CN109987714A - 用于水体黑臭治理及水质提升的悬浮式生态修复水立方 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于水体黑臭治理及水质提升的悬浮式生态修复水立方，包括沉水植物、网状骨架、沉水植物种植界面、植入有微生物的生物填料、光源、气囊等装置；沉水植物分别生长于系统上表面和四周侧表面，充分利用水体立面空间，增加植物与水体的接触作用面积，吸收水体中氮磷营养盐；利用人工光源提高水生植物的光合作用；生物填料中植入微生物菌剂，利用微生物吸收、转化、降解污染物，消除水体黑臭，建立水体生态系统；利用气囊的作用使生态水立方悬于水体中，增加沉水植物及生物填料与水体的接触面积，降解水中有机污染物。
Description
技术领域
本发明涉及生态环境工程技术、生态重建与恢复技术领域，特别是一种用于河流、湖泊、水库、河口和海湾黑臭污染治理、生态修复及水质提升的生态水立方系统。
背景技术
随着工业的飞速发展和城市化进程的加快，河流、湖泊等水体的污染日益加剧，大量的河流、湖泊已呈黑臭或富营养化状态，水资源短缺逐渐成为现代社会亟待解决的重要问题。
沉水植物在生长过程中会吸收水体中的营养物质（如氮、磷等），因此在水生生态系统中起着重要的作用。针对富营养化的河流、湖泊、水库，可采用每年有计划地收割沉水植物的方式转移水体中过量的营养物质，对缓解水体富营养化起到积极作用；此外，沉水植物给水生动物提供更多的生活栖息和隐蔽场所，植物幼嫩部分又可供水生动物摄食，还可以增加水中的溶氧，净化水质，扩大水生动物的生存空间，改善整个水生生态系统。因此，沉水植物在水生态修复尤其是提高水的透明度及景观营造方面的作用日益受到人们的重视。
但是目前沉水植物净化技术存在以下问题：1）沉水植物对于硬化河床不适宜生长；2）栽培方式有抛种、抛苗、扦插等，在河道存量或增量污染超过其纳污及耐污能力的范围后，其维护及成本要求高，在行洪河道或季节性河、湖等不适宜该种植方式；3）植物根系易被底栖水生动物及水流破坏；4）高含量的悬浮物不仅会显著降低水体透明度，并且悬浮物在沉水植物表面附着，影响沉水植物的治理效果；并且减少入水体的光通量，抑制微生物的生长，降低水体的自净能力；5）水位较深时，受光照的限制，会严重影响沉水植物的光合作用及呼吸作用，抑制沉水植物正常的生长、繁殖，从而影响沉水植物的治理效果并带来次生污染。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种由沉水植物、生物填料组成的生态水立方模块，用于河道污染生态治理，既可在常水位条件下进行模块化安装和收割，也可应用于底部浆砌或无软底泥的水系，本发明是这样实现的：
一种用于河流、湖泊、水库、河口及海湾黑臭污染治理、生态修复及水质提升的悬浮式生态水立方系统，包括沉水植物、生物填料、气囊和网状骨架。
其中，气囊位于生物填料内部，网状骨架包裹于生物填料外侧，沉水植物种植于生物填料内，并穿过网状骨架与水体接触。
所述生物填料包括微生物和微生物载体；所述微生物载体包括无机载体、有机载体、纤维中的至少一种；所述无机载体包括火山岩、硅藻土、硅胶粉、湖珊瑚石、沸石、麦饭石、高岭土、金属氧化物、金属氧化物纳米粒子、微孔陶瓷、微孔玻璃中的至少一种；所述有机载体包括高分子聚合物、多糖中的至少一种；所述纤维包括尼龙。
优选的，本发明提供的用于河流、湖泊、水库、河口及海湾黑臭污染治理、生态修复及水质提升的悬浮式生态水立方系统中，生物填料包括微生物和微生物载体；所述微生物包括光合细菌、乳酸菌、酵母菌或芽孢杆菌中的一种或多种。（如参考以下文献：吴霞, 谢悦波. 直接投菌法在城市重污染河流治理中的应用研究[J]. 环境工程学报, 2014, 8(8):3331-3336；或者，宋雅静, 谢悦波, 黄小丹. 本源微生物菌剂修复城市污染河流[J]. 环境工程学报, 2012, 6(7):2173-2177；或者，范荣亮, 谢悦波, Yudianto D,等. 复合微生物菌剂及酶制剂治理湖泊蓝藻的研究[J]. 水电能源科学, 2010(2):35-37；或者，聂秋月,谢悦波, 庄景,等. 高效微生物治理蓝藻实验[J]. 世界科技研究与发展, 2008, 30(4):430-432；或者，王平,吴晓芙,李科林,等. 应用有效微生物群（EM）处理富营养化源水试验研究[J]. 环境科学研究, 2004,17(3):39-43）。
优选的，本发明提供的用于河流、湖泊、水库、河口及海湾黑臭污染治理、生态修复及水质提升的悬浮式生态水立方系统中，网状骨架材料为金属或高分子聚合物材料。
优选的，本发明提供的用于河流、湖泊、水库、河口及海湾黑臭污染治理、生态修复及水质提升的悬浮式生态水立方系统中，沉水植物包括黑藻、轮叶黑藻、苦草、金鱼藻、狐尾藻、穗花狐尾藻、茨藻、小茨藻、菹草、马来眼子菜、篦齿眼子菜、微齿眼子菜、光叶眼子菜、穿叶眼子菜、狸藻、伊乐藻、水蕴草、水毛茛、杉叶藻、角果藻中的一种或者多种。
优选的，本发明提供的用于河流、湖泊、水库、河口及海湾黑臭污染治理、生态修复及水质提升的悬浮式生态水立方系统还设有若干贯穿生态水立方模块的光源，该光源可为冷光光源或热光光源，优选LED灯或光纤。
进一步，本发明提供的悬浮式生态修复水立方顶部还种植有挺水植物，挺水植物种植于生物填料内，并由网状骨架穿出；所述挺水植物的种植密度根据所种品种视情况而定，可以选择的所述挺水植物包括萍蓬草、燕子花、水葱、鸢尾草、水芹、大薸、大聚藻、小香蒲和千屈菜中的一种或多种。
本发明提供的用于河流、湖泊、水库、河口及海湾黑臭污染治理、生态修复及水质提升的悬浮式生态水立方系统，可在水深H≥0.5m、水体流速V＜0.9m/s的条件下应用，根据水体底部性状和宽度进行模块化安装和收割，也可应用于底部浆砌或无软底泥水系。
生态水立方通过气囊的作用悬于水体中，增加了沉水植物及生物填料与水体的接触面积，降解水中有机污染物。
与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：
（1）增加水体中水生植物的种植作用面积，加大水生植物对氨氮、磷的吸收。
（2）“水立方”的密度可根据污染物浓度、水深来设置。
（3）生物填料增加了水体治理及水质提升时微生物生长附着及作用的比表面积。
（4）微生物与沉水植物的组合，吸附、降解水体中有机污染物，同时消减有机底泥，大大提高了水体治理的效率和效果。
（5）沉水植物种植界面利用硬质材料做网状骨架，如金属、高分子聚乙烯材料及生物等可回收的环保材料，环保、安全，安装简便。
（6）可进行异位保养维护，不影响水体行洪。
（7）在沉水植物生长界面上安装光源，使沉水植物、微生物、水生动物的生长不再受光照和温度的限制，同时利用浮游动植物及微生物的趋光性，在光源附近富集，通过沉水植物和微生物的共同作用，消除水体黑臭，提高水体环境容量及自净能力。
（8）安装和对沉水植物的收割、维护简便。
附图说明
图1为本发明长方体结构生态水立方系统示意图。
图2为本发明圆台结构生态水立方系统示意图。
图3为本发明球体结构生态水立方系统示意图。
图4为本发明锥体结构生态水立方系统示意图。
图5为本发明毯状结构生态水立方系统示意图。
图6为本发明生态水立方系统在河床中使用示意图。
其中，1）网状骨架；2）沉水植物；3）挺水植物；4）生物填料；5）光源；6）气囊。
具体实施方式
实施例中涉及的菌种均为本领域常规菌种，其中：
1）光合细菌、硝化菌、反硝化菌和酵母菌参见以下文献：
吴霞, 谢悦波. 直接投菌法在城市重污染河流治理中的应用研究[J]. 环境工程学报, 2014, 8(8):3331-3336.
宋雅静, 谢悦波, 黄小丹. 本源微生物菌剂修复城市污染河流[J]. 环境工程学报,2012, 6(7):2173-2177.
范荣亮, 谢悦波, Yudianto D,等. 复合微生物菌剂及酶制剂治理湖泊蓝藻的研究[J]. 水电能源科学, 2010(2):35-37.
聂秋月, 谢悦波, 庄景,等. 高效微生物治理蓝藻实验[J]. 世界科技研究与发展,2008, 30(4):430-432.
王平, 吴晓芙, 李科林,等. 应用有效微生物群(EM)处理富营养化源水试验研究[J].环境科学研究, 2004, 17(3):39-43。
（上述参考文献中“谢悦波”与本申请发明人“谢悦波”为同一人）。
实施例1
江苏某底部及护坡硬化的河道，水深2.5～4.0m，河宽20～30m；治理前其水体状况：氨氮6.0mg/L，总磷0.5mg/L。
在不影响行洪的前提下，靠河岸利用锚链安装悬浮式生态修复水立方（图１），模块大小（0.5m×0.5m×0.5m），该悬浮式生态修复水立方包括生物填料4以及包裹于生物填料4外侧的和网状骨架2，生物填料4内设有气囊6（气囊内充氦气），通过调整气囊6的数量和大小，确保本实施例水立方模块悬浮于水体；生物填料4四周及下端种植沉水植物1，沉水植物通过网状骨架2接触水体；生物填料4顶端种植挺水植物3，挺水植物穿过网状骨架2接触外界。
本实施例中，生物填料4包括微生物和微生物载体，微生物包括光合细菌、硝化菌、反硝化菌和酵母菌，菌含量为2.0×108CFU/ml～3.0×109CFU/ml；微生物载体为硅藻土，也可以使用可降解的生物活性污泥（生物活性污泥由实施例河道底泥经微生物驯化形成）。
网状骨架2的材料为高分子聚乙烯材料（具体实施中，也可使用金属材质）；
本实施例中，所种植的沉水植物为黑藻和穗状狐尾藻（均壮苗期），其中，黑藻25～36丛/m2；狐尾藻20～30丛/m2；挺水植物为香蒲和水葱，香蒲20～25株/m2、水葱8～12丛/m2；所种植挺水植物为香蒲、菖蒲。利用挺水植物、沉水植物和生物填料上微生物的共同作用吸收水体中的氮、磷等营养物质，同时降解水体中有机污染物，提高水体透明度。
河道中上述生态水立方模块的投放量（50个/100m），并对治理水域进行造流曝气，经过两个月的治理及修复，基本消除黑臭，氨氮≤1.0mg/L，总磷≤0.1mg/L，透明度提升。
具体实施过程中，微生物载体可以选择包括无机载体、有机载体、纤维中的任意一种；所述无机载体包括火山岩、硅藻土、硅胶粉、湖珊瑚石、沸石、麦饭石、高岭土、金属氧化物、金属氧化物纳米粒子、微孔陶瓷、微孔玻璃中的一种或多种；所述有机载体包括高分子聚合物、多糖中的一种或多种；所述纤维包括尼龙。
微生物可以根据治理地的水文环境，选择包括光合细菌、乳酸菌、酵母菌、丝状菌、厌氧梭菌、硝化细菌、反硝化细菌、褐腐菌、镰刀菌或芽孢杆菌中的一种或多种。
沉水植物可以根据治理地气候环境，选择黑藻、轮叶黑藻、苦草、金鱼藻、狐尾藻、穗花狐尾藻、茨藻、小茨藻、菹草、马来眼子菜、篦齿眼子菜、微齿眼子菜、光叶眼子菜、穿叶眼子菜、狸藻、伊乐藻、水蕴草、水毛茛、杉叶藻、角果藻中的一种或者多种。
在具体实施过程中，本发明所提供的生态水立方模块可以根据河道、湖泊的具体情况，具有多种外形结构，如：
悬浮于水体的立体结构，如长方体结构（图1）、圆台结构（图2）、球体结构（图3）、椎体结构（图4）所示、毯状结构（图5）；生态水立方系统还可设有若干贯穿悬浮式生态修复水立方的光源5，光源5可以选择LED灯或光纤。
本实施例悬浮式生态修复水立方在水体中的使用示意图如图6所示。
该悬浮结构的生物填料4内设有气囊6，增加立体结构的浮力，使之悬浮于水体中，通过调节气囊6的大小和数量，可以调整生态水立方模块在水体中的悬浮深度。
本发明提供的立体结构增加了与水体的接触面积，治理效率和效果得到有效提高，同时安装和维修简便。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，任何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作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种用于水体黑臭治理及水质提升的悬浮式生态修复水立方，其特征在于，所述悬浮式生态水立方系统包括沉水植物、网状骨架、生物填料、光源和气囊；
所述网状骨架包裹于生物填料外侧，沉水植物种植于生物填料内，生物填料内设有气囊。
2.根据权利要求1所述用于水体黑臭治理及水质提升的悬浮式生态修复水立方，其特征在于，所述生物填料包括微生物和微生物载体；所述微生物载体包括无机载体、有机载体、纤维中的至少一种；所述无机载体包括火山岩、硅藻土、硅胶粉、湖珊瑚石、沸石、麦饭石、高岭土、金属氧化物、金属氧化物纳米粒子、微孔陶瓷、微孔玻璃中的至少一种；所述有机载体包括高分子聚合物、多糖中的至少一种；所述纤维包括尼龙。
3.根据权利要求1所述用于水体黑臭治理及水质提升的悬浮式生态修复水立方，其特征在于，所述网状骨架的材质为金属或聚乙烯。
4.根据权利要求1所述用于水体黑臭治理及水质提升的悬浮式生态修复水立方，其特征在于，所述沉水植物包括黑藻、轮叶黑藻、苦草、金鱼藻、狐尾藻、穗花狐尾藻、茨藻、小茨藻、菹草、马来眼子菜、篦齿眼子菜、微齿眼子菜、光叶眼子菜、穿叶眼子菜、狸藻、伊乐藻、水蕴草、水毛茛、杉叶藻、角果藻中的一种或者多种。
5.根据权利要求2所述用于水体黑臭治理及水质提升的悬浮式生态修复水立方，其特征在于，所述微生物包括光合细菌、乳酸菌、酵母菌、丝状菌、厌氧梭菌、硝化细菌、反硝化细菌、褐腐菌、镰刀菌或芽孢杆菌中的一种或多种。
6.根据权利要求1～5之一所述用于水体黑臭治理及水质提升的悬浮式生态修复水立方，其特征在于，所述生态水立方系统还设有若干贯穿悬浮式生态修复水立方的光源。
7.据权利要求6所述用于水体黑臭治理及水质提升的悬浮式生态修复水立方，其特征在于，所述光源为LED灯或光纤。
8.根据权利要求6所述用于水体黑臭治理及水质提升的悬浮式生态修复水立方，其特征在于，所述悬浮式生态修复水立方顶部还种植有挺水植物。
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