CN110182959B - 一种河道断头面源污染控制系统 - Google Patents

一种河道断头面源污染控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种河道断头面源污染控制系统，该系统设置于河道断头处，包括稳定塘和生物滞留池，生物滞留池设置于稳定塘下游位置的下层且毗邻河道，通过生物滞留池底部的出水管对外输出净化水至河道终端水体。本发明将稳定塘和生物滞留池联合使用，拦截悬浮物，减轻生物滞留池的堵塞，并且集景观植物、水生植物、微生物、滤料为一体，通过拦截、吸附、降解等多重作用削减污染物，提高脱氮除磷效果，降低运维成本，有效的控制了面源污染，降低入河污染物，再利用河道断头空间，在河道与稳定塘之间布设水循环，定期将河道水体泵入生态塘中，进行治水活水，有效的解决断头河道活水问题，提高了断头浜水体自净能力，维系水生态系统。

Description

一种河道断头面源污染控制系统
技术领域
本发明涉及河流治理领域，更具体地，涉及一种河道断头面源污染控制系统。
背景技术
河道是城乡生态系统的重要组成部分，具有水土保持、改善气候、提高生活舒适度等多种功能。很久以来，为改善河道的水环境，提高其防洪、抗洪标准，形成了硬质化、人工化、渠道化的灰色河道景观，且存在很多自然形成的、或因堵塞填埋等形成的断头浜，严重影响了河道生态系统及自然景观因素，降低了水体的自净能力，严重影响了居民生活、城镇形象和周边环境。断头浜由于缺乏水体循环，水中溶解氧过低，缺少水生动植物生存的适宜环境，水生态系统极易被破坏，逐渐失去自净能力，河水极易黑臭，面源污染是造成河流、湖库污染的主要原因之一，是较难治理的主要污染源之一。
目前，随着经济及生活水平的提高，人们对生态景观的需求越来越高，国家更提出了生态文明建设，水生态建设得到快速推进，提出了水质改善、生态修复、景观构建的目标。水生态系统主要利用水生动植物、微生物在生长繁殖过程中物质能量交换来消耗污染物，因具有生态协调、不易产生二次污染等优点被广泛应用于国内外河道水环境治理中，效果显著且副作用小。因此，解决面源污染，同时实现断头浜活水具有极为重要的意义。
发明内容
本发明的目的是针对上述的不足，提出一种针对农村断头河道的面源污染控制系统。农村河道面源污染较为严重，且存在大量的泥沙悬浮物及氮磷，进入河道造成水质恶化，进入生物滞留池极易导致系统堵塞。该断头面源污染控制系统布设于河道断头处并与河道衔接连通，本发明将稳定塘和生物滞留池联合使用，拦截悬浮物，减轻生物滞留池的堵塞，并且集景观植物、水生植物、微生物、滤料为一体，通过拦截、吸附、降解等多重作用削减污染物，提高脱氮除磷效果，降低运维成本，有效的控制了面源污染，降低入河污染物，再利用河道断头空间，在河道与稳定塘之间布设水循环，定期将河道水体泵入稳定塘中，进行治水活水，有效的解决断头河道活水问题，提高了断头浜水体自净能力，维系水生态系统。提高了断头浜水体自净能力，有效拦截、削减、渗滤和滞留地表径流，与生态景观相结合削减面源污染的同时为周边居民提供休闲娱乐的场所，有助于打造高标准、高品质的水景观，提升人工河道亲水效果。
本发明的技术方案是：
本发明提供一种河道断头面源污染控制系统，该系统设置于河道断头处，包括稳定塘和生物滞留池，生物滞留池设置于稳定塘下游位置的下层且毗邻河道，通过生物滞留池底部的出水管对外输出净化水至河道终端水体。从水平空间布局生物滞留池需置于稳定塘下游，减轻生物滞留池的堵塞；依靠水体自流，从垂直空间布局生物滞留池置于稳定塘下层，减少能耗；同时，生物滞留池置于稳定塘下游的下层，共用部分水生植物减少占地面积。
进一步地，稳定塘与生物滞留池平面面积比为8～10：1，比例过大将占用过多土地资源，比例过小则停留时间过短，去除率和调蓄能力下降，易对后端的生物滞留池形成冲击负荷，不利于整个系统的脱氮除磷效果。优选生物滞留池平面面积约10m2，稳定塘平面面积约80m2，平均水深0.5m，停留时间约为14天，生物滞留池的水力负荷为0.29m3/m2·d。生物滞留池在水力负荷不大于0.3m3/m2·d时具备较好的脱氮除磷效果。
进一步地，所述的稳定塘上游的集水进水端设有生态沟渠。
进一步地，所述的生态沟渠断面为梯形，沟底铺设种植土，生态沟渠内每隔20～40cm(优选20cm)设置拦网格栅。用于拦截大的垃圾和废弃物等。
进一步地，所述的稳定塘的平面形状为不规则椭圆形，直径为600～1000cm，深度为45～55cm，水深25～40cm。可根据水量、水流、用地需求等采用不同尺寸，有效的进行水治理。
进一步地，稳定塘的下游设有直接连通河道的溢流口。水量大时由稳定塘的溢流口流出，进入河道。
进一步地，所述的稳定塘的中心铺设卵石，种植浮水植物，卵石周边的稳定塘中种植挺水植物，种植密度优选为20株/m2。生物滞留池的正上方为与稳定塘共用的卵石及水生植物。卵石可截留大的悬浮物、减少水土流失，水生植物固土、去除氮磷、同时增加景观，选择为适宜当地气候及水质条件的多年生水生植物。
进一步地，所述的浮水植物为睡菜科植物，所述的挺水植物为美人蕉科、竹芋科或鸢尾科植物。不同植物对不同的污染物处理能力有所差异。上述水生植物对水体内外源污染物具有吸收净化作用，同时其光合作用产生氧气，通过茎、根输送并释放到水体中，在根毛周围可形成一个好氧区域，增加水体溶解氧，为微生物等供给降解污染物所需的氧量。通过植物根系及微生物的吸附、沉淀、过滤、吸收和转化等作用，提高水体透明度，有效降低有机物、营养盐和重金属等污染物浓度。实际种植时，浮水植物和挺水植物均选用适宜当地气候及水质条件的多年生水生植物。因此，优选的，所述的浮水植物为睡莲，所述的挺水植物为水生美人蕉，竹芋科植物为再力花，鸢尾科植物为黄菖蒲。
进一步地，所述的稳定塘和生物滞留池底部均设置防渗层。污水从稳定塘自流渗入生物滞留池中进行进一步的净化。
进一步地，所述的生物滞留池可采用常规的生物滞留池或者采用以下结构的生物滞留池：垂直方向上从上到下依次设置过滤层、过渡层、淹没层和排水层；过滤层、过渡层、淹没层和排水层中均填充介质原料；所述的过滤层高度为400～600mm，过渡层高度为50～100mm，淹没层高度为200～300mm，排水层高度为100～200mm。
进一步地，所选用的介质原料满足下述筛选条件，D15表示使15％质量的介质滞留的滤网的尺寸，D85表示使85％质量的介质滞留的滤网的尺寸；淹没层和过滤层所选用的介质原料满足下述筛选条件：
D15(淹没层)≤5×D85(过滤层)；
过渡层介质为过滤层和淹没层介质体积比1：1混合；
淹没层和排水层所选用的介质原料满足下述筛选条件：
D15(排水层)≤5×D85(淹没层)
进一步地，过滤层、过渡层、淹没层和排水层的填料均满足下述条件：pH：5.5～7.5；总氮含量<1000mg/kg；磷酸盐含量<80mg/kg；有机质含量<5％；其中过滤层的粒径分布以下表为例：
筛网尺寸(μm) 滞留筛网的百分比
泥土 <50 <3％
极细颗粒 50-150 5-30％
细颗粒 150-250 10-30％
中等细颗粒 250-500 40-60％
粗颗粒 500-1000 25％
极粗颗粒 1000-2000 0-10％
大颗粒 2000-3400 <3％
进一步地，优选的，所述的过滤层填充介质原料为细砂，过渡层填充介质原料为体积比1：1细砂和粗砂的混合物，淹没层填充介质原料为粗砂和体积分数为5％木屑的混合物，排水层填充介质原料为砾石。其中，加入的5％木屑可作为缓释碳源，为微生物提供碳源，提高微生物的脱氮效果。
进一步地，所述的稳定塘与河道之间还可以设置用于活水治水的水循环系统。所述的水循环系统可以由抽水泵和管路组成，管路设置从河道内连接至生态沟渠，也就是水循环系统将河水到系统进水端进行连接，水循环系统可以将河道水体泵入生态塘进行治水活水。由于断头面通常为死水，利用水循环系统将死水治理为活水，并与面源污染控制系统结合，可以治理效果更好更有效。
进一步地，所述的生物滞留池底部的出水管设置在排水层的底部，出水管的末端连接至出水汇集总管，输出至河道终端水体。其中，出水管位于排水层内的部分，开设若干个进水孔或者割缝。
进一步地，所述的稳定塘周边种植景观作物，优选的，所述的景观作物为大叶女贞或红花继木球，增加景观的同时增加固土、减少地表径流。
本发明的有益效果：
1、本发明的断头面源污染控制系统布设于河道断头处并与河道衔接连通，该断头面源污染控制系统布设于河道断头处并与河道衔接连通，将稳定塘和生物滞留池联合使用，拦截悬浮物，减轻生物滞留池的堵塞，并且集景观植物、水生植物、微生物、滤料为一体，通过拦截、吸附、降解等多重作用削减污染物，提高脱氮除磷效果，降低运维成本，有效的控制了面源污染，降低入河污染物，再利用河道断头空间，在河道与稳定塘之间布设水循环，定期将河道水体泵入稳定塘中，进行治水活水，有效的解决断头河道活水问题，提高了断头浜水体自净能力，维系水生态系统。提高了断头浜水体自净能力，有效拦截、削减、渗滤和滞留地表径流，与生态景观相结合削减面源污染的同时为周边居民提供休闲娱乐的场所，有助于打造高标准、高品质的水景观，提升人工河道亲水效果。
2、本发明充分利用河道断头空间，在河道与稳定塘之间布设水循环，定期将河道水体泵入生态塘中，进行治水活水，有效的解决断头河道活水问题，提高了断头浜水体自净能力。
3、本发明通过稳定塘集水汇水、截留泥沙，通过稳定塘和生物滞留池中特定植物的植物根系吸收水分降低地表径流，减少水土流失，同时吸收氮磷等污染物、滤料吸附氮磷等污染物、特定植物的植物根系及滤料表面的微生物降解氮磷等污染物等一系列的物理、化学和生物作用，减少水土流失，降低进入河道中氮磷的含量，有效地改善面源污染水质，降低入河面源污染。
4、本发明通过景观作物、水生植物及多种功能填料，集植物、微生物等于一体，在多方面净化水质的同时，还形成了较为完整的生态系统，创造多样的断头生境，促进水质净化，并有利于长期稳定运行。
5、本发明考虑景观因素，并优选径流削减效果较好的景观作物。使系统体现景观观赏价值的同时，与周边环境协同融合一体。同时为周边居民提供休闲娱乐的场所，有助于打造高标准、高品质的水景观，提升人工河道亲水效果。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了本发明河道断头面源污染控制系统的在河道应用的结构示意图。
图2示出了本发明河道断头面源污染控制系统的俯视结构图。
图中，1、稳定塘，2、生物滞留池，3、生态沟渠，4-1、稳定塘水生植物，4-2、稳定塘生物滞留池共用水生植物，5、溢流口。
图3示出了水生植物净化氨氮结果图。
图4为稳定塘、生物滞留池和本发明的稳定塘-生物滞留池系统分别对TP的去除效果图。
图5为稳定塘、生物滞留池和本发明的稳定塘-生物滞留池系统分别对氨氮的去除效果图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。
实施例1
如图1，图2，一种河道断头面源污染控制系统，该系统设置于河道断头处，包括稳定塘1和生物滞留池2，生物滞留池2设置于稳定塘1下游位置的下层且毗邻河道，通过生物滞留池2底部的出水管对外输出净化水至河道终端水体。从水平空间布局生物滞留池2置于稳定塘1下游，减轻生物滞留池2的堵塞；依靠水体自流，从垂直空间布局生物滞留池2置于稳定塘1下层，减少能耗；同时，生物滞留池2置于稳定塘1下游的下层，共用部分水生植物减少占地面积，如图2中4-2。
生物滞留池平面面积约10m2，稳定塘平面面积约80m2，平均水深0.4-0.5m，停留时间约为14天，生物滞留池的水力负荷为0.29m3/m2·d。
稳定塘1与河道之间设置用于活水治水的水循环系统。该水循环系统由抽水泵和管路组成，管路设置从河道内连接至生态沟渠，也就是水循环系统将河水到系统进水端进行连接，水循环系统可以将河道水体泵入生态塘进行治水活水。由于断头面通常为死水，利用水循环系统将死水治理为活水，并与面源污染控制系统结合，可以治理效果更好更有效。
稳定塘1上游的集水进水端设有生态沟渠3，生态沟渠3断面为梯形，沟底铺设种植土，生态沟渠3内每隔20cm设置拦网格栅。
稳定塘1的平面形状为不规则椭圆形，直径为600～1000cm，深度为45～55cm。稳定塘1的中心铺设卵石，种植浮水植物，卵石周边的稳定塘1中种植挺水植物，种植密度为20株/m2。生物滞留池2的正上方为与稳定塘1共用的卵石及水生植物。如图2中，4-1稳定塘水生植物只种植在稳定塘1上游处的卵石周边，4-2稳定塘生物滞留池共用水生植物同时种植在稳定塘1与稳定塘1下层的生物滞留池2中。
浮水植物和挺水植物均选用适宜当地气候及水质条件的多年生水生植物。所述的浮水植物为睡莲，所述的挺水植物为水生美人蕉，竹芋科植物为再力花，鸢尾科植物为黄菖蒲。
稳定塘1的下游设有直接连通河道的溢流口5。水量大时由稳定塘的溢流口5流出，进入河道。稳定塘1和生物滞留池2底部均设置防渗层。污水从生态塘自流渗入生物滞留池中进行进一步的净化。
生物滞留池2为常规的生物滞留池或按照以下结构设计：垂直方向上从上到下依次设置过滤层、过渡层、淹没层和排水层；过滤层、过渡层、淹没层和排水层中均填充介质原料；所述的过滤层高度为400～600mm,过渡层高度为50～100mm，淹没层高度为200～300mm,排水层高度为100～200mm。
所选用的介质原料满足下述筛选条件,D15表示使15％质量的介质滞留的滤网的尺寸，D85表示使85％质量的介质滞留的滤网的尺寸；淹没层和过滤层所选用的介质原料满足下述筛选条件：
D15(淹没层)≤5×D85(过滤层)；
过渡层介质为过滤层和淹没层介质体积比1：1混合；
淹没层和排水层所选用的介质原料满足下述筛选条件：
D15(排水层)≤5×D85(淹没层)
进一步地，过滤层、过渡层、淹没层和排水层的填料均满足下述条件：pH：5.5～7.5；总氮含量<1000mg/kg；磷酸盐含量<80mg/kg；有机质含量<5％；其中过滤层的粒径分布以下表为例：
筛网尺寸(μm) 滞留筛网的百分比
泥土 <50 <3％
极细颗粒 50-150 5-30％
细颗粒 150-250 10-30％
中等细颗粒 250-500 40-60％
粗颗粒 500-1000 25％
极粗颗粒 1000-2000 0-10％
大颗粒 2000-3400 <3％
过滤层填充介质原料为细砂，过渡层填充介质原料为体积比1：1细砂和粗砂的混合物，淹没层填充介质原料为粗砂和体积分数为5％木屑的混合物，排水层填充介质原料为砾石。
生物滞留池2底部的出水管设置在排水层的底部，出水管的末端连接至出水汇集总管，输出至河道终端水体。其中，出水管位于排水层内的部分，开设若干个进水孔或者割缝。
稳定塘1周边种植景观作物为大叶女贞或红花继木球。
试验例1水生植物净化效果对比
试验选取对氮磷有削减作用的鸢尾科、睡菜科、美人蕉科和竹芋科湿地植物，进一步的结合江苏当地实际情况，选取水体修复水生植物种类，分别按照实施例1方案建造实验装置进行河岸断头面源污水净化模拟实验，并对主要污染物开展进出水监测。每组植物设置3个对照组，并设置无植物的过滤系统。在氨氮初始浓度为15mg/L的污水的初始条件下，在本发明的控制系统中分别种植上述四种水生植物的水中，14天内，分别测试种植这四种植物的污水中的氨氮浓度，测试结果如图3所示。
选取的水生植物种类及净化特征如表1所示：
表1选取的水生植物种类及净化特征
植物科名 中文名称 净化特征
鸢尾科 黄菖蒲 吸收富集重金属，去除水中氮磷
睡菜科 睡莲 降解BOD、COD，去除总氮、总磷
美人蕉科 美人蕉 吸收富集重金属，去除水中氮磷
竹芋科 再力花 吸收富集重金属，去除水中氮磷
结果表明，有植物系统对污染物处理的总体效果较无植物系统有明显的提高，对氮磷的去除效果较为明显。对比不同植物处理系统的结果，在前述过滤介质条件下，可得出四种水生植物对氨氮均有较好的去除效果，不同植物具备特有的污染物去除能力的结论，除氮磷的植物能力顺序为：美人蕉＞睡莲＞黄菖蒲＞再力花，其中，美人蕉对氨氮的去除能力最强，5天内，美人蕉对氨氮的去除率就达到了98％。因此，针对不同污染物去除要求，可以选取相应种类的植物对污染物进行高效去除。
试验例2稳定塘和生物滞留池联用系统对水体处理效果
将TP起始浓度为0.4mg/L、氨氮起始浓度为1.5mg/L的污水分别通过稳定塘、生物滞留池和本发明的稳定塘-生物滞留池系统，每隔一段时间取出水检测，稳定塘、生物滞留池和本发明的稳定塘-生物滞留池系统对TP的去除效果如图4所示，对氨氮的去除效果如图5所示。
结果显示，稳定塘对TP的去除率为52％，生物滞留池为70％，稳定塘-生物滞留池为95％；稳定塘对氨氮的去除率为67％，生物滞留池为63％，稳定塘-生物滞留池为80％。因此，本发明的稳定塘-生物滞留池联合使用的控制系统的对TP及氨氮的去除效果均优于单体效果，也并非单体效果的简单叠加，达到了更有效的净化作用，且其去除速率较单体快，达到稳定平衡的时间更短。
应用实施例1
将本发明实施例的河道断头面源污染控制系统应用于江苏省某河道断头处，用于改善雨水径流水质，降低入河面源污染。其中：稳定塘1的平面形状为不规则椭圆形，直径为600cm，深度为45～55cm，水深40cm；稳定塘1的中心铺设卵石，种植浮水植物(睡莲)，周边分别种植美人蕉、黄菖蒲、再力花三种挺水植物，种植密度为20株/m2；生物滞留池2的过滤层高度为600mm,过渡层高度为50mm，淹没层高度为200mm,排水层高度为150mm。生物滞留池平面面积约10㎡，稳定塘平面面积约80m2，停留时间约为14天，系统串联，生物滞留池的水力负荷为0.29m3/m2·d。
分别取生态沟渠进水、稳定塘、生物滞留池出水进行检测，检测结果为：从稳定塘流出的水的氨氮去除率为61.58％，总氮去除率为20.36％，总磷去除率为75％；通过稳定塘流出进入生物滞留池，进一步从生物滞留池流出的水的氨氮去除率为86.57％，总氮去除率为79％，总磷去除率为82.35％。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (8)

1.一种河道断头面源污染控制系统，其特征在于，该系统包括稳定塘（1）和生物滞留池（2），生物滞留池（2）设置于稳定塘（1）下游位置的下层且毗邻河道，通过生物滞留池（2）底部的出水管对外输出净化水至河道终端水体，稳定塘（1）与生物滞留池（2）平面面积比为8~10：1，所述的稳定塘（1）上游的集水进水端设有生态沟渠（3）；所述的生物滞留池（2）垂直方向上从上到下依次设置过滤层、过渡层、淹没层和排水层；过滤层、过渡层、淹没层和排水层中均填充介质原料；所述的过滤层高度为 400~600mm,过渡层高度为50~100mm，淹没层高度为200~300mm,排水层高度为 100~200mm，所述的过滤层填充介质原料为细砂，过渡层填充介质原料为体积比1：1细砂和粗砂的混合物，淹没层填充介质原料为粗砂和体积分数为5%木屑的混合物，排水层填充介质原料为砾石。
2.根据权利要求1所述的河道断头面源污染控制系统，其特征在于，所述的生态沟渠（3）断面为梯形，沟底铺设种植土，生态沟渠（3）内每隔20~40cm设置拦网格栅。
3.根据权利要求1所述的河道断头面源污染控制系统，其特征在于，所述的稳定塘（1）的平面形状为不规则椭圆形，直径为600~1000cm，深度为45~55cm，水深25~40cm。
4.根据权利要求1所述的河道断头面源污染控制系统，其特征在于，稳定塘（1）的下游设有直接连通河道的溢流口（5）。
5.根据权利要求1所述的河道断头面源污染控制系统，其特征在于，所述的稳定塘（1）的中心铺设卵石，种植浮水植物，卵石周边的稳定塘（1）中种植挺水植物，种植密度为20株/m2。
6.根据权利要求5所述的河道断头面源污染控制系统，其特征在于，所述的浮水植物为睡菜科植物，所述的挺水植物为美人蕉科、竹芋科或鸢尾科植物。
7.根据权利要求6所述的河道断头面源污染控制系统，其特征在于，所述的睡菜科植物为睡莲，美人蕉科植物为美人蕉，竹芋科植物为再力花，鸢尾科植物为黄菖蒲。
8.根据权利要求1所述的河道断头面源污染控制系统，其特征在于，所述的稳定塘（1）和生物滞留池（2）底部均设置防渗层。
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