CN105967456A - 一种基于人工生态系统的水体净化方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于人工生态系统的水体净化装置，包括太阳能系统、水泵系统、曝气系统、第一容器和设置在第一容器内的第二容器；第一容器和第二容器的上表面均敞口，第一容器上设有进水孔，第一容器内设有生态基质、沉水植物、人工水草、鱼类、螺类，位于第一容器底部上方的第二容器内设有挺水植物、生物填料和用于栽植挺水植物的网格盖板，网格盖板位于生物填料的上面，挺水植物的根系附着于生物填料，第二容器上设有循环水孔。本发明还涉及一种基于人工生态系统的水体净化方法。本发明可以高效处理缓流湖泊水、水库水和池塘水等缓流水体，属于水体生态治理的技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及水体生态治理的技术领域，尤其涉及一种基于人工生态系统的水体净化方法及其装置。
背景技术
近年来，生态技术作为池塘、河道和湖泊等水体水质恢复的一种经济有效方法，在发达国家和国内经济发达地区已经被广泛应用。生态技术主要包括人工湿地、生态浮岛等，是构建包括微生物、水生植物、水生动物等组成的水体生态系统并促进其平衡恢复的技术。
生态型水体净化技术已逐渐被广泛应用于处理各种受污染水体(如河流、湖泊和水库等)，由于此类技术装置结构简单、安装方便、处理效率高和投入费用少，因此，该技术近年被快速推广使用。但是，该技术在传统装置运作过程中，存在着许多局限性。主要表现在：(1)生态系统的稳定性和持续处理效率不够理想；(2)利用外部电源，需消耗额外电能。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种基于人工生态系统的水体净化方法，是一种成本低、效率高、资源化处理缓流水体的净化方法。
本发明的另一目的在于提供一种基于人工生态系统的水体净化装置，可以高效处理缓流湖泊水、水库水和池塘水等缓流水体。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于人工生态系统的水体净化方法，包括以下步骤：
(1)污水经水体净化装置的第一容器的进水孔进入第一容器内，第一容器内的生态基质吸附污水中的部分营养物质；
(2)置于第一容器内的沉水植物利用污水中的有机物、氮、磷营养物质作为生长所需的营养物质，将污水中的污染物转化为沉水植物；
(3)第一容器内的微生物利用污水中的有机物、氮、磷营养物质作为生长所需的营养物质进行生长繁殖，并附着于置于第一容器内的人工水草，从而形成生物膜，不断演替并去除污水中的污染物质；
(4)置于第一容器内的螺类和鱼类进食沉水植物，并经过自身新陈代谢与繁殖，将植物物质转化为动物物质；
(5)经过步骤(2)、(3)、(4)处理后的污水进入置于第一容器内的第二容器中，将生物填料放置在第二容器内，第二容器内的微生物吸收污水中的营养盐生长繁殖，从而形成生物膜并充填于生物填料中，进而不断去除污水中的污染物质；用塑料网格盖板栽植挺水植物，挺水植物的根系附着于生物填料，并不断吸收营养盐，营养物质转化为植物物质；
(6)污水经由步骤(1)、(2)、(3)、(4)、(5)处理后，用水泵系统排出水体净化装置。
进一步的是：所述步骤(2)、(3)和(4)的净化条件为：在露天环境，温度范围为5℃～35℃，净化期间需用曝气系统在第一容器内进行间歇曝气。
进一步的是：所述的曝气系统每隔1h至6h则曝气4h至10h。
进一步的是：所述的沉水植物为黑藻和苦草。
进一步的是：所述的人工水草为下端固定于生态基质上的碳纤维束。
进一步的是：所述的螺类为椎实螺，所述的鱼类为下口鲇和罗非鱼。
进一步的是：所述的生物填料为聚氨酯泡沫生物填料，所述的挺水植物为水芹和金钱蒲。
一种基于人工生态系统的水体净化装置，包括太阳能系统、水泵系统、曝气系统、第一容器和设置在第一容器内的第二容器；第一容器和第二容器的上表面均敞口，第一容器上设有进水孔，第一容器内设有生态基质、沉水植物、人工水草、鱼类、螺类，位于第一容器底部上方的第二容器内设有挺水植物、生物填料和用于栽植挺水植物的网格盖板，网格盖板位于生物填料的上面，挺水植物的根系附着于生物填料，第二容器上设有循环水孔；太阳能系统位于第一容器的上方，曝气系统的曝气组件位于第一容器内的底部，水泵系统位于第二容器内，太阳能系统的电脑定时开关与曝气系统的曝气泵电连接，太阳能系统的电脑定时开关与水泵系统的水泵电连接；第一容器的外部设有浮筒。
进一步的是：所述的太阳能系统包括支架、太阳能电池板、充电控制器、蓄电池、电脑定时开关、配电箱；支架安装在第一容器的上，太阳能电池板安装在支架的上端，配电箱位于支架的内部，曝气系统的曝气泵位于支架的底部；充电控制器、蓄电池、电脑定时开关均位于配电箱内，太阳能电池板与充电控制器电连接，充电控制器与蓄电池电连接，蓄电池与电脑定时开关电连接。
进一步的是：水泵系统包括出水管和水泵，出水管的一端连接在水泵上，另一端位于第二容器的外部；曝气组件包括连接管和曝气头，曝气头设置在连接管上，曝气泵通过曝气管连接在连接管上。
总的说来，本发明具有如下优点：
1.本发明可以高效处理缓流湖泊水、水库水和池塘水等缓流水体，同时又不需要消耗外部电源电能。
2.本发明技术上易于操作，结构上简单，便于实际应用。
3.本发明的方法是一种成本低、效率高、资源化处理缓流水体的净化方法。
4.本发明构建的基于人工生态系统的水体净化装置稳定性高和持续处理效率高。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的结构示意图，其中，未画出第一容器和第二容器内的各种生物。
图3是本发明太阳能系统、曝气系统的结构示意图。
其中，1-1第一容器；1-2浮筒；1-3进水孔；1-4循环水孔；1-5网格盖板；1-6不锈钢格栅；1-7人工水草；1-8挺水植物；1-9生物填料；1-10下口鲇；1-11椎实螺；1-12罗非鱼；1-13沉水植物中的黑藻；1-14沉水植物中的苦草；1-15生态基质；1-16第二容器；2-1太阳能电池板；2-2充电控制器；2-3微电脑定时开关；2-4蓄电池；2-5配电箱；2-6支架；2-7支撑件；2-8电缆；3-1曝气泵；3-2曝气管；3-3连接管；3-4曝气头；3-5水泵；3-6出水管。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
结合图1、图2和图3所示，一种基于人工生态系统的水体净化装置，包括太阳能系统、水泵系统、曝气系统、第一容器和设置在第一容器内的第二容器；第一容器和第二容器的上表面均敞口，第一容器上设有进水孔，第一容器内设有生态基质、沉水植物、人工水草、鱼类、螺类，位于第一容器底部上方的第二容器内设有挺水植物、生物填料和用于栽植挺水植物的网格盖板，网格盖板位于生物填料的上面，挺水植物的根系附着于生物填料，第二容器上设有循环水孔；太阳能系统位于第一容器的上方，曝气系统的曝气组件位于第一容器内的底部，水泵系统位于第二容器内，太阳能系统的电脑定时开关与曝气系统的曝气泵电连接，太阳能系统的电脑定时开关与水泵系统的水泵电连接；第一容器的外部设有浮筒。
下面对本发明进行进一步详细的说明：
第一容器为一个大的不锈钢箱，第二容器为一个小的不锈钢箱，第一容器和第二容器的上表面均是敞口的(没有上盖的)。人工生态系统由第一容器、第二容器和合理布置在第一容器、第二容器内塑料网格盖板、浮筒、生物填料、挺水植物、沉水植物、人工水草、生态基质、鱼类、螺类等构建而成；其中，生物填料为聚氨酯泡沫生物填料，人工水草为碳纤维人工水草。
太阳能系统由太阳能电池板、支架、充电控制器、蓄电池、多根电缆、电脑定时开关、配电箱等组成；其中，支架为不锈钢支架，电脑定时开关为微电脑定时开关。
曝气系统包括曝气泵、曝气管、曝气组件，其中，曝气组件包括连接管和曝气头，曝气管为曝气软管；水泵系统包括水泵和出水管，出水管为出水软管。
第一容器的具体尺寸为长×宽×高＝300cm×200cm×120cm，第一容器的箱体用不锈钢制成，各棱边采用不锈钢方管。在第一容器的外部安装有多个浮筒，本实施例的浮筒数量为2个，浮筒由一条长为200cm、直径为20cm的PVC塑料管和2个封头制作而成。2个封头设置在PVC塑料管的两端。在第一容器的一个侧面上沿水平方向连续开2行、每行3个直径为2cm的进水孔。第一容器内靠近进水孔一侧布置生态基质作为水生植物和人工水草的生长基，生态基质可采用陶粒；依托陶粒栽植沉水植物、人工水草，沉水植物为黑藻、苦草，人工水草为碳纤维人工水草；第一容器内中放养螺类(椎实螺)、鱼类，鱼类可采用下口鲇(清道夫鱼)、罗非鱼。碳纤维人工水草的底部布置曝气组件，曝气组件由PVC连接管和微孔的曝气头组成，曝气组件可根据需要设置在第一容器底部的其他位置。
第二容器的具体尺寸为长×宽×高＝200cm×120cm×80cm，第二容器位于第一容器内，第二容器的底部距离第一容器的底部应具有合理的距离。第二容器的箱体用不锈钢制成，各棱边采用不锈钢方管。第二容器内填充有60cm高度的生物填料(聚氨酯泡沫生物填料)，生物填料布置在第二容器的底部，然后在第二容器的上面放置塑料网格盖板，塑料网格盖板的间隙可栽植挺水植物(如水芹、金钱蒲等)。第二容器的侧面设有沿水平方向连续开2行、每行3个、直径为2cm的循环水孔，循环水孔设置在第二容器侧面的角落处，循环水孔对角线的位置，设有不锈钢格栅，位于第二容器内的不锈钢格栅放置有水泵，出水软管的一端连接在水泵上，另一端位于第二容器的外部，水泵通过出水软管将处理后的水排到第二容器的外面。
太阳能系统位于第一容器的上面，在第一容器上面的中部安装不锈钢支撑件，在支撑件的上面焊接80cm高的不锈钢支架，该不锈钢支架支撑整个太阳能系统，太阳能电池板位于支架的最上方，配电箱位于支架内部的中间位置，即配电箱位于支架围成的内部区域内，曝气系统的曝气泵位于支架的底部，充电控制器、蓄电池和微电脑定时开关置于配电箱的内部，可防止雨水的淋沥。太阳能电池板通过电缆与充电控制器连接，充电控制器通过电缆与蓄电池连接，蓄电池通过电缆与微电脑定时开关连接，微电脑定时开关通过电缆与曝气泵连接，微电脑定时开关通过电缆与水泵连接；曝气系统的曝气组件包括连接管和曝气头，曝气头设置在连接管上，曝气泵通过曝气软管与连接管连接。
所述的太阳能系统包括支架、太阳能电池板、充电控制器、蓄电池、电脑定时开关、配电箱；支架安装在第一容器的上，太阳能电池板安装在支架的上端，配电箱位于支架的内部，曝气系统的曝气泵位于支架的底部；充电控制器、蓄电池、电脑定时开关均位于配电箱内，太阳能电池板与充电控制器电连接，充电控制器与蓄电池电连接，蓄电池与电脑定时开关电连接。在室外环境自然光照条件下，太阳能电池板通过吸收太阳光线将光能转变为电能，通过充电控制器将电能储存在蓄电池中，微电脑定时开关可以控制水泵的定时开关和曝气泵的定时开关。
水泵系统包括出水管和水泵，出水管的一端连接在水泵上，另一端位于第二容器的外部；曝气组件包括连接管和曝气头，曝气头设置在连接管上，曝气泵通过曝气管连接在连接管上。
一种基于人工生态系统的水体净化方法，包括以下步骤：
(1)污水经水体净化装置的第一容器的进水孔进入第一容器内，第一容器内的生态基质吸附污水中的部分营养物质，即通过生态基质(陶粒)，污水中的部分营养物质被陶粒空隙所吸附；
(2)置于第一容器内的沉水植物利用污水中的有机物、氮、磷营养物质作为生长所需的营养物质，将污水中的污染物转化为沉水植物；即污水在第一容器中，在适宜的温度、光照、曝气系统提供氧气等条件下，装置中的沉水植物充分利用污水中的有机物、氮、磷等污染物作为生长所需的营养物质，大量生长繁殖，将污染物转化为沉水植物物质；
(3)第一容器内的微生物利用污水中的有机物、氮、磷营养物质作为生长所需的营养物质进行生长繁殖，并附着于置于第一容器内的人工水草，从而形成生物膜，不断演替并去除污水中的污染物质；即污水在第一容器中，在适宜的温度、光照、曝气系统提供氧气等条件下，装置中的逐渐生成的微生物充分利用污水中的有机物、氮、磷等污染物作为生长所需的营养物质，大量生长繁殖，并附着于碳纤维人工水草，形成生物膜，并不断演替去除污水中的污染物质，且去除能力不断增强；
(4)置于第一容器内的螺类和鱼类进食沉水植物，并经过自身新陈代谢与繁殖，将植物物质转化为动物物质；即将螺类和鱼类投放入第一容器中，其以沉水植物为主要食物，在适宜的温度、光照、曝气系统间歇曝气(每隔1h-6h则曝气4h-10h)提供氧气等条件下，螺类和鱼类经过自身新陈代谢与繁殖，不断进食水体中的沉水植物，同时螺类和鱼类生长繁殖，由此植物物质转化为动物物质；
(5)经过步骤(2)、(3)、(4)处理后的污水进入置于第一容器内的第二容器中，将生物填料放置在第二容器内，第二容器内的微生物吸收污水中的营养盐生长繁殖，从而形成生物膜并充填于生物填料中，进而不断去除污水中的污染物质；用塑料网格盖板栽植挺水植物，挺水植物的根系附着于生物填料，并不断吸收营养盐，营养物质转化为植物物质；即经(2)、(3)、(4)处理后的污水通过水循环孔进入第二容器内，在适宜的温度、光照、氧气等条件下，第二容器内的聚氨酯泡沫生物填料将污水中剩余的营养盐作为微生物生长所需的营养物质，微生物大量生长繁殖，形成生物膜，并不断去除污水中的污染物质；塑料网格盖板栽植的挺水植物的根系附着于聚氨酯泡沫生物填料，并不断吸收污水中的氮、磷等营养盐，由此营养盐转化为植物物质，同时，挺水植物还具有一定景观作用。
(6)污水经由步骤(1)、(2)、(3)、(4)、(5)处理后，水质明显改善，污染物浓度明显降低，可达到地表II～III类水的水质要求，用水泵系统排出水体净化装置，可排放入自然水体、作为景观用水或作为水资源利用。
所述步骤(2)、(3)和(4)的净化条件为：在露天环境，温度范围为5℃～35℃，自然光照条件，净化期间需用曝气系统在第一容器内进行间歇曝气。
所述的曝气系统每隔1h至6h则曝气4h至10h，曝气时间可设定为每隔2h曝气6h。所述的沉水植物为黑藻和苦草。所述的人工水草为下端固定于生态基质上的碳纤维束。所述的螺类为椎实螺，所述的鱼类为下口鲇和罗非鱼。所述的生物填料为聚氨酯泡沫生物填料，所述的挺水植物为水芹和金钱蒲。
湖泊、水库和池塘或其它污染水体中通常含有大量的有机物、氮、磷、无机盐等物质，其是污染物的同时，也是可以被微生物、生物利用的营养物质。本发明的有益效果是：通过人工构建的生态系统食物链原理，将污染物中的营养盐等污染物质转化为微生物、水生植物、水生动物等，形成人工生态演替模式，构建生态链：营养物质→微生物，营养物质→沉水水草→螺，营养物质→沉水水草→鱼类，营养物质→挺水水草。太阳能系统为人工构建的生态系统提供水循环的动力及水生微生物、水生植物、水生动物生长所需要的氧气。本发明基于人工生态系统的水体净化方法及装置可以将湖泊、水库、池塘或其它污染水体处理成地表II～III类水，直接排放不会对自然水体造成二次污染，反而可以直接作为水资源进行利用，是一种成本低、效率高、资源化的处理方法，且水处理过程中利用太阳能作为能源供给，低碳环保。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于人工生态系统的水体净化方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)污水经水体净化装置的第一容器的进水孔进入第一容器内，第一容器内的生态基质吸附污水中的部分营养物质；
(2)置于第一容器内的沉水植物利用污水中的有机物、氮、磷营养物质作为生长所需的营养物质，将污水中的污染物转化为沉水植物；
(3)第一容器内的微生物利用污水中的有机物、氮、磷营养物质作为生长所需的营养物质进行生长繁殖，并附着于置于第一容器内的人工水草，从而形成生物膜，不断演替并去除污水中的污染物质；
(4)置于第一容器内的螺类和鱼类进食沉水植物，并经过自身新陈代谢与繁殖，将植物物质转化为动物物质；
(5)经过步骤(2)、(3)、(4)处理后的污水进入置于第一容器内的第二容器中，将生物填料放置在第二容器内，第二容器内的微生物吸收污水中的营养盐生长繁殖，从而形成生物膜并充填于生物填料中，进而不断去除污水中的污染物质；用塑料网格盖板栽植挺水植物，挺水植物的根系附着于生物填料，并不断吸收营养盐，营养物质转化为植物物质；
(6)污水经由步骤(1)、(2)、(3)、(4)、(5)处理后，用水泵系统排出水体净化装置。
2.按照权利要求1所述的一种基于人工生态系统的水体净化方法，其特征在于：所述步骤(2)、(3)和(4)的净化条件为：在露天环境，温度范围为5℃～35℃，净化期间需用曝气系统在第一容器内进行间歇曝气。
3.按照权利要求2所述的一种基于人工生态系统的水体净化方法，其特征在于：所述的曝气系统每隔1h至6h则曝气4h至10h。
4.按照权利要求1所述的一种基于人工生态系统的水体净化方法，其特征在于：所述的沉水植物为黑藻和苦草。
5.按照权利要求1所述的一种基于人工生态系统的水体净化方法，其特征在于：所述的人工水草为下端固定于生态基质上的碳纤维束。
6.按照权利要求1所述的一种基于人工生态系统的水体净化方法，其特征在于：所述的螺类为椎实螺，所述的鱼类为下口鲇和罗非鱼。
7.按照权利要求1所述的一种基于人工生态系统的水体净化方法，其特征在于：所述的生物填料为聚氨酯泡沫生物填料，所述的挺水植物为水芹和金钱蒲。
8.一种基于人工生态系统的水体净化装置，其特征在于：包括太阳能系统、水泵系统、曝气系统、第一容器和设置在第一容器内的第二容器；第一容器和第二容器的上表面均敞口，第一容器上设有进水孔，第一容器内设有生态基质、沉水植物、人工水草、鱼类、螺类，位于第一容器底部上方的第二容器内设有挺水植物、生物填料和用于栽植挺水植物的网格盖板，网格盖板位于生物填料的上面，挺水植物的根系附着于生物填料，第二容器上设有循环水孔；太阳能系统位于第一容器的上方，曝气系统的曝气组件位于第一容器内的底部，水泵系统位于第二容器内，太阳能系统的电脑定时开关与曝气系统的曝气泵电连接，太阳能系统的电脑定时开关与水泵系统的水泵电连接；第一容器的外部设有浮筒。
9.按照权利要求8所述的一种基于人工生态系统的水体净化装置，其特征在于：所述的太阳能系统包括支架、太阳能电池板、充电控制器、蓄电池、电脑定时开关、配电箱；支架安装在第一容器的上，太阳能电池板安装在支架的上端，配电箱位于支架的内部，曝气系统的曝气泵位于支架的底部；充电控制器、蓄电池、电脑定时开关均位于配电箱内，太阳能电池板与充电控制器电连接，充电控制器与蓄电池电连接，蓄电池与电脑定时开关电连接。
10.按照权利要求9所述的一种基于人工生态系统的水体净化装置，其特征在于：水泵系统包括出水管和水泵，出水管的一端连接在水泵上，另一端位于第二容器的外部；曝气组件包括连接管和曝气头，曝气头设置在连接管上，曝气泵通过曝气管连接在连接管上。
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