CN107892393A - 一种植物‑微生物耦合型陂塘生态廊道水体净化系统及应用方法 - Google Patents
一种植物‑微生物耦合型陂塘生态廊道水体净化系统及应用方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种植物‑微生物耦合型陂塘生态廊道水体净化系统及其应用方法，属于水环境治理技术领域。该系统由多个间隔相邻的陂塘单元(1)和生态滤沟单元(2)组成。陂塘单元(1)常水位以下水生植物搭配为沉水植物与挺水植物，并设置悬浮型太阳能曝气机。生态滤沟单元(2)为下凹式浅沟结构，包括植被层(3)、种植土层(4)、脱氨填料层(5)、辅助除磷填料层(6)、脱氮填料层(7)和底部排水管层(8)，共6个部分。本系统通过对陂塘单元和生态滤沟单元的有机组合，构建植物净化与泌氧系统和生物膜强化净化系统，实现了水体的有效净化。与传统技术相比，本发明技术实现了同步脱氮除磷，且总磷去除率较高。
Description
技术领域
本发明属于水环境治理技术领域，具体来说，涉及到一种植物-微生物耦合型陂塘生态廊道水体净化系统。
背景技术
黑臭水体、富营养化水体、污水厂尾水和初期雨水汇流是当前水环境治理的主要对象。这些水体中的主要污染物常常由COD、铵态氮、硝态氮、正磷酸盐及多聚磷酸盐组成。对这些污染物的生物生态处理常常由植物或微生物介导。首先，植物与微生物系统都可以将这些污染物作为碳、氮、磷等营养物质进行吸收。其次，微生物系统可以通过硝化作用将铵态氮转化为硝态氮，然后通过反硝化作用将硝态氮转化为气态氮，最终实现总氮污染的消减。第三，微生物可以通过聚磷菌在好氧条件下将磷酸盐积累在胞内，并通过微生物沉降作用而使磷从水体中脱除出来。目前，在水环境治理领域已经开发了一系列的植物水处理或微生物净化方面技术，如以沉水植物为主的草型水生态系统构建技术和以功能微生物投加为主的功能菌剂技术等。
然而，单独的植物吸收或微生物转化都有其局限性。第一，植物对碳、氮、磷营养物质的吸收不是无限制的，受到植物生长速率的影响；第二，硝态氮不易吸附于土壤中，易随水流而流走，导致了植物对硝态氮的吸收效率降低。第三，总氮与总磷的微生物脱除对氧的需求存在矛盾性。微生物对氨态氮及硝态氮的转化受到水体及土壤中氧气的影响，如硝化脱氨需要氧的存在，而反硝化脱氮则需要在厌氧条件下发生。然而，由聚磷菌介导的微生物脱磷过程却存在着与生物脱氮相反的氧需求，即“厌氧释磷、好氧吸磷”。第四，植物与微生物的水质净化作用受温度的影响较大。在冬季低温期，植物或微生物的净化作用往往会变得非常弱。因此，需要研发一种可以融合了植物吸收与微生物转化过程的高效同步脱氮除磷的水体净化系统。
发明内容
针对以上实际问题，本发明提供了一种耦合了植物吸收和微生物生物膜转化作用的陂塘生态廊道水体净化系统，可以实现氨氮、总氮与总磷的同步脱除。
本发明的技术原理是利用植物-微生物在污染物转化过程中互惠互利现象，通过构建植物吸收与泌氧系统和生物膜高效转化系统，实现水体的有效净化。首先，植物根系泌氧现象的发生能够提供微生物进行硝化反应所需要的氧分子。其次，植物根系的存在增大了微生物附着生长的表面积，有利于微生物生物膜的形成。最后，微生物能够分泌维生素、生长刺激素等因子，促进植物的生长。因此，植物-微生物联合净水是水体污染物脱除的一条有效途径。
本发明所述的水体净化系统包括陂塘单元和生态滤沟单元。其中陂塘单元主要起水体调蓄、悬浮物沉降、水体复氧和水体初步净化的作用，生态滤沟单元起到水质深度净化的作用。
所述陂塘单元为近纺锤形，长径比在2:1-3:1之间，最大水深为1.5-2米，常水位水深为1米，边坡比为1:4-1:6，水力负荷为0.4-1.6m3/m2·d。
所述陂塘单元常水位以下水生植物搭配为沉水植物与挺水植物，水生植物的总覆盖率不低于45％。其中挺水植物选取芦苇、菖蒲、千屈菜中的任一种，沉水植物选取苦草、菹草、黑藻中的任一种，挺水植物与沉水植物的种植面积比为1:2。挺水植物的初始种植株高为50-80cm，沉水植物的初始种植株高为10-15cm。
所述陂塘单元中设置悬浮型太阳能曝气机。太阳能曝气机的锚定线长度为2～3米，保证太阳能曝气设备可随水位的变化而始终悬浮于水面之上。陂塘单元水体溶解氧(DO)浓度维持在5-8mg/L。
所述生态滤沟单元通过运用微地形改造技术，创造一种下凹式的植物-微生物生长环境，营造有氧及厌氧环境的层化分布现象。所述生态滤沟单元包括植被层、种植土层、脱氨填料层、辅助除磷填料层、脱氮填料层和底部排水管层，共6个部分。下凹式生境的常水位水深为0.3-0.5米，边坡比为1:5-1:3。生态廊道单元水力负荷为0.3-0.5m3/m2·d。
所述生态滤沟植被层通过挺水植物与沉水植物带状间种的方式来构建水生植物系统。植物种植初始覆盖面积率不低于50％，挺水植物与沉水植物种植面积比为2:1。挺水植物选取菖蒲、香蒲、美人蕉和千屈菜种的任一种；沉水植物选取黑藻、穗花狐尾藻和苦草中的任一种。挺水植物的初始种植高度为50-80cm，沉水植物的初始种植高度为10-15cm。
所述生态滤沟种植土层为10-15cm厚的沙土-壤土混合土壤，沙土和壤土的体积比例为2:1。为促进植物生长，提高净化效率，壤土中预先混合含有绿色木霉菌、植物乳杆菌、蜡状芽孢杆菌的植物促生菌剂。绿色木霉菌、植物乳杆菌和蜡状芽孢杆菌的接种克隆数比例为1:1:1。混合后的壤土中，植物促生菌的密度为不低于2×107个/克。
所述生态滤沟脱氨填料层由20cm厚，粒径为20-30mm的砂石组成。脱氨填料表面预喷洒1/100填料体积的含有类球红细菌(Rhodobacter sphaeroides)和枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)的微生物混合液。微生物菌种混合液的菌体总浓度为2×104～4×104个/ml，类球红细菌和枯草芽孢杆菌的克隆数比例为1:1。脱氨填料层紧贴种植土层，利用根系的泌氧作用形成好氧的微环境。种植土层与脱氨填料层之间由厚度为80g/m2的无纺布隔开。
所述生态滤沟的辅助除磷填料层由30cm厚，粒径为20-30mm的石灰石组成。辅助除磷填料层利用低pH水环境的微酸作用，使石灰石与磷酸盐发生反应形成磷酸钙沉淀，从而辅助进行水体的除磷净化。同时，石灰石填料作为生物膜附着介质，同时也承担着氨氮与总氮的削减作用。
所述生态滤沟脱氮填料层由30cm厚，粒径为10-20mm的砂石组成。脱氮填料表面预喷洒1/100填料体积的含有脱氮副球菌(Paracoccus denitrificans)和铜绿假单胞菌(Pseudomonas Aeruginosa)的混合菌液。混合菌液的菌体总浓度为2×104～4×104个/ml，脱氮副球菌和铜绿假单胞菌的克隆数比例为1:1。脱氮填料层利用底层的兼性厌氧环境，在砂石表面形成厌氧生物膜，进行厌氧反硝化脱氮反应。
所述生态滤沟底部设置排水管层，用以解决水体在填料层中横向迁移较慢的问题。排水管层由一排直径为DN110的PVC穿孔管组成，相邻排水穿孔管的间距为50cm。排水管穿孔直径为10-15mm，排水穿孔管周边由粒径为20-30mm的砂石包裹。
所述陂塘单元和生态滤沟单元的挺水植物种植区土壤中预先埋设3层厚度分别为5cm的秸秆层，以此构建根孔型生态廊道。顶层秸秆距离植物种植土层表面15cm，相邻两层秸秆层之间由5cm厚的土壤层间隔开。所用秸秆的直径为1-2cm、长度为1-1.5m。
若需要对水资源加以精确利用，避免水资源的下渗，则要对陂塘单元和生态滤沟单元的底质进行粘土和膨润土防水毯防渗处理。若允许地表水下渗以涵养地下水，则不需要对陂塘单元和生态滤沟单元的底质进行防渗处理。
与传统技术相比，本发明技术解决了污染水体净化过程中水生植物生长缓慢、水生生态系统构建周期较长的问题；解决了微生物生物膜在氨氮转化过程中氧气耗尽的问题；并解决了微生物生物膜在净化水体过程中总磷去除率不高的问题。
本发明技术可应用于初期雨水汇流和污水处理厂排放尾水的在线处理及黑臭水体和富营养化水体的旁路离线处理。
附图说明
图1：陂塘生态廊道平面布置示意图；图2：陂塘单元典型剖面示意图；图3：生态滤沟单元典型剖面示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明所述的陂塘-生态廊道水体净化系统的应用方法做进一步的实施说明，但是本发明的保护范围并不仅限于此。
一种植物-微生物耦合型陂塘生态廊道水体净化系统的应用方法，其包括以下步骤。(1)确定待处理水体的日处理水量，并由此计算所需陂塘单元和生态滤沟单元的面积。(2)按照长径比及边坡比开挖陂塘单元。按照植物种植分区设计，在挺水植物种植区的土壤中铺设秸秆层。(3)在陂塘底部种植沉水植物和挺水植物。挺水植物选取芦苇、菖蒲、千屈菜中的任一种，沉水植物选取苦草、菹草、黑藻中的任一种，挺水植物与沉水植物的种植面积比为1:2。(4)通过锚定的方式固定悬浮式太阳能曝气机于陂塘水面。(5)开挖生态滤沟。根据需求决定是否进行防渗设计。(6)铺设底部排水管层。(7)铺设脱氮填料层。(8)铺设辅助除磷填料层。(9)铺设脱氨填料层。(10)覆盖无纺布于脱氨填料层上。(11)覆盖种植土，并在挺水植物种植区的土壤中铺设秸秆层(12)进行生态滤沟水生植物群落构建。植物种植初始覆盖面积率不低于50％，挺水植物与沉水植物种植面积比为2:1。挺水植物选取菖蒲、香蒲、美人蕉和千屈菜种的任一种；沉水植物选取黑藻、穗花狐尾藻和苦草中的任一种。
实施例
本实施例为海南省某产业园区雨水调蓄与面源污染削减的案例。在被实施例中，本发明所述植物-微生物耦合型陂塘生态廊道系统建设在园区雨水汇集与积水区域。经过计算，该区域在汛期的最大雨水汇水量为4800m3/d。根据本发明所述，陂塘单元的水力负荷设为1m3/m2·d，生态滤沟单元的水力负荷设为0.5m3/m2·d，共建设4800m2的陂塘和9600m2的生态滤沟。陂塘单元的最大水深设为1.5m，生态滤沟单元的平均水深设为0.5m，陂塘生态廊道系统的总水力停留时间(HRT)为2天左右。单个陂塘的平均面积设计为800m2左右，因此共建设了6个陂塘；生态滤沟的平均宽度为6m，因此共修建了1.6km的生态滤沟。
单个陂塘的开挖深度为2m，长径为16m，短径为7m，边坡比为1:5。每个陂塘的挺水植物种植面积为130m2，沉水植物种植面积为260m2，水生植物的覆盖率为48.7％左右。挺水植物种植区土壤下层铺设3层厚度为5cm的秸秆。每个陂塘中种植一种挺水植物和一种沉水植物。其中，3个陂塘的挺水植物为菖蒲，沉水植物为苦草；另外3个陂塘的挺水植物为千屈菜，沉水植物为黑藻。每个陂塘中布置一台悬浮型太阳能曝气机，太阳能曝气机的曝气强度为1.2[kgO2/(KW·h)]，最大覆盖水域可达到3000平方米/台。
生态滤沟单元共计1600m，分为7段，将陂塘单元串联起来。生态滤沟单元为下凹式浅沟结构，下凹式生境的的最大水深为1m，常水位水深为0.5米，边坡比为1:3。生态滤沟单元从上往下包括植被层、种植土层、脱氨填料层、辅助除磷填料层、脱氮填料层和底部排水管层。各结构层依照本发明所述方法建设。植被层分别由美人蕉、香蒲、穗花狐尾藻和黑藻构成。水生植物的种植总面积为4800m2，水生植被覆盖率为50％。
该系统运行稳定后，不但有效的调蓄、疏导了径流洪峰，增加了雨水的回用率，而且对雨水中的面源污染进行了有效的削减，其中水体悬浮物SS的去除率可达到90％左右，氨氮的去除率可达到75-80％，总氮的去除率可达到60-70％，总磷的去除率可达到50-60％。
Claims (9)
1.一种植物-微生物耦合型陂塘生态廊道水体净化系统，其特征在于，所述水体净化系统包含多个间隔相邻排列陂塘单元(1)和生态滤沟单元(2)；
所述陂塘单元(1)长径比在2:1-3:1之间，最大水深为1.5-2米，常水位水深为1米，边坡比在1:4-1:6之间，水力负荷为0.4-1.6m3/m2·d；
所述陂塘单元(1)常水位以下水生植物搭配为挺水植物与沉水植物，水生植物的总覆盖率不低于45％；挺水植物与沉水植物的种植面积比为1:2；
所述陂塘单元(1)中设置悬浮型太阳能曝气机；太阳能曝气机采用锚定法固定于陂塘单元中，锚定线长度为2～3米；陂塘单元水体溶解氧浓度维持在5-8mg/L；
所述生态滤沟单元(2)包括植被层(3)、种植土层(4)、脱氨填料层(5)、辅助除磷填料层(6)、脱氮填料层(7)和底部排水管层(8)，种植土层与脱氨填料层之间由厚度为80g/m2的无纺布隔开；
所述生态滤沟单元(2)的水力负荷为0.3-0.5m3/m2·d；
下凹式生态滤沟的常水位水深为0.3-0.5米，边坡比为1:5-1:3；
植被层(3)植物种植初始覆盖面积率不低于50％，挺水植物与沉水植物种植面积比为2:1。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，种植土层(4)为10-15cm厚的沙土-壤土混合土壤，沙土和壤土的体积比为2:1；壤土中预先接种含有绿色木霉菌Trichodermaviride、植物乳杆菌Lactobacillus plantarum和蜡状芽孢杆菌Bacillus cereus的植物促生复合菌剂，且绿色木霉菌、植物乳杆菌和蜡状芽孢杆菌的接种克隆数比例为1:1:1；接种后的壤土中，植物促生菌的密度不低于2×107个/克。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述生态滤沟脱氨填料层(5)由20cm厚，粒径为20-30mm的砂石组成；种植土层与脱氨填料层之间由厚度为80g/m2的无纺布隔开；脱氨填料表面预喷洒接种1/100填料体积的含有类球红细菌Rhodobacter sphaeroides和枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis的微生物菌种混合液；微生物菌种混合液的菌体总浓度为2×104～4×104个/ml，类球红细菌和枯草芽孢杆菌的克隆数比例为1:1。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述生态滤沟的辅助除磷填料层(6)为30cm厚，粒径为20-30mm的石灰石。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述生态廊道脱氮填料层(7)由30cm厚，粒径为10-20mm的砂石组成；脱氮填料表面预喷洒接种1/100填料体积的含有脱氮副球菌Paracoccus denitrificans和铜绿假单胞菌Pseudomonas Aeruginosa的混合菌液；混合菌液的菌体总浓度为2×104～4×104个/ml，脱氮副球菌和铜绿假单胞菌的克隆数比例为1:1。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述生态滤沟底部排水管层由一排直径为DN110的PVC穿孔管组成；相邻排水管的间距为50cm；排水管穿孔直径为10-15mm，排水穿孔管周边由粒径为20-30mm的砂石包裹。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，挺水植物种植区土壤中预先埋设3层厚度分别为5cm的秸秆层，顶层秸秆距离植物种植土层表面15cm，相邻两层秸秆之间由5cm厚土壤层间隔开；所用秸秆的直径为1-2cm、长度为1-1.5m。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，挺水植物选取菖蒲、香蒲、美人蕉和千屈菜中的任一种；沉水植物选取黑藻、穗花狐尾藻和苦草中的任一种。
9.应用权利要求1-8任意一项所述系统的方法，包括以下步骤：
(1)确定待处理水体的日处理水量，并由此计算所需陂塘单元和生态滤沟单元的面积；
(2)按照长径比及边坡比开挖陂塘单元；
(3)在陂塘底部种植沉水植物和挺水植物；
(4)通过锚定的方式固定悬浮式太阳能曝气机于陂塘水面；
(5)开挖生态滤沟；
(6)铺设底部排水管层；
(7)铺设脱氮填料层；
(8)铺设辅助除磷填料层；
(9)铺设脱氨填料层；
(10)覆盖无纺布于脱氨填料层上；
(11)覆盖种植土；
(12)进行生态滤沟水生植物群落构建。
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