CN109824208A - 一种复合型河道生态修复治理系统及其治理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种复合型河道生态修复治理系统，包括曝气设备、植物浮床和光催化浮床，在所述光催化浮床四周围绕设置所述植物浮床，所述曝气设备安装在所述光催化浮床的下方；所述植物浮床由轻质多孔基体、浮床边框、表面格栅、固定配件以及水生植物构成，所述光催化浮床由光催化网、催化网边框、生物填料以及固定连接件构成，所述催化网边框呈矩形或正方形结构，所述光催化网通过固定连接件设置在催化网边框内，所述生物填料悬垂固定在所述光催化网的下方。本发明利用原位电化学强化生物脱氮除磷技术和底泥内源污染改性生物质炭阻断技术相结合，主要的结构形式为新型光催化生态浮床和生物浮床，将光催化与生物等多种单一技术的有机结合与升级。对降低水体污染物、增加水体溶解氧、对部分水生生物的生长、繁殖具有促进作用。

Description

一种复合型河道生态修复治理系统及其治理方法

技术领域

本发明涉及一种复合型河道生态修复治理系统及其治理方法，具体说是一种利生物脱氮除磷技术与底泥内源污染改性生物质炭阻断技术针对于富营养水体进行治理的方法，属于环境保护技术领域。

背景技术

目前河道、湖泊等水体的污染主要分为两类：一类是外源污染，即污水的汇入、大气沉降等外部因素；另一类是内源污染，即由于污染物在水体内的停留、沉积而形成的底泥，这些底泥含有大量的污染物质，并不断往水体内释放氮、磷以及有机质。而目前地表水的治理手段主要依靠市政工程手段，即截污、驳岸、清淤加换水，这些方法存在以下不足：1、驳岸及清淤的工程量大，成本高，清理出的污泥处理不当易引起二次污染；2、无法做到完全截污，由于河、湖是开放式系统，类似大气沉降这样的污染源无法做到完全截除；3、治标不治本，清淤后换水的水质无法保持，由于地表水的微生态系统随着底泥的清除被破坏，河道、湖泊的自净能力下降，一旦遇到外源污染水体将继续富营养化，进而演替为黑臭，形成恶性循环。

利用生态治理方式，通过控制性种养大型水生植物对富营养化水体进行治理已经成为目前水体治理中常见的治理方式，以应用较为广泛的水葫芦来说，种养1平方米的水葫芦，每天可以从1立方米水体中吸收0.9-1.4克氮，使水体全氮浓度下降1-2毫克/升，同时可以使水体悬浮物量下降70%以上。由于水葫芦的繁殖速度高，所以治理后产生了大量的水葫芦等漂浮植物，如果采收不及时，很有可能使得漂浮植物因为寒冷环境而造成死亡、腐烂，从而对水体造成二次污染。同时由于水葫芦等漂浮植物对于水体中的氮、磷等物质具有固化作用，所以漂浮植物本身的氮、磷含量高，合理利用这些漂浮植物既可以避免水体的二次污染，又可以达到循环、再生利用的目的，但是由于水葫芦等漂浮植物的含水量高，通常为94%-95%，所以处理难度大，很难将其合理的再生利用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种复合型河道生态修复治理系统及其治理方法，通过原位电化学强化生物脱氮除磷技术和底泥内源污染改性生物质炭阻断技术对于富营养水体进行治理，对降低水体污染物、增加水体溶解氧、对部分水生生物的生长、繁殖具有促进作用。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种复合型河道生态修复治理系统，包括曝气设备、植物浮床和光催化浮床，在所述光催化浮床四周围绕设置所述植物浮床，所述曝气设备安装在所述光催化浮床的下方；

所述植物浮床由轻质多孔基体、浮床边框、表面格栅、固定配件以及水生植物构成，所述轻质多孔基体的上表面四周设置所述浮床边框，在所述浮床边框内设有所述表面格栅与所述轻质多孔基体的上表面贴合，所述表面格栅和浮床边框通过所述固定配件与所述轻质多孔基体连接固定；在所述表面格栅的分隔的轻质多孔基体上设有植物栽培孔，在所述植物栽培孔内种植所述水生植物；

所述光催化浮床由光催化网、催化网边框、生物填料以及固定连接件构成，所述催化网边框呈矩形或正方形结构，所述光催化网通过固定连接件设置在催化网边框内，所述生物填料悬垂固定在所述光催化网的下方。

本发明的浮床加光催化网加轻质多孔基体，再其中种植人工水草，浮床为中空结构，可种植多种净水植物；中空部位通过链钩固定光催化纤维网，纤维表面具有光催化材料，在日光照射下净化水体；浮床下部分为轻质多孔基体，为水中微生物提供栖息繁衍场所。光催化网利用光催化氧化反应破坏水体中有毒有机物分子结构，使得COD等指标指标降低。光催化反应生产微生物容易利用降解的小分子产物，水体可生化性增强，微生物的生长繁殖加快，对水质的氮、磷净化起到促进。部分水生植物根系由于自我保护会分泌一种自毒化学物质，但也会制约植物自身的生长，光催化起到解毒作用，减少抑制植物生长因素，植物又可对水体中的小分子物质、重金属等进行有效吸收。

生物填料表面全为生物膜所布满，形成了生物膜的主体结构，由于丝状菌的大量滋生，有可能形成一个呈立体结构的密集的生物网污水在其中通过起到类似“过滤”的作用，能够有效地提高净化效果。若再结合曝气，生物膜表面不断地接受曝气吹脱，这样有利于保持生物膜的活性，抑制厌氧膜的增殖，也宜于提高氧的利用率，因此，能够保持较高浓度的活性生物量。生物接触氧化的有机负荷和处理效率都较高，有利于缩小池容，减少占地面积。而轻质多孔机体也可预先吸附微生物修复剂，再进行河道治理。

本发明进一步限定的技术方案是：前述的复合型河道生态修复治理系统，所述光催化浮床四周围绕的植物浮床外侧设有浮床边框，所述光催化网浮床四周的植物浮床内侧设有固定边框。

前述的复合型河道生态修复治理系统，为了方案浮床的安装和拆卸，所述光催化浮床通过固定钩环与所述固定边框连接固定，这样能够提高装卸效率，同时能够兼顾浮床安装的牢固性能。

前述的复合型河道生态修复治理系统，所述浮床边框和催化网边框采用PVC管制成，不仅能够降低浮床的重量，同时空心的管材在密封良好的状况下，还能够给浮床提供浮力。在所述植物浮床和光催化浮床的下方均固定设置配重块，避免浮床发生漂移移位，影响河道的修复性能。

一种复合型河道生态修复治理的方法，包括以下步骤：

（1）在需要治理的河道泼洒改性生物质炭阻断材料，泼洒量为河道底泥量的3-5%投加或按每平米投加量为2-4kg；

（2）河道内搭建辅助浮台定位固定定位装置，并在安装浮台的下方安装曝气设备；

（3）通过辅助浮台定位固定定位装置将植物浮床和光催化浮床进行安装固定，并在植物浮床上种植水生植物；

（4）在所述光催化浮床下方悬吊生物填料，长度视水深而定；

（5）通过所述曝气设备向河道内曝气，曝气量根据河道内COD指标设定。

前述的复合型河道生态修复治理的方法，所述改性生物质炭阻断材料按重量份数计由如下组分进行配比：FeCl₃：MgCl₂：Ca(OH)₂：底泥 =1~20：5~25：1~10：50~90。

前述的复合型河道生态修复治理的方法，所述光催化浮床布置在水面以下5-15cm处，紫外光在水下20cm处，将削减约50%；通常紫外光能量为可见光的2至3倍，1000nm内红外光的5倍。

进一步的，前述的复合型河道生态修复治理的方法，所述水生植物包括挺水植物和浮叶植物，挺水植物一般选用梭鱼草、水生美人蕉、黄菖蒲、香蒲、芦苇或芦竹，浮水植物一般选用野菱或粉绿狐尾藻；所述挺水植物和浮水植物间隔种植。

本发明的有益效果是：本发明利用原位电化学强化生物脱氮除磷技术和底泥内源污染改性生物质炭阻断技术相结合，主要的结构形式为新型光催化生态浮床和生物浮床，将光催化与生物等多种单一技术的有机结合与升级。对降低水体污染物、增加水体溶解氧、对部分水生生物的生长、繁殖具有促进作用。同时利用改性生物质炭阻断材料在底泥疏浚阶段对河道底泥进行原位掺混，使其在底泥中持续发挥原位阻控氮、磷释放的作用，遏制水体富营养化；有效降低水体中的氮磷含量，且提高水体中的氧化还原电位，抑制水体中藻类发生，同时也能作为有机物沉淀剂降低水体中COD，提高底泥氧化还原电位消除厌氧环境，使水体澄清，去除水体黑臭现象。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明局部示意图。

图3为本实施例治理费用柱状图。

具体实施方式

本实施例提供的一种复合型河道生态修复治理系统，结构如图1-2所示，包括曝气设备、植物浮床和光催化浮床，在光催化浮床四周围绕设置植物浮床，植物浮床和光催化浮床的下方均固定设置配重块11，曝气设备安装在光催化浮床的下方；植物浮床由轻质多孔基体1、PVC管制成的浮床边框2、表面格栅3、固定配件10以及水生植物4构成，轻质多孔基体1的上表面四周设置浮床边框2，在浮床边框内设有表面格栅3与轻质多孔基体的上表面贴合，表面格栅3和浮床边框2通过固定配件与轻质多孔基体连接固定；在表面格栅的分隔的轻质多孔基体上设有植物栽培孔，在植物栽培孔内种植水生植物4；光催化浮床由光催化网6、催化网边框7、生物填料8以及固定连接件9构成，催化网边框7呈矩形或正方形结构，光催化网通过固定连接件设置在催化网边框内，生物填料8悬垂固定在光催化网的下方。

本实施例的光催化浮床四周围绕的植物浮床外侧设有浮床边框13，光催化网浮床四周的植物浮床内侧设有固定边框12；光催化浮床通过固定钩环5与固定边框连接固定。在浮床下挂带状生物填料，带状生物填料通过在生物绳填料中富集微生物菌种制成。垂直布设的生物填料进一步增加装置在污染水体中的接触面积，增强了水体中氮、磷、有机物质等污染物聚集效果，为上部水生植物提供更多的营养物质，提高了水生植物吸收消解水中的COD、氮、磷能力。处置布设的生物填料状态舒展，且能相对自由摆动，提升了吸附水中悬浮固体颗粒能力，加强了附着微生物的几率，优化了微生物生长的条件，对提升净化水体、增强治理黑臭水体和美化景观效果有显著作用。

本实施例的浮床去污能力在某工段统计如下表：

一种复合型河道生态修复治理的方法，包括以下步骤：

（1）在需要治理的河道泼洒改性生物质炭阻断材料，泼洒量为河道底泥量的3-5%投加或按每平米投加量为2-4kg；

（2）河道内搭建辅助浮台定位固定定位装置，并在安装浮台的下方安装曝气设备；

（3）通过辅助浮台定位固定定位装置将植物浮床和光催化浮床进行安装固定，光催化浮床布置在水面以下5-15cm处；并在植物浮床上种植水生植物，水生植物包括挺水植物和浮叶植物，挺水植物和浮水植物间隔种植，挺水植物选用梭鱼草和水生美人蕉，浮水植物选用野菱；

（4）在光催化浮床下方悬吊生物填料，生物填料通过在生物绳填料中富集微生物菌种制成，生物绳填料长度视水深而定；

（5）通过曝气设备向河道内曝气，曝气量根据河道内COD指标设定。

本实施例中改性生物质炭阻断材料按重量份数计由如下组分进行配比：FeCl₃：MgCl₂：Ca(OH)₂：底泥 =12：15：6：68。

本实施例中单张光催化网尺寸为3.00 m×1.35 m的，石墨烯等改性锐钛矿型氧化钛催化剂量为0.20 g，表面积37260 cm²，具有材料覆盖有效表面5 %，网的上表面接受光照，量子效率为2.00%。太阳光中含有λ= 380 nm紫外线强度为1.00 mW/cm²，相当于2.00 ×10¹⁵光子/(s·cm²)。

本实施例的改性生物质炭阻断材料通过将河道疏浚底泥经过一系列前处理手段，再经过热解炭化转为生物质炭。主要改性手段包括：与生物质废弃物混合共热解生产含碳量较高的底泥基生物质炭；利用离子态矿物质FeCl₃、MgCl₂、Ca(OH)₂等与底泥进行复合，通过热解炭化过程生产矿物底泥复合炭材料，该材料对水体磷有80～98%的去除率；将上述底泥复合矿物质材料进一步与天然矿物质复合，经过负载正价态离子后热解炭化制备改性复合材料，该材料可同时达到对氮、磷的阻控作用。所生产的系列底泥基复合材料，同时具有丰富的表面官能团和多孔结构，有助于硝化菌在其上挂膜富集，通过微生物作用与离子交换作用耦合去除氮元素。将所制备的复合材料在底泥疏浚阶段对河道底泥进行原位掺混，使其在底泥中持续发挥原位阻控氮、磷释放的作用，有效遏制水体富营养化。同时该材料的大规模生产和商业化利用，是一种消纳底泥的有效手段。

在底泥基复合材料掺入水体氮磷削减处理剂，由于水体氮磷削减处理剂集氧化、絮凝、吸附等功能于一体，是一种多功能治理剂。能氧化、絮凝、沉淀水体和底泥中的有机物、藻类、恶臭物质（氨、硫化氢、硫醇等）等物质，降低河道磷含量。同时能增加水体中氧含量，有利于水生生物的生存繁殖，并抑制厌氧、缺氧微生物活性，有利于水体的生态恢复和重建。

水体氮磷削减处理剂原理为纳米氧化铁与传统的絮凝吸附材料相比，具有纳米材料量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应及宏观量子隧道效应等基本特性，对腐殖酸具较好的吸附絮凝效果。天然水多显弱酸性，钙离子能有效增大水的pH。此外，絮凝剂聚沉的速度比较慢，钙在水中容易形成多聚碳酸钙，可以作为凝聚核加速沉淀。同时钙的溶解度很小，对水环境影响很小。氧化剂遇水反应可产生大量的氧气并具有操作简单、环境友好、释氧高效、价格低廉等优点，在催化剂（Fe²⁺，Fe³⁺等）存在条件下可产生·OH和OH-，·OH的强氧化性可促进降解有机污染物。镁、生物质炭用于去除水体中的磷，镁是环境友好原物，不仅对底泥生态系统无害，且是植物及生物生长必不可少的微量元素之一。生物质炭的利用实现了变废为宝过程，同时可解决大量农业废弃物污染的环境问题。能够有效降低水体中的氮磷含量，且提高水体中的氧化还原电位，抑制水体中藻类发生，同时也能作为有机物沉淀剂降低水体中COD，提高底泥氧化还原电位消除厌氧环境，使水体澄清，去除水体黑臭现象。

以我国南方某省会城市为例，河道100米，长10米宽，水深2米，淤泥1米计，水量2000m³，淤泥量1000m³。传统生态治理（1）为曝气加菌种加生态修复组合；传统工程治理（2）为清淤加换水组合；而光催化生态治理（3）为光催化加生态修复组合。对比三种治理方式三年综合单价分别为550元、360元以及320元，治理费用柱状图如图3所示。

以上三种治理方式，对上述河道治理，河道DO、COD、氨氮和总磷治理3个月后的变化情况如下表所示。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种复合型河道生态修复治理系统，包括曝气设备、植物浮床和光催化浮床，在所述光催化浮床四周围绕设置所述植物浮床，所述曝气设备安装在所述光催化浮床的下方；其特征在于：

所述植物浮床由轻质多孔基体、浮床边框、表面格栅、固定配件以及水生植物构成，所述轻质多孔基体的上表面四周设置所述浮床边框，在所述浮床边框内设有所述表面格栅与所述轻质多孔基体的上表面贴合，所述表面格栅和浮床边框通过所述固定配件与所述轻质多孔基体连接固定；在所述表面格栅的分隔的轻质多孔基体上设有植物栽培孔，在所述植物栽培孔内种植所述水生植物；

所述光催化浮床由光催化网、催化网边框、生物填料以及固定连接件构成，所述催化网边框呈矩形或正方形结构，所述光催化网通过固定连接件设置在催化网边框内，所述生物填料悬垂固定在所述光催化网的下方。

2.根据权利要求1所述的复合型河道生态修复治理系统，其特征在于：所述光催化浮床四周围绕的植物浮床外侧设有浮床边框，所述光催化网浮床四周的植物浮床内侧设有固定边框。

3.根据权利要求2所述的复合型河道生态修复治理系统，其特征在于：所述光催化浮床通过固定钩环与所述固定边框连接固定。

4.根据权利要求1所述的复合型河道生态修复治理系统，其特征在于：所述浮床边框和催化网边框采用PVC管制成。

5.根据权利要求1所述的复合型河道生态修复治理系统，其特征在于：在所述植物浮床和光催化浮床的下方均固定设置配重块。

6.一种如权利要求1所述的复合型河道生态修复治理的方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）在需要治理的河道泼洒改性生物质炭阻断材料，泼洒量为河道底泥量的3-5%投加或按每平米投加量为2-4kg；

（2）河道内搭建辅助浮台定位固定定位装置，并在安装浮台的下方安装曝气设备；

（3）通过辅助浮台定位固定定位装置将植物浮床和光催化浮床进行安装固定，并在植物浮床上种植水生植物；

（4）在所述光催化浮床下方悬吊生物填料，长度视水深而定；

（5）通过所述曝气设备向河道内曝气，曝气量根据河道内COD指标设定。

7.根据权利要求6所述的复合型河道生态修复治理的方法，其特征在于：

所述改性生物质炭阻断材料按重量份数计由如下组分进行配比：FeCl₃：MgCl₂：Ca(OH)₂：底泥 =1~20：5~25：1~10：50~90。

8.根据权利要求6所述的复合型河道生态修复治理的方法，其特征在于：所述光催化浮床布置在水面以下5-15cm处。

9.根据权利要求6所述的复合型河道生态修复治理的方法，其特征在于：所述水生植物包括挺水植物和浮叶植物，所述挺水植物和浮水植物间隔种植。