CN106430608A - 用于城市河道水体原位生物生态修复集成系统 - Google Patents

用于城市河道水体原位生物生态修复集成系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于城市河道水体原位生物生态修复集成系统，可有效解决防止河道断面水体不达标和水生态系统破坏，从而提升景观效果的问题，方法是，本发明解决的技术方案是，从上游至下游的河段两岸修建有近自然河岸缓冲带，近自然河岸缓冲带所处的河段内从上游至下游依次设置有预处理单元、第一生态浮床单元、第一生态滤坝单元、水生植物单元、第二生态浮床单元、第二生态滤坝单元、包括推流曝气单元在内的生物膜强化净化单元、生境改善单元和水生生物功能群构建区，本发明无需占用河道以外的土地面积，处理效果稳定，不影响河道行洪，解决了河道断面水体不达标和水生态系统破坏，提升景观效果，有巨大的经济和社会效益。

Description

用于城市河道水体原位生物生态修复集成系统
技术领域
本发明涉及环保，特别是一种用于城市河道水体原位生物生态修复集成系统。
背景技术
近年来，随着经济的快速发展，随之而来的就是水资源的过度开发利用，各种工业废水、农业污水和城市生活污水的排放带来严重污染，从而导致大多数河流水质恶化，河流生态系统也遭到了破坏。尤其是我国北方河流水质不容乐观，一方面是河流接纳污染物量较大，主要污染来源是沿河所排放的工业废水和生活污水，加之长期以来河流水质污染严重，河道受人工干扰程度高，导致河流水生态严重退化，水体自净能力弱，工业化、城镇化带来的污染排放和集约化农业面源污染叠加，混合型污染河流特征尤为明显。另一方面是部分河流由于缺乏天然径流、水体稀释自净能力有限，河流自然特征逐渐消失、生物多样性减少、生态服务功能降低、河流自净化和自我恢复能力降低，部分河流水生态退化严重，水生态系统受损重难以短期内恢复等问题日益凸显。
目前，北方河道整治工程，重点是截污、清淤、护岸、调水引水、绿化等工程，短期内可以解决河道污染问题，但是治标不治本，长期以来水体自净能力得不到提升，河流水生生态系统反而遭到了破坏，水生态功能得不到恢复。
河道水体原位生物生态修复技术是目前水生态修复中研究热点，也是发展趋势所在，其优点是具有处理效果好，无占地面积、成本低、投资省，操作简单。污染河流水体生态净化技术种类众多，各种技术应用广泛。然而技术研究和工程实践中往往是单一的水体原位生物生态修复技术的实施，其功能需求也是单一的。就改善水质、恢复水生态系统方面，污染河流的治理缺乏统一的、较为完善的技术集成体系。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种用于城市河道水体原位生物生态修复集成系统，可有效解决防止河道断面水体不达标和水生态系统破坏，从而提升景观效果的问题。
本发明解决的技术方案是，从上游至下游的河段两岸修建有近自然河岸缓冲带，近自然河岸缓冲带所处的河段内从上游至下游依次设置有预处理单元、第一生态浮床单元、第一生态滤坝单元、水生植物单元、第二生态浮床单元、第二生态滤坝单元、包括推流曝气单元在内的生物膜强化净化单元、生境改善单元和水生生物功能群构建区，所述的近自然河岸缓冲带是由靠河岸的污水收集槽、与污水收集槽相连的斜坡式生态滤床以及与河水相接触的石笼护坡及植被构成，通过植被和污水收集槽截留和斜坡式生态滤床的渗滤，利用植物、基质和微生物的作用增加了河岸缓冲带截留面源污染效果，防止水土流失，强化了河流自净能力，提高景观效果；
所述的预处理单元是由缓流沉淀区及在缓流沉淀区种植的浮水植物或沉水植物以及种植在缓流沉淀区岸边的挺水植物构成，当上游来水经过缓流沉淀区的水生植物，延长河水滞留时间，减缓河水流速，沉降河水中悬浮颗粒物、降解污染物，构建微型塘生态系统，增进整个河流生态系统的稳定，有利于后续水生态净化；
所述的第一生态浮床单元、第二生态浮床单元均是由浮床内种植的水生植物和悬挂在浮床下部的载体填料构成；
所述的第一生态滤坝单元、第二生态滤坝单元均是由粒径20-50mm的砾石、沸石混合制成的内层，粒径为100-1000mm的石块掺杂有粒径10-30mm的铁渣、活性炭混合制成的外层堆砌构成，迎水面坡比1︰3，背水面坡比1︰2，背水面边坡呈阶梯型，以利于跌水复氧；
所述的生物膜强化净化单元是由植物仿生载体和固定化填料沉箱相间布置在河道中构成，植物仿生载体固定在河道底泥上，固定化填料沉箱放置在河底标高以下0.5m，生物膜强化净化单元的1/3处设置推流曝气单元，对底层水体复氧，经两种不同功能区的协同作用，不断的往复厌氧/缺氧/好氧层微生物活动区，有效去除有机污染物，实现同步脱氮、除磷作用，最大限度的实现微污染河流水体的强化净化，通过跌水复氧、推流曝气，使得水体在净化过程中形成反复的厌氧-缺氧-好氧环境，同时结合了基质吸附和水生植物吸收作用，实现对水体污染物的高效去除；
所述的生境改善单元包括深槽-浅滩、堰-砾石群，上游为深槽-浅滩，下游为堰-砾石群，两者间隔距离为0.5-1km，水生植物穿插在深槽-浅滩和堰-砾石群之间，在污染水体净化后，通过改变局部微环境包括流速、水位，改善水生生物的生存环境；
所述的水生生物功能群构建区是由挺水植物、沉水植物、浮叶植物、漂浮植物群落及水生动物群落构成，以恢复健康水生态系统，使得水环境功能得到提升，提高物种多样性。
本发明将河道水体原位净化技术、生境改善技术以及水生生物功能群构建技术有机的结合起来，通过布置在河道上下游，动力消耗少，无需占用河道以外的土地面积，处理效果稳定，不影响河道行洪，解决了河道断面水体不达标和水生态系统破坏，提升景观效果，有巨大的经济和社会效益。
附图说明
图1为本发明的结构俯视图。
图2为本发明的结构剖面侧视图。
图3为本发明的近自然河岸缓冲带剖面图。
图4为本发明的生态浮床结构图。
图5为本发明的生态滤坝结构图。
图6为本发明的固定化填料沉箱结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
由图1-6所示，本发明从上游至下游的河段两岸修建有近自然河岸缓冲带1，近自然河岸缓冲带1所处的河段内从上游至下游依次设置有预处理单元2、第一生态浮床单元3a、第一生态滤坝单元4a、水生植物单元5、第二生态浮床单元3b、第二生态滤坝单元4b、包括推流曝气单元6在内的生物膜强化净化单元7，生境改善单元8和水生植物功能区9，所述的近自然河岸缓冲带1是由靠河岸的污水收集槽10、与污水收集槽10相连的斜坡式生态滤床11以及与河水相接触的石笼护坡及植被12构成，通过植被和污水收集槽截留和斜坡式生态滤床的渗滤，利用植物、基质和微生物的作用增加了河岸缓冲带截留面源污染效果，防止水土流失，强化了河流自净能力，提高景观效果；
所述的预处理单元是由缓流沉淀区及在缓流沉淀区种植的浮水植物或沉水植物以及种植在缓流沉淀区岸边的挺水植物构成，当上游来水经过缓流沉淀区的水生植物，延长河水滞留时间，减缓河水流速，沉降河水中悬浮颗粒物、降解污染物，构建微型塘生态系统，增进整个河流生态系统的稳定，有利于后续水生态净化；
所述的第一生态浮床单元3a、第二生态浮床单元3b均是由浮床内种植的水生植物13和悬挂在浮床下部的载体填料14构成；
所述的第一生态滤坝单元4a、第二生态滤坝单元4b均是由粒径20-50mm的砾石、沸石混合制成的内层，粒径为100-1000mm的石块掺杂有粒径10-30mm的铁渣、活性炭混合制成的外层堆砌构成，迎水面坡比1︰3，背水面坡比1︰2，背水面边坡呈阶梯型，以利于跌水复氧；
所述的生物膜强化净化单元7是由植物仿生载体15和固定化填料沉箱16相间布置在河道中构成，植物仿生载体15固定在河道底泥上，固定化填料沉箱16放置在河底标高以下0.5m，生物膜强化净化单元的1/3处设置推流曝气单元6，对底层水体复氧，经两种不同功能区的协同作用，不断的往复厌氧/缺氧/好氧层微生物活动区，有效去除有机污染物，实现同步脱氮、除磷作用，最大限度的实现微污染河流水体的强化净化，通过跌水复氧、推流曝气，使得水体在净化过程中形成反复的厌氧-缺氧-好氧环境，同时结合了基质吸附和水生植物吸收作用，实现对水体污染物的高效去除；
所述的生境改善单元8包括深槽-浅滩、堰-砾石群，上游为深槽-浅滩，下游为堰-砾石群，两者间隔距离为0.5-1km，水生植物穿插在深槽-浅滩和堰-砾石群之间，在污染水体净化后，通过改变局部微环境包括流速、水位，改善水生生物的生存环境；
所述的水生生物功能群构建区9是由挺水植物、沉水植物、浮叶植物、漂浮植物群落及水生动物群落构成，以恢复健康水生态系统，使得水环境功能得到提升，提高物种多样性。
所述的斜坡式生态滤床11下层为砾石层、中层为覆土层、上层为植被层，所述的植被为乔木、灌木、草本植物和水生植物构成。
所述的乔木为香樟、河南桧、柳树、白皮松、国槐或龙柏，灌木为矮紫薇、八仙花、茶梅、柽柳、紫荆、金叶莸或忍冬，草本植物为狗牙根、黑麦草、高羊茅或香根草。
所述的挺水植物为耐污染性好的芦苇、香蒲、美人蕉、西伯利亚鸢尾、黄菖蒲的一种或混合种植；所述的沉水植物为苦草、金鱼藻、菹草、轮叶黑藻、穗状狐尾藻的一种或混合种植。
所述的固定化填料沉箱16是由铁丝网构成的空腔内填充有易挂膜的立体弹性填料聚乙烯球，并掺有海绵铁构成，填充率为50-60%，利于脱氮、除磷。
所述的推流曝气单元6是由多台推流曝气装置构成，对底层水体复氧。
所述的生境改善单元8中的深槽形状为类似于河流冲刷后自然形成的倒置的椭圆锥形，上缘口宽约5-6m，长度约为7-9m，上缘口以上宽度逐渐放大至与整个河床自然连接，开挖部分不超过整个河道过流区域的1/3，深槽深度为0.5-0.7m，将深槽1挖出的土方材料堆放在河道的左侧，建造浅滩，浅滩平摊铺设卵石，粒径为30-50mm，高度为0.3m，宽度比深槽宽25%，整体向左侧倾斜3°，迎水面坡度高于背水面坡度。
所述的生境改善单元8中的堰-砾石群，堰为木桩构成的半圆拱型生态堰，拱顶高度为0.5m，两侧高度为1m，堰迎水面及底部采用粒径为20-50mm的卵石，砾石群选用表面粗糙及多孔的石灰石、玄武石、花岗岩或鹅卵石，砾石直径为0.5~1m的不规则大棱角砾石，且相近排放砾石能够咬合紧密，一组砾石群由3~4块砾石组成，砾石群之间的间距为3m，生境改善单元8通过局部改变河流水体流态，改善水生生物生存环境，为水生生物提供栖息场所。
所述的第一生态浮床单元3a、第二生态浮床单元3b生态浮床的单体尺寸为长2m、宽1m，分布于河道两旁，设置在生态滤坝上游50m处。
由上述结构可以看出，本发明是一种用于城市河道水体原位生物生态修复技术集成系统，其特征在于，从河道上游至下游，包括预处理、河道水体原位强化净化、生境改善、水生生物功能群构建等单元，近自然河岸缓冲带单元主要在河道两岸无硬质化段构建。
1. 近自然河岸缓冲带单元构建了“植被-污水收集槽-斜坡式生态滤床-石笼护坡”的近自然河岸缓冲带，通过植被和污水收集槽截留和斜坡式生态滤床的渗滤，利用植物、基质和微生物的作用增加了河岸缓冲带截留面源污染效果，防止水土流失，强化了河流自净能力。
2. 预处理单元，包括缓流沉淀和水生植物，在缓流沉淀区内种植挺水植物、沉水植物和浮水植物，挺水植物种植在缓流沉淀区岸边。上游来水经过缓流沉淀/水生植物，延长河水滞留时间，减缓河水流速，沉降河水中悬浮颗粒物、降解污染物，构建微型塘生态系统，增进整个河流生态系统的稳定，有利于后续水生态净化。
3. 河道水体原位强化净化单元，按照上游至下游设置，首先是生态浮床，安装在一级和二级生态滤坝前50m处，在一级和二级生态滤坝间进行水生植物构建，包括净污能力强的挺水植物和沉水植物。然后是包括推流曝气在内的生物膜强化净化。通过该单元，实现河道原位水体生态净化，水质得到明显改善。
优选地，生态浮床植物选择美人蕉、黄菖蒲、芦竹三种耐污植物；
优选地，浮床下部悬挂载体填料为立体弹性填料，立体弹性填料采用的是聚乙烯制成的高弹性长丝球状。
优选地，水生植物包括挺水植物和沉水植物，挺水植物选择耐污性较好的芦苇、香蒲、美人蕉、西伯利亚鸢尾、黄菖蒲，沉水植物选择常见的苦草、金鱼藻、菹草、轮叶黑藻、穗状狐尾藻。
优选地，生态滤坝选择砾石、沸石和块石（掺杂有铁渣、活性炭）堆砌而成，形成具有透水性。
优选地，生物膜强化净化，由仿生载体和固定化填料结构组合而成，两者相间布置在河道中，通过两种不同功能区的协同作用，层叠处理，可实现污染物的截留和微生物降解双重作用，达到双向生物膜净化效果，最大限度的实现微污染河流水体的强化净化。生物膜强化净化区的1/3处设置一组推流曝气系统，采用多台推流曝气装置，对底层水体复氧。
4. 生境改善单元，包括深槽-浅滩、堰-砾石群和水生植物，上游为深槽-浅滩，下游为堰-砾石群，两者间隔距离约0.5-1km，水生植物穿插在深槽-浅滩和堰-砾石群之间，主要种植挺水植物、沉水植物。通过该单元的构建，改变局部微环境包括流速、水位等，改善水生生物的生存环境。
5. 所述的水生生物功能群构建单元，主要是进行水生植物、底栖动物和鱼类等群落的恢复构建，使得水环境功能得到提升。
本发明在具体实施中，要建在水面较宽，水流缓慢的区域河段，特别适用于污染河流水质COD浓度约45~55mg/L，氨氮浓度约为3~6mg/L，TP 为0.5-0.8mg/L的河段，上游来的染污河水经预处理单元后，依次流经生态浮床、生态滤坝、水生植物、推流曝气单元、生物膜强化净化单元、生境改善单元和水生生物功能群构建区，污染水体经过各单元的处理，水质得到有效改善，同时改善了水生生物生存环境。水生生物功能群构建将通过生境适应性评估，构建水生生物功能群，根据水深情况合理种植挺水-沉水-浮叶-漂浮植物群落，基于植物群落构建提供栖息地，构建不同模式的水生生物功能群（水生植物-鱼类-底栖生物），配置不同生境条件下食物链各阶层的生物，合理配置恢复鱼、蟹、虾等大型水生动物，蚌、螺、水蚯蚓等底栖类水生动物群落，构筑种间互促以及健康、稳定的生物种群及群落。最终恢复健康水生生态系统，提高物种多样性。
通过本发明修复后的河道水体COD、氨氮和总磷浓度大大降低，同时改善了水生生物生存环境，水生生物多样性得到恢复。采用近自然河岸带单元拦截面源污染，防止水土流失，提升了景观效果；预处理单元包括缓流沉淀和水生植物，对上游来水进行悬浮物沉降和减缓水流流速；河道水体原位强化净化单元包括生态浮床、水生植物、多级生态滤坝、推流曝气、生物膜强化净化，从而通过植物-基质-微生物的共同作用，有效去除水体中有机污染物质、氮、磷等；生境改善单元包括深槽-浅滩、堰-砾石群，主要是改善水生生物生存环境；水生生物功能群构建单元主要是进行水生植物、底栖动物和鱼类等群落构建。在部分河段配置水生植物，有效地拦截水体中的悬浮物，去除水体中的氮、磷等污染物。本发明集成多项河道水体原位生物生态修复技术，构成完整的生物生态净化系统，实现河道水质改善和水生态系统恢复。具有处理效果好、氮磷去除能力强，无占地面积、成本低、投资省，操作简单，不影响防洪，适用于受污染的城市河流。
本发明与现有技术相比，具有以下突出的有益技术效果：
①很多技术应用盲目跟风，只考虑水环境污染因子，没有考虑到水质改善后，水生态系统的恢复，本发明的一种用于城市河道水体原位生物生态修复技术集成系统，从水质净化到生境改善再到水生生物功能群恢复，同时提升了景观效果，形成了较为统一、完善的技术集成体系，具有可复制性。
②通过河道水体原位生物生态修复技术集成系统的工程实施，能够实现水体污染物削减COD 30-45%，氨氮50-70%，总磷20-40%。
③改善水生生物生存环境，为水生生物提供栖息场所，通过水生生物功能群构建形成存在种间互促以及健康、稳定的生物功能群，恢复河流健康，实现物种多样性，提高河流利用率30-40%。是污染河水治理上的一大创新，经济和社会效益巨大。

Claims (9)

1.一种用于城市河道水体原位生物生态修复集成系统，其特征在于，从上游至下游的河段两岸修建有近自然河岸缓冲带（1），近自然河岸缓冲带（1）所处的河段内从上游至下游依次设置有预处理单元（2）、第一生态浮床单元（3a）、第一生态滤坝单元（4a）、水生植物单元（5）、第二生态浮床单元（3b）、第二生态滤坝单元（4b）、包括推流曝气单元（6）在内的生物膜强化净化单元（7），生境改善单元（8）和水生生物功能群构建区（9），所述的近自然河岸缓冲带（1）是由靠河岸的污水收集槽（10）、与污水收集槽（10）相连的斜坡式生态滤床（11）以及与河水相接触的石笼护坡及植被（12）构成，通过植被和污水收集槽截留和斜坡式生态滤床的渗滤，利用植物、基质和微生物的作用增加了河岸缓冲带截留面源污染效果，防止水土流失，强化了河流自净能力，提高景观效果；
所述的预处理单元是由缓流沉淀区及在缓流沉淀区种植的浮水植物或沉水植物以及种植在缓流沉淀区岸边的挺水植物构成，当上游来水经过缓流沉淀区的水生植物，延长河水滞留时间，减缓河水流速，沉降河水中悬浮颗粒物、降解污染物，构建微型塘生态系统，增进整个河流生态系统的稳定，有利于后续水生态净化；
所述的第一生态浮床单元（3a）、第二生态浮床单元（3b）均是由浮床内种植的水生植物（13）和悬挂在浮床下部的载体填料（14）构成；
所述的第一生态滤坝单元（4a）、第二生态滤坝单元（4b）均是由粒径20-50mm的砾石、沸石混合制成的内层，粒径为100-1000mm的石块掺杂有粒径10-30mm的铁渣、活性炭混合制成的外层堆砌构成，迎水面坡比1︰3，背水面坡比1︰2，背水面边坡呈阶梯型，以利于跌水复氧；
所述的生物膜强化净化单元（7）是由植物仿生载体（15）和固定化填料沉箱（16）相间布置在河道中构成，植物仿生载体（15）固定在河道底泥上，固定化填料沉箱（16）放置在河底标高以下0.5m，生物膜强化净化单元的1/3处设置推流曝气单元（6），对底层水体复氧，经两种不同功能区的协同作用，不断的往复厌氧/缺氧/好氧层微生物活动区，有效去除有机污染物，实现同步脱氮、除磷作用，最大限度的实现微污染河流水体的强化净化，通过跌水复氧、推流曝气，使得水体在净化过程中进行了反复的厌氧-缺氧-好氧的微生物作用，同时结合了基质吸附和水生植物吸收作用，实现对水体污染物的高效去除；
所述的生境改善单元（8）包括深槽-浅滩、堰-砾石群，上游为深槽-浅滩，下游为堰-砾石群，两者间隔距离为0.5-1km，水生植物穿插在深槽-浅滩和堰-砾石群之间，在污染水体净化后，通过改变局部微环境包括流速、水位，改善水生生物的生存环境；
所述的水生生物功能群构建区（9）是由挺水植物、沉水植物、浮叶植物、漂浮植物群落及水生动物群落构成，以恢复健康水生态系统，使得水环境功能得到提升，提高物种多样性。
2.根据权利要求1所述的用于城市河道水体原位生物生态修复集成系统，其特征在于，所述的斜坡式生态滤床（11）下层为砾石层、中层为覆土层、上层为植被层，所述的植被为乔木、灌木、草本植物和水生植物构成。
3.根据权利要求2所述的用于城市河道水体原位生物生态修复集成系统，其特征在于，所述的乔木为香樟、河南桧、柳树、白皮松、国槐或龙柏，灌木为矮紫薇、八仙花、茶梅、柽柳、紫荆、金叶莸或忍冬，草本植物为狗牙根、黑麦草、高羊茅或香根草。
4.根据权利要求1所述的用于城市河道水体原位生物生态修复集成系统，其特征在于，所述的挺水植物为耐污染性好的芦苇、香蒲、美人蕉、西伯利亚鸢尾、黄菖蒲的一种或混合种植；所述的沉水植物为苦草、金鱼藻、菹草、轮叶黑藻、穗状狐尾藻的一种或混合种植。
5.根据权利要求1所述的用于城市河道水体原位生物生态修复集成系统，其特征在于，所述的固定化填料沉箱（16）是由铁丝网构成的空腔内填充有易挂膜的立体弹性填料聚乙烯球，并掺有海绵铁构成，填充率为50-60%，利于脱氮、除磷。
6.根据权利要求1所述的用于城市河道水体原位生物生态修复集成系统，其特征在于，所述的推流曝气单元（6）是由多台推流曝气装置构成，对底层水体复氧。
7.根据权利要求1所述的用于城市河道水体原位生物生态修复集成系统，其特征在于，所述的生境改善单元（8）中的深槽形状为类似于河流冲刷后自然形成的倒置的椭圆锥形，上缘口宽约5-6m，长度约为7-9m，上缘口以上宽度逐渐放大至与整个河床自然连接，开挖部分不超过整个河道过流区域的1/3，深槽深度为0.5-0.7m，将深槽1挖出的土方材料堆放在河道的左侧，建造浅滩，浅滩平摊铺设卵石，粒径为30-50mm，高度为0.3m，宽度比深槽宽25%，整体向左侧倾斜3°，迎水面坡度高于背水面坡度。
8.根据权利要求1所述的用于城市河道水体原位生物生态修复集成系统，其特征在于，所述的生境改善单元（8）中的堰-砾石群，堰为木桩构成的半圆拱型生态堰，拱顶高度为0.5m，两侧高度为1m，堰迎水面及底部采用粒径为20-50mm的卵石，砾石群选用表面粗糙及多孔的石灰石、玄武石、花岗岩或鹅卵石，砾石直径为0.5~1m的不规则大棱角砾石，且相近排放砾石能够咬合紧密，一组砾石群由3~4块砾石组成，砾石群之间的间距为3m，生境改善单元8通过局部改变河流水体流态，改善水生生物生存环境，为水生生物提供栖息场所。
9.根据权利要求1所述的用于城市河道水体原位生物生态修复集成系统，其特征在于，所述的第一生态浮床单元（3a）、第二生态浮床单元（3b）生态浮床的单体尺寸为长2m、宽1m，分布于河道两旁，设置在生态滤坝上游50m处。
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