CN113636658B - 一种可持续净化底泥和水体污染物的生态拼接毯 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可持续净化底泥和水体污染物的生态拼接毯，包括合金固定片以及自下而上依次间隔固定在合金固定片上的底泥覆盖修复层、曝气微生物处理层以及植物吸附层，所述底泥覆盖修复层包括塑料筐外壳、碳纤维布层、混合颗粒层以及反滤上盖板，所述曝气微生物处理层包括带孔的合金主体框架、曝气主管、曝气管卡口、曝气支管、微生物载体颗粒和聚氨酯微生物挂膜载体，所述植物吸附层包括六面开孔的合金框、植物种植篮、吸附球、种植基质以及水生植物。本发明的生态拼接毯不仅可以进行针对性设计制造，方便工程安装和运输，而且分层结构也可根据水质变化进行替换，保证了生态拼接毯的可持续净化能力。
Description
技术领域
本发明涉及底泥修复和水处理的技术领域，特别是涉及一种可持续净化底泥和水体污染物的生态拼接毯，主要应用于河道和湖泊底泥修复与自然水体净化。
背景技术
随着外源污染逐步得到有效控制，以及河道和湖泊水源的补充，水体的黑臭程度得到了一定程度的缓解，但由于长时间工业污水和生活污水的不规范排放，以及空气污染沉降等一系列原因，致使湖泊和河流的底泥中仍然储存有大量的污染物甚至有害物质，它们源源不断的从底泥中释放，溶入水中，对水体造成污染，使得水质恶化，治理底泥内源污染已成为改善水体水质的关键。
目前，河道底泥修复与处理的方法，从底泥处理方式出发，可分为原位修复和异位修复；按污染源控制原理，可分为物理修复、化学修复和生物修复。异位修复是目前使用较为广泛的处理方式：首先将河道底泥挖出，然后将挖掘后的底泥脱水，采用化学或者生物的方法处理污水，并将底泥进行干燥填埋。异位修复法可以对河道的污染底泥进行有效的清除，但在一定程度上破坏了原有河道的生态系统，水体污染也被转嫁为固废污染，如果处理不当会对环境造成二次污染。原位修复主要是对河道原位置的底泥进行修复处理，采用的方法包括物理、化学、生物修复等污染源控制技术，对底泥中的污染物进行掩盖、吸附和降解等。其中物理修复主要运用土工布和膨润土等防水材料进行掩盖，直接隔绝底泥对上层水体的污染。化学和生物修复主要包括原位化学钝化、原位曝气和投加微生物的方式改善污染底泥，原位化学钝化是向黑臭底泥中投加氧化剂(过氧化钙、过氧化氢)以及电子受体(硝酸盐)等；氧化剂可将还原物质氧化，提高氧化还原电位；而投加的硝酸盐，可促进底泥中反硝化细菌的大量繁殖，抑制硫酸盐还原菌的生长，从而达到消除臭味、提高氧化还原电位，促使底泥从厌氧状态向缺氧状态转变的目的。
以上所述的方法单独使用都不具备可持续性，防水隔绝可以短时间的解决底泥污染的问题，但如果掩盖材料发生破坏，则底部的污染会继续释放到上覆水体，是一种不可持续的，短期的解决方式。投加的化学药剂虽然可以达到良好的效果，但由于化学试剂的性质，长期投加可能会改变水体的pH值以及氧化还原电位，对其他理化性质造成影响，这种影响不可逆，同时对水生生物也会造成伤害。原位曝气的方式对黑臭水体的增氧有很好的效果，但只进行曝气对黑臭水体的治理效果远远不够。直接投加微生物到底泥中，虽然对底泥有一定的效果，但随着水流的冲刷，微生物会随着被冲走，可持续性太差。
因此，阻止底泥污染物强烈释放的同时，逐渐修复污染底泥，达到维持甚至改善上覆水体水质是治理底泥内源污染技术发展的方向，也是工程应用的终极目标。
发明内容
本发明的目的是针对城市河道或湖泊的底泥不断析出污染物质破坏上覆水体的问题，提出一种可对底泥、底泥释放的污染物和水体中的污染物质进行可持续净化的生态拼接毯装置，该装置首先可对底泥进行适当阻隔，防止底泥在水体不断扰动的情况下持续向上翻起污染水体，其次该生态拼接毯多层递进式净化污染物的结构，能够从下到上逐步净化底泥中的氮、磷、重金属和有机污染物质，设计结构中的吸附球还可以吸附底泥散发的NH3、H2S、土臭素、二甲基异莰醇等嗅味物质。最后，位于生态毯上层的水生植物的设计不仅可以兼顾水生态治理和景观美化，同时也可以吸收水体中的氮、磷和有机物，共同组成多元化的生态治理体系。
为实现上述目的，本发明提供了一种可持续净化底泥和水体污染物的生态拼接毯，包括若干竖直固定在水底的合金固定片以及自下而上依次间隔固定在所述合金固定片上的底泥覆盖修复层、曝气微生物处理层以及植物吸附层，所述底泥覆盖修复层包括长方体网格结构的塑料筐外壳、铺设在所述塑料筐外壳底部的碳纤维布层、填充在所述塑料筐外壳内的混合颗粒层以及设置在所述塑料筐外壳上的反滤上盖板，所述曝气微生物处理层包括带孔的合金主体框架、贯穿设置在所述合金主体框架内的曝气主管、固定所述合金主体框架与曝气主管的曝气管卡口、通过连接卡扣与所述曝气主管交错连接的曝气支管、填充在所述合金主体框架内的微生物载体颗粒和聚氨酯微生物挂膜载体，所述植物吸附层包括六面开孔的合金框、间隔设置在所述合金框内的植物种植篮以及填充在所述合金框内的吸附球，所述植物种植篮底部填充有种植基质，所述种植基质内种植有水生植物。
优选地，所述底泥覆盖修复层、曝气微生物处理层以及植物吸附层的层间距为5cm。
优选地，所述底泥覆盖修复层的高度为10～12cm；所述塑料筐外壳的四个侧面均为塑料框结构，孔径为3～5mm；所述反滤上盖板为涤纶短纤针刺土工布层。
优选地，所述微生物载体颗粒和聚氨酯微生物挂膜载体的填充体积比为65:100；所述微生物载体颗粒的粒径为6mm左右，所述聚氨酯微生物挂膜载体为边长为3cm左右的泡沫状立方体。
优选地，所述曝气主管为合金管道，且每隔30cm于左右两侧分别开设有曝气孔，所述曝气支管为PVC开孔管，所述曝气支管通过连接卡扣连接在曝气主管开孔段上。
优选地，所述混合颗粒层包括粒径8～12mm的麦饭石、粒径8～12mm的沸石、粒径8～10mm的ORC释氧剂以及粒径6～8mm的底泥修复固定化微生物颗粒。
优选地，所述ORC释氧剂包括质量比为16:30:14:18:22的膨润土、过氧化钙、砂、水泥以及水；所述底泥修复固定化微生物颗粒包括质量比为18:26:15:17:24的生物菌剂、火山石、砂石、水泥以及水。
优选地，所述微生物载体颗粒为酵母菌、光合菌、Gram阳性杆菌、硝化细菌和聚磷菌包埋在陶粒中制成的固定化微生物载体颗粒。
优选地，所述吸附球直径为6cm，装填密度为200个/m3，所述吸附球为网状空心球，所述吸附球内部装载填充材料，所述填充材料包括硅藻土、果壳活性炭颗粒以及ORC释氧剂。
本发明的另一目的在于提供一种可持续净化底泥和水体污染物的生态拼接毯结构，包括若干设置在水底的生态拼接毯，且相邻生态拼接毯通过曝气管卡口相连接，所述曝气主管通过管路与空压机相连接。
基于上述技术方案，本发明的优点是：
本发明的生态拼接毯共分为3层结构，从下到上依次对底泥释放的污染物进行治理。底泥覆盖修复层选用功能性填料颗粒覆盖底泥，延缓底泥污染物的释放速率，同时通过功能性填料颗粒麦饭石、沸石、ORC释氧剂和微生物载体颗粒对有机物、氮磷和重金属进行阻隔和吸附，根据不同的底泥污染情况设计最佳填料体积比，初步治理污染底泥，使得进入上覆水的污染物浓度下降；曝气微生物处理层运用曝气系统增加了水体中的溶解氧，保证了微生物的活性，微生物载体颗粒比传统微生物挂膜更适应污染的突然汇入，同时微生物载体颗粒缓释微生物的特性可延长处理效果；植物吸附层包括吸附球和水生植物，吸附球可对有害气体进行吸收，植物根系可进一步消减污染物。
本发明的生态拼接毯为单元式拼接结构，可根据数量需要按地形进行拼接。纵向为3层结构，每一层结构可进行拆卸，方便后续填充物的更换和改进，达到可持续利用的目的。本发明的生态拼接毯方便制作和运输，在实际工程中应用后，还可根据生态拼接毯设计结合污染情况和可选择的治理手段，定向确定治理方案，达到可持续修复河湖水体，维持水质长期稳定向好的目的。
本发明的生态拼接毯不仅可以进行针对性设计制造，方便工程安装和运输，而且分层结构也可根据水质变化进行替换，保证了生态拼接毯的可持续净化能力。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为合金固定片示意图；
图2为生态拼接毯俯视示意图；
图3为生态拼接毯示意图；
图4为曝气微生物处理层结构示意图；
图5为曝气微生物处理层截面示意图；
图6为一种生态拼接毯结构的示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明提供了一种可持续净化底泥和水体污染物的生态拼接毯，如图1～图6所示，其中示出了本发明的一种优选实施方式。本发明的生态拼接毯为单元式拼接结构，可根据数量需要按地形进行拼接。纵向为3层结构，每一层结构可进行拆卸，方便后续填充物的更换和改进，达到可持续利用的目的。
具体地，所述生态拼接毯包括若干竖直固定在水底1的合金固定片7以及自下而上依次间隔固定在所述合金固定片7上的底泥覆盖修复层2、曝气微生物处理层4以及植物吸附层5，所述底泥覆盖修复层2包括长方体网格结构的塑料筐外壳、铺设在所述塑料筐外壳底部的碳纤维布层、填充在所述塑料筐外壳内的混合颗粒层以及设置在所述塑料筐外壳上的反滤上盖板3，所述曝气微生物处理层4包括带孔的合金主体框架8、贯穿设置在所述合金主体框架8内的曝气主管12、固定所述合金主体框架8与曝气主管12的曝气管卡口10、通过连接卡扣13与所述曝气主管12交错连接的曝气支管14、填充在所述合金主体框架8内的微生物载体颗粒11和聚氨酯微生物挂膜载体9，所述植物吸附层5包括六面开孔的合金框、间隔设置在所述合金框内的植物种植篮15以及填充在所述合金框内的吸附球16，所述植物种植篮15底部填充有种植基质，所述种植基质内种植有水生植物17。
在河道和湖泊底泥治理的过程中，生态拼接毯可直接在湖底或者河道底部进行铺设。生态拼接毯的适用条件如下：
水体流速≤0.4m/s；
水深≥1.0m(生态拼接毯具有一定的高度)；
水体污染程度轻至中度；
河道底部材质为自然型河道非硬质河道；
底泥状态为底泥层较厚，会持续释放污染物但水体未达到严重黑臭的程度。
如图1所示，生态拼接毯为单元式拼接结构，每个生态拼接毯单元横切面优选为正方形，也可根据实际需求进行个性化设计，宽度设置在1.2m～2.0m，高度0.55～0.65m，高度可在此区间范围内进行调节。该毯四角外缘用合金固定片7进行固定，通过螺丝固定在合金固定片7的卡槽内，可上下调整位置，各层之间独立安装，可进行拆卸，同时通过底部的螺丝孔打桩固定在河湖底部。合金固定片7按照生态拼接毯的大小进行布置，合金固定片7和框架主体结构如图2所示。
所述生态拼接毯主体单元结构如图3所示，该生态拼接毯在竖直方向为3层结构，从下到上依次为底泥覆盖修复层2、曝气微生物处理层4和植物吸附层5，各层之间设置5cm的空白，以保证纵向水体6的流动性。
底泥覆盖修复层2是生态拼接毯结构直接接触底泥面1的最下层，高度约为10～12cm，为长方体网格结构的塑料筐外壳。塑料筐外壳底部铺设抗拉强度高的碳纤维布料制成的孔径约等于5mm的碳纤维布面；长方体塑料筐外壳四个侧面均采用塑料框结构，孔径保持3～5mm。
进一步，塑料筐外壳内填充混合颗粒，待填料填充后，安装反滤上盖板3。所述反滤上盖板3主体材料为涤纶短纤针刺土工布，该上盖板材料具有良好的透气性和透水性，不会阻碍水体和污染物质的流动，也能截流因为外界扰动翻起来的泥土，防止污染的底泥将上层水体变浑浊，涤纶短纤针刺土工布抗拉强度高，长时间在装置最底部不容易破裂，能够增强结构的稳定性。
塑料框内填充混合颗粒层作为覆盖修复主体，按100％体积比例填满箱体。混合颗粒共有4种，分别是麦饭石(8～12mm)：对氨氮的阻隔效率高；沸石(8～12mm)：具有吸附性，对重金属有着较好的阻隔作用；ORC释氧剂(8～10mm)：产生的气泡较小，能够直接作用于沉积物表面，最大程度地使沉积物与释放的氧气接触，对好氧修复过程起到促进作用；底泥修复固定化微生物颗粒(6～8mm)：是一种运用生物工艺学技术，将乳酸菌、酵母菌群、Gram阳性杆菌群、硝化菌群等多种微生物包埋在陶粒、火山石等材料的固体颗粒中制成的固定化微生物载体，专门针对底泥修复。其中，ORC释氧剂和底泥修复固定化微生物颗粒为自制混合颗粒，采用机械破碎搅拌的方式进行破碎后，将混合物置于模具中压制成直径6～8mm的近似球形结构。
优选地，所述ORC释氧剂包括质量比为16:30:14:18:22的膨润土、过氧化钙、砂、水泥以及水；所述底泥修复固定化微生物颗粒包括质量比为18:26:15:17:24的生物菌剂、火山石、砂石、水泥以及水。
曝气微生物处理层4位于生态拼接毯中间层，此层运用微生物处理和机械曝气相结合的处理方法，总层高15cm左右，净化底泥释放和水体中的有机污染物、氮，磷等。如图4、图5所示，曝气微生物处理层4的主体框架为合金主体框架8，合金主体框架8设计为两侧开孔，设置曝气管道如图4所示。所述合金主体框架8内除曝气管道剩余部分，按照体积比65％的比例填充微生物载体颗粒11(粒径为6mm左右)和聚氨酯微生物挂膜载体9，聚氨酯微生物挂膜载体9(边长为3cm左右的泡沫状立方体)作为微生物颗粒溶解之后微生物栖息的场所，为微生物提供了生存空间，使得大量微生物得以附着生长，可维持曝气微生物处理层内较高浓度的生物量。
微生物处理和曝气相结合，可以提高微生物的活性，增加水体溶解氧，有利于提高有机物和氮磷等的去除效果。曝气主管12选用合金管道，每隔30cm于左右两侧分别开设曝气孔，曝气支管14为PVC开孔管，通过连接卡扣13固定在曝气主管12开孔段。
微生物载体颗粒11(直径6mm左右)是经过固化处理的可持续释放微生物的成品颗粒，其中微生物主要包括酵母菌、光合菌、Gram阳性杆菌、硝化细菌、聚磷菌等，将多种细菌包埋在陶粒中制成固定化微生物载体颗粒，其菌种适应性强，持续释放时间长，因此可承受较高的外源污染的冲击(如初期雨水、生活污水的排放等)，再结合聚氨酯泡沫载体的挂膜作用，处理效果更加高效稳定。
如图3所示，所述植物吸附层5包括六面开孔的合金框、间隔设置在所述合金框内的植物种植篮15以及填充在所述合金框内的吸附球16，所述植物种植篮15底部填充有种植基质，所述种植基质内种植有水生植物17。植物吸附层5为长方体结构，六个面均采用合金开孔材料(孔径3～5cm)，顶部按照图6所示的布局设置植物种植篮15，植物种植篮15内的填料基质按照1:2添加陶粒和沸石，底部为孔径3～5cm的带孔合金板。
优选地，所述吸附球16的直径为6cm，装填密度为200个/m3，所述吸附球16为网状空心球，所述吸附球16内部装载填充材料，所述填充材料包括硅藻土、果壳活性炭颗粒以及ORC释氧剂(为植物根部提供溶解氧)，用于对底泥中释放的污染物进入上覆水体前进行吸附和净化，尤其是针对经发酵产生的NH3、H2S、土臭素、二甲基异莰醇等臭味物质，吸附层可以对这些有气味和有害的气体进行吸附。同时植物吸附层上盖板可以打开，可以在吸附饱和之后将吸附球取出更换，进行持久有效地利用。
植物种植篮15种植的植物以沉水植物为主，如果水位较浅，也可以根据需要种植挺水植物和浮水植物。植物可对底泥释放的污染物进行吸附、净化，同时还能加强景观效果，由于生态拼接毯的可组合性，根据景观需求进行植物搭配设计，增强河道和湖泊的景观效果。
本发明的生态拼接毯共分为3层结构，从下到上依次对底泥释放的污染物进行治理。底泥覆盖修复层选用功能性填料颗粒覆盖底泥，延缓底泥污染物的释放速率，同时通过功能性填料颗粒麦饭石、沸石、ORC释氧剂和微生物载体颗粒对有机物、氮，磷和重金属进行阻隔和吸附，根据不同的底泥污染情况设计最佳填料体积比，初步治理污染底泥，使得进入上覆水的污染物浓度下降；曝气微生物处理层运用曝气系统增加了水体中的溶解氧，保证了微生物的活性，微生物载体颗粒比传统微生物挂膜更适应污染的突然汇入，同时微生物的缓释可延长处理效果；植物吸附层包括吸附球和水生植物，吸附球可对有害气体进行吸收，植物根系可进一步消减污染物。
具体地，各层的材料功能特性和投加频率如下表1所示：
表1各层材料及功能特性表
本发明的还提供一种可持续净化底泥和水体污染物的生态拼接毯结构。如图6所示，所述生态拼接毯结构包括若干设置在水底的生态拼接毯，且相邻生态拼接毯通过曝气管卡口10相连接，所述曝气主管12通过管路与空压机18相连接。
空压机18可设置外加能源结构，包括太阳能电池板，曝气连接管，水质检测线路等。外加能源结构在供给曝气的同时也可以为河道和湖泊岸边人行道的路灯进行供电。
本发明的生态拼接毯为单元式拼接结构，可根据数量需要按地形进行拼接。纵向为3层结构，每一层结构可进行拆卸，方便后续填充物的更换和改进，达到可持续利用的目的。本发明的生态拼接毯方便制作和运输，在实际工程中应用后，根据生态拼接毯设计结合污染情况和可选择的治理手段，定向确定治理方案，达到可持续修复河湖水体，维持水质长期稳定向好的目的。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (8)
1.一种可持续净化底泥和水体污染物的生态拼接毯，其特征在于：包括若干竖直固定在水底(1)的合金固定片(7)以及自下而上依次间隔固定在所述合金固定片(7)上的底泥覆盖修复层(2)、曝气微生物处理层(4)以及植物吸附层(5)，所述底泥覆盖修复层(2)包括长方体网格结构的塑料筐外壳、铺设在所述塑料筐外壳底部的碳纤维布层、填充在所述塑料筐外壳内的混合颗粒层以及设置在所述塑料筐外壳上的反滤上盖板(3)，所述混合颗粒层包括粒径8～12mm的麦饭石、粒径8～12mm的沸石、粒径8～10mm的ORC释氧剂以及粒径6～8mm的底泥修复固定化微生物颗粒，所述曝气微生物处理层(4)包括带孔的合金主体框架(8)、贯穿设置在所述合金主体框架(8)内的曝气主管(12)、固定和连接曝气主管(12)的曝气管卡口(10)、通过连接卡扣(13)与所述曝气主管(12)交错连接的曝气支管(14)、填充在所述合金主体框架(8)内的微生物载体颗粒(11)和聚氨酯微生物挂膜载体(9)，所述微生物载体颗粒(11)和聚氨酯微生物挂膜载体(9)的填充体积比为65:100，所述微生物载体颗粒(11)为酵母菌、光合菌、Gram阳性杆菌、硝化细菌和聚磷菌包埋在陶粒中制成的固定化微生物载体颗粒，所述植物吸附层(5)包括六面开孔的合金框、间隔设置在所述合金框内的植物种植篮(15)以及填充在所述合金框内的吸附球(16)，所述吸附球(16)内部装载填充材料，所述填充材料包括硅藻土、果壳活性炭颗粒以及ORC释氧剂，所述植物种植篮(15)底部填充有种植基质，所述种植基质内种植有水生植物(17)。
2.根据权利要求1所述的生态拼接毯，其特征在于：所述底泥覆盖修复层(2)、曝气微生物处理层(4)以及植物吸附层(5)的层间距为5cm。
3.根据权利要求1所述的生态拼接毯，其特征在于：所述底泥覆盖修复层(2)的高度为10～12cm；所述塑料筐外壳的四个侧面均为塑料框结构，孔径为3～5mm；所述反滤上盖板(3)为涤纶短纤针刺土工布层。
4.根据权利要求1所述的生态拼接毯，其特征在于：所述微生物载体颗粒(11)的粒径为6mm左右，所述聚氨酯微生物挂膜载体(9)为边长为3cm左右的泡沫状立方体。
5.根据权利要求1所述的生态拼接毯，其特征在于：所述曝气主管(12)为合金管道，且每隔30cm于左右两侧分别开设有曝气孔，所述曝气支管(14)为PVC开孔管，所述曝气支管(14)通过连接卡扣(13)连接在曝气主管(12)开孔段上。
6.根据权利要求1所述的生态拼接毯，其特征在于：所述ORC释氧剂包括质量比为16:30:14:18:22的膨润土、过氧化钙、砂、水泥以及水；所述底泥修复固定化微生物颗粒包括质量比为18：26：15：17：24的生物菌剂、火山石、砂石、水泥以及水。
7.根据权利要求1所述的生态拼接毯，其特征在于：所述吸附球(16)的直径为6cm，装填密度为200个/m3，所述吸附球(16)为网状空心球。
8.一种可持续净化底泥和水体污染物的生态拼接毯结构，其特征在于：包括若干设置在水底的上述权利要求1～7中任一项中所述生态拼接毯，且相邻生态拼接毯通过曝气管卡口(10)相连接，所述曝气主管(12)通过管路与空压机(18)相连接。
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