CN108503035B - 一种用于微污染水体处理的阶梯式复合生态浮岛 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于微污染水体处理的阶梯式复合生态浮岛，浮岛设有自下而上分布呈阶梯状的多个净水池，太阳能阶梯式复合生态浮岛还包括：进水装置，包括吸水泵和进水管，进水管的进水口与浮岛漂浮的水域连接，出水口位于最上方的净水池中；排水装置，安装在最下方的净水池中，排水装置的排水口与浮岛漂浮的水域连接，用于自动控制最下方净水池的水位高度；虹吸管，安装于最下方净水池之上的各个净水池，当最下方净水池之上的任意一净水池中的水位高于预设水位，通过虹吸管将该净水池中的水引流至位于该净水池下方的净水池中；植物种植垫，设置在各净水池底部并种植净化植物。本装置结构简单，应用简便，可以用于受污染水体中污染物的去除。

Description

一种用于微污染水体处理的阶梯式复合生态浮岛

技术领域

本发明涉及水域生态修复领域，具体涉及到一种用于微污染水体处理的阶梯式复合生态浮岛。

背景技术

微污染水体一般指受到碳、氮、磷等污染影响但浓度相对较低的地表水，这类水体中大部分污染物浓度不超过10mg/L，污水处理工艺需经过特殊设计。经过工程治理达标后排放的尾水、低污染的生活污水、以及受到污水的池塘、沟渠、住宅区涉水景观等水体都属于微污染水体，微污染水的治理是我国湖库环境保护的重要组成。人口稠密、经济发达、城市众多的长江中下游地区，虽拥有丰富水资源仍受到水质性缺水困扰。将园林设计的思想应用到低污染水深度处理，最大限度借助景观建设，减少工程投资，以水生植物景观带的表现方式，实现住宅区涉水湖泊的深度处理，能够进一步消减污染负荷，满足水环境质量标准的要求。作为一种具有污水处理和景观美学功能的生态工程技术，该技术可在生活污水、养殖废水、农田等污染物控制和水环境质量改善方面发挥了重要作用。

传统上利用化学药剂投放、引水换水、底泥疏浚、曝气增氧、人工湿地和生态浮岛等方法对城市景观水体进行处理。然而，化学和物理修复方法由于成本过高、异位修复、易引起二次污染等问题在微污染水体的应用受到限制。生态浮岛具有低成本、高效率、环境友好、原位修复、美学及经济价值等优点，已成功应用于市政废水、生活污水、畜禽废水、矿物废水、工业废水、渗滤液、城市降水、农田径流水体。国内外研究者分别就浮岛植物选择、净水效果、填料种类、水质类型、栽种比例、重金属、农残、抗生素去除进行探讨，并对浮岛的适应性、经济价值等方面开展的了多种研究。然而，至今未有研究针对浮岛在微污染水体的净水效果，并且传统浮岛多采用单一的水平流或垂直流形式，少数复合水平-垂直流湿地因占地面积达，成本较高在小范围封闭水域的应用受到诸多限制。

复合生态浮岛是一种水生态修复技术，是以能漂浮于水面且不易分散的材质作为载体，于其表面栽种合适的水生植物，达到对污染水体的净化作用。传统的生态浮岛主要多采用单一的水平流或垂直流形式，通过植物收获、基质吸附、硝化作用来去除水中氮、磷污染物。

目前，一种修复方法是气增氧技术，气增氧技术是根据水体受到污染后缺氧的特点，人工向水体中充入空气(或氧气)，加速水体复氧过程，以提高水体中溶解氧水平，恢复和增强水体中好氧微生物的活性，使水体中的污染物质得到净化，进而恢复水生态系统。然而，传统曝气工艺常常需要消耗大量的电力能源，同时我国市政发电多采用火力发电，每年产生大量二氧化碳、二氧化硫等污染物，带来一系列环境问题。

发明内容

考虑到潜流湿地水平流拥有相对长距的流程反硝化程度高，而垂直流能够与氧气较好地混合，硝化反应好去除率较高。本发明开发了一种太阳能阶梯式复合生态浮岛，可将浮岛安置于住宅小区景观池塘，通过浮岛中植物-微生物-水生动物-填料的协同作用，对低浓度水体污染物通过吸附、降解、生物转化等作用进行生态处理；填料采用天然沸石或陶粒，池塘中水体通过太阳能提升泵抬升至浮岛顶层，利用各层的虹吸口流经水生植被层，以获得NH₄ ⁺-N、SS、TN、TP、COD较好处理效果。具体方案如下：

一种用于微污染水体处理的阶梯式复合生态浮岛，所述阶梯式复合生态浮岛漂浮于水面上，所述浮岛设有自下而上分布呈阶梯状分布的多个净水池，所述太阳能阶梯式复合生态浮岛还包括：

进水装置，包括吸水泵和进水管，进水管的进水口与浮岛漂浮的水域连接，出水口位于最上方的净水池中；

排水装置，安装在最下方的净水池中，排水装置的排水口与浮岛漂浮的水域连接，用于自动控制最下方净水池的水位高度；

虹吸管，安装于最下方净水池之上的各个净水池，当最下方净水池之上的任意一净水池中的水位高于预设水位，通过所述虹吸管将该净水池中的水引流至位于该净水池下方的净水池中；

植物种植垫，设置在各净水池底部，用于种植净化植物。

进一步的，进水管的进水口设置有过滤网，网筛孔径为1mm。

进一步的，在浮岛顶端设置有太阳能发电板，太阳能发电板通过逆变器与蓄电池相连，所述蓄电池通过导线与吸水泵连接。

进一步的，所述阶梯式复合生态浮岛底部通过泡沫板漂浮于水面上。

进一步的，排水装置为落水胆，落水胆的U型管一头为排水口，另一头距离最下方净水池底面4cm。

进一步的，最下方净水池的水深藉由排水装置控制在4cm，最下方净水池之上的各个净水池的水深藉由虹吸管控制在5cm。

进一步的，植物种植垫采用厚度为1cm的EPE珍珠泡沫材质，在植物种植垫均匀分布有若干植物种植腔；

植物种植腔的间距为5cm，孔径为3cm。

进一步的，植物种植垫与各净水池底面之间还铺设有一层粒径为5～20mm的陶粒层。

进一步的，阶梯式复合生态浮岛底部通过聚苯乙烯泡沫板漂浮于水面上。

进一步的，植物种植垫上种植有水生植物及沼生型植物。

本发明解决了以下技术问题：

1、复合生态浮岛利用太阳能电池板将光能转换成电能，同时安装蓄电池和控制器，可在无太阳光照的阴雨天持续提供电力来源，驱动曝气泵持续工作。

2、浮岛通过中心处设置的抬升管道，被不断抬升至浮岛顶部槽体。浮岛槽体壁面设置多个虹吸口，可保证顶部水体越过虹吸口时流入下部槽体。因此，抬升、虹吸、跌落等过程属于自然跌水曝气，配合曝气泵机械曝气，可解决封闭或半封闭微污染水体由于溶氧不足易形成死水区，所带来的水质易恶化问题。

3、浮岛利用植物-微生物-动物-填料协同作用，通过根系吸收氮磷、降解有机物，根系分泌物作为微生物营养来源，植物、有机物残体作为水生动物食物来源。同时，植物种植腔为泡沫珍珠棉材质，可固定水生植物、成为微生物挂膜载体，最终达到净化水体的作用。

4、浮岛设计为多层阶梯式方形结构，载重量大，可有效解决装置占地面积大的问题，浮岛配备多种植物，具有一定的景观美学价值。浮岛材料为亚克力板，造价低廉、整洁美观、易于商业推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种用于微污染水体处理的阶梯式复合生态浮岛的剖面图；

图2为阶梯式复合生态浮岛的俯视图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

本发明提供了一种用于微污染水体处理的阶梯式复合生态浮岛，阶梯式复合生态浮岛漂浮于水面上，浮岛设有自下而上分布呈阶梯状分布的多个净水池。太阳能阶梯式复合生态浮岛还包括：

进水装置，包括吸水泵6和进水管9(直径1.6cm)，进水管9的进水口浸没在待处理水体水面以下0.2m处，出水口位于最上方的净水池3中；

排水装置14，安装在最下方的净水池1中，排水装置14的排水口与浮岛漂浮的水域连接，用于自动控制最下方净水池的水位高度；

虹吸管13，安装于最下方净水池1之上的各个净水池，当最下方净水池1之上的任意一净水池中的水位高于预设水位，通过虹吸管13将该净水池中的水引流至位于该净水池下方的净水池中；

植物种植垫10，设置在各净水池底部，用于种植净化植物。

图1示出了本发明在一实施例中，复合生态浮岛主体8具有依次从下到上安装的3个净水池1、2、3。单层水池槽体高度均为20cm，边长分别为55cm、100cm、120cm。水槽的连接支撑结构为正方体，高度均为10cm，边长分比为10cm、20cm，依次连接上中、中下部槽体。两者均采用定制亚克力板进行拼接，并用PVC胶水等加固黏合。在本发明一可选的实施例中，阶梯式复合生态浮岛底部通过聚苯乙烯泡沫板7漂浮于水面上，泡沫板7厚度为5cm，泡沫板7承重量达50kg。

在本发明一可选的实施例中，进水管9的进水口设置有过滤网12，网筛孔径为1mm。

在本发明一可选的实施例中，在浮岛顶端设置有太阳能发电板4，太阳能发电板4通过支架5安装在浮岛顶部。其中，太阳能发电板4配置有控制器、蓄电池、控制器保护电池，太阳能组功率及电压分别为12V、10W，可将太阳能的辐射能力转换为电能，直接推动吸水泵6进行工作，并通过导线将多余能量送往蓄电池中存储起来。太阳能控制器可控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用，在温差较大的地方，还具备温度补偿功能。可选的，蓄电池等附件固定在浮岛底部槽壁上。

在一实施例中，

顶部净水池3和中层净水池2分别设置2个、4个出水孔，出水孔距槽底高度5cm，各出水孔均安装具有虹吸结构的乳胶管(内径1cm，外径2cm)形成虹吸管道(高20cm)。

在本发明一可选的实施例中，排水装置14为落水胆。其中，落水胆的U型管一头为排水口，另一头距离最下方净水池底面4cm。在另外一些实施例中，排水装置14也可以设置为液位传感器+排水泵的组合，但是成本较高。

在本发明一可选的实施例中，最下方净水池1的水深藉由排水装置14控制在4cm，最下方净水池之上的各个净水池2、3的水深藉由虹吸管13控制在5cm。

在本发明中，根据各层净水池的面积，铺设相应大小的植物种植垫10，例如可以采用厚度为1cm的EPE珍珠泡沫材质，在植物种植垫10上均匀分布有若干植物种植腔10a，用于栽培植物。优选的，植物种植腔10a的间距为5cm，孔径为3cm。

植物种植垫10上种植有水生植物及沼生型植物，例如凤眼莲、大漂、水蕨、灯芯草、水芹、香菇草、莎草、空心菜、爱地草、莲子草、香根草、水甜茅等，可选择其中之一种或几种组合。陶粒作为填料，可附着大量细菌、真菌、藻类、原生动物以及少部分蠕虫。实验期间选用凤眼莲(株高6.5cm)移植至植物种植腔，为避免高密度种植引起植物坏死现象，每腔种植一株植物，根部浸没在水面下，茎叶部位于种植垫上方漂浮于水面。凤眼莲本身对氮、磷、有机物、重金属、农药类等污染物具有较强的吸收及降解作用，植物种植垫、陶粒、和浮岛植物为微生物、浮游生物等提供良好的生境条件，有利于为生物降解作用的发挥，水体则在浮岛各槽体中持续流动，将增加水中溶解氧、加速水中污染物降解，同时为植物生长提供充足氧气。此外，植物种植垫与各净水池底面之间还铺设有一层粒径为5～20mm的陶粒层11。

本发明的处理流程为：

待处理水体在吸水泵6的作用下流入进水管过滤网12，该过滤网可去除水中漂浮物、较大的颗粒物及部分悬浮物。过滤后的水体通过进水管9后利用吸水泵6的动力抬升至浮岛顶部的净水池3。当净水池3的水位低于虹吸管时，冲水过程发生水槽内水位不断上升，当水位高于虹吸管时水体被排入中层水槽，同样中层净水池2内水体也通过虹吸管流入底层净水池1。因出水孔和落水胆的一段距槽底有一定距离，太阳能电池组和水泵工作正常时，上层、中层水槽水位将保持在5cm，底部水槽水位将保持在4cm。水流先后提供抬升、逐级流动和植物降解作用，当底层水槽的水位漫过落水胆的U型管道时，虹吸现象发生并将落水胆的密封垫片吸向上方，排水口随即打开，水槽中的水将被排出。

以某校园沟渠微污染水处理为例，其污染源主要为校园生活污水。本套装置放置在沟渠中，经过进水口筛网、浮岛植物、浮岛基质等处理后，出水口温度比进水口平均降低2.3℃，悬浮物、总氮、总磷、氨氮和化学需氧量去除率平均为67％、50％、51％、69％和61％，最高可达86％、75％、80％、95％和84％，具有较好的水体修复效果。

本发明的有益效果在于：

1、本装置结构简单，应用简便，主要用于受污染水体中污染物的去除，可有效去除水色，降低出水温度，及水中悬浮物、氮、磷、有机物、重金属、农药类、PPCPs等浓度。

2、本装置在运行过程中不断将自然界中的太阳能有效的转化为电能带动水泵将待处理水体吸入浮岛内，在抬升和虹吸的过程中保障了水中充足的氧环境。浮岛植物及填料可不断吸收水中污染物，充足的氧气、微生物及其他浮岛生物有利于降解作用的发挥。

3、浮岛装置几乎不存在后期维护费用，造价低，浮岛上不同类型植物的生长能形成美丽的景观，营造良好的视觉效果。

4、本装置除了在微污染水体修复中有较好的效果，还可通过优化植被种类、浮岛基质、加设曝气泵等措施，应用于居民小区景观水体、市政废水、生活污水、畜禽废水、矿物废水、工业废水、渗滤液、城市降水、农田径流水体等。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种用于微污染水体处理的阶梯式复合生态浮岛，所述阶梯式复合生态浮岛应用于居民小区景观水体、生活污水、畜禽废水、矿物废水、工业废水、渗滤液、城市降水、农田径流水体，其特征在于，所述阶梯式复合生态浮岛底部通过泡沫板漂浮于水面上，所述阶梯式复合生态浮岛设有自下而上分布呈阶梯状的多个净水池，所述阶梯式复合生态浮岛还包括：

进水装置，包括吸水泵和进水管，进水管的进水口与浮岛漂浮的水域连接，出水口位于最上方的净水池中；

排水装置，安装在最下方的净水池中，排水装置的排水口与浮岛漂浮的水域连接，用于自动控制最下方净水池的水位高度；

虹吸管，安装于最下方净水池之上的各个净水池，当最下方净水池之上的任意一净水池中的水位高于预设水位，通过所述虹吸管将所述净水池中的水引流至位于所述净水池下方的净水池中；

植物种植垫，设置在各净水池底部，用于种植净化植物；

植物种植垫采用厚度为1cm的EPE珍珠泡沫材质，在植物种植垫均匀分布有若干植物种植腔，植物种植腔的间距为5cm，孔径为3cm，在植物种植垫与各净水池底面之间还铺设有一层粒径为5~20mm的陶粒层。

2.如权利要求1所述的用于微污染水体处理的阶梯式复合生态浮岛，其特征在于，进水管的进水口设置有过滤网，网筛孔径为1mm。

3.如权利要求1所述的用于微污染水体处理的阶梯式复合生态浮岛，其特征在于，在浮岛顶端设置有太阳能发电板，太阳能发电板通过逆变器与蓄电池相连，所述蓄电池与吸水泵通过导线连接。

4.如权利要求1所述的用于微污染水体处理的阶梯式复合生态浮岛，其特征在于，排水装置为落水胆，落水胆的U型管一头为排水口，另一头距离最下方净水池底面4cm。

5.如权利要求1所述的用于微污染水体处理的阶梯式复合生态浮岛，其特征在于，最下方净水池的水深藉由排水装置控制在4cm，最下方净水池之上的各个净水池的水深藉由虹吸管控制在5cm。

6.如权利要求1所述的用于微污染水体处理的阶梯式复合生态浮岛，其特征在于，植物种植垫上种植有水生植物及沼生型植物。

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