CN107285472A - 黑臭河涌立体式原位生态修复系统及原位生态修复方法 - Google Patents

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Abstract

黑臭河涌立体式原位生态修复系统及原位生态修复方法，在黑臭河涌处设置有水质在线监测单元，该水质在线监测单元的输出通过无线传输单元接数据控制中心；其特征在于，系统中还设有：ECO Lab生态模型、治污环保船、生态反应池、植物—自然生物膜复合生态浮床、微纳米推流曝气机；其中ECO Lab生态模型的输出接数据控制中心。本发明可促使水体中轮虫类、枝角类和对桡足类数量明显增加，浮游动物的总体数量可增加1.5~3倍。生态修复剂可被微生物完全消耗，无二次污染。本发明使氨氮浓度明显降低、透明度大幅度提高、溶解氧含量提高一个数量级、总磷浓度仅为工程前的1/8～1/5；化学需氧量仅为工程前的1/8～1/5。

Description

黑臭河涌立体式原位生态修复系统及原位生态修复方法
技术领域
本发明属于水环境修复领域，涉及黑臭水体修复方法，尤其是涉及一种黑臭河涌立体式原位生态修复系统，以及使用该系统进行的立体式原位生态修复方法。
背景技术
随着经济的快速发展、城市化进程的不断加快、城市人口的急剧增加，城市河涌受到严重的污染，水体黑臭现象大面积出现，严重影响城市形象和市民生活。
水体黑臭是有机污染的一种极端现象，是对水体极端污染状态的一种描述，主要是由水中藻类、细菌的新陈代谢及大量污染物的排放引起的。水体发黑主要是悬浮颗粒吸附了金属硫化物（FeS、MnS），水体发臭主要是因为厌氧微生物分解水体有机污染物过程中产生一系列的硫化氢、氨、硫醇等发臭物质。
如何治理黑臭河涌是城市面临的环境污染治理问题，也是水环境领域的难题。目前，黑臭水体治理技术主要有物理法、化学法和生物法三种。物理法包括机械过滤、气浮除藻、疏浚底泥、引水稀释等技术措施；化学法包括强化絮凝、化学氧化和化学沉淀等；生物法主要有微生物修复、生物滤床、生态浮岛等。其中，物理化学方法普遍存在二次污染重、处理成本高、应用规模小等缺点。
例如，物理法中，吸附法较为常见。现有技术中大都选用竹活性炭和凹凸棒作为净化黑臭水体的理想净化剂。与其他材料制成的活性炭指标相比，其比表面积、炭得率、大孔率、灰分、挥发分、充填密度以及经济性能更好。发明专利CN 105692909 A公开了一种黑臭河水净化剂使用方法，该发明以竹活性炭作为A净化剂，以凹凸棒土作为B净化剂，以中国农历二十四节气作为A 净化日、B 净化日，每隔十五日交替投放A净化剂、B净化剂。发明专利CN104773830A公开了一种人工水草和氮磷螯合剂联用快速长效净化水体的方法，该发明采用“超细纤维人工水草”和“氮磷螯合剂”两种水污染净化产品联用。发明专利CN 104857930A公开了一种黑臭河道专用改性矿物材料，生产成本低。以上发明专利，虽然价格低廉，但其对于水体的净化效果有限，材料更换频繁。
而化学絮凝沉淀法，是通过投加絮凝药剂，使之与水体中的污染物形成沉淀而去除，在短时间内快速净化水质。在水体中原位实施，污染物只是沉至水底，并没有从水体中去除，容易反弹，因此不宜向水体中直接投加混凝剂。絮凝沉淀技术对黑臭水体的治理具有一定的优越性，但适用于小型且相对封闭的水体。
生物法是一种环境友好型的方法。按照生物构成分类，目前生物法治理黑臭水体的方法包括两类，一是利用大型植物（或称超富集植物）治理黑臭水体，二是利用微生物治理黑臭水体。然而在实际河道治理的过程中，利用植物修复受污水体受植物生长周期影响较大，无法保持长期高效的治理效果，且存在投资大、维护成本高等负面影响。微生物的方法应用更为广泛。通过调研，现将黑臭水体治理的典型生物方法（尤其涉及微生物的方法）归纳如下：
发明专利CN 102603078 A公开了一种针对黑臭河道水体修复的方法，其利用仿生水草、生物富氧和微生物制剂的联合作用，针对黑臭河道来构建生物强化系统，在系统中，投放一定比例的仿生水草、微生物制剂、鲢鱼、河蚌与蚯蚓，使之形成完整的生物强化系统，达到水水体修复的目的。
发明专利CN 102701519 A公开了一种采用电化学结合生物生态治理黑臭河道的方法，包括以下措施：1）生物接触氧化、电化学处理、增氧曝气处理；2）投入微生物菌剂，在此之前结束电化学处理，同时保持增氧曝气处理；3）撒入底泥生物菌剂，同时保持增氧曝气处理；4）间隔一段距离安置生物膜系统；5）设置人工浮岛，在人工浮岛上种植挺水水生植物，种植水草。
发明专利CN 105819620 A公开了一种利于消除黑臭水体的污水处理工艺和装置，依次包括以下步骤：集水池处理--混凝气浮处理—生物接触氧化处理—人工湿地处理，该工艺操作简单，出水效果好，且处理过程不产生臭味。该发明还提供了一种利于消除黑臭水体的污水处理装置，依次为：集水池—混凝气浮池—生物接触氧化处理池—人工湿地处理系统，装置结构简单，维护方便，废水处理效果好。
虽然上述现有技术公开了一些黑臭河道的治理方法，能够满足一定的需要，并且取得了较好的处理效果，但这些治理方法仍存在一定的缺陷：比如采用微生物制剂或生物膜系统的处理系统或处理方法成本高昂，限制了广泛使用。
实际河道治理中，不同黑臭水体，污染程度、污染物含量、污水排放规律不同，其治理对策不同。由于黑臭水体的复杂性，仅仅采用单一的手段与技术进行治理，治理效果差，或者见效后持续时间极短，根本无法达到治本的效果，同时均存在投资大、维护成本高、不利于水体生态系统的健康发展等负面影响。并且，现有治理黑臭水体的技术大都以异位修复为主，原位生态修复黑臭水体的技术并不多见。因此，需要探索和发明一种能适应不同黑臭水体、长期有效的原位生态修复黑臭水体的方法，通过单一技术的集成综合创新，实现立体式原位修复黑臭河涌。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺点，提供一种立体式原位生态修复黑臭河涌系统及方法。本发明是一套治理黑臭河涌的立体式原位生态修复技术系统与方法。本发明以原位生态修复黑臭河涌为目标，将物理修复技术和生物修复技术相结合，采用“分级、分阶段”和“先物理法修复、生物法修复、再原位生态强化技术修复”的工作思路，依据“数学模型分析—封污育水—物理修复技术（治污环保船）—生态反应池技术—强化技术（二次增氧曝气、植物--自然生物膜复合生态浮床技术）—河流牧场技术—水生生态系统建立平衡—水质监测和生态系统的跟踪—完善水体环境数据系统”的技术路线进行设计。通过本发明的治理，黑臭河涌整体水质指标得到很大提高，整体水质指标优于地表Ⅳ类水标准，接近地表Ⅲ类水标准。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种黑臭河涌立体式原位生态修复系统，在黑臭河涌处设置有水质在线监测单元，该水质在线监测单元的输出通过无线传输单元接数据控制中心；其特征在于，系统中还设有：ECO Lab生态模型、治污环保船、生态反应池、植物—自然生物膜复合生态浮床、微纳米推流曝气机；其中ECO Lab生态模型的输出接数据控制中心。
所述ECO Lab生态模型，用于对本修复系统进行可行性研究和黑水水体的水质预报；所述ECO Lab生态模型优选丹麦水利研究所（Danish Hydraulic Institute，DHI）的模型软件。所述ECO Lab模型具有在线数据同步引擎，能够从数据控制中心数据库中实时抓取所需数据用于水利数学模型计算，修正数学模型方案，最终经过验证的模拟方案的计算结果将被输出到结果数据库中，供展示平台进行模拟结果的展示分析。
所述治污环保船，对河道进掏吸气，搅动底泥，收集有害气体（沼气）水体一次增氧曝气；
所述生态反应池，用于选择性激活水环境中土著微生物，使其大量繁殖，促进土著微生物原位生态修复系统建立；所述生态反应池，优选AC-6000。
所述植物—自然生物膜复合生态浮床分为三个主要部分，参照图3：上层植物种植区，中层为漂浮支架，下层为自然生物膜。上层浮床植物采用多种植物配比模式，主要以水生植物为主，包括挺水植物、漂浮植物、沉水植物，其中挺水植物、沉水植物和浮叶植物种植量为1：1：0.5。中层浮床框架使用PVC管（d=15cm）捆包搭建，组成正三角形（L=300cm）。浮体采用聚苯乙烯泡沫板高分子轻质材料制成。下层设置自然生物膜悬挂区，悬挂固定化自然生物膜的载体元件—弹性填料。水下固定装置采用水下固定方式。制作完成后，将弹性填料和浮床同时放入污染水体。
自然生物膜的固定。本发明使用的弹性填料是一种直径10cm，表面带正电荷的聚丙烯编制而成的自然生物膜载体，具有很大的比表面积。弹性填料一端垂直的悬挂在框架网格上。
所述的生态膜填料采用100%的聚丙烯编织而成；其基本参数：型号为Ф150 mm，单位长度44m/m3，单位重量2.0kg/m3，成膜重量69kg/m3，比表面积310m2/m3，丝直径0.45mm。
所述微纳米推流曝气机，用于水体增氧、曝气、推流；
所述数据控制中心，实现水质指标的在线监测；并根据水质变化自动修正控制命令，并反馈于ECO Lab 生态模型对水体预报。
所述无线传输单元，数据控制中心通过改无线传输单元及其水质在线监测单元，实现水体指标监测和图像信息的采集。
优化方案中，还可以设置有太阳能光伏电站。所述太阳能光伏电站，为微纳米推流曝气机提供能量。所述并网型光伏电站由太阳能电池方阵、系统控制器、并网逆变器等组成，其中光伏组件采用墨格MG-P250多晶硅光伏组件。优选并网型光伏电站。
所述的植物-自然生物膜复合生态浮床，申请人推荐以下优化方案：
在浮床支架上固定有浮体；构成“网兜式”浮床本体；该浮床支架设置在需净化的水体水面上，浮床本体的表面设有多个种植槽、种植槽内填充有生物基，所述生物基中设有承托网，承托网中种植浮床植物；所述浮床支架下面悬挂有若干条自然生物膜反应器的膜组件，及若干条曝气增氧-强化耦合自然生物膜反应器的膜组件；该自然生物膜反应器的膜组件与曝气增氧-强化耦合自然生物膜反应器的膜组件分别为聚丙烯编织而成的编织物、中空纤维组成的纤维束，该聚丙烯编织物和纤维束编织物构成膜载体，该膜载体的表面（通过自然生长或人工接种）富集有生物膜；本植物-自然生物膜复合生态浮床中还设有曝气系统，该曝气系统的结构是：空气压缩机通过曝气主管、三通与曝气支管为曝气增氧—强化耦合自然生物膜反应器的膜组件曝气增氧。
所述的“网兜式”浮床本体的优化结构是：浮床框架使用PVC管（d=15cm）捆包搭建，组成正三角形（L=300cm）；复合生态浮床系统由6块生态浮床拼接而成。
优化方案中所述的自然生物膜反应器的膜组件的结构是：膜载体外附着有自然生物膜，该自然生物膜的结构，自内向外依次是：厌氧层、兼氧层、好氧层、附着水层；
所述的曝气增氧-自然生物膜反应器的膜组件的结构是：膜载体外附着有自然生物膜，自内向外依次是：空气、透氧膜、生物膜：好氧层、兼氧层、厌氧层、附着水层；
所述的附着水层与流动水层为富含NH3-N的污水或废水。
完成本申请第二个发明任务的技术方案是：上述黑臭河涌立体式原位生态修复系统的原位生态修复方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）数学模型分析；
（2）封污育水；
（3）物理修复技术；
（4）生态反应池技术；
（5）强化技术，主要包括水体二次增氧曝气和植物—自然生物膜复合生态浮床技术；
（6）河流牧场技术；
（7）水体生态系统建立平衡；
（8）水质监测和生态系统的跟踪；
（9）完善水体环境数据系统。
进一步的技术方案包括：
步骤（1）所述的数学模型分析步骤中的子步骤：建立河道水动力模型、连通性评价；建立河涌水质模型、污染源与水质定量响应关系；治理方案可行性研究、水环境影响评价、科学建议；建立污染水体生态修复数学模型；验证和修正数学模型。
步骤（2）所示的封污育水，进行截污减排，控制源头污水对河涌的污染。
步骤（3）所示的物理修复技术，使用治污环保船，对河涌进行清掏吸气，将污泥沉积物质分离，清除垃圾和漂浮物，搅动底泥并收集有害气体（沼气）、水体一次增氧曝气。
步骤（4）所示的生态反应池技术的子步骤：1）原位选择性激活土著微生物，通过生态修复剂加注和生态反应池的运行，来激活土著微生物；2）土著微生物原位生态修复系统建立，即通过在生物反应池内激活水环境中土著微生物，使其大量繁殖后再随循环系统的水流进入河道，从而丰富水体的生物群落，建立土著微生物原位生态修复系统。
步骤（5）所述的强化技术，水体二次增氧曝气技术采用微纳米推流曝气机。植物—自然生物膜复合生态浮床技术采用图2所示的植物—自然生物膜合复合生态浮床系统。
步骤（6）所述的河流牧场技术，通过增加水生生物来修复维护水体，其子步骤：1）驯化培养并投放鲢鱼、鳙鱼、罗非鱼等表层滤食性鱼类；2）驯化培养并投放河蚌、螺等滤食性底栖生物；3）定期打捞或捕获动物，控制鱼类生物量，完善生态系统结构。本技术起到食物链“减环”作用，加速传递速度（滤食性鱼类→浮游动物、植物→营养物质的超控）。
步骤（8）所述中生态系统的跟踪，主要在微观和宏观两个方面进行跟踪，确保生态系统向着健康、良性方向发展。
所述的生态膜填料采用100%的聚丙烯编织而成；其基本参数：型号为Ф150 mm，单位长度44m/m3，单位重量2.0kg/m3，成膜重量69kg/m3，比表面积310m2/m3，丝直径0.45mm。
所述水质指标包括水体温度、pH值、溶解氧、总氮、总磷、氨氮和化学需氧量。
微观方面：定时对治理水域内的微生物和小型浮游生物的种群结构和数量变化情况进行跟踪，分析现状和原因，以便及时调整生态修复剂配比和缓释速度，最大程度的发挥有益微生物的作用，达到最佳生态修复效果。
宏观方面：及时对治理水域内的大型浮游生物和高等动植物的种群结构和数量变化情况进行跟踪，分析食物链结构稳定性和物质转移效率，及时做出调控（投放鱼苗等），确保生态修复过程的稳定性和高效性。
本发明克服了现有技术的不足，本发明的系统与方法可以促使水体中轮虫类、枝角类和对桡足类数量明显增加，浮游动物的总体数量可增加1.5~3倍。同时，这些微生物在繁殖和生长过程中产生的次级代谢产物，能够促进植物的生长，丰富生态结构，促进食物链的形成，从而将水体中氮、磷转移到食物链当中。本发明中的生态修复剂可被微生物完全消耗，无二次污染。在实施例中，本发明治理前，黑臭河涌的环境指标是：氨氮为19.87 mg/L，DO为0.39 mg/L，透明度小于10cm。两个检测点的NH3-N、DO、透明度、TP和COD分别为15.3mg/L和15.2 mg/L、0.25mg/L和0.26 mg/L、23cm和25cm、1.65 mg/L和1.8 mg/L、57.9mg/L、69.5 mg/L。经本发明的方法治理后，氨氮浓度分别降低至工程前的1/4，工程后降低至1/5；溶解氧含量提高了一个数量级，分别达到工程前的10.8倍和12.8倍；工程后透明度为工程前2.3～2.7倍；总磷浓度仅为工程前的1/8～1/5；化学需氧量仅为工程前的1/8～1/5。
附图说明
图1 为本发明的方法原理框图；
图2为黑臭水体立体式原位生态修复系统组成框图；
图3为植物—自然生物膜合生态浮床系统结构图；
图4为AC-6000型基础、开槽图；图中箱门4，反应箱位置5；
图5-1、图5-2、图5-3、图5-4为黑臭河涌工程前后水质变化特征曲线图。
具体实施方式
黑臭河道的治理大都处于针对现象治理阶段，还未出现综合的治标治本的可大规模应用推广的成熟技术。生态系统作为一个复杂的系统，其各相之间的联系错综复杂、紧密相关，在结构和功能上表现出多样性、自组织性及复杂性。因此，很难依靠单一技术达到治理目的，不同河涌的设计应不一样。
本发明所述的方法是一整套技术系统，有封污育水、治污环保船等物理修复技术，生态反应池等生物修复技术，水体二次增氧技术、植物--自然生物膜复合生态浮床技术等强化技术，河流牧场技术等有机结合起来。本发明的主要步骤概括为：数学模型分析；封污育水；物理修复技术；生态反应池技术；水体二次增氧曝气、植物—自然生物膜复合生态浮床技术；河流牧场技术；水体生态系统建立平衡；水质监测和生态系统的跟踪；完善水体环境数据系统。
实施例1，黑臭河涌立体式原位修复方法，参照图1，包括以下步骤：
一、数学模型分析
运用丹麦水利研究所（Danish Hydraulic Institute，DHI）的ECO Lab 建立河道水动力模型、连通性评价；建立河涌水质模型、污染源与水质定量响应关系；对本治理方案进行可行性研究、水环境影响评价、科学建议；在此基础上，建立污染水体生态修复数学模型；利用ECO Lab模型的在线数据同步引擎，从数据控制中心数据库中实时抓取数据用于树立数学模型计算，验证和修正数学模型。最终经过验证的模拟方案的计算结果将被输出到结果数据库中，供展示平台进行模拟结果的展示分析。
二、封污育水
进行截污减排，控制源头污水对河涌的污染。
三、物理修复技术
使用治污环保船，对河涌进行清掏吸气，将污泥沉积物质分离，清除垃圾和漂浮物，搅动底泥并收集有害气体（沼气）、水体一次增氧曝气。
其主要部件包括机械手、有害气体收集气囊、漂浮物收集仓、发电机和推进器。设备中的机械手可伸入淤泥内部，同时，通过搅拌使河床内的沼气排出。待河面的气体收集入气囊后，气体经沼气专用气泵、气体稳压器后进入沼气发电机发电，所产生的电能在充电器的作用下被存储于电瓶内。此电能可供逆变器、高压水泵、绞盘和机械手驱动器等设备运行。同时，也可供增氧泵和推进器工作，完成河道水体增氧过程。
（1）收集有害（沼气）气体。操纵绞盘控制开关，调整支架位置，使网架刚好在浮体下面又不碰到浮体位置。手动调整浮体离开船头的距离，使浮体离船头最近但又不碰到支架为好。推进器挂入前进挡，使船保持大概50m/min的速度前进。操纵机械手控制开关，放下机械手，观察船头水面的气泡，调整到气泡刚好在浮体下面为止。
（2）水体一次增氧曝气。推进器采用浅水巡航方式倾斜运转，设备在前进过程中产生大量的水花和气泡，达到对河道增氧的目的。
本发明，治污环保船的运行可加快微生物功效，加速微生物清淤时效；改善水体感官质量和透明度；排除有害气体，降低水体臭味浓度；提高水体内氧气浓度；减少水体内生物死亡；增加河涌的实际储水容积。
四、生态反应池技术
步骤（3）子步骤Ⅰ：原位选择性激活土著微生物，是把激活土著微生物所需的各种营养（碳源、酶、微量元素及其它载体）通过纳米技术及微包覆技术制成颗粒均匀的生态修复剂，投放在生态反应池中，建立起“土著微生物选择性激活平台”，同时利用缓释技术把这些营养物质持续提供给水环境中的土著微生物，从而使得土著微生物被连续不断的激活并且快速繁殖。土著微生物大量繁殖的过程中消耗水体的氮磷等营养物质，达到降低水体污染物负荷的目的。
本发明中的生态修复剂可被微生物完全消耗，无二次污染。比表面积为900m2/m3，为土著微生物提供了较大的附着空间，提高了激活效率。
步骤（3）子步骤Ⅱ：土著微生物原位生态修复系统建立，是在遭受破坏的生态系统基础上，通过在生物反应池内激活水环境中土著的土著微生物，使其大量繁殖后再随循环系统的水流进入河道，从而丰富水体的生物群落，建立土著微生物原位生态修复系统。利用部分微生物的有氧反硝化作用和动植物的促生作用，对生态系统进行原位修复和提升，可增加生态系统的自净功能，从而达到污染物原位转移、水质提升的目的。
本发明中的生态反应池选择AV-6000，其设备参数见表1。
表1 AC-6000型生态反应池主要参数
AC-6000型生态反应池由一个反应箱、一个搅拌装置组成（详见图4）。反应箱需要固定在河道边，将河道内的水通过反应箱持续不断的进行循环交换，从而加速土著微生物的繁殖跟扩散，加快对底泥中的富营养物质的分解，达到治理河道的目的。该设备放置在河边，不会对行人通行造成影响，运行过程中也不会产生任何影响居民生产生活的噪音，并且不会产生任何二次污染。
通过就近安装生态反应池，来选择性激活土著微生物中具有有氧反硝化作用的微生物（详见表2），有氧反硝化细菌可在有氧的条件下，使硝化和反硝化作用同时进行。硝化的产物可直接作为反硝化作用的底物，避免了硝酸、亚硝酸积累对硝化反应的抑制，加速了硝化-反硝化进程。可将水体中的氨氮直接转化成氮气，挥发到空气中，从而能够达到快速降低水体中氨氮浓度的目的。
表2 能够进行有氧反硝化的菌株
通过对光合细菌（Rhodospirillaceae）、芽胞杆菌（Bacillus）、产碱杆菌属（Alcaligenes）等微生物的选择性激活，可以促使水体中轮虫类、枝角类和对桡足类数量明显增加，浮游动物的总体数量可增加1.5~3倍。同时，这些微生物在繁殖和生长过程中产生的次级代谢产物，能够促进植物的生长，丰富生态结构，促进食物链的形成，从而将水体中氮、磷转移到食物链当中。
在水体有机物含量较多的情况下，通过对假单胞菌属（Pseudomonas）、微球菌属（Micrococcus）、黄杆菌属（Chryseobacterium）、不动杆菌属（Acinetobacter）等微生物的选择性激活，可以快速降解有机物。大大降低了淤泥中有机质的含量，从而达到生物除淤的目的。
五、强化技术
（1）二次增氧曝气技术，采用的设备是微纳米推流曝气机。实现了曝气、增氧、推流等功能于一体，其动力来源于太阳能，具有节能环保、无噪声等优点。设备运行可增加水体的溶解氧水平，加强水中有机物、微生物与溶解氧充分接触，从而保证微生物在有充足溶解氧的条件下，氧化分解水中有机物，进而提高水体的自净能力。
（2）植物--自然生物膜复合生态浮床技术。
1）复合浮床的制备。复合浮床分为三个主要部分，上层植物种植区，中层漂浮支架，下层生物膜载体悬挂区。
上层浮床植物采用多种植物配比模式，主要以水生植物为主，包括挺水植物、漂浮植物、沉水植物，其中挺水植物、沉水植物和浮叶植物种植量为1：1：0.5。中层浮床框架使用PVC管（d=15cm）捆包搭建，组成正三角形（L=300cm）。浮体采用聚苯乙烯泡沫板高分子轻质材料制成。下层设置生物膜悬挂区，悬挂固定化自然生物膜的载体元件—弹性填料。水下固定装置采用水下固定方式。制作完成后，将弹性填料和浮床同时放入污染水体。
2）自然生物膜的固定。
本发明使用的弹性填料是一种直径10cm，表面带正电荷的聚丙烯编制而成的自然生物膜载体，具有很大的比表面积，能够更好的富集自然生物膜。
自然生物膜能够自然的附着生长在弹性填料上，形成一层薄膜。自然生物膜能够吸附水中的有机物，并迅速将其降解，逐渐形成更厚的膜，在污水处理过程中自然生物膜呈现一个自我更替的过程，主要有“生长、更新、脱落”等阶段，脱落的生物膜沉积在水底，从而去除水中的氮、磷等营养物质。自然生物膜作为水生生态系统的一个重要组成部分有其特有的作用。从水体生产力角度来看，脱落的自然生物膜可作为经济动物如螺、蚌、虾、鱼等的饵料，承接着上下游食物链。
3）植物—自然生物膜复合生态浮床技术净化上覆水体。
植物和自然生物膜通过协同效应，联合修复污染水体。
一方面，植物能够直接吸收污水中的氮、磷等供其生长发育和繁殖，并自然生物膜提供营养物，诱导自然生物膜降解某些难降解的有毒物质。植物根系可以充当“载体”功能，富集自然生物膜。植物根系的某些分泌物不但可以促进某些嗜磷、嗜氮细菌的生长，促进氮、磷的释放和转化，而且其中的某些抗生物质还可以抑制部分藻类的生长。此外沉水植物有利于在河底形成屏障，可以降低底泥中营养物质的溶出速度。
另一方面，自然生物膜的不断生长，增强了对污染物的降解，使植物有更加优越的生长空间，同时，弥补了在深水条件下植物生长受到光照限制而不能较好的发挥作用的缺陷，使污染物得到有效的去除。自然生物膜能够固持和吸附水体中的磷，分解和转化有机氮为无机氮被植物直接摄取，抑制部分藻类的生长，从而降低水华发生的风险。同时，对于水体较浅的湖泊或河道，自然生物膜能够改变沉积物和水交界面的氧化还原电位和溶解氧水平，将沉积物中其他形态的磷转化为固定态或吸附态磷，降低溶解性磷进入上层水，抑制沉积物再悬浮及内源磷的释放，提高浮床的水质净化效果。自然生物膜的引入起到了食物链的“加环”作用，引入自然生物膜的复合生态浮床作为一个完整的微生态系统，对水质净化效果和生态系统的稳定性都有显著提高。
在时空尺度上，自然生物膜和植物之间慢慢形成一个复合的交互生态系统，其间不断进行物种迁移、能量转换和物质循环。在植物--自然生物膜的联合修复作用下，植物—自然生物膜复合生态浮床技术大大提高了对污染物的去除效果，促进了污染物的快速降解、转化。与其他水处理方式相比，植物--自然生物膜复合生态浮床更接近自然，所栽种的植物不仅美化环境，同时其建设、运行成本较低，维护方便，经济效益好，在黑臭水体应用前景广阔。
六、河流牧场技术
1）驯化培养鲢鱼、鳙鱼、罗非鱼等表层滤食性鱼类，并投放；2）驯化培养并投放河蚌、螺等滤食性底栖生物；3）定期打捞或捕获动物，控制鱼类生物量，完善生态系统结构。本技术起到食物链“减环”作用，加速传递速度（滤食性鱼类→浮游动物、植物→营养物质的超控）。
八、水质监测和生态系统跟踪
水质监测采用水质在线监测单位，数据控制中心通过改无线传输单元及其水质在线监测单元，实现水体指标监测和图像信息的采集；
生态系统跟踪主要包括两方面，1）微观方面：定时对治理水域内的微生物和小型浮游生物的种群结构和数量变化情况进行跟踪，分析现状和原因，以便及时调整生态修复剂配比和缓释速度，最大程度的发挥有益微生物的作用，达到最佳生态修复效果。2）宏观方面：及时对治理水域内的大型浮游生物和高等动植物的种群结构和数量变化情况进行跟踪，分析食物链结构稳定性和物质转移效率，及时做出调控（如投放鱼苗等），确保生态修复过程的稳定性和高效性。
采用本方法对黑臭河涌进行原位生态修复。修复前是严重的黑臭水体，水发黑发臭呈墨色，水质浑浊，富营养物质和有机污染物含量较高。其中氨氮为19.87 mg/L，DO为0.39 mg/L，透明度小于10cm。
本实施例工程沿河涌两岸每间隔约80米布置1台AC-6000型生态反应池（24 h运行），共8台。并在河涌中间等间距布置6台微纳米推流曝气机。
分别对检测点1，2和和对照点，工程前、工程末期和工程后的水体NH3-N、DO、透明度、TP和COD等进行检测和分析，结果如图5-1、图5-2、图5-3、图5-4所示。
工程前监测点1和2的NH3-N、DO、透明度、TP和COD分别为15.3 mg/L和15.2 mg/L、0.25mg/L和0.26 mg/L、23cm和25cm、1.65 mg/L和1.8 mg/L、57.9mg/L、69.5 mg/L。
经治理，工程默契监测点1和2的氨氮浓度分别降低至工程前的1/4，工程后降低至1/5；溶解氧含量提高了一个数量级，分别达到工程前的10.8倍和12.8倍；工程后透明度为工程前2.3～2.7倍；总磷浓度仅为工程前的1/8～1/5；化学需氧量仅为工程前的1/8～1/5。而对照点的各项指标在改时间内并无明显变化。
工程前后的水深测量结果表明，两次测量期间淤泥底质减少4321 m3，淤泥厚度平均消减了约27cm，大大减少了有机质的含量。
综上，经过对治理河段和未治理河段的水质参数氨氮、溶解氧、透明度、总磷和化学需氧量在工程前、工程末期和工程后的对比分析表明，河涌黑臭水体经过试点工程治理，水质有明显好转。
上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种黑臭河涌立体式原位生态修复系统，在黑臭河涌处设置有水质在线监测单元，该水质在线监测单元的输出通过无线传输单元接数据控制中心；其特征在于，系统中还设有：ECO Lab生态模型、治污环保船、生态反应池、植物—自然生物膜复合生态浮床、微纳米推流曝气机；其中ECO Lab生态模型的输出接数据控制中心。
2.根据权利要求1所述的黑臭河涌立体式原位生态修复系统，其特征在于，所述植物—自然生物膜复合生态浮床的结构分为三个主要部分，上层植物种植区，中层为漂浮支架，下层为自然生物膜；上层浮床植物采用多种植物配比模式，主要以水生植物为主，包括挺水植物、漂浮植物、沉水植物，其中挺水植物、沉水植物和浮叶植物种植量为1：1：0.5；中层浮床框架使用PVC管捆包搭建，组成正三角形；浮体采用聚苯乙烯泡沫板高分子轻质材料制成；下层设置自然生物膜悬挂区，悬挂固定化自然生物膜的载体元件—弹性填料；水下固定装置采用水下固定方式；制作完成后，将弹性填料和浮床同时放入污染水体；所述的弹性填料是一种直径10cm，表面带正电荷的聚丙烯编制而成的自然生物膜载体，具有很大的比表面积；弹性填料一端垂直的悬挂在框架网格上。
3.根据权利要求2所述的黑臭河涌立体式原位生态修复系统，其特征在于，所述的下层生态膜填料采用100%的聚丙烯编织而成；其基本参数：型号为Ф150 mm，单位长度44m/m3，单位重量2.0kg/m3，成膜重量69kg/m3，比表面积310m2/m3，丝直径0.45mm。
4.根据权利要求1-3之一所述的黑臭河涌立体式原位生态修复系统，其特征在于，还设置有太阳能光伏电站，为微纳米推流曝气机提供能量；所述并网型光伏电站由太阳能电池方阵、系统控制器、并网逆变器组成，其中光伏组件采用墨格MG-P250多晶硅光伏组件。
5.根据权利要求1所述的黑臭河涌立体式原位生态修复系统的原位生态修复方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）数学模型分析；
（2）封污育水；
（3）物理修复技术；
（4）生态反应池技术，包括原位选择性激活土著微生物、土著微生物原位生态修复系统建立；
（5）强化技术，包括水体二次增氧曝气和植物—自然生物膜复合生态浮床技术；
（6）河流牧场技术；
（7）水体生态系统建立平衡；
（8）水质监测和生态系统的跟踪；
（9）完善水体环境数据系统。
6.根据权利要求5所述的黑臭河涌立体式原位生态修复系统的原位生态修复方法，其特征在于，步骤（1）所述的数学模型分析步骤中的子步骤是：建立河道水动力模型、连通性评价；建立河涌水质模型、污染源与水质定量响应关系；治理方案可行性研究、水环境影响评价、科学建议；建立污染水体生态修复数学模型；验证和修正数学模型；
步骤（2）所示的封污育水，进行截污减排，控制源头污水对河涌的污染；
步骤（3）所示的物理修复技术，使用治污环保船，对河涌进行清掏吸气，将污泥沉积物质分离，清除垃圾和漂浮物，搅动底泥并收集有害气体、水体一次增氧曝气；
步骤（4）所示的生态反应池技术的子步骤是：1）原位选择性激活土著微生物，通过生态修复剂加注和生态反应池的运行，来激活土著微生物；2）土著微生物原位生态修复系统建立，即通过在生物反应池内激活水环境中土著微生物，使其大量繁殖后再随循环系统的水流进入河道，从而丰富水体的生物群落，建立土著微生物原位生态修复系统；
步骤（5）所述的强化技术，水体二次增氧曝气技术采用微纳米推流曝气机；植物—自然生物膜复合生态浮床技术采植物—自然生物膜合复合生态浮床系统；
步骤（6）所述的河流牧场技术，通过增加水生生物来修复维护水体，其子步骤是：1）驯化培养并投放鲢鱼、鳙鱼、罗非鱼等表层滤食性鱼类；2）驯化培养并投放河蚌、螺等滤食性底栖生物；3）定期打捞或捕获动物，控制鱼类生物量，完善生态系统结构；
步骤（8）所述中生态系统的跟踪，是在微观和宏观两个方面进行跟踪，确保生态系统向着健康、良性方向发展。
7.根据权利要求6述的一种黑臭河涌立体式原位生态修复方法，其特征在于，步骤（5）中的植物—自然生物膜复合生态系统浮床技术中的子步骤：
1）复合生态浮床的制备：
复合浮床分为三个主要部分，上层植物种植区，中层为漂浮支架，下层为自然生物膜；上层浮床植物采用多种植物配比模式，主要以水生植物为主，包括挺水植物、漂浮植物、沉水植物，其中挺水植物、沉水植物和浮叶植物种植量为1：1：0.5；中层浮床框架使用PVC管捆包搭建，组成正三角形；浮体采用聚苯乙烯泡沫板高分子轻质材料制成；下层设置自然生物膜悬挂区，悬挂固定化自然生物膜的载体元件—弹性填料；水下固定装置采用水下固定方式；制作完成后，将弹性填料和浮床同时放入污染水体；
2）自然生物膜的固定：本发明使用的弹性填料是直径10cm，表面带正电荷的聚丙烯编制而成的自然生物膜载体，具有很大的比表面积；弹性填料一端垂直的悬挂在框架网格上；
所述的生态膜填料采用100%的聚丙烯编织而成；其基本参数：型号为Ф150 mm，单位长度44m/m3，单位重量2.0kg/m3，成膜重量69kg/m3，比表面积310m2/m3，丝直径0.45mm。
8.根据权利要求7述的一种黑臭河涌立体式原位生态修复方法，其特征在于，所述的土著微生物包含：红球菌、反硝化产碱菌、脱氮副球菌、恶臭假单胞菌、绿脓杆菌、施氏假单胞菌、施氏假单胞菌、假单胞菌属类产碱杆菌、门多萨菌、施氏假单胞菌、假单胞菌、Chelatococcusdaeguensis strain TAD1、人苍白杆菌、静止嗜冷杆菌、Bacillus sp.SF352-1、枯草芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、Z.strain TL1等具有有氧反硝化作用的微生物菌株；上述微生物菌株的挂膜时间为3～7天。
9.根据权利要求7所述的一种黑臭河涌立体式原位生态修复方法，其特征在于，步骤（8）所述的水质监测及生态系统跟踪中的子步骤：1）微观方面：定时对治理水域内的微生物和小型浮游生物的种群结构和数量变化情况进行跟踪，分析现状和原因，以便及时调整生态修复剂配比和缓释速度，最大程度的发挥有益微生物的作用，达到最佳生态修复效果；2）宏观方面：及时对治理水域内的大型浮游生物和高等动植物的种群结构和数量变化情况进行跟踪，分析食物链结构稳定性和物质转移效率，及时做出调控，确保生态修复过程的稳定性和高效性。
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