CN105585131B

CN105585131B - 富营养化水体的生态砼净化系统

Info

Publication number: CN105585131B
Application number: CN201610078956.2A
Authority: CN
Inventors: 刘宏涛; 瞿晶晶; 袁玲; 刘刚; 宋利平; 郝钰斌
Original assignee: Wuhan Botanical Garden of CAS
Current assignee: Wuhan Botanical Garden Gardening Center Co ltd
Priority date: 2016-02-04
Filing date: 2016-02-04
Publication date: 2018-06-26
Anticipated expiration: 2036-02-04
Also published as: CN105585131A

Abstract

本发明公开了一种富营养化水体的生态砼净化系统，包括生态砼净化单元，其包括：箱本体；生态砼透水层设置于箱本体的顶部，与箱本体的内部连通，生态砼透水层由生态砼构成；植物，其种植于生态砼透水层中，且其根系穿过生态砼透水层到达箱本体的内部；生态砼吸附基质，其由生态砼构成，生态砼吸附基质设置于箱本体中；生态砼是由碎石、水泥、二氧化硅微粉、减水剂和水按重量比1500‑1700:250‑300:30‑40:4:50‑80制成，生态砼的渗透系数≥1cm/s、抗压强度≥15MPa、连通孔隙率20％‑30％，连通孔隙是指该孔隙在生态砼透水层中上下连通。本发明能够有效净化富营养化水体，且能耗低，操作简单，经久耐用。

Description

富营养化水体的生态砼净化系统

技术领域

本发明涉及水体生物净化技术领域。更具体地说，本发明涉及一种富营养化水体的生态砼净化系统。

背景技术

近年来我国河流、湖泊等生态系统遭严重破坏，导致了水体富营养化，使水质呈现恶化的趋势，引发了一系列的环境问题。现有技术中一般采用生态技术处理富营养化水体，包括人工湿地、生态浮岛、人工沉床等。其中人工湿地能通过不同的布水方式提高水质净化能力，但是占地面积大，基质孔隙容易堵塞，且不易更换，生态浮岛及人工沉床能够利用水生植物及根系的遮蔽作用，抑制水华，提高水体透明度，但是水生植物的季节性强，处理效果随季节变化较大。

开发一种技术可行、处理效果好、运行不随季节影响的工艺系统，形成一种低能耗、高品质、稳定的富营养化水体净化体系，是急需解决的问题。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种富营养化水体的生态砼净化系统，其能够有效净化富营养化水体，且能耗低，操作简单，经久耐用。经过本发明的生态砼净化系统处理的富营养化水体，其出水质量符合GB3838-2002《地表水环境标准》Ⅳ类水及以上标准。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种富营养化水体的生态砼净化系统，包括至少一个生态砼净化单元，对于任意一个所述生态砼净化单元，其包括：

箱本体，其为顶部敞口的中空结构；

生态砼透水层，其设置于所述箱本体的顶部，与所述箱本体的内部连通，使富营养化水体由所述生态砼透水层进入所述箱本体，所述生态砼透水层由生态砼构成；

植物，其种植于所述生态砼透水层中，且其根系穿过所述生态砼透水层到达所述箱本体的内部，所述植物为石菖蒲和美人蕉中的一种或两种；

生态砼吸附基质，其由生态砼构成，生态砼吸附基质设置于所述箱本体中；

其中，所述生态砼是由碎石、水泥、二氧化硅微粉、减水剂和水按重量比1500-1700:250-300:30-40:4:50-80制成，所述生态砼的渗透系数≥1cm/s、抗压强度≥15MPa、连通孔隙率20％-30％，连通孔隙是指该孔隙在所述生态砼透水层中上下连通。

优选的是，还包括预处理沉淀池，其设置为将富营养化水体预处理后引入所述生态砼净化单元；

所述预处理沉淀池包括：池本体，其由第一部分和位于所述第一部分上方的第二部分构成，所述第一部分为中空长方体结构，所述第二部分为其中一个侧面为斜面的上小下大的中空四棱台结构，所述第一部分与所述第二部分贯通，所述第二部分的斜面由可拆卸的栅栏框架构成，所述池本体的顶部设置有进水口，所述池本体的底部设置有排泥管；

其中，所述池本体的第一部分与栅栏框架同侧的表面与位于一端的一个生态砼净化单元的侧面贴合固定，所述池本体的第一部分的高度大于或等于与其贴合的生态砼净化单元的高度，使得富营养化水体由栅栏框架流至位于一端的一个生态砼净化单元。

优选的是，所述栅栏框架与水平面的倾斜角为50-80°，所述栅栏框架的栅栏缝隙为8-15mm。

优选的是，当至少一个生态砼净化单元的数量大于或等于2时，多个生态砼净化单元的高度呈阶梯状降低分布，水体依次流入每个生态砼净化单元；上一级的生态砼净化单元的生态砼透水层高度高于或等于与其相邻的下一级的生态砼净化单元，且两相邻的生态砼净化单元相对的侧壁贴合固定。

优选的是，所述至少一个生态砼净化单元为三个生态砼净化单元，沿水体的流向分别为：第一生态砼净化单元、第二生态砼净化单元、第三生态砼净化单元，且所述第一生态砼净化单元与所述第二生态砼净化单元的高度差为10-30cm，所述第二生态砼净化单元与所述第三生态砼净化单元的高度差为10-30cm。

优选的是，所述生态砼净水单元沿富营养化水流向的两侧边竖直固定有挡水板，所述挡水板的高度为10-20cm。

优选的是，所述生态砼吸附基质包括：一对相互平行的第一生态砼基质板和一对相互平行的第二生态砼基质板，所述第一生态砼基质板的顶面沿竖直方向间隔设置有两个凹槽，一对所述第二生态砼基质板垂直穿过卡设于一对所述第一生态砼基质板的凹槽中，使所述生态砼吸附基质的上部分的横截面呈井字形结构设置于所述箱本体中；所述生态砼吸附基质的顶部与所述生态砼透水层的底部固定，底部延伸至所述箱本体的底面，侧面延伸至所述箱本体的侧面且不与之接触。

优选的是，所述生态砼的连通孔隙率为25％。

本发明至少包括以下有益效果：

1、采用生态砼净化单元净化富营养化水体，主要利用植物在箱本体中生长的微生物降解水体中氮磷等营养元素，水生植物的根系呼吸为微生物供氧，保障了其存活率，同时根系的呼吸作用能为水体带来溶解氧，更有利于微生物的净化作用。在箱本体中生态砼吸附基质和根系为微生物提供了更多的附着载体，使微生物汇聚形成大量的生物膜，加大净化效果。同时，这里生态砼是由碎石、水泥、二氧化硅微粉、减水剂和水按重量比1500-1700:250-300:30-40:4:50-80制成，由以上原料制得的生态砼不需其他基质，美人蕉和石菖蒲就可存活。当生态砼的连通孔隙率为25％时其COD_Mn的去除率、总氮的去除率和总磷的去除率均较其他孔隙率时效果更佳。将生态砼的渗透系数控制在大于或等于1cm/s时，能保证将净化水体的时间缩短，同时能够保证水体在生态砼净化单元中被充分净化。生态砼的抗压强度≥15MPa能够保证其承载生态砼吸附基质和水生植物的压力以及水体作用的压力。

2、在生态砼净化单元之前设置预处理沉淀池能够有效去除富营养化水体中的泥沙以及漂浮的水华等植物，避免其进入生态砼净化单元中影响净化效率，富营养化水体在预处理沉淀池中，其泥沙通过重力沉降至沉淀池的底部，而水华类等大的杂质漂浮于水面，通过拆除可拆卸的栅栏，将这些杂质进行打捞，达到一个初级净水功效。通过沉淀池上的斜面栅栏设计以及沉淀池与生态砼净化单元之间的高度差，当水体在沉淀池中的高度达到栅栏框架的高度时，自动通过栅栏框架的间隙流入生态砼净化单元中，水体通过生态砼透水层的孔隙进入到箱本体内，通过箱本体中的微生物分解富营养化水体中的有机物，实现富营养化水体在沉淀池和生态砼净化单元之间的自动传递，无需外力，结构简单、成本低廉。

3、逐级设置多个生态砼净化单元是为了增强对富营养化水体的净化效果，实现不同时段进入生态砼系统的分离净化，例如1小时前进入系统的富营养化水体到达第三生态砼净化单元，而当前进入系统的富营养化水体到达沉淀池或部分进入第一生态砼净化单元，当前的有机物含量明显高于第三生态砼净化单元中的有机物含量，如果混入到第三生态砼净化单元中，会影响第三生态砼净化单元出水的水质。

4、多级生态砼净化单元之间利用高度差结构和水的重力，实现了需要净化的富营养化水体在它们之间的流通，结构简单，且无需其他能耗，同时利用高度差传递富营养化水体，保证了富营养化水体会依次进入每一级生态砼净化单元中被净化。

5、生态砼吸附基质设置为井字形结构，增大其在箱本体中的表面积，使生物膜能够充分附着在上面，同时生态砼还具有吸附水体中污染物的作用，使污染物被充分吸附于其孔隙中，当生态砼吸附达到饱和时，可更换生态砼吸附基质，其造价低廉、更换方便。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的剖视图；

图2为本发明的立体图；

图3为本发明的生态砼吸附基质的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1-2所示，本发明提供一种富营养化水体的生态砼净化系统，包括至少一个生态砼净化单元3，对于任意一个所述生态砼净化单元3，其包括：

箱本体35，其为顶部敞口的中空结构，用于容纳待净化富营养化水体。

生态砼透水层31，其设置于所述箱本体35的顶部，与所述箱本体35的内部连通，使富营养化水体由所述生态砼透水层31进入所述箱本体35，并具有利用生态砼的特殊材料和孔隙吸附富营养化水体中有机质，达到一级净化水体的作用，所述生态砼透水层31由生态砼构成。

植物33，其种植于所述生态砼透水层31中，且其根系穿过所述生态砼透水层31到达所述箱本体35的内部，所述植物33为石菖蒲和美人蕉中的一种或两种。在水体中的微生物利用这种两种植物33的根系作为附着点汇聚形成生物膜，能加速分解水体中的氮、磷等有机物。

生态砼吸附基质32，其由生态砼构成，生态砼吸附基质32设置于所述箱本体35中，既可为微生物提供更多的载体加速生物膜的汇聚量，也可以作为吸附材料，有效吸附有机物。

其中，所述池本体的第一部分12与栅栏框架15同侧的表面与位于一端的一个生态砼净化单元3的侧面贴合固定，当池本体中的水位到达栅栏框的高度时，可沿栅栏框的缝隙流出进入生态砼透水层31中，水沿着生态砼的孔隙进入箱本体35中，并与内部的生态砼吸附基质32充分接触。所述池本体的第一部分12的高度大于或等于与其贴合的生态砼净化单元3的高度，使得富营养化水体由栅栏框架15流至位于一端的一个生态砼净化单元3。

在上述技术方案中，采用生态砼净化单元3净化富营养化水体，主要利用石菖蒲和/或美人蕉植物33在箱本体35中生长的微生物降解水体中氮磷等营养元素，水生植物33的根系呼吸为微生物供氧，保障了其存活率，同时根系的呼吸作用能为水体带来溶解氧，更有利于微生物的净化作用。在箱本体35中生态砼吸附基质32和根系为微生物提供了更多的附着载体，使微生物汇聚形成大量的生物膜，加大净化效果。同时，这里生态砼是由碎石、水泥、二氧化硅微粉、减水剂和水按重量比1500-1700:250-300:30-40:4:50-80制成，由以上原料制得的生态砼不需其他基质，美人蕉和石菖蒲就可存活。当生态砼的连通孔隙率为25％时，其COD_Mn的去除率、总氮的去除率和总磷的去除率均较其他孔隙率时效果更佳。将生态砼的渗透系数控制在大于或等于1cm/s时，能保证将净化富营养化水体的时间缩短，同时能够保证富营养化水体在生态砼净化单元3中被充分净化。生态砼的抗压强度≥15MPa能够保证其承载生态砼吸附基质32和水生植物33的压力以及水体作用的压力。

在另一种技术方案中，还包括预处理沉淀池1，其设置为将富营养化水体预处理后引入所述生态砼净化单元3；

所述预处理沉淀池1包括：池本体，其由第一部分12和位于所述第一部分12上方的第二部分11构成，所述第一部分12为中空长方体结构，所述第二部分11为其中一个侧面为斜面的上小下大的中空四棱台结构，所述第一部分12与所述第二部分11贯通，所述第二部分11的斜面由可拆卸的栅栏框架15构成，所述池本体的顶部设置有进水口14，所述池本体的底部设置有排泥管13；

其中，所述池本体的第一部分12与栅栏框架15同侧的表面与位于一端的一个生态砼净化单元3的侧面贴合固定，所述池本体的第一部分12的高度大于或等于与其贴合的生态砼净化单元3的高度，使得水体由栅栏框架15流至位于一端的一个生态砼净化单元3。

在上述技术方案中，在生态砼净化单元3之前设置预处理沉淀池1能够有效去除富营养化水体体中的泥沙以及漂浮的水华等植物，避免其进入生态砼净化单元3中影响净化效率，富营养化水体在预处理沉淀池1中，其泥沙通过重力沉降至沉淀池1的底部，形成泥沙层2，而水华类等大的杂质漂浮于水面，通过拆除可拆卸的栅栏，将这些杂质进行打捞，达到一个初级净水功效。通过沉淀池1上的斜面栅栏设计以及沉淀池1与生态砼净化单元3之间的高度差，当富营养化水体在沉淀池1中的高度达到栅栏框架15的高度时，自动通过栅栏框架15的间隙流入生态砼净化单元3中，富营养化水体通过生态砼透水层31的孔隙进入到箱本体35内，通过箱本体35中的微生物分解水体中的有机物，实现富营养化水体在沉淀池1和生态砼净化单元3之间的自动传递，无需外力，结构简单、成本低廉。

在另一种技术方案中，所述栅栏框架15与水平面的倾斜角为50-80°，所述栅栏框架15的栅栏缝隙为8-15mm。栅栏框架15设置为倾斜状，其面积更大，更方便打捞水体中的漂浮物。

在另一种技术方案中，当至少一个生态砼净化单元3的数量大于或等于2时，多个生态砼净化单元3的高度呈阶梯状降低分布，富营养化水体依次流入每个生态砼净化单元3；上一级的生态砼净化单元3的生态砼透水层31高度高于或等于与其相邻的下一级的生态砼净化单元3，且两相邻的生态砼净化单元3相对的侧壁贴合固定。

在上述技术方案中，多级生态砼净化单元3之间利用高度差结构和水的重力，实现了需要净化的富营养化水体在它们之间的流通，结构简单，且无需其他能耗，同时利用高度差传递水体，保证了水体会依次进入每一级生态砼净化单元3中被净化。

在另一种技术方案中，所述至少一个生态砼净化单元3为三个生态砼净化单元3，沿富营养化水体的流向分别为：第一生态砼净化单元、第二生态砼净化单元、第三生态砼净化单元，且所述第一生态砼净化单元与所述第二生态砼净化单元的高度差为10-30cm，所述第二生态砼净化单元与所述第三生态砼净化单元的高度差为10-30cm。

在另一种技术方案中，所述生态砼净水单元沿富营养化水体流向的两侧边竖直固定有挡水板34，所述挡水板34的高度为10-20cm。

如图3所示，在另一种技术方案中，所述生态砼吸附基质32包括：一对相互平行的第一生态砼基质板322和一对相互平行的第二生态砼基质板321，所述第一生态砼基质板322的顶面沿竖直方向间隔设置有两个凹槽，一对所述第二生态砼基质板321垂直卡设于一对所述第一生态砼基质板322的凹槽中，使所述生态砼吸附基质的上部分的横截面呈井字形结构；所述生态砼吸附基质的顶部与所述生态砼透水层31的底部固定，底部延伸至所述箱本体35的底面，侧面延伸至所述箱本体35的侧面且不与之接触。

在上述技术方案中，生态砼吸附基质32设置为井字形结构，增大其在箱本体35中的表面积，使生物膜能够充分附着在上面，同时生态砼还具有吸附水体中污染物的作用，使污染物被充分吸附于其孔隙中，当生态砼吸附达到饱和时，可更换生态砼吸附基质32，其造价低廉、更换方便。

在另一种技术方案中，所述生态砼的连通孔隙率为25％。当孔隙率为25％时，其吸附氮、磷的效果最佳，同时COD_Mn去除率也最高。

对比试验

试验1植物净化对比试验

试验用水取自某富营养化水塘，采用蠕动泵抽水，从植物上部浇至生态砼底部流出，控制流速为28mL/min～50ml/min，生态砼尺寸32cm×32cm×5cm，石菖蒲、狗牙根、美人蕉均种植在生态砼上，表1中列出了种植了不同植物的生态砼对水体中COD_Mn、总氮(TN)、总磷(TP)的去除率。

表1

	COD_Mn去除率	TN去除率	TP去除率
				空白生态砼对照	12.5％～20.8％	2.4％～3.5％	10.2％～24.3％
石菖蒲生态砼	38.9％～45.6％	34.5％～46.8％	56.1％～68.3％
				狗牙根生态砼	15.8％～34.5％	18.3％～20.4％	20.5％～29.7％
美人蕉生态砼	35.7％～52.1％	48.6％～63.2％	45.3％～48.2％

由表1可知，不同植物其净化富营养化水体的效果不同，有的植物甚至不具备水质净化的功能，通过大量试验，发现美人蕉和石菖蒲作为多年生草本植物具有良好的净化作用，同时其通过生态砼就可存活，不需特殊照顾，且存活时间长，作为生态砼净化系统的净化植物具有重要的经济价值。

试验2不同连通孔隙率的生态砼净化能力对比实验

在28mL/min～50ml/min流速下，考察不同孔隙率的生态砼对富营养化水体的净化能力，表2中列出了不同连通孔隙率下的生态砼对水体中COD_Mn、TN、TP的去除率。

表2

连通孔隙率	COD_Mn去除率	TN去除率	TP去除率
				20％	3.6％～10.8％	1.5～2.3％	4.6％～25.7％
25％	12.5％～20.8％	2.4％～3.5％	10.2％～24.3％
				30％	2.4％～5.3％	0.6％～2.1％	5.5％～16.9％

由表2可知，当连通孔隙率为25％时，其净化能力最优，连通孔隙率过大或过小均会影响水体中COD_Mn、TN、TP的去除率。

试验3不同结构的生态砼吸附基质的净化能力对比实验

将相同质量的生态砼分别制作成井字形结构作为生态砼吸附基质A，和圆柱状结构作为生态砼吸附基质B，置于两个相同的箱本体中，净化相同质量的污水，表3中列出了不同结构的生态砼吸附基质对水体中COD_Mn、TN、TP的去除率。

表3

连通孔隙率	COD_Mn去除率	TN去除率	TP去除率
				生态砼吸附基质B	10.4％～18.7％	3.3％～6.8％	10.3％～17.3％
生态砼吸附基质A	20.1％～30.8％	8.6％-15.3％	20.1％～28.6％

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims

1.一种富营养化水体的生态砼净化系统，其特征在于，包括至少一个生态砼净化单元，对于任意一个所述生态砼净化单元，其包括：

箱本体，其为顶部敞口的中空结构；

生态砼吸附基质，其由生态砼构成，生态砼吸附基质设置于所述箱本体中；所述生态砼吸附基质包括：一对相互平行的第一生态砼基质板和一对相互平行的第二生态砼基质板，所述第一生态砼基质板的顶面沿竖直方向间隔设置有两个凹槽，一对所述第二生态砼基质板垂直卡设于一对所述第一生态砼基质板的凹槽中，使所述生态砼吸附基质的上部分的横截面呈井字形结构；所述生态砼吸附基质的顶部与所述生态砼透水层的底部固定，底部延伸至所述箱本体的底面，侧面延伸至所述箱本体的侧面且不与之接触；

2.如权利要求1所述的富营养化水体的生态砼净化系统，其特征在于，还包括预处理沉淀池，其设置为将富营养化水体预处理后引入所述生态砼净化单元；

3.如权利要求2所述的富营养化水体的生态砼净化系统，其特征在于，所述栅栏框架与水平面的倾斜角为50-80°，所述栅栏框架的栅栏缝隙为8-15mm。

4.如权利要求1所述的富营养化水体的生态砼净化系统，其特征在于，当至少一个生态砼净化单元的数量大于或等于2时，多个生态砼净化单元的高度呈阶梯状降低分布，富营养化水体依次流入每个生态砼净化单元；上一级的生态砼净化单元的生态砼透水层高度高于或等于与其相邻的下一级的生态砼净化单元，且两相邻的生态砼净化单元相对的侧壁贴合固定。

5.如权利要求4所述的富营养化水体的生态砼净化系统，其特征在于，所述至少一个生态砼净化单元为三个生态砼净化单元，沿水体的流向分别为：第一生态砼净化单元、第二生态砼净化单元、第三生态砼净化单元，且所述第一生态砼净化单元与所述第二生态砼净化单元的高度差为10-30cm，所述第二生态砼净化单元与所述第三生态砼净化单元的高度差为10-30cm。

6.如权利要求4所述的富营养化水体的生态砼净化系统，其特征在于，所述生态砼净水单元沿水体流向的两侧边竖直固定有挡水板，所述挡水板的高度为10-20cm。

7.如权利要求1所述的富营养化水体的生态砼净化系统，其特征在于，所述生态砼的连通孔隙率为25％。