CN108911443A - 一种小流域水生态修复集成治理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小流域水生态修复集成治理系统及方法，所述系统包括待治理流域中沿河道流向依次布设的清淤修复子系统、催化降解子系统和生态浮岛子系统；所述催化降解子系统设置于待治理河道的中心位置，用于对流域水体内的大分子有机物和非活波金属进行催化降解；所述清淤修复子系统设置于待治理流域的河道上游区域，用于对河道底部的河床淤泥进行分化沉降；所述生态浮岛子系统设置于待治理流域的河道下游区域，用于种植水生生物，以平衡和降低水体中的营养物质。本发明实现了河道清淤以及大分子有机物和非活波金属的催化降解，并对水体营养物质进行吸收，避免了水体富营养化带来的循环污染。

Description

一种小流域水生态修复集成治理系统及方法

技术领域

本发明涉及环境工程领域，具体是涉及一种小流域水生态修复集成治理系统及方法。

背景技术

人类以及生命的起源、发展都离不开水的滋养和供给，有水才有生命，但当前水环境状况不容乐观，特别是河道、流域因流动性强、处理面积广、无法集中收集处理等特点，导致目前未能有经济、实惠、长期有效的办法恢复水系统的生态功能和调节功能，经济实惠、长期有效的水治理方案将是未来多年的长期课题。目前，催化分解技术是最热门的研究话题，如专利申请号201820965939.5的一种低功耗黑臭水体治理电催化装置、专利申请号201820965684.2的一种流域水体净化光催化装置、专利申请号201710814840.5的镍基石墨烯场效应水体矿化装置等。光、电催化材料在光能或电能作用下，将水体中的溶解氧和水转化为氧化性超强的羟基自由基、超氧氢离子、过氧化物、原子氧以及超强还原性的原子氢等。羟基自由基、超氧氢离子、过氧化物、原子氧可以氧化有机物，将大分子有机物分解为小分子，再进一步矿化为二氧化碳、水和高价态无机矿物等，原子氢将水体中的非活波金属还原为单质态金属。从催化反应的机理上我们可以看出，单纯的催化降解技术会消耗水体中的溶解氧，降低水体溶解氧，将有机态物质分解为无机态，除少部分深度矿化为CO2、H2O、N2、P等外，大部分有机物矿化后的N、P依然以无基态的形式存在于水体中，造成水体的富营养化，形成循环污染。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种小流域水生态修复集成治理系统及方法，实现了河道清淤以及大分子有机物和非活波金属的催化降解，并对水体营养物质进行吸收，避免了水体富营养化带来的循环污染。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种小流域水生态修复集成治理系统，包括待治理流域中沿河道流向依次布设的清淤修复子系统、催化降解子系统和生态浮岛子系统；所述催化降解子系统设置于待治理河道的中心位置，用于对流域水体内的大分子有机物和非活波金属进行催化降解；所述清淤修复子系统设置于待治理流域的河道上游区域，用于对河道底部的河床淤泥进行分化沉降；所述生态浮岛子系统设置于待治理流域的河道下游区域，用于种植水生生物，以平衡和降低水体中的营养物质。

进一步地，所述清淤修复子系统设置于距离催化降解子系统1km以内的河道上游区域，包括多个沿河道流向布设的清淤修复模块，各个清淤修复模块的间隔为30~100m；所述生态浮岛子系统设置于距离催化降解子系统2.5km以内的河道下游区域，包括多个沿河道流向依次布设的柔性生态浮岛装置，所述柔性生态浮岛装置的间隔为5~10m。。

优选地，所述催化降解子系统包括设置在治理流域河道水面上的浮台单元、设置于治理流域河岸上的伏安电化学测试仪、设置于河岸上的可调式脉冲变频电源，以及安装于所述浮台单元中的电催化装置和电位检查容器；

优选地，所述电催化装置，通过密封电源线连接河岸上的可调式脉冲变频电源，并在可调式脉冲变频电源的作用下，对治理流域水体的大分子有机物和非活波金属进行催化降解；所述电位检查容器，通过密封信号线与伏安电化学测试仪连接，配合伏安电化学测试仪完成水体的电位检测；

所述浮台单元由浮台外龙骨和浮台内龙骨焊接形成，所述浮台外龙骨和浮台内龙骨之间填充有泡沫浮筒，且浮台内龙骨底部设置有浮台连接卡扣；浮台内龙骨内设置有分隔框架，所述分隔框架将浮台内龙骨所围成的内部空间划分为若干个安装区域，所述电催化装置和电位检查容器设置于不同的安装区域内。

优选地，所述电催化装置包括通过固定组件安装在浮台单元中，所述固定组件包括安装框架和绝缘格栅框架；

所述绝缘格栅框架由底面和侧面的五块绝缘格栅面板相互焊接形成，其整体呈长方体，且内部带有开口向上的容置空间，所述电催化装置设置于该容置空间内；

所述安装框架包括呈长方体的框架龙骨和焊接于框架龙骨顶部的四根角钢，所述四根角钢开口向外焊接后形成框架连接卡扣；所述安装框架的底部设置有至少一根支撑杆，所述安装框架的四个侧面上均设置有加强筋；

所述绝缘格栅框架的长宽尺寸小于安装框架的长宽尺寸，绝缘格栅框架的高度小于或等于安装框架的高度；绝缘格栅框架从安装框架顶部放入安装框架中，所述安装框架设置于浮台内龙骨内的一个安装区域中；

所述电催化装置包括从左至右排列的多个电催化单元和依次贯穿各个电催化单元的连接杆，所述连接杆上套装有位于相邻电催化单元之间的间隔孔柱，以实现电催化单元之间的隔离；每一个电催化单元均包括从左至右依次排列的第一绝缘格栅板、第一电极板、第二绝缘格栅板、第二电极板和第三绝缘格栅板；所述的第一电极板和第二电极板均为石墨烯电极板；

整个石墨烯电催化装置中，最左侧的石墨烯电极板连接有阴极接线口，用于连接脉冲电源的输出阴极；最右侧的石墨烯电极板连接有阳极接线口，用于连接脉冲电源的阳极；从左至右的第4n和第4n+1块石墨烯电极板之间通过第n块顶部连接板电连接，n=1,2,3，…,N；其中N表示顶部连接板的数目；从左至右的第4m-2和第4m-1块石墨烯电极板通过第m块底部连接板电连接，m=1,2,3，…,M；其中M表示底部连接板的数目。

优选地，所述电位检查容器包括密封检测箱、工作电极、参比电极和测试电极，所述密封检测箱的顶部通过收缩连杆连接在所述分隔框架上；所述密封检测箱的底部开设有溶液取样孔；所述工作电极、参比电极和测试电极的第一端均位于密封检测箱的顶部，所述工作电极、参比电极和测试电极的第二端均贯穿密封检测箱顶部并延伸至密封检测箱内，所述工作电极、参比电极和测试电极的第一端还分别通过密封信号线连接到伏安电化学测试仪。

优选地，每一个所述的清淤修复模块均包括位于治理区域河道水面上的清淤船体、设置于所述清淤船体中的空压机、位于河床淤泥内的清淤喷头、连通所述空压机和清淤喷头的高压气管、横跨河道布设于河水底部的多个纳米曝气装置，以及向所述纳米曝气装置提供压缩空气的空气压缩装置；所述清淤喷头在空压机提供的压缩空气作用下，将淤泥从河床推入河水底部，使淤泥在纳米曝气装置的搅拌作用进行分化沉降。

优选地，所述纳米曝气装置间隔布设于河水底部，并与河床淤泥接触；所述纳米曝气装置之间的距离为3~10m；所述空气压缩装置为罗茨风机，所述罗茨风机设置于治理区域的河岸上，并通过空气管道分别与每一个纳米曝气装置连通；所述清淤船体上还设置有固定支架，所述固定支架上安装有连杆，所述连杆上设置多个气管下放结构，所述多个气管下放结构沿连杆方向等间距设置；所述高压气管穿过其中一个气管下放结构与所述清淤喷头连接；所述气管下放结构为设置于连杆上的多个金属环；所述清淤喷头呈锥形结构，清淤喷头包括中空锥形管，所述中空锥形管的第一端与高压气管连通，中空锥形管的第二端设置有喷嘴，所述喷嘴上开设有多个喷流口；所述中空锥形管第二端的直径大于第一端的直径，且所述中空锥形管中设置有防倒流阀；所述清淤喷头为刚喷头，重量5~15kg，相对于水的密度比为5.5~6.5；所述清淤船体中还设置有气动螺旋桨，所述气动螺旋桨与空压机连接。

优选地，所述柔性生态浮岛装置包括浮岛支架和固定所述浮岛支架的两根锚绳；每一根锚绳的第一端均与浮岛支架连接固定，每一根锚绳的第二端均连接有锚，所述锚沉入并固定在河道淤泥中；

所述浮岛支架包括中空柔性塑料和设置于中空柔性塑料内部的硬质缆绳，所述硬质缆绳首尾相接固定，使得整个浮岛支架呈环状；所述浮岛支架的内环设置有浮岛网；

所述浮岛支架呈圆环状、矩形环状或椭圆环状；两根所述锚绳与浮岛支架的连接点将整个浮岛支架分成上半环和下半环，所述上半环和下半环长度相等；所述硬质缆绳包括不锈钢内绳和包覆所述不锈钢内绳的防水塑料外套。

一种小流域水生态修复集成治理方法，包括以下步骤：

S1.利用设置于待治理流域河道上游的清淤修复子系统，对河道底部的河床淤泥进行分化沉降：

S2.利用设置于待治理河道的中心位置的催化降解子系统对对流域水体内的大分子有机物和非活波金属进行催化降解；

S3.利用待治理流域河道下游区域的生态浮岛子系统平衡和降低水体中的营养物质。

其中，所述步骤S1包括：

在每一个清淤修复模块中，利用空气压缩装置为纳米曝气装置提供压缩空气；

将清淤喷头下放到河水中，清淤喷头在重力作用下，坠入河床淤泥内部；

空压机通过高压气管向清淤喷头输送高压空气，高压空气经清淤喷头喷出，将河道淤泥从河床推入河水底部；

进入河水底部的淤泥在纳米曝气装置曝气的搅拌作用下，分化为泥土层、有机物层、游离态微生物层以及可溶性分子，同时通过纳米曝气装置的曝气作用增加周围河水的溶氧量，加速河水中的耗氧反应进程；

分化得到的泥土层首先沉降到河床底部；有机物层在富氧水体中经过好氧微生物分解为小分子或是矿化，游离态微生物层最后沉降在河床表面，形成新的微生物生态系统；

所述步骤S2包括：

电催化装置在可调式脉冲变频电源的作用下，将水体中的溶解氧和水转化为氧化性超强的羟基自由基、超氧氢离子、过氧化物、原子氧以及超强还原性的原子氢；

羟基自由基、超氧氢离子、过氧化物和原子氧将大分子有机物分解为小分子，再进一步矿化为二氧化碳、水和无机可溶盐类；

原子氢将水体中的非活波金属还原为单质态金属；

所述步骤S3包括以下子步骤：

在待治理流域河道下游区域的各个柔性生态浮岛装置上种植水生生物，对水体中的营养物质进行吸收，以实现水体中营养物质的平衡和降低。

本发明的有益效果是：（1）本发明在不截流、不纳管的情况下实现了水体的原位清淤修复，完善水生态系统，恢复河道的生态功能和调节功能，降低了河道的处理成本；

（2）本发明在电催化装置中，通过间隔孔柱将相邻的电催化单元隔开，有效提高了装置的透水性能和催化效率；本发明设置了电位检查容器，通过密封信号线与伏安电化学测试仪连接，配合伏安电化学测试仪完成水体的电位检测，由伏安电化学测试仪将检测结果展示给工作人员，方便于电催化降解过程进行实时监控。

（3）本发明在对流域水体内的大分子有机物和非活波金属进行催化降解的同时，通过浮岛子系统进行水生生物种植，对水体营养物质的吸收，避免了水体的富营养化。

（4）本发明的柔性生态浮岛装置中，浮岛支架在洪水或大风的作用下能够根据力学作用变形以减小冲击力，从而降低锚绳对锚的拉力，进而使得锚不容易从河道淤泥中脱离，整个柔性生态浮岛装置不易被大风或洪水冲走，具有良好的抗洪性能和抗风性能。

附图说明

图1为本发明的系统原理框图；

图2为催化降解子系统的原理示意图；

图3为浮台单元的俯视图；

图4为第一分隔组件的布设示意图；

图5为第二分隔组件的布设示意图；

图6为绝缘格栅框架的结构示意图；

图7为安装框架的结构示意图；

图8为电催化装置的结构示意图；

图9为电催化单元的结构示意图；

图10为电位检查容器的结构及安装示意图；

图11为清淤修复模块的结构示意图；

图12为连杆结构示意图；

图13为清淤喷头结构示意图；

图14为柔性生态浮岛装置的结构示意图；

图15为浮岛支架的截面示意图；

图16为本发明的方法流程图。

图中，1-浮台外龙骨，2-浮台内龙骨，3-泡沫浮筒，4-浮台连接卡扣，5-顶部分隔杆，6-上表面栅格区域，7-底部分隔杆，8-下表面栅格区域，9-绝缘格栅面板，10-框架龙骨，11-框架连接卡扣，12-支撑杆，13-加强筋，14-电催化单元，1401-第一绝缘格栅板，1402-第一电极板，1403-第二绝缘格栅板，1404-第二电极板，1405-第三绝缘格栅板，15-连接杆，16-间隔孔柱，17-阴极接线口，18-阳极接线口，19-顶部连接板，20-底部连接板，21-密封检测箱，22-工作电极，23-参比电极，24-测试电极，25-溶液取样孔，26-收缩连杆，27-河床淤泥，28-河水，29-纳米曝气装置，30-清淤喷头，31-防倒流阀，32-喷流口，33-高压气管，34-固定支架，35-连杆，36-空压机，37-气动螺旋桨，38-清淤船体，39-气管下放结构,40-中空锥形管，41-喷嘴，42-锚，43-锚绳，44-浮岛支架，4401-中空柔性塑料，4402-硬质缆绳，45-浮岛网。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种小流域水生态修复集成治理系统，包括待治理流域中沿河道流向依次布设的清淤修复子系统、催化降解子系统和生态浮岛子系统；所述催化降解子系统设置于待治理河道的中心位置，用于对流域水体内的大分子有机物和非活波金属进行催化降解；所述清淤修复子系统设置于待治理流域的河道上游区域，用于对河道底部的河床淤泥进行分化沉降；所述生态浮岛子系统设置于待治理流域的河道下游区域，用于种植水生生物，以平衡和降低水体中的营养物质。

在本申请的实施例中，所述清淤修复子系统设置于距离催化降解子系统1km以内的河道上游区域，包括多个沿河道流向布设的清淤修复模块，各个清淤修复模块的间隔为30~100m；所述生态浮岛子系统设置于距离催化降解子系统2.5km以内的河道下游区域，包括多个沿河道流向依次布设的柔性生态浮岛装置，所述柔性生态浮岛装置的间隔为5~10m。

如图2所示，所述催化降解子系统包括设置在治理流域河道水面上的浮台单元、设置于治理流域河岸上的伏安电化学测试仪、设置于河岸上的可调式脉冲变频电源，以及安装于所述浮台单元中的电催化装置和电位检查容器；

所述电催化装置，通过密封电源线连接河岸上的可调式脉冲变频电源，并在可调式脉冲变频电源的作用下，对治理流域水体的大分子有机物和非活波金属进行催化降解；所述电位检查容器，通过密封信号线与伏安电化学测试仪连接，配合伏安电化学测试仪完成水体的电位检测；在本申请的实施例中，所述伏安电化学测试仪采用普林斯顿p-4000电化学工作站，并采用该电化学工作站中的循环伏安测试功能完成测试。

如图3所示，所述浮台单元由浮台外龙骨1和浮台内龙骨2焊接形成，所述浮台外龙骨1和浮台内龙骨2之间填充有泡沫浮筒3，且浮台内龙骨2底部设置有浮台连接卡扣4；浮台内龙骨2内设置有分隔框架，所述分隔框架将浮台内龙骨2所围成的内部空间划分为若干个安装区域，所述电催化装置和电位检查容器设置于不同的安装区域内。

在本申请的实施例中，所述浮台内龙骨2所围成的内部空间呈长方体结构，该空间的上下表面相互对齐；所述分隔框架包括设置于浮台内龙骨2顶部的第一分隔组件和位于浮台内龙骨2底部的第二分隔组件；如图4所示，所述第一分隔组件包括多根顶部分隔杆5，所述顶部分隔杆5纵横交错，使浮台内龙骨2所围成内部空间的上表面形成多个上表面栅格区域6；如图5所示，该实施例中，所述第二分隔组件包括多根底部分隔杆7，所述底部分隔杆7与顶部分隔杆5一一对应且上下对齐；所述底部分隔杆7在浮台内龙骨2所围成内部空间的下表面形成多个下表面栅格区域8；所述上表面栅格区域7与下表面栅格区域8一一对应且上下对齐8；每一组上表面栅格区域7与下表面栅格区域8之间的空间即所述的安装空间；在一些实施例中，上表面格栅区域7的顶点和对应下表面格栅区域的顶点通过竖直连杆7相连，以提高分隔框架的强度。

所述电催化装置包括通过固定组件安装在浮台单元中，所述固定组件包括安装框架和绝缘格栅框架；如图6所示，所述绝缘格栅框架由底面和侧面的五块绝缘格栅面板9相互焊接形成，其整体呈长方体，且内部带有开口向上的容置空间，所述电催化装置设置于该容置空间内；如图7所示，所述安装框架包括呈长方体的框架龙骨10和焊接于框架龙骨10顶部的四根角钢，所述四根角钢开口向外焊接后形成框架连接卡扣11；所述安装框架的底部设置有至少一根支撑杆12，所述安装框架的四个侧面上均设置有加强筋13；在上述实施例中，所述绝缘格栅框架的长宽尺寸小于安装框架的长宽尺寸，绝缘格栅框架的高度小于或等于安装框架的高度；绝缘格栅框架从安装框架顶部放入安装框架中，所述安装框架设置于浮台内龙骨2内的一个安装区域中；

如图8~9所示，所述电催化装置包括从左至右排列的多个电催化单元14和依次贯穿各个电催化单元14的连接杆15，所述连接杆15上套装有位于相邻电催化单元14之间的间隔孔柱16，以实现电催化单元之间的隔离；每一个电催化单元14均包括从左至右依次排列的第一绝缘格栅板1401、第一电极板1402、第二绝缘格栅板1403、第二电极板1404和第三绝缘格栅板1405；所述的第一电极板1402和第二电极板1404均为石墨烯电极板；

整个石墨烯电催化装置中，最左侧的石墨烯电极板连接有阴极接线口17，用于连接脉冲电源的输出阴极；最右侧的石墨烯电极板连接有阳极接线口18，用于连接脉冲电源的阳极；从左至右的第4n和第4n+1块石墨烯电极板之间通过第n块顶部连接板19电连接，n=1,2,3，…,N；其中N表示顶部连接板19的数目；从左至右的第4m-2和第4m-1块石墨烯电极板通过第m块底部连接板20电连接，m=1,2,3，…,M；其中M表示底部连接板20的数目。该实施例中，所述连接杆15为圆柱形连接杆，且所述连接杆15的外圆周上设置有螺纹。所述连接杆15两端的外圆周上还设置有螺母，所述螺母与连接杆15外圆周上的螺纹相配合，将各个电催化单元14进行锁紧。所述间隔孔柱16为中空圆柱形孔柱。所述间隔孔柱16的内径大于连接杆15的外径。

如图10所示，在本申请的实施例中，所述电位检查容器包括密封检测箱21、工作电极22、参比电极23和测试电极24，所述密封检测箱21的顶部通过收缩连杆26连接在所述分隔框架上；所述密封检测箱21的底部开设有溶液取样孔25；所述工作电极22、参比电极23和测试电极24的第一端均位于密封检测箱21的顶部，所述工作电极22、参比电极23和测试电极24的第二端均贯穿密封检测箱21顶部并延伸至密封检测箱21内，所述工作电极22、参比电极23和测试电极24的第一端还分别通过密封信号线连接到伏安电化学测试仪。该实施例中，所述工作电极22和测试电极24关于参比电极23对称；所述工作电极22、参比电极23和测试电极24等间距设置；所述工作电极22、参比电极23和测试电极24的第二端延伸至密封检测箱21内后，距离密封检测箱21顶部的距离为密封检测箱21高度的2/3；所述浮台单元中还设置有与所述收缩连杆26连通的气动装置，用于控制收缩连杆26的缩放。在本申请的实施例中，所述可调式脉冲变频电源输出电压5V-18V、占空比68.5-87.5%。所述测试电极24与电催化装置中的石墨烯电极板同材质；均采用化学氧化法制备的石墨烯；石墨烯电催化装置的绝缘格栅板和绝缘格栅框架中的绝缘格栅面板均采用5-10mm孔径的圆孔，空间距为5-8mm，确保格栅的强度、韧度以及透水率；

催化降解子系统工作时，将电催化装置设置于绝缘格栅框架中，绝缘格栅框架设置于安装框架中，安装框架位于浮台单元的一个安装空间内，在重力的作用下，安装框架会沿安装浮台单元的安装空间下滑；安装框架顶部的框架连接卡扣11卡接在浮台内龙骨底部的浮台连接卡扣4或所述分隔框架的底部，当浮台单元悬浮在治理流域河道水面上时，安装框架以及内部的电催化装置和绝缘格栅框架位于河水中；在一些实施例中，可以通过上述方式同时安装多个电催化装置在浮台单元中，以提高催化降解效率；而电位检查容器中的密封检测箱21在收缩连杆26作用下，下半部分进入水体中。开始工作后，将电催化装置的阴极接线口17通过密封电源线连接可调式脉冲变频电源的输出阴极，将阳极接线口18通过密封电源线连接可调式脉冲变频电源的输出阳极；电催化装置中，每一个电催化单元14的两个电极板（第一电极板1402和第二电极板1404）通过三块绝缘格栅板（第一绝缘格栅板1401、第二绝缘格栅板1403和第三绝缘格栅板1405）进行隔开，形成电极对；各个电极对将水体中的溶解氧和水转化为氧化性超强的羟基自由基、超氧氢离子、过氧化物、原子氧以及超强还原性的原子氢等，羟基自由基、超氧氢离子、过氧化物、原子氧可以氧化有机物，将大分子有机物分解为小分子，再进一步矿化为二氧化碳、水和无机可溶盐类等，原子氢将水体中的非活波金属还原为单质态金属，进而有效实现了污染水域的电催化降解；由于本发明通过间隔孔柱将相邻的电催化单元隔开，使得不同电催化单元之间存在着一定间隙，有效提高了装置的透水性能和催化效率。同时，电位检查容器的工作电极22、参比电极23和测试电极24对采样得到的水体（从溶液取样孔25进入密封检测箱21的水体）接触，配合伏安电化学测试仪进行电位检测，在本申请的实施例中，电话学测试仪测试得到的电位，即水体相对对于石墨烯电极板的电位；工作人员通过伏安电化学测试仪对检测结果进行查看，方便了电催化降解过程进行实时监控；在一些实施例中，工作人员还可以根据伏安电化学测试仪的显示信息，对可调式脉冲变频电源的输出电压、占空比、输出频率进行调节，以提高催化降解效率。

如图11所示，每一个所述的清淤修复模块均包括位于治理区域河道水面上的清淤船体38、设置于所述清淤船体38中的空压机36、位于河床淤泥27内的清淤喷头30、连通所述空压机36和清淤喷头30的高压气管33、横跨河道布设于河水28底部的多个纳米曝气装置29，以及向所述纳米曝气装置29提供压缩空气的空气压缩装置；所述清淤喷头30在空压机提供的压缩空气作用下，将淤泥从河床推入河水28底部，使淤泥在纳米曝气装置29的搅拌作用进行分化沉降。

具体的分化沉降过程如下：淤泥在纳米曝气装置29曝气的搅拌作下融入水体，分化为泥土层、有机物层、游离态微生物层以及可溶性分子，再通过分步自然沉降作用进行分级沉降，泥土层在重力作用下自然沉淀至河床底部，有机物层、游离态微生物层以及可溶性分子在富氧水体中经过微生物作用进一步消解。

该实施例中，所述纳米曝气装置29间隔布设于河水28底部，并与河床淤泥27接触；所述纳米曝气装置29之间的距离为3~10m，在该范围内，最佳的间隔距离为6m；所述空气压缩装置为罗茨风机，所述罗茨风机设置于治理区域的河岸上，并通过空气管道分别与每一个纳米曝气装置29连通；所述清淤船体38上还设置有固定支架34，所述固定支架34上安装有连杆35，如图12所示，所述连杆35上设置多个气管下放结构39，所述多个气管下放结构39沿连杆35方向等间距设置；所述高压气管33穿过其中一个气管下放结构与所述清淤喷头30连接；所述气管下放结构39为设置于连杆上的多个金属环；该实施例中，所述连杆可以采用收缩连杆。通过选择穿过的气管下放结构，可以调整高压气管33的下方位置，从而调整与高压气管33相连的清淤喷头30下放后在河床淤泥27中的位置；在一些实施例中，还可以设置多根与空压机36连接的高压气管33，多根高压气管33穿过不同的气管下放结构39下放后，可以连接不同的多个清淤喷头30并提供压缩空气，以提高清淤工作的效率；如图13所示，所述清淤喷头30呈锥形结构，清淤喷头包括中空锥形管40，所述中空锥形管40的第一端与高压气管33连通，中空锥形管的第二端设置有喷嘴41，所述喷嘴41上开设有多个喷流口32；所述中空锥形管第二端的直径大于第一端的直径，且所述中空锥形管40中设置有防倒流阀31；所述清淤喷头30为刚喷头，重量5~15kg，相对于水的密度比为5.5~6.5；其中重量8kg、相对于水的密度比6.0为最佳，高压气管内部气压在0.8MPa-1.5MPa范围内。所述清淤船体38中还设置有气动螺旋桨37，所述气动螺旋桨37与空压机36连接，作为清淤船体38沿河道移动的驱动结构。

如图14所示，在本申请的实施例中，所述柔性生态浮岛装置包括浮岛支架44和固定所述浮岛支架44的两根锚绳43；每一根锚绳43的第一端均与浮岛支架44连接固定，每一根锚绳43的第二端均连接有锚42，所述锚42沉入并固定在河道淤泥中；

如图15所示，所述浮岛支架44包括中空柔性塑料4401和设置于中空柔性塑料4401内部的硬质缆绳4402，所述硬质缆绳4402首尾相接固定，使得整个浮岛支架44呈环状；所述浮岛支架44的内环设置有浮岛网45；

该实施例中，所述浮岛支架44呈圆环状、矩形环状或椭圆环状；两根所述锚绳43与浮岛支架44的连接点将整个浮岛支架44分成上半环和下半环，所述上半环和下半环长度相等；所述硬质缆绳4402包括不锈钢内绳和包覆所述不锈钢内绳的防水塑料外套；所述中空柔性塑料4401采用EPE珍珠棉；所述防水塑料外套采用交联PVC树脂；所述浮岛网45采用尼龙材料。

由于浮岛支架44包括中空柔性塑料4401和设置于中空柔性塑料4401内部的硬质缆绳4402，硬质缆绳4402包括不锈钢内绳和包覆所述不锈钢内绳的防水塑料外套，故硬质缆绳4402和整个浮岛支架均具有可塑性，将硬质缆绳4402首尾相接固定后，可以根据需要对硬质缆绳4402进行弯折，与中空柔性塑料4401一起形成所需环状的浮岛支架44，如圆环状、矩形环状或椭圆环状；正常情况下，浮岛支架44和浮岛网45悬浮在河水上，可以在浮岛网45上种植水生植物吸收、消解有机物、氮、磷等营养物质，避免了水体富营养化；在大风或者洪水情况下，浮岛支架44会受到较大的冲击力，此时，由于浮岛支架44中硬质缆绳4402的可塑性和锚绳43的拉紧作用，浮岛支架44在大流速水体或者大风作用下，会变形成为菱形结构甚至线形结构，减小冲击力，故有效降低了锚绳43对锚42的拉力，进而使得锚42不容易从河道淤泥中脱离，整个柔性生态浮岛装置不易被大风或洪水冲走，具有良好的抗洪性能和抗风性能。

如图16所示，一种小流域水生态修复集成治理方法，包括以下步骤：

S1.利用设置于待治理流域河道上游的清淤修复子系统，对河道底部的河床淤泥进行分化沉降；

S2.利用设置于待治理河道的中心位置的催化降解子系统对对流域水体内的大分子有机物和非活波金属进行催化降解；

S3.利用待治理流域河道下游区域的生态浮岛子系统平衡和降低水体中的营养物质。

其中，所述步骤S1包括：在每一个清淤修复模块中，利用空气压缩装置为纳米曝气装置29提供压缩空气；将清淤喷头30下放到河水中，清淤喷头30在重力作用下，坠入河床淤泥27内部；空压机36通过高压气管33向清淤喷头30输送高压空气，高压空气经清淤喷头30喷出，将河道淤泥从河床推入河水28底部；进入河水28底部的淤泥在纳米曝气装置29曝气的搅拌作用下，分化为泥土层、有机物层、游离态微生物层以及可溶性分子，同时通过纳米曝气装置29的曝气作用增加周围河水的溶氧量，加速河水中的耗氧反应进程；分化得到的泥土层首先沉降到河床底部；有机物层在富氧水体中经过好氧微生物分解为小分子或是矿化，游离态微生物层最后沉降在河床表面，形成新的微生物生态系统；

所述步骤S2包括：电催化装置在可调式脉冲变频电源的作用下，将水体中的溶解氧和水转化为氧化性超强的羟基自由基、超氧氢离子、过氧化物、原子氧以及超强还原性的原子氢；羟基自由基、超氧氢离子、过氧化物和原子氧将大分子有机物分解为小分子，再进一步矿化为二氧化碳、水和无机可溶盐类；原子氢将水体中的非活波金属还原为单质态金属；

所述步骤S3包括以下子步骤：在待治理流域河道下游区域的各个柔性生态浮岛装置上种植水生生物，对水体中的营养物质进行吸收，以实现水体中营养物质的平衡和降低。

需要说明的是，以上所述是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应该看作是对其他实施例的排除，而可用于其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种小流域水生态修复集成治理系统，其特征在于：包括待治理流域中沿河道流向依次布设的清淤修复子系统、催化降解子系统和生态浮岛子系统；所述催化降解子系统设置于待治理河道的中心位置，用于对流域水体内的大分子有机物和非活波金属进行催化降解；所述清淤修复子系统设置于待治理流域的河道上游区域，用于对河道底部的河床淤泥进行分化沉降；所述生态浮岛子系统设置于待治理流域的河道下游区域，用于种植水生生物，以平衡和降低水体中的营养物质。

2.根据权利要求1所述的一种小流域水生态修复集成治理系统，其特征在于：所述清淤修复子系统设置于距离催化降解子系统1km以内的河道上游区域，包括多个沿河道流向布设的清淤修复模块，各个清淤修复模块的间隔为30~100m；所述生态浮岛子系统设置于距离催化降解子系统2.5km以内的河道下游区域，包括多个沿河道流向依次布设的柔性生态浮岛装置，所述柔性生态浮岛装置的间隔为5~10m。

3.根据权利要求1所述的一种小流域水生态修复集成治理系统，其特征在于：所述催化降解子系统包括设置在治理流域河道水面上的浮台单元、设置于治理流域河岸上的伏安电化学测试仪、设置于河岸上的可调式脉冲变频电源，以及安装于所述浮台单元中的电催化装置和电位检查容器；

所述电催化装置，通过密封电源线连接河岸上的可调式脉冲变频电源，并在可调式脉冲变频电源的作用下，对治理流域水体的大分子有机物和非活波金属进行催化降解；所述电位检查容器，通过密封信号线与伏安电化学测试仪连接，配合伏安电化学测试仪完成水体的电位检测；

所述浮台单元由浮台外龙骨（1）和浮台内龙骨（2）焊接形成，所述浮台外龙骨（1）和浮台内龙骨（2）之间填充有泡沫浮筒（3），且浮台内龙骨（2）底部设置有浮台连接卡扣（4）；浮台内龙骨（2）内设置有分隔框架，所述分隔框架将浮台内龙骨（2）所围成的内部空间划分为若干个安装区域，所述电催化装置和电位检查容器设置于不同的安装区域内。

4.根据权利要求3所述的一种小流域水生态修复集成治理系统，其特征在于：所述电催化装置包括通过固定组件安装在浮台单元中，所述固定组件包括安装框架和绝缘格栅框架；

所述绝缘格栅框架由底面和侧面的五块绝缘格栅面板（9）相互焊接形成，其整体呈长方体，且内部带有开口向上的容置空间，所述电催化装置设置于该容置空间内；

所述安装框架包括呈长方体的框架龙骨（10）和焊接于框架龙骨（10）顶部的四根角钢，所述四根角钢开口向外焊接后形成框架连接卡扣（11）；所述安装框架的底部设置有至少一根支撑杆（12），所述安装框架的四个侧面上均设置有加强筋（13）；

所述绝缘格栅框架的长宽尺寸小于安装框架的长宽尺寸，绝缘格栅框架的高度小于或等于安装框架的高度；绝缘格栅框架从安装框架顶部放入安装框架中，所述安装框架设置于浮台内龙骨（2）内的一个安装区域中；

所述电催化装置包括从左至右排列的多个电催化单元（14）和依次贯穿各个电催化单元（14）的连接杆（15），所述连接杆（15）上套装有位于相邻电催化单元（14）之间的间隔孔柱（16），以实现电催化单元之间的隔离；每一个电催化单元（14）均包括从左至右依次排列的第一绝缘格栅板（1401）、第一电极板（1402）、第二绝缘格栅板（1403）、第二电极板（1404）和第三绝缘格栅板（1405）；所述的第一电极板（1402）和第二电极板（1404）均为石墨烯电极板；

整个石墨烯电催化装置中，最左侧的石墨烯电极板连接有阴极接线口（17），用于连接脉冲电源的输出阴极；最右侧的石墨烯电极板连接有阳极接线口（18），用于连接脉冲电源的阳极；从左至右的第4n和第4n+1块石墨烯电极板之间通过第n块顶部连接板（19）电连接，n=1,2,3，…,N；其中N表示顶部连接板（19）的数目；从左至右的第4m-2和第4m-1块石墨烯电极板通过第m块底部连接板（20）电连接，m=1,2,3，…,M；其中M表示底部连接板（20）的数目。

5.根据权利要求3所述的一种小流域水生态修复集成治理系统，其特征在于：所述电位检查容器包括密封检测箱（21）、工作电极（22）、参比电极（23）和测试电极（24），所述密封检测箱（21）的顶部通过收缩连杆（26）连接在所述分隔框架上；所述密封检测箱（21）的底部开设有溶液取样孔（25）；所述工作电极（22）、参比电极（23）和测试电极（24）的第一端均位于密封检测箱（21）的顶部，所述工作电极（22）、参比电极（23）和测试电极（24）的第二端均贯穿密封检测箱（21）顶部并延伸至密封检测箱（21）内，所述工作电极（22）、参比电极（23）和测试电极（24）的第一端还分别通过密封信号线连接到伏安电化学测试仪。

6.根据权利要求2所述的一种小流域水生态修复集成治理系统，其特征在于：每一个所述的清淤修复模块均包括位于治理区域河道水面上的清淤船体（38）、设置于所述清淤船体（38）中的空压机（36）、位于河床淤泥（27）内的清淤喷头（30）、连通所述空压机（36）和清淤喷头（30）的高压气管（33）、横跨河道布设于河水（28）底部的多个纳米曝气装置（29），以及向所述纳米曝气装置（29）提供压缩空气的空气压缩装置；所述清淤喷头（30）在空压机提供的压缩空气作用下，将淤泥从河床推入河水（28）底部，使淤泥在纳米曝气装置（29）的搅拌作用进行分化沉降。

7.根据权利要求6所述的一种小流域水生态修复集成治理系统，其特征在于：所述纳米曝气装置（29）间隔布设于河水（28）底部，并与河床淤泥（27）接触；所述纳米曝气装置（29）之间的距离为3~10m；所述空气压缩装置为罗茨风机，所述罗茨风机设置于治理区域的河岸上，并通过空气管道分别与每一个纳米曝气装置（29）连通；所述清淤船体（38）上还设置有固定支架（34），所述固定支架（34）上安装有连杆（35），所述连杆（35）上设置多个气管下放结构（39），所述多个气管下放结构（39）沿连杆（35）方向等间距设置；所述高压气管（33）穿过其中一个气管下放结构与所述清淤喷头（30）连接；所述气管下放结构（39）为设置于连杆上的多个金属环；所述清淤喷头（30）呈锥形结构，清淤喷头包括中空锥形管（40），所述中空锥形管（40）的第一端与高压气管（33）连通，中空锥形管的第二端设置有喷嘴（41），所述喷嘴（41）上开设有多个喷流口（32）；所述中空锥形管第二端的直径大于第一端的直径，且所述中空锥形管（40）中设置有防倒流阀（31）；所述清淤喷头（30）为刚喷头，重量5~15kg，相对于水的密度比为5.5~6.5；所述清淤船体（38）中还设置有气动螺旋桨（37），所述气动螺旋桨（37）与空压机（36）连接。

8.根据权利要求2所述的一种小流域水生态修复集成治理系统，其特征在于：所述柔性生态浮岛装置包括浮岛支架（44）和固定所述浮岛支架（44）的两根锚绳（43）；每一根锚绳（43）的第一端均与浮岛支架（44）连接固定，每一根锚绳（43）的第二端均连接有锚（42），所述锚（42）沉入并固定在河道淤泥中；

所述浮岛支架（44）包括中空柔性塑料（4401）和设置于中空柔性塑料（4401）内部的硬质缆绳（4402），所述硬质缆绳（4402）首尾相接固定，使得整个浮岛支架（44）呈环状；所述浮岛支架（44）的内环设置有浮岛网（45）；

所述浮岛支架（44）呈圆环状、矩形环状或椭圆环状；两根所述锚绳（43）与浮岛支架（44）的连接点将整个浮岛支架（44）分成上半环和下半环，所述上半环和下半环长度相等；所述硬质缆绳（4402）包括不锈钢内绳和包覆所述不锈钢内绳的防水塑料外套。

9.一种小流域水生态修复集成治理方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.利用设置于待治理流域河道上游的清淤修复子系统，对河道底部的河床淤泥进行分化沉降：

S2.利用设置于待治理河道的中心位置的催化降解子系统对对流域水体内的大分子有机物和非活波金属进行催化降解；

S3.利用待治理流域河道下游区域的生态浮岛子系统平衡和降低水体中的营养物质。

10.根据权利要求9所述的一种小流域水生态修复集成治理系统，其特征在于：所述步骤S1包括：

在每一个清淤修复模块中，利用空气压缩装置为纳米曝气装置（29）提供压缩空气；

将清淤喷头（30）下放到河水中，清淤喷头（30）在重力作用下，坠入河床淤泥（27）内部；

空压机（36）通过高压气管（33）向清淤喷头（30）输送高压空气，高压空气经清淤喷头（30）喷出，将河道淤泥从河床推入河水（28）底部；

进入河水（28）底部的淤泥在纳米曝气装置（29）曝气的搅拌作用下，分化为泥土层、有机物层、游离态微生物层以及可溶性分子，同时通过纳米曝气装置（29）的曝气作用增加周围河水的溶氧量，加速河水中的耗氧反应进程；

分化得到的泥土层首先沉降到河床底部；有机物层在富氧水体中经过好氧微生物分解为小分子或是矿化，游离态微生物层最后沉降在河床表面，形成新的微生物生态系统；

所述步骤S2包括：

电催化装置在可调式脉冲变频电源的作用下，将水体中的溶解氧和水转化为氧化性超强的羟基自由基、超氧氢离子、过氧化物、原子氧以及超强还原性的原子氢；

羟基自由基、超氧氢离子、过氧化物和原子氧将大分子有机物分解为小分子，再进一步矿化为二氧化碳、水和无机可溶盐类；

原子氢将水体中的非活波金属还原为单质态金属；

所述步骤S3包括以下子步骤：

在待治理流域河道下游区域的各个柔性生态浮岛装置上种植水生生物，对水体中的营养物质进行吸收，以实现水体中营养物质的平衡和降低。