，

第四区占湿地区水面面积的20-25%，第四区包括挺水植物区、浮叶植物区和沉水植物区，在第四区宽度方向上，沉水植物区位于第四区的中间区域，挺水植物区位于第四区的两外侧区域，浮叶植物区位于挺水植物区和沉水植物区之间；挺水植物区设计水深为0.3-0.6m，挺水植物种植密度为10-15株/m²，种植种类为荷、再力花和梭鱼草中的至少一种，植被覆盖率25%-45%；浮叶植物区漂浮植物种植密度为10-15株/m²，植被覆盖率40%-60%；沉水植物区沉水植物种植密度为20-30株/m²，植被覆盖率30%-50%。

2.根据权利要求1所述的北方地区入湖口河流分流净化人工湿地处理系统，其特征在于：缓冲区整体呈扇形，缓冲区的两个直线边界分别为湿地区上游端边界和与湿地区上游端边界相交的河岸。

3.根据权利要求2所述的北方地区入湖口河流分流净化人工湿地处理系统，其特征在于：缓冲区设计水深为1.5-2.0m，设计水面控制标高高于湿地区两年以上最低水位1.0-1.5m，设计面积为湿地区水面面积的10%。

4.根据权利要求1所述的北方地区入湖口河流分流净化人工湿地处理系统，其特征在于：进水暗渠为3-5个。

5.根据权利要求1所述的北方地区入湖口河流分流净化人工湿地处理系统，其特征在于：壅水区库容应满足进入湿地区水流能够在湿地区内停留9-10天，壅水区水深大于2m。

6.根据权利要求1所述的北方地区入湖口河流分流净化人工湿地处理系统，其特征在于：滚水坝上具有沿滚水坝长度方向间隔设置的凸起的行人台阶，两相邻行人台阶之间为水溢流通道。

7.根据权利要求1所述的北方地区入湖口河流分流净化人工湿地处理系统，其特征在于：第三区种植的喜温性植物为苦草、轮叶黑藻、轮藻和大茨藻中的至少一种，第三区种植的北方耐寒性植物为菹草。

8.根据权利要求1所述的北方地区入湖口河流分流净化人工湿地处理系统，其特征在于：第三区点缀浮叶植物，浮叶植物为荇菜、菱角和睡莲中的至少一种。

9.根据权利要求1所述的北方地区入湖口河流分流净化人工湿地处理系统，其特征在于：壅水区面积不小于500m×3000m。

10.根据权利要求1所述的北方地区入湖口河流分流净化人工湿地处理系统，其特征在于：排水区宽度不小于150m。