CN112913513A - 水陆交错带污染物捕集和植物群落消减模拟仿真装置及应用 - Google Patents

水陆交错带污染物捕集和植物群落消减模拟仿真装置及应用 Download PDF

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Abstract

水陆交错带污染物捕集和植物群落消减模拟仿真装置及应用。包括下步骤：(1)构建实验所需的波浪水槽，该模拟装置一端设有推波器，通推波板模拟产生水体水利扰动，使产生波高能达到所模拟实验所需距离高度。(2)装置的另一端设有模拟构造的水陆交错带体系，对其岸坡基底形改造，形成沟槽和凹坑，结合多孔材料构建新型岸坡。(3)在岸坡基底搭配种植植物形成植物群落。(4)可模拟不同污染程度的地表水体的水质筛选净化效果较好的植物，并优化植物群落，构建净化效率高的水陆交带体系；可投加微生物菌剂研究微生物菌剂与植物作用关系以及促进水交错带体系对氮磷去除作用效果。

Description

水陆交错带污染物捕集和植物群落消减模拟仿真装置及应用
技术领域
本发明属于地表水生态修复技术领域，具体涉及一种水陆交错带污染物捕集和植物群落消减模拟仿真装置及应用
背景技术
当前已有相当数量的地表水体低于Ⅲ类水标准，污染物浓度水平高，使得水生态系统失调，功能作用衰退，并制约生态文明的建设。据2018年《中国生态环境状况公报》数据显示，在对全国地表水监测的1935个水质断面中，低于Ⅲ类水标准的地表水体占29％，一些监测点存在重金属、有机污染物超标现象。在对107个重要湖泊营养化监测中，有29％湖泊处于富营养化状态，61.7％中营养化状态。如果不对地表水环境加以治理保护，在人为因素影响下会加快地表水体恶化速度，因此地表水环境治理形势依旧严峻。
水陆交错带又称为湖滨带，是连接陆地系统与湖泊系统的枢纽，保护地表水体生态环境的一种天然屏障，不仅拦截过滤外来污染源，还能净化水体内污染源改善水质，可有效治理水体。现有的水陆交错带恢复建设和生态保护探索中，主要对水陆交错带植物群落优化结构、建立湿地系统、岸坡基底改造等来拦截外来污染源以及防砂护坡。水陆交错带岸坡构造多采用石砾、沙粒等传统材料，结合新型多孔材料对岸坡基底重组改造应用较少，并且直接采用工程措施对实际水陆交错带应用，未建立模拟装置探究其功能效果，缺少实际应用前的效果评价。
为此在原有水陆交错带基础上结合水力学、材料学、生态学等设计一种水陆交错带污染物捕集和植物群落消减模拟仿真装置，可用于筛选去除污染物效率高的优势植物并优化植物群落，完善水陆交错带体系净化功能；研究微生物菌剂对水陆交错带体中的促进作用；可模拟构建不同水域的水陆交错带来治理改善水体环境。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于设计一种水陆交错带污染物捕集和植物群落消减模拟仿真装置及应用
本发明目的可通过以下技术方案来实现
水陆交错带污染物捕集和植物群落消减模拟仿真装置及应用，主要由波浪水槽构筑物系统和构建的水陆交错带体系构成。该模拟装置一端设有推波器，装置的另一端设有模拟构造的水陆交错带体系，包括模拟岸坡基底，岸坡基底上设置多孔材料组成的沟槽和花盆，沟槽填充网袋包裹多孔材料层，沟槽中设置的取水PVC管，花盆里填充硅基多孔陶瓷材料颗粒和土壤混合体，以及种植陆岸植物和挺水植物植物构成植物群落。
所述的波浪水槽主体构筑物尺寸根据水陆交错带、地表水水区实际大小范围以及能有效合理满足实验需求设定，该水槽为上端开口的长方形槽体，长度为15～25m，宽度为3～6m，深度为1～3m，水槽内装填有0.5～1.5m深的污染的地表水体。所述的推波器位于模拟地表水水域处的波浪水槽构筑物宽边A处，所述的推波器的推波板与所述的波浪水槽构筑物长边垂直、宽边平行，推波板长边二侧距离对应的所述的波浪水槽构筑物长边的二侧分别为5～10cm，朝向所述的波浪水槽构筑物另一宽边B，所述的推波器模拟水体水利扰动产生的波浪周期为0.3～5s，工作时间为6～12h，分成2～4次运行，每次1～6h，相邻二次运行间隔1～3h，可模拟水体水利扰动于推波板处产生5～30cm的波浪向宽边B移动，并且在破浪因素下移动距离最远达到水陆界面最远的沟槽以上。
所述的水陆交错带体系包括岸坡基底，所述的岸坡基底包括贴靠于宽边B的岸和与岸相接的坡，均由基质材料粘性土和粒径0.5～3cm砂石按质量比1:9～5:5堆积而成。岸由所述的波浪水槽构筑物宽边B向宽边A一侧延伸形成的陆地，平行于宽边B方向的岸的长度为3～6m，且位于水面上方的陆地带有坡度为5～10°缓坡，作为陆岸植物带区域；坡是由岸与水面接触点向宽边A一侧延伸至水面下方所形成，坡最低点与所述的波浪水槽构筑物底接触，其坡度为10～25°，作为挺水植物带区域。于陆岸植物带区域种植有陆生植物，挺水植物带区域种植水生植物。
所述的沟槽设置在陆岸植物带区域，是对陆岸植物带区域岸坡表层地形改造，沿平行于宽边B的方向挖与宽边B长度相同的沟槽，在每1～3排所述的花盆之间隔设有1个所述的沟槽，总数至少2个以上。所述的沟槽垂直于宽边B方向的截面为倒梯形，梯形下底边宽度为40～60cm，下底边与上底面宽差为5～15cm，深度为40～60cm。在所述的沟槽内表面镶嵌铺设一层硅基多孔陶瓷材料的砖块，砖块厚度为4～8cm，并于沟槽内部填充三层分别由网袋或布袋包裹的硅基多孔陶瓷材料填充物，每层厚度6～10cm。
所述的花盆同样是对陆岸植物带区域和挺水植物带区域的岸坡表层地形改造，设置平行于所述的波浪水槽构筑物宽边B的排列的凹坑，陆岸植物带区域的凹坑设置方式为从水面向宽边B的方向，共设置4～8排凹坑列，挺水植物带区域的凹坑设置方式为从水陆交界处向宽边A的方向，共设置4～6排凹坑列，每排凹坑靠近所述的波浪水槽构筑物长边的二侧凹坑上边沿分别与波浪水槽二侧的长边相贴接，且每排凹坑中的凹坑上边沿紧密相贴接，为倒四棱锥台形，在陆岸植物带区域的四棱锥台凹坑的下底面长*宽为40～50cm*15～25cm，上底面长*宽为38～48cm*10～20cm，深度为30～50cm；在挺水植物带区域的四棱锥台凹坑的下底面长*宽为40～50cm*20～50cm，上底面长*宽为38～48cm*16～48cm；深度为30～50cm，于凹坑内表面镶嵌铺设一层硅基多孔陶瓷材料的砖块，砖块厚度为2～5cm，作为花盆，并在所述的花盆内填充有质量比为1～9:9～1的所述的粒径≤3cm的硅基多孔陶瓷材料颗粒和土壤混合物。
所述的沟槽和凹坑列在垂直于宽边B方向上，相邻沟槽与凹坑列间、或相邻凹坑列与凹坑列间上边沿的距离0～5cm。
所述的PVC管为三支外径110mm的PVC管，垂直所述的波浪水槽构筑物的底面，竖立设在所述的沟槽内，沿平行于所述的波浪水槽构筑物一侧长边，由宽边B指向宽边A方向排列，距离所述的波浪水槽构筑物长边0.5～2m处，每间隔5cm竖立一根PVC管，其中第一根、第二根PVC管下端分别深入第一层与第二层、第二层与第三层所述的网袋或布袋包裹的多孔材料层交界处，第三根PVC管下端深入到第三层所述的网袋或布袋包裹的多孔材料层和所述的沟槽底内壁交界处；每个PVC管下端装有外径110mm的管道封盖，距离管道封盖和PVC管交界处0～4cmPVC管壁上设有钻孔便于汇水到管内，从而取经过不同所述的网袋或布袋包裹的多孔材料层的水样。
所述的陆岸植物包括乔木植物、灌木植物和草本植物中的一种及二种以上，其中乔木植物：垂柳、落叶松、毛白杨中的一种及二种以上；灌木植物为：紫穗槐、刺槐、构树中的一种及二种以上；草本植物为：黑麦草、石蒜、白茅、大花马齿苋中的一种及二种以上。草本植物种植在靠近水面0～2m之间区域的所述的花盆内，灌木植物种植在距离水面1～3m之间区域的所述的花盆内，乔木植物在距离水面3m至波浪水槽构筑物宽边B之间区域的所述的岸坡基底上。其中乔木植物种植株间距为2*2m，灌木植物、草本植物均以4～10丛/m2密度种植。所述的水生植物为芦苇、美人蕉、菖蒲中的一种及二种以上，水生植物种植在水深0～1m之间区域的所述的花盆中，以4～10丛/m2密度种植。另外草本植物中的大花马齿苋种植在所述的沟槽内部的所述的网袋或布袋包裹的多孔材料层的最上层。
所述的构筑物尺寸、所述的岸坡基底坡度、所述的水陆交错带区域划分、所述的多孔材料尺寸大小、所述的沟槽、花盆尺寸等可以根据实际湖泊和需求而进行改变，在形式、数据细节方面进行各种各样调节，而不偏离权利要求范围。
本发明的优点和积极效果：
1、可模拟不同受污染的地表水体，于模拟装置中种植乔木植物、灌木植物、草本植物、水生植物中的一种或二种以上，用于筛选适用于污染物浓度范围内的水体，且具有高效净化效果的植物。此外可研究投加微生物菌剂在模拟条件下对水陆交错带净化富营养化水体的促进作用。
2、本发明中采用新型多孔材料塑造岸坡基底表层，结合原有岸坡基底形成新的地表渗滤系统，更好的吸附积蓄污染物，并设置沟槽能够增加水力停留时间，促进水体污染物的滞留与净化。
3、本发明中构造水陆交错带体系，形成多孔材料、原有岸坡基底的地表渗滤—植物群落—微生物群落系统，通过推波器模拟实际水体水力扰动产生不同浪高等，使污染水体在地表渗滤系统、植物、微生物作用下拦截、吸附、吸收水体污染物质。通过不断地水力扰动循环和系统作用不断对水体中的COD、TP、TN、重金属(Cr、Cu、Cd、Pb)有机污染物(DDTs、PCBs、PAHs)等污染物净化消减，在整个实验期间内污染物的去除率均达到50％以上，不断改善水质。
4、本发明模拟体系可以根据不同水陆交错带的水文地质、气象资料等数据改变模拟装置系统设定的参数，能够模拟不同水陆交错带对水体中的污染物的净化作用，为实际构造和运用水陆交错带治理地表水体提供和参考基础。
附图说明
图1是本发明一种水陆交错带污染物捕集和植物群落消减模拟仿真装置平面示意图；
图2是本发明图1装置平面示意图1-1’位置剖面示意图；
图3是本发明图1装置平面示意图2-2’位置剖面示意图；
图4是本发明图1装置平面示意图3-3’位置剖面示意图；
图5是本发明图1装置平面示意图4-4’位置剖面示意图；
图中：①—推波器，②—推波板，③—水槽构筑物，④—岸坡基底，⑤—沟槽，⑥—花盆，⑦—网布袋包裹多孔材料填充物，⑧—土壤和多孔材料混合型土壤，⑨—PVC管，⑩—毛白杨，
Figure BDA0002973781680000041
—紫穗槐，
Figure BDA0002973781680000042
—大花马齿苋，
Figure BDA0002973781680000043
—黑麦草；
Figure BDA0002973781680000044
—美人蕉，
Figure BDA0002973781680000045
—水质监测点。
具体实施方式
为了清楚说明本发明技术方案，下面通过具体实施例并结合附图进一步详细阐述，但要求保护范围并不局限于所述。
所述的硅基多孔陶瓷材料的制备源于专利号：202110235005.2，一种自析晶构筑吸附位点的多孔功能材料制备方法。
一种自析晶构筑吸附位点的多孔功能材料制备方法，包括以下步骤：
(1)研磨：将铁尾矿送入行星式球磨机研磨成粉，筛分出粒度分布范围在30～75μm的尾矿粉；
(2)混料：按质量比，尾矿粉：页岩：(发泡剂+助结晶剂)＝(50～70):(20～40):(4～12)，总份100份，称取各物料并加入球磨罐中，配去离子水混合均匀；
(3)成型：将混合料均匀填料在模具中，经表面压紧后，放入烘箱中干燥成型；
(4)烧制：将干燥后的坯体放入电窑内烧制，烧成温度为1130～1160℃，保温时间为10～30min，控制降温速率冷却到室温，制得自析晶构筑吸附位点的多孔功能材料，所述的烧制过程具体为：
以8～10℃/min的升温速度，从室温升温到600～650℃，保温30～50min；
以3～5℃/min的升温速度，从600～650℃升温到900～950℃，保温60～90min；
以3～5℃/min的升温速度，从900～950℃升温到烧成温度1130～1160℃，保温10～30min；
以15～25℃/min的降温速度从烧成温度降至850～950℃，保温70～100min，而后以5～10℃/min的速度降至室温，获得多孔功能材料。
所述的步骤(1)中，铁尾矿为高硅型铁尾矿，所述的铁尾矿包括物相及质量百分含量为石英65％～71％，铁辉石21％～26％和埃洛石8％～13％；所述的铁尾矿包括组分及质量百分含量为SiO2 70.48-81.39％，Al2O3 3.11-6.62％，CaO 3.08-3.81％，Fe2O3 7.60-13.99％，MgO 3.65-4.94％，K2O 0.74-1.16％，Na2O 0.23-0.43％，TiO2 0.10-0.16％，P2O50.15-0.23％，MnO 0.10-0.23％，SO3 0.01-0.05％。
所述的步骤(1)中，页岩包括组分及质量百分含量为SiO2 44.69-45.32％，Al2O314.18-15.12％，CaO 17.70-18.90％，Fe2O3 9.18-10.35％，MgO 7.54-8.61％，K2O 2.31-2.89％，TiO2 0.95-1.12％，Na2O 0.26-0.46％，P2O5 0.29-0.40％，MnO 0.21-0.31％，SO30.42-0.52％。
所述的步骤(1)中，研磨转速为300～350r/min，研磨时间为0.5～1h。
所述的步骤(2)中，发泡剂为碳化硅粉和/或碳酸钙粉，助结晶剂为氧化铁粉和/或碳酸钙粉。
所述的步骤(2)中，发泡剂为碳化硅粉和碳酸钙粉，助结晶剂为氧化铁粉和碳酸钙粉，所述的发泡剂和助结晶剂统一加入比例关系为，按质量比，碳化硅粉：碳酸钙粉：氧化铁粉＝1:2:2。
所述的步骤(2)中，按重量比混合料：去离子水＝1:(1.5～2)；研磨转速为300～350r/min，混合时间为3～5min。
所述的步骤(3)中，烘箱温度为100～110℃，干燥时间为3～5h。
所述的步骤(4)中，制备的多孔功能材料孔径范围为Φ＜1.0mm占60％，Φ1.0～2.0mm占30％，Φ2.0～2.5mm占10％；孔隙率为67.19％～80.28％，其中连通孔占比87.34％～96.39％。
所述的步骤(4)中，制备的多孔功能材料用于废水中总磷去除，经检测，污水中TP初始浓度为1.1-5.5mg/L，pH为7.3-7.6，TP去除率为50.1-69.3％，吸附量为0.387-0.715mg/g。
以下实施例中采用的硅基多孔陶瓷材料的制备(硅基多孔陶瓷材料制备实施例)
(1)研磨：将铁尾矿送入行星式球磨机研磨成粉，球磨机转速为350r/min，原料与磨球的比例为1:2，研磨时间为0.5h，使尾矿粒度主要分布在10～100μm范围且小于100μm占比80％以上，研磨后筛分出粒度分布范围在30～75μm的尾矿粉。
(2)混料：按比例准确称量研磨后的尾矿粉70份、页岩20份、碳化硅2份、碳酸钙4份、氧化铁4份，混合料与去离子水以重量比1:1.5混合加入球磨罐中，球磨机转速为350r/min，混合时间为5min；
(3)成型：将混合料均匀填料在模具中，表面稍做压紧，放入烘箱中干燥成型，烘箱温度为110℃，干燥时间为3h；
(4)烧制：将干燥后的坯体放入电窑内烧制，升温过程以10℃/min的升温速度从室温逐渐升温到650℃，保温30min，5℃/min的升温速度从650℃逐渐升温到950℃，保温60min，以5℃/min的升温速度从950℃逐渐升温到1160℃，保温20min。降温过程以15℃/min的降温速度从烧成温度降至900℃，保温90min，促进材料表面晶体析出，而后以10℃/min的速度降至室温，制得多孔功能材料。所获得的多孔功能材料比重为0.5853，孔径范围为Φ<1.0mm占60％，Φ1.0～2.0mm占30％，Φ2.0～2.5mm占10％；孔隙率为79.74％，通孔率占比为95.06％，气孔分布较为均匀，形成了清晰致密的骨架结构，其大孔孔壁骨架上存在破壁形成的小孔。
通过对样品的探针片进行扫描电子显微镜下观察和能谱测试，所生成的赤铁矿和铁辉石晶体自形程度最高，面积占比大，作为吸附位点对低浓度TP的吸附效果有促进作用。
以上述同样方法测试多孔功能材料对污水中总磷的吸附情况，
TP的初始浓度为3.2mg/L时，pH为7.51，经过4h静态吸附的去除率为69.3％，吸附量为0.443mg/g；
TP的初始浓度为5.4mg/L时，pH为7.52，经过4h静态吸附的去除率为66.2％，吸附量为0.715mg/g。
实施例1
图1～5所示，一种水陆交错带污染物捕集和植物群落消减模拟仿真装置。该装置系统模拟湖泊流域为滇池某区域内水陆交错带，其模拟装置的参数根据滇池水文地质等数据缩小模拟符合权利要求范围，以满足模拟装置体系以及实验所需。
整个模拟装置的波浪水槽构筑物③为上端开口的长方形槽体，体积为20*4*2m3并装填有1m深的富营养化湖泊水。在波浪水槽构筑物③的一端模拟湖泊水域处宽边A外设有推波器①，波浪水槽构筑物③宽边A内的推波板②与推波器①连接。推波板②与波浪水槽构筑物③长边垂直，推波板长边距离波浪水槽构筑物③长边的二侧分别为5cm，朝向波浪水槽构筑物③另一宽边B，通过推波器①设置所需参数：波浪周期为0.3～5s，每天工作时间为9h，分成3次运行，每次运行3h，相邻二次运行间隔2h，产生5～30cm波高，并且在破浪因素下使波浪到达模拟水陆交错带最上方沟槽⑤以上的位置。
在波浪水槽构筑物③宽边B构建新型水陆交错带系统，使用基质材料粘性土和0.5～3cm的砂石按质量比5:2堆积而成岸坡基底④，岸坡基底④包括贴靠于宽边B的岸和与岸相接的坡，岸由波浪水槽构筑物③宽边B指向宽边A，长度为4m，且位于水面上方的部分带有坡度为8°缓坡，作为陆岸植物带区域；坡是由岸与水面接触点向宽边A一侧延伸形成的坡，坡最低点与所述的波浪水槽构筑物③底接触，其坡度为15°，作为挺水植物带区域。于陆岸植物带区域种植有陆生植物，挺水植物带区域种植水生植物。
对陆岸植物带区域岸坡表层地形改造，沿平行于宽边B的方向挖与宽边B长度相同的沟槽⑤，在每2排花盆⑥之间隔设有1个沟槽⑤，共3个沟槽⑤。沟槽⑤垂直于宽边B方向的截面为倒梯形，梯形下底边宽度为50cm，下底边与上底面宽差为10cm，深度为45cm，其内表面镶嵌铺设一层硅基多孔陶瓷材料的砖块，砖块厚度为5cm，并于内部填充三层分别由网袋或布袋包裹的硅基多孔陶瓷材料填充物的多孔材料层⑦，每层厚度10cm。其中第二个沟槽⑤中设有3根外径110mm的PVC管⑨，沿平行于波浪水槽构筑物③一侧长边，由宽边B指向宽边A的方向排列，距离相近的波浪水槽构筑物③长边0.5m处。每间隔5cm竖立一根PVC管⑨，其中第一根、第二根PVC管⑨下端分别深入第一层与第二层、第二层与第三层所述的网袋或布袋包裹的多孔材料层交界处，第三根PVC管⑨下端深入到第三层所述的网袋或布袋包裹的多孔材料层⑦和所述的沟槽⑤底内壁交界处；每个PVC管⑨下端装有外径110mm的管道封盖，距离管道封盖和PVC管⑨交界处0～4cm PVC管⑨壁上设有钻孔便于汇水到管内，从而取经过不同所述的网袋或布袋包裹的多孔材料层⑦的水样。
同样是对陆岸植物带区域和挺水植物带区域的岸坡表层地形改造，设置平行于波浪水槽构筑物③宽边B的排列的凹坑，陆岸植物带区域的凹坑设置方式为从水面向宽边B的方向，共6排凹坑列，挺水植物带区域的凹坑设置方式为从水陆交界处向宽边A的方向，共设置4排凹坑列，每排凹坑靠近波浪水槽构筑物③长边的二侧凹坑分别与波浪水槽构筑物③二侧的长边相接，在陆岸植物带区域每间隔2排凹坑设1道沟槽⑤与之相接，且每排凹坑中的小凹坑相贴紧密排列，为倒四棱锥台形，四棱锥台下底面长*宽为50cm*20cm，上底面长*宽为40cm*10cm，深度为30cm，于凹坑内表面镶嵌铺设一层硅基多孔陶瓷材料的砖块，砖块厚度为2cm，作为花盆⑥；在挺水植物带区域的凹坑列间间距1cm排列，且每排凹坑中的小凹坑上边沿相贴紧密排列，为倒四棱锥台形，四棱锥台下底面长*宽为50cm*50cm，上底面长*宽为46cm*46cm；深度为50cm，于凹坑内表面镶嵌铺设一层硅基多孔陶瓷材料的砖块，砖块厚度为2cm，作为花盆⑥；于花盆⑥内部填充有质量比为2:3的粒径≤3cm的硅基多孔陶瓷材料颗粒和土壤混合物⑧。
实施例1中所铺设的硅基多孔陶瓷材料的砖块、网袋或布袋包裹的硅基多孔陶瓷材料填充物，均源于上述(专利号：202110235005.2，一种自析晶构筑吸附位点的多孔功能材料制备方法)硅基多孔陶瓷材料制备实施例中制备的硅基多孔陶瓷材料。
在陆岸植物植物带区域种植陆生植物，包括乔木植物、灌木植物和草本植物，其中乔木植物为毛白杨⑩；灌木植物为紫穗槐
Figure BDA0002973781680000081
草本植物为：黑麦草
Figure BDA0002973781680000082
大花马齿苋
Figure BDA0002973781680000083
黑麦草
Figure BDA0002973781680000084
种植在靠近水面0～1.3m之间区域的花盆内，大花马齿苋
Figure BDA0002973781680000085
种植在沟槽⑤内部的网袋或布袋包裹的多孔材料层⑦的最上层，紫穗槐
Figure BDA0002973781680000086
种植在距离水面1.8～3.1m之间区域的花盆⑥内，毛白杨⑩种植在距离水面3.1m至波浪水槽构筑物③宽边B之间区域的岸坡基底上。其中乔木植物种植株间距为2*2m，灌木植物、草本植物均以4丛/m2密度种植。在挺水植物区域种植美人蕉
Figure BDA0002973781680000087
水生植物种植在水深0～0.5m之间区域的花盆⑥，以4丛/m2密度种植。
在模拟期内(5～9月份)定期于水质监测点
Figure BDA0002973781680000088
监测水质指标，运行5个月内毛白杨植物量变化率为48％、紫穗槐物量变化率为54％、黑麦草物量变化率为56％、大花马齿苋植物量变化率为46％、美人蕉植物量变化率为63％，该几种植物均具有较好的净化效果，可用于水陆交错带植物群落优化组合，便于净化水体氮磷污染物，另外TP含量由0.65mg/L降低到0.23mg/L，去除率达到63％；
此外在对TN、COD指标监测，其中TN含量由11.50mg/L降低到3.22mg/L，去除率达到72.00％；COD含量由50.00mg/L降低到16.00mg/L，去除率达到68％。从整体来看，该净化系统在运行期内表现出较好的作用效果，有利于改善湖水水质。
实施例2
根据实施例1所述的，设置规格(形状和尺寸)与实施例1中相同所述的波浪水槽，种植的植物种类和数量均同实施例1，波浪水槽数量为三个。选用碧沃丰生物科技有限公司的
Figure BDA0002973781680000091
净水菌剂，菌剂的投加量设置为处理水体积的0.05％、0.1％和0.2％，分别投加到三个模拟装置的水体中，在模拟期内(5～9月份)定期于水质监测点
Figure BDA0002973781680000092
监测水质指标，并测植物的生物量。
运行5个月后，在投加菌剂的装置中的毛白杨、紫穗槐、黑麦草、大花马齿苋、美人蕉植物量变化率与实施例1装置中未添加菌剂的植物生物量变化率相比均有明显增加，其中菌剂投加量为0.1％时，毛白杨植物量变化率增加4％、紫穗槐物量变化率增加7％、黑麦草物量变化率为6％、大花马齿苋植物量变化率为2％、美人蕉植物量变化率为10％；菌剂投加量为0.05％时，毛白杨植物量变化率增加2％、紫穗槐物量变化率增加5％、黑麦草物量变化率为5％、大花马齿苋植物量变化率为1％、美人蕉植物量变化率为7％；菌剂投加量为0.2％时，毛白杨植物量变化率增加1％、紫穗槐物量变化率增加5％、黑麦草物量变化率为4％、大花马齿苋植物量变化率为1％、美人蕉植物量变化率为7％；且不同投加量促进作用排序为0.1％>0.05％>0.2％，表明EM菌剂有助于促进植物对氮磷污染物的吸收作用。另外菌剂投加量0.1％时，TP含量由0.65mg/L降低到0.19mg/L，去除率达到71％，TN含量由11.5mg/L降低到2.30mg/L，去除率达到80％，COD含量由50.00mg/L降低到12.50mg/L，去除率达到75％；菌剂投加量0.05％时，TP含量由0.65mg/L降低到0.21mg/L，去除率达到68％，TN含量由11.5mg/L降低到2.53mg/L，去除率达到78％，COD含量由50.00mg/L降低到14.00mg/L，去除率达到72％；菌剂投加量0.2％时，TP含量由0.65mg/L
降低到0.23mg/L，去除率达到65％，TN含量由11.5mg/L降低到3.00mg/L，去除率达到74％，COD含量由50.00mg/L降低到15.00mg/L，去除率达到70％；且投加量为0.1％时对氮磷污染物去除效果最佳。从整体来看，菌剂的投加有利于促进水陆交错系统运行，能在该模拟系统下明确菌剂投加量与处理水体积的关系，有利于确定最佳投加量来促进水陆交错带改善湖水水质。
实施例3
另外在设置一个波浪水槽，与实施例1中所述的波浪水槽相比，唯一不同之处为该波浪水槽中的岸坡基底上不设置由硅基多孔陶瓷材料组成的花盆、沟槽，全部是由粘性土和砂石按质量比5:2堆积而成岸坡，除此之外该波浪水槽设置规格(形状和尺寸)与实施例1中所述的波浪水槽相同，种植的植物种类、数量和位置均同实施例1，在模拟期内(5～9月份)定期于水质监测点
Figure BDA0002973781680000101
监测水质指标；
运行5个月内，不设置硅基多孔陶瓷材料的波浪水槽中，毛白杨植物量变化率为43％、紫穗槐物量变化率为46％、黑麦草物量变化率为47％、大花马齿苋植物量变化率为41％、美人蕉植物量变化率为53％；另外TP含量由0.65mg/L降低到0.29mg/L，去除率达到55％；此外在对TN、COD指标监测，其中TN含量由11.5mg/L降低到4.6mg/L，去除率达到60％；COD含量由50mg/L降低到21.5mg/L，去除率达到57％。
实施例1与实施例3相比，在实施例1波浪水槽中设置硅基多孔陶瓷材料组成的花盆、沟槽条件下，植物量变化率增加明显，其中毛白杨植物量变化率增加5％、紫穗槐物量变化率为8％、黑麦草物量变化率为9％、大花马齿苋植物量变化率为5％、美人蕉植物量变化率为10％；且TP去除率增加10％，TN去除率增加12％，COD去除率增加11％；从整体来看，在波浪水槽中设置硅基多孔陶瓷材料组成的花盆、沟槽有助于完善水陆交错系统的作用效果，且在运行期内表现出较好的作用效果，促进植物生长、脱氮除磷效果，更好有利于改善湖水水质。
实施例4
设置一个规格(形状和尺寸)与实施例1中所述的波浪水槽相同，种植的植物种类、数量和位置均同实施例1，在模拟期内(5～9月份)定期于水质监测点
Figure BDA0002973781680000102
监测模拟水体中的重金属Cr、Cu浓度，DDT浓度变化；
运行5个月内毛白杨植物量变化率为48％、紫穗槐物量变化率为54％、黑麦草物量变化率为56％、大花马齿苋植物量变化率为46％、美人蕉植物量变化率为63％；另外Cr含量由3.00mg/L降低到1.41mg/L，去除率达到53％；Cu含量由10.00mg/L降低到4.5mg/L，去除率达到55％；DDTs含量由2.65mg/L降低到1.06mg/L，去除率达到60％。从整体来看，该水陆交错带体系在运行期内对重金属Cr、Cu，有机污染物DDTs去除表现出较好的净化效果，有利于水体中重金属和有机物的消减。

Claims (10)

1.一种水陆交错带污染物捕集和植物群落消减模拟仿真装置，其特征在于，包括波浪水槽构筑物，该水槽构筑物为上端开口的长方形槽体，长度为15～25m，宽度为3～6m，深度为1～3m，水槽内装填有0.5～1.5m深的待模拟地表水体的水；位于模拟湖泊水域处的波浪水槽构筑物的一侧宽边A处设有推波器，位于模拟水域内的推波器的推波板形成波浪的一侧表面(即面向波浪水槽构筑另一侧宽边B的表面)与波浪水槽构筑物的长边垂直、宽边平行，平行于波浪水槽宽边的长方形推波板长边二侧距离对应的波浪水槽构筑物二侧长边分别为5～10cm，推波板形成波浪的一侧表面朝向波浪水槽构筑物另一侧宽边B，推波器可模拟水体水利扰动于推波板处产生浪高(波浪波峰到水平面的垂直距离)5～30cm向宽边B移动的波浪；于波浪水槽构筑物内的宽边B处设有水陆交错带体系，所述水陆交错带体系包括岸坡基底，岸坡基底包括靠于宽边B的岸和与岸相接的坡，均由基质材料堆积而成；岸由波浪水槽构筑物宽边B向宽边A一侧延伸形成陆地，垂直于宽边B的岸的长度为3～6m，平行于宽边B的岸的宽度小于等于宽边B的长度，且位于水面上方的陆地带有坡度为5～10°缓坡，作为陆岸植物带区域；坡是由岸与水面接触处向宽边A一侧延伸至水面下方所形成，坡最低点与槽底接触，其坡度为10～25°，作为挺水植物带区域；于陆岸植物带区域种植陆生植物，挺水植物带区域种植水生植物。
2.根据权利要求1所述的模拟仿真装置，其特征在于，所述地表水体为地球表面的自然界中的水体；如海洋、河流、湖泊或水库中一种或二种以上中的水；
所述的水陆交错带为水体与陆地的交错地带，如海洋、河流、湖泊或水库等的靠近岸边10～30m以内的水体与陆地区域；在水陆交错带中对水体中污染物的捕集，捕集水体中污染物的范围为：水体中富营养化的氮、磷、COD，有机污染物质(DDTs、、PCBs、PAHs等中的一种或二种以上)及无机污染物(如重金属铬、铜、镉、锌、铅等中的一种或二种以上)中的一种或二种以上。
3.根据权利要求1所述的模拟仿真装置，其特征在于，所述的陆岸植物带区域、挺水植物带区域进行种植时，会对其岸坡表层地形改造；在所述的陆岸植物带区域设置平行于波浪水槽构筑物宽边B的沟槽和沿平行于宽边方向排列的凹坑，所述的陆岸植物带区域的凹坑设置方式为从水面向宽边B的方向，每间隔一个沟槽宽度设置凹坑列，共设置4～8排凹坑列，每1～3排凹坑列之间隔设有1个沟槽，沟槽至少设置2个以上；所述的挺水植物带区域的凹坑设置方式为从水陆交界处向宽边A的方向，共设置4～6排凹坑列；垂直于宽边B方向相邻沟槽与凹坑列间、或相邻凹坑列与凹坑列间上边沿的距离0～5cm。
4.根据权利要求3所述的模拟仿真装置，其特征在于，所述的凹坑列是在陆岸植物带区域和挺水植物带区域对岸坡基底沿平行于宽边B的方向挖一排凹坑，每排凹坑靠近波浪水槽构筑物长边的二侧凹坑上边沿分别与波浪水槽二侧的长边相贴接，且每排凹坑中的相邻凹坑上边沿紧密相贴接，凹坑为倒四棱锥台形，在陆岸植物带区域的四棱锥台凹坑的下底面长*宽为40～50*15～25cm，上底面长*宽为38～48cm*10～20cm，深度为30～50cm；在挺水植物带区域的四棱锥台凹坑的下底面长*宽为40～50cm*20～50cm，上底面长*宽为38～48cm*16～48cm，深度为30～50cm；于凹坑内表面镶嵌铺设一层硅基多孔陶瓷材料的砖块，铺设砖块厚度为2～5cm，凹坑内填充有质量比为1～9:9～1的粒径≤3cm的硅基多孔陶瓷材料颗粒和土壤混合物，作为花盆；所述的沟槽是在陆岸植物带区域对岸坡基底沿平行于宽边B的方向挖与宽边B长度相同的沟槽，沟槽垂直于宽边B方向的截面为倒梯形，梯形下底边宽度为40～60cm，下底边与上底面宽差为5～15cm，深度为40～60cm；在沟槽内表面镶嵌铺设一层硅基多孔陶瓷材料的砖块，铺设砖块厚度为4～8cm，并于沟槽内部填充三层分别由网袋或布袋包裹硅基多孔陶瓷材料填充物，每层厚度6～10cm。
5.根据权利要求3或4所述的模拟仿真装置，其特征在于，在距离靠近水陆交界面最近的第二个所述的沟槽内部竖立设有3根外径110mm的PVC管，垂直所述的波浪水槽构筑物的底面，沿平行于所述的波浪水槽构筑物一侧长边，由宽边B指向宽边A的方向排列，距离相近的所述的波浪水槽构筑物长边0.5～2m，每间隔5cm竖立一根PVC管，其中第一根、第二根PVC管下端分别深入第一层与第二层、第二层与第三层所述的网袋或布袋包裹的多孔材料层交界处，第三根PVC管下端深入到第三层所述的网袋或布袋包裹的多孔材料层和所述的沟槽底内壁交界处；每个PVC管下端装有外径110mm的管道封盖，距离管道封盖和PVC管交界处0～4cmPVC管壁上设有钻孔便于汇水到管内，从而取经过不同所述的网袋或布袋包裹的多孔材料层的水样。
6.根据权利要求4或5所述的模拟仿真装置，其特征在于，所述的硅基多孔陶瓷材料是东北大学以铁尾矿为原料制备而成，具有较高透气性和吸附性，其专利号为202110235005.2。
7.根据权利要求1所述的模拟仿真装置，其特征在于，所述的岸坡基质材料为粘性土和粒径0.5～3cm的砂石的混合物，按质量比9:1～5:5配比组合而成；所述的推波器采用天津奥菱工业自动化科技有限公司的港池造波系统-平推式造波机。
8.根据权利要求1或4所述的模拟仿真装置，其特征在于，所述陆岸植物包括乔木植物、灌木植物和草本植物中的一种或二种以上；其中乔木植物：垂柳、落叶松、毛白杨中的一种及二种以上；灌木植物：紫穗槐、刺槐、构树中的一种及二种以上；草本植物：黑麦草、石蒜、白茅、大花马齿苋中的一种及二种以上；草本植物种植在靠近水面0～2m之间区域的所述的花盆内，灌木植物种植在距离水面1～3m之间区域的所述的花盆内，乔木植物在距离水面3m至波浪水槽构筑物宽边B之间区域的所述的岸坡基底上；其中乔木植物种植株间距为1.5～3.0*1.5～3.0m，灌木植物、草本植物均以4～10丛/m2密度种植；所述的水生植物为芦苇、美人蕉、菖蒲中的一种及二种以上，水生植物种植在水深0～1m之间区域的所述的花盆内，以4～10丛/m2密度种植；另外草本植物中的大花马齿苋种植在所述的沟槽内部的所述的网袋或布袋包裹的多孔材料层的最上层。
9.一种权利要求1～8所述的模拟仿真装置的应用，其特征在于：
所述的推波器模拟湖泊水利扰动产生的波浪周期为0.3～5s，每天的工作时间为6～12h，分成2～4次运行，每次1～6h，相邻二次运行间隔1～3h；可于所述的一种水陆交错带体系的模拟仿真装置中模拟污染的地表水体，水环境中的污染物包括下述中的一种或二种以上：TP浓度0.02～20mg/L，TN浓度0.33～30mg/L，COD浓度10～80mg/L，铬(Cr)浓度0.08～3.0mg/L，铜(Cu)浓度0.10～10mg/L、镉(Cd)浓度0.01～3.00mg/L，铅(Pb)浓度0.05～3.00mg/L，DDTs浓度0.002～5mg/L，PCBs浓度0.004～5mg/L；
且于模拟装置中种植乔木植物、灌木植物、草本植物、水生植物中的一种或二种以上，用于筛选适用于污染物浓度范围内地表水体且具有对N、P、COD、重金属(Cr、Cu、Pb、Cd等中的一种或二种以上)、有机污染物(DDTs、PCBs、PAHs等中的一种或二种以上)中的一种或二种以上净化效果的植物；以植物在实验周期4～5个月内生物量(植物干重)变化率WD≥40％作为判定依据，其中栽种时，同一批植株长势相同同种幼苗生物量记为D1，试验周期后同种植物生物量记为D2，生物量变化率WD＝(D2-D1)/D1，当WD≥40％时表明该植物具有较好净化效果，否则净化效果不好；同时测定水体N、P、COD、重金属(Cr、Cu、Pb、Cd等中的一种或二种以上)、有机污染物(DDTs、PCBs、PAHs等中的一种或二种以上)中的一种或二种以上污染物去除率W≥50％时，表明形成的水陆交错带体系具有较好的净化作用效果，否则净化效果不好；其中种植植物前水体污染物浓度分别为C1，试验周期后水体污染物浓度分别记为C2，污染物去除率W＝(C2-C1)/C1。
10.一种权利要求1～8所述的模拟仿真装置的应用，其特征在于：所述的推波板模拟水体水利扰动产生的波浪周期为0.3～5s，所述的推波器每天的工作时间为6～12h，分成2～4次运行，每次3～6h，相邻二次运行间隔1～3h；于2个及以上规格和构成相同的模拟装置中分别种植的植物种类、数量和分布相同的乔木植物、灌木植物、草本植物、水生植物中的一种及二种以上，于水体或植物根部投加不同量的微生物菌剂，研究微生物菌剂对水陆交错带净化氮磷的促进作用，用于确定菌剂最佳投加量；微生物菌剂促进作用效果和最佳投加量以水陆交错带对氮、磷去除率W≥50％作为判定依据，其中投加微生物菌剂前水体氮、磷浓度记分别为CP1、CN1，试验周期后水体氮、磷浓度分别记为CP2、CN2，氮的去除率WN＝(CN2-CN1)/CN1，磷的去除率Wp＝(Cp2-CP1)/Cp1，当W≥50％时表明该投加量的微生物菌剂对整个水陆交错体系脱氮除磷具有较好的促进效果，否则促进效果不好。
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