CN116986766A - 一种水生态梯级式修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水生态梯级式修复方法，包括以下步骤：将含有悬浮物质的水体引入沉淀塘单元，使水体中的悬浮物质沉淀；将经过沉淀的水体引入截流渠单元，进行分流和调节水量；将调节后的水体引入滤池单元，降解水体中的有机物；将经滤池处理后的水体引入植被塘单元，减少水体中的营养盐和农药；将经植被塘处理后的水体引入生物塘单元，持续降解水体中的污染物。本发明的水生态梯级式修复方法由沉淀塘、截流渠、滤池、植被塘和生物塘等多级单元协同作用，可逐级去除水体中的悬浮物质、有机物、营养盐和农药等污染物，通过物理隔离、生物降解、植物吸收等手段，实现对污染水体的多目标联合治理，可以有效提高水体的净化效果。

Description

一种水生态梯级式修复方法

技术领域

本申请涉及一种水生态修复方法，尤其涉及一种水生态梯级式修复方法。

背景技术

随着农业生产的发展，化肥和农药的大量使用使得临近农田的湖泊、河流面临着严重的面源污染问题。据调查统计表明，典型的农业区每亩地使用约10公斤氮肥、5公斤磷肥，以及2.5公斤各类农药。这些营养盐和农药最终通过地表径流等途径进入周边的河流和湖泊，成为主要的面源污染来源。污染导致了水体的富营养化现象严重，频繁出现大面积的水华，氧化作用旺盛，水生生物种类减少，从而造成严重的经济损失。

针对上述农业面源污染的水环境问题，现有的治理技术以拦截式人工湿地居多，但去除效果有限。且设计无序，对不同污染物去除机理分析不够，净化率低。因此，亟需一种更高效的治理技术方案。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供了一种水生态梯级式修复方法，其包含了多级水生态处理，可以有效提高水体的净化效果。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：一种水生态梯级式修复方法，包括以下步骤，将含有悬浮物质的水体引入沉淀塘单元，使水体中的悬浮物质沉淀；将经过沉淀的水体引入截流渠单元，进行分流和调节水量；将调节后的水体引入滤池单元，降解水体中的有机物；将经滤池单元处理后的水体引入植被塘单元，减少水体中的营养盐和农药；将经植被塘单元处理后的水体引入生物塘单元，持续降解水体中的污染物。

进一步的，沉淀塘单元中的水体停留时间为8-12小时，沉淀塘单元的容积为1000-5000立方米，沉淀塘单元底部倾斜度为1.2°-1.5°，沉淀塘单元内设置有至少一个分隔板，分隔板上开设有间隔分布的孔隙，以引导水体的流动，分隔板的材质为不锈钢或硬质塑料，孔隙的大小为5-10厘米。

进一步的，截流渠单元的流量调节为原水体流量的30％-50％，截流渠单元为呈矩形截面的渠槽结构，渠槽结构的两侧和底部使用防渗材料进行加固，渠槽结构的顶部开设有至少一个调节孔，调节孔的开启大小可控制流量的多少。

进一步的，滤池单元内填充有活性炭和石英砂两种滤料，两种滤料的体积比例为1:2至1:4，其中活性炭的球体粒径为1-3mm，石英砂的球体粒径为3-5mm，活性炭的厚度占滤池单元总厚度的20％-30％。

进一步的，滤池单元的滤料填充厚度为80-120cm，滤池单元为砖混结构，砖混结构壁厚20-30cm，滤池单元的池底部设有支撑滤料的隔板，隔板与池底部之间呈预设角度。

进一步的，植被塘单元中的水体停留时间为48-72小时，植被塘单元面积为滤池单元面积的1-3倍，植被塘单元内设置有人工湿地构造，人工湿地中种植有莎草、菹草、灯心草中至少一种植物。

进一步的，植被塘单元的出水口设置有荨麻网过滤装置，荨麻网过滤装置由不锈钢薄板焊接制成，荨麻网过滤装置的网孔径为0.5-1毫米，荨麻网过滤装置呈半圆拱形、开口朝上，其下部焊接有排水管道。

与现有技术相比较，本申请的优点在于：

1、充分利用和发挥了生物体系的自净能力，如微生物、藻类、水生植物等的代谢作用，将水体中的污染物转化或吸收吸收；

2、各单元协同作用，综合发挥生物学、物理化学多种净化机制，修复效果好；

3、模拟自然的生态方式，污染修复更彻底，更符合可持续发展的要求；

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对将实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种水生态梯级式修复方法流程图；

图2是本发明提供的一种水生态梯级式修复系统的结构示意图；

图3是本发明提供的另一种水生态梯级式修复系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例一：如图1所示，本申请实施例提供一种水生态梯级式修复方法。

S1：将含有悬浮物质的水体引入沉淀塘单元，使水体中的悬浮物质沉淀。

农田排放的废水含有大量泥沙等悬浮物质，先将废水引入沉淀塘单元中，沉淀塘单元内没有任何生物，底部铺有一层细沙子。废水从沉淀塘的一端流入，在塘内缓慢流动，流经塘的整个长度，停留一段时间。随着时间流逝，废水中的悬浮泥沙等逐渐沉降，沉积在塘底，从塘的出口流出的废水会变得较清澈，许多悬浮污染物已经被过滤除去，这是利用沉淀原理去除废水中悬浮物的第一步处理。

S2：将经过沉淀的水体引入截流渠单元，进行分流和调节水量。

将经过第一步沉淀后的水流入一个具有调节功能的截流渠单元中，截流渠为人工构建的水泥渠道，有多个池段，可以根据下游处理单元的实际处理能力，来调节通过的水量，将一部分的水量分流到下一个滤池单元，防止下游单元过载，剩余水量则回流到前一个沉淀塘单元继续沉淀处理，可使回流水体可继续进行净化，也保证后续单元有足够水量和负荷,避免处理不充分。

S3：将调节后的水体引入滤池单元，降解水体中的有机物。

经过截流调节的水体，流入滤池单元。滤池充填各类滤料，水体通过滤料间隙和孔隙时，滤料可以机械隔离悬浮物质。同时，滤料具有一定的吸附作用，可以吸附水中残留的有机物、重金属等污染物。最重要的是，滤料表面会自然附着各类微生物，特别是在充氧条件下，这些微生物可以分解水中可生化的有机物，如农药等。水体在滤池单元中停留，经过滤料降解后，许多难以分解的有机污染物都被转化为无机物而去除。

S4：将经滤池单元处理后的水体引入植被塘单元，减少水体中的营养盐和农药。

植被塘单元充满了许多植物，可以吸收水体中的营养盐，特别是氮、磷营养，同时对一些农药也有好的吸收和积累作用。水体流经塘内时，植物对水体进行直接吸收。植物吸收后,营养盐和农药被植物利用或积累，水体中的营养盐和农药得以降低。此外,植被塘单元中也存在一定的藻类及微生物，可以对水体进行进一步的生物降解。水体在植被塘单元停留后，植被塘单元可以明显减少水体中的营养污染物和农药。

S5：将经植被塘单元处理后的水体引入生物塘单元，持续降解水体中的污染物。

生物塘单元中存在许多鱼类等水生生物。这些生物通过摄食、新陈代谢等行为，可以持续从水体中获得营养物质。同时，生物塘中也存在藻类、水生植物以及大量微生物，这些生物体系可以对水体中的残留污染物进行生物降解。水体在生物塘中停留较长时间，在此期间，生物塘中的生物群落发挥协同作用，从各个途径不断对水体进行生物学净化。通过生物塘单元这一最后净化步骤，可以较为彻底地去除水体中的剩余污染物，达到排放要求。

在本实施例中，通过沉淀、截流、过滤、植物吸收、生物降解等一系列步骤对水体进行逐级治理，不同单元协同作用，既发挥了物理隔离的作用去除污染物，又利用了生物降解和植物吸收等生态方式净化水体，充分融合了生物、植物系统的自净能力，净化效果更稳定、更彻底，同时,运营成本相对较低，处理过程无二次污染，实现了绿色环保、高效的水生态修复。

具体的，步骤S1中的沉淀塘单元设置作为本水生态修复方法中的初级物理沉淀处理单元，接收农田排放出的污染地表水体的输入，去除水体中的悬浮物质，沉淀塘单元构建的方法为：

示例性的，根据水体流量和污染负荷进行充分论证后，沉淀塘单元的有效体积设置为1000-5000立方米，预留空间作为大水期缓冲；沉淀塘单元水深控制在1-2米，以便于固液分离，用于去除水体中的悬浮物质；沉淀塘单元中的水体停留时间为8-12小时；沉淀塘单元的结构设置为矩形或圆形池体结构，设置有多个分隔板，分隔板上开设有间隔分布的孔隙，以引导水体的流动，分隔板的材质为不锈钢或硬质塑料，孔隙的大小为5-10厘米；沉淀塘单元入口部位设置能量消耗台阶，减速流入水流，出口部位设置调节控制堰，控制出水流量，沉淀塘单元池底部设置由入口到出口逐渐倾斜的倾斜式底坡，倾斜度为1.2°-1.5°，便于污泥收集。

在本实施例中，沉淀塘单元采用合理控制水力学参数的设计方案，通过调节水深、流速和停留时间，实现对水体中悬浮颗粒的高效截留。同时，设置了内部结构引导水流，使水体充分接触池底表面，改善沉淀效果，倾斜底坡有利于污泥集中收集。该单元结构简单，可有效去除大量悬浮物质，为后续处理创造了良好的水质条件，是本方案中不可或缺的重要组成步骤。

具体的，步骤S2中的截流渠单元设置于沉淀塘单元的下级，接收经沉淀塘单元处理后的水体输入，分流水体和调节水量负荷，截流渠单元构建的方法为：

示例性的，考虑地形地貌因素，截流渠单元可采用开渠形式的土沟渠或混凝土隧洞渠，也可采用封闭的盖板渠道或矩形管渠。渠体内部设置有分流控制装置，典型的可采用调节闸门或抽水泵进行流量调控，调节闸门可手动或自动控制开度，实时调节下游各支流的分流量；抽水泵可设置在渠体的支流管线上，通过调节抽水流量精确控制水量分配。

示例性的，截流渠单元为呈矩形截面的渠槽结构，渠槽结构的两侧和底部使用防渗材料进行加固，确保水体不会渗透失量。渠槽结构的顶部开设有至少一个调节孔，这些调节孔可使用活门或栅板进行控制，可以根据水量要求，改变各个调节孔的开启程度，从而精确控制通过该单元的总水量。一般情况下，调节后的流量为原水量的30％-50％，剩余的水量则回流到前一沉淀单元继续处理。通过合理调控每个调节孔的开启幅度，可以灵活地控制各单元的水量分配，确保每个处理单元的水量负荷合理，避免过载或闲置的情况发生。

在本实施例中，截流渠单元采用调节孔控制水量的设计方案，可以精确调节各处理单元的水量分配，保证各单元负荷合理，避免过载或闲置，对于整个生态修复的稳定和高效运行至关重要，是水生态梯级修复方法中极为重要的步骤。

具体的，步骤S3中的滤池单元设置于截流渠单元的下级，接收经截流渠单元处理后的水体输入，降解水体中的有机物，滤池单元的构建方法为：

示例性的，滤池单元内填充有活性炭和石英砂两种滤料，一种是粒径1-3mm的活性炭,另一种是粒径3-5mm的石英砂，两种滤料的体积比例为1:2至1:4。滤料的总填充厚度为80-120厘米，按照一定比例填充活性炭和石英砂。活性炭层设置在上部，厚度占滤池单元总厚度的20％-30％，活性炭具有发达的孔隙结构和大的比表面积，可提供微生物附着生长的空间，并发挥良好的吸附作用去除水中污染物。石英砂则主要发挥机械滤除的作用。两种滤料粒径有利于形成合理的滤层结构，确保水体可以顺畅通过滤料间隙。同时，不同滤料的组合，综合发挥了吸附、生物降解和机械过滤的协同效应，提高了滤池的整体去除效率。

示例性的，滤池单元采用砖混结构，壁厚20-30厘米，足以承受侧向水压。池底部设置隔板支撑滤料，隔板与池底呈一定角度形成倾斜底面，倾斜底面有利于池内水体的流动，避免出现死角。隔板采用钢筋混凝土材质，隔板间距约为0.8-1米。隔板对滤料起到很好的支撑作用，还可以将滤料分隔成多个小块，避免因水流作用发生滤料移动现象。整个滤池单元结构坚固，可以长期稳定运行。

在本实例中，滤池单元采用活性炭与石英砂组合滤料的设计方案，合理利用了两种滤料的协同效应，综合发挥了它们的吸附性、生物降解性和机械过滤性。相比单一滤料，组合滤料提高了对多类污染物的去除能力，滤池的净化效率更高。倾斜底面和隔板设计也优化了水流状态。滤池单元为后续生物处理创造了良好的水质条件，是整个生态修复方法中非常关键的一步。

具体的，步骤S4中的植被塘单元设置于滤池单元的下级，接收经滤池单元处理后的水体输入，减少水体中的营养盐和残留农药，植被塘单元的构建方法为：

示例性的，植被塘单元的水体停留时间控制在48-72小时，面积设计为1-3倍的滤池单元面积。植被塘内设置人工湿地构造，选用莎草、菹草、灯心草等抽水植物进行种植。这些植物根系发达，对氮、磷等营养盐有良好的吸收能力。人工湿地区分为几个水深不同的区域，植被区面积约占塘面积的60％以上，按照植物对水深的适应性要求进行配置，使每种植物发挥最大的净化能力，其余为升降区域和小型调节池，用于调节水位。塘体两侧设置防渗墙,底部与周边隔离，确保水资源不失量。

示例性的，植被塘单元的出水口设置有荨麻网过滤装置，用于对出水进行过滤。荨麻网孔隙较小，可以对较大藻类、藻团进行有效过滤，达到出水净化的效果；荨麻网过滤还可以避免未过滤净化的水体直接排出，起到最后一道控制的作用，确保出水质量。该过滤装置由不锈钢薄板焊接制成，呈半圆拱形结构，开口朝上方；过滤装置网孔径控制在0.5-1毫米，可以对较大的藻类藻团进行过滤截留。过滤装置下部焊接有排水管道，经过滤的净水可顺利排出。过滤装置顶部开有检查口，便于日常清污和维护管理。

在本实施例中，植被塘单元通过模拟自然湿地的生物系统，发挥植物对水体净化的重要作用，通过配置不同湿生植物种类，针对不同水域环境进行种植，可以大幅提高对氮、磷等营养盐和残留农药的去除效果。与单纯依靠微生物相比，结合植物体系的水生态修复方法具有净化面积小、效率高的优点，并充分利用自然生态系统的净化能力，使整个修复更加绿色环保。

具体的，步骤S5中的生物塘单元设置于植被塘单元的下级，作为本申请提供的水生态梯级式修复系方法的终级生化处理步骤，接收经植被塘单元处理后的水体输入，持续降解水体中不易降解的污染物，生物塘单元的构建方法为：

示例性的，生物塘单元采用较深的池体设计，水深控制在1-2米；池体设置曝气系统，采用曝气机强力曝气的方式，通过充足的溶氧条件激活水体中的微生物，发挥其代谢作用。具体的，生物塘单元中设置有丰富的微生物种群，包括异养菌、藻类、厌氧菌等。这些微生物可利用水体中的营养物质进行新陈代谢，将难降解的有机物最终转化为CO2和H2O等无机物排出；同时,部分藻类及微生物也可吸收水中的氮、磷元素，实现脱氮和脱磷的功能。同时池中还放养一定量的鱼类，鱼类摄食可控制水体中藻类量，维持生态平衡，同时也有利于发挥这些微生物和鱼类的协同作用，对水体进行深度生物净化。

在本实施例中，通过生物塘单元的强化生化处理，可有效深度降解水体中的残留污染物，最终达到排放标准，是水生态梯级式修复方法完成污染修复、实现水体净化的最后一个环节。

实施例二：参见图2，在上述实施例的基础上，本申请实施例提供了一种水生态梯级式修复系统1，包括沉淀塘单元2、截流渠单元3、滤池单元4、植被塘单元5、生物塘单元6。

作为一种可行的示例，各单元按单元面积由小到大、水流流速由快到慢的顺序梯级式连接。具体的，沉淀塘单元2面积最小，流速快，位于系统最上游，作为预处理初沉单元，去除大部分悬浮物质；截流渠单元3面积较小，负责分流控制，位于沉淀塘单元后，将水量分配至各处理单元；滤池单元4面积较小，连接在截流渠后，流速受控，进行一级处理；植被塘单元5面积扩大，水流速度较缓，位于滤池单元4之后，水生植物吸收营养盐和农药；生物塘单元5面积最大，水体缓慢流动，配置在系统最后，作为污染深度处理净化的终级单元。各单元按单元面积由小到大、流速由快到慢的顺序梯级连接，可以使水体在各单元得到逐级治理，最终达到出水标准，同时也利于单元间的水量传递和系统调节。

进一步的，在一可行的实施例中，水生态梯级式修复系统1的各单元利用水头高差，上下级单元之间形成缓流，延长水体的停留时间，增强处理效果。

进一步的，在一可行的实施例中，系统末级单元生物塘单元6出水可部分循环补充上级单元，保证水量平衡。

在本实施例中，利用泵站或自流方式，先将污染水体导入水生态梯级式修复系统的最上级单元即沉淀塘单元，水体经过沉淀塘单元去除悬浮物后，进入截流渠单元分流，再通过滤池单元、植被塘单元、生物塘单元等单元按顺序处理，对水体进行净化，经多级净化的出水，可通过曝气、消毒等处理后排放或重复利用。

参见图3，在上述实施例的基础上，本申请实施例还提供另一种还包含监测模块7的水生态梯级式修复系统1，监测模块7用于监测每个梯级式单元的主要指标，并动态调整系统的运行参数。

具体的，各单元均设置监测模块7，以便实时掌握水体情况。

示例性的，沉淀塘单元的监测模块可包括在线浊度及悬浮物质传感器，监测入口及各沉淀池出口的浊度变化，评估去除悬浮物的效果；同时沉淀塘单元的监测模块还可包括水下摄像设备，监测池内淤积情况，确定污泥清除周期，保证沉淀效果。

示例性的，截流渠单元可在渠体关键节点布设水位计和流量计，实时监测水位和流量变化，根据水量分配情况,评估和优化分流操作方案。

示例性的，滤池单元可在入口及出口配置在线COD、氨氮传感器，监测过滤效果。

示例性的，植被塘单元可配置监测总氮、总磷、COD的传感器，评价植物吸收效果。

示例性的，可在生物塘单元的进水处、池体多个位置以及出水处设置传感器，监测溶解氧、化学需氧量、总氮、总磷等指标，实时记录池体内的溶解氧浓度分布情况。同时监测生物塘单元的曝气系统的运行参数，包括空气量、曝气频次等。对监测结果进行汇总和分析，评价生物塘单元的脱氮、脱磷效果，根据水质及运行参数变化，优化和调整曝气量及频次。

进一步的，系统各单元还配置自动采样装置，以便进行更详细的水体水质指标分析，评估处理效果，其中，采样频率可根据水质变化设定灵活调整。

进一步的，可在系统入口及各单元出口布设流量测量装置，监测水量变化情况。

进一步的，监测模块还可包括天气监测模块，评估降雨带来的流量影响，优化调蓄系统运作。

进一步的，所有监测分析数据汇总后，通过数据比对、模型仿真等手段，评估各单元及系统整体运行状态，并进行优化。具体的，可建立能反映系统处理动力学的数字双胞模型,辅助决策。

在本实施例中，通过实时监测，可以实现对本申请提供的水生态梯级式修复系统的全流程监控，保证系统稳定高效运转，提高整体净化效果。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本申请中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本申请的技术方案所期望的信息，本文在此不进行限制。

以上所述仅为本发明较佳实施例而已，并不用以限制发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种水生态梯级式修复方法，其特征在于，包括以下步骤:

步骤1：将含有悬浮物质的水体引入沉淀塘单元，使水体中的悬浮物质沉淀；

步骤2：将步骤1中经过沉淀的水体引入截流渠单元，进行分流和调节水量；

步骤3：将步骤2中经调节后的水体引入滤池单元，降解水体中的有机物；

步骤4：将步骤3中经滤池单元处理后的水体引入植被塘单元，减少水体中的营养盐和农药；

步骤5：将步骤4中经植被塘单元处理后的水体引入生物塘单元，持续降解水体中的污染物。

2.根据权利要求1所述的水生态梯级式修复方法，其特征在于，所述沉淀塘单元中的水体停留时间为8-12小时，所述沉淀塘单元的容积为1000-5000立方米，所述沉淀塘单元底部倾斜度为1.2°-1.5°，所述沉淀塘单元内设置有至少一个分隔板，所述分隔板上开设有间隔分布的孔隙，以引导水体的流动，所述分隔板的材质为不锈钢或硬质塑料，所述孔隙的大小为5-10厘米。

3.根据权利要求1所述的水生态梯级式修复方法，其特征在于，所述截流渠单元的水体流量调节为原水体流量的30％-50％，所述截流渠单元为呈矩形截面的渠槽结构，所述渠槽结构的两侧和底部使用防渗材料进行加固，所述渠槽结构的顶部开设有至少一个调节孔，所述调节孔的开启大小可控制水体流量的多少。

4.根据权利要求1所述的水生态梯级式修复方法，其特征在于，所述滤池单元内填充有活性炭和石英砂两种滤料，两种滤料的体积比例为1:2至1:4，其中所述活性炭的球体粒径为1-3mm，所述石英砂的球体粒径为3-5mm，所述活性炭的厚度占所述滤池单元总厚度的20％-30％。

5.根据权利要求1所述的水生态梯级式修复方法，其特征在于，所述滤池单元的滤料填充厚度为80-120cm，所述滤池单元为砖混结构，所述砖混结构的壁厚为20-30cm，所述滤池单元的池底部设有支撑滤料的隔板，所述隔板与所述池底部之间呈预设角度设置。

6.根据权利要求1所述的水生态梯级式修复方法，其特征在于，所述植被塘单元中的水体停留时间为48-72小时，所述植被塘单元面积为所述滤池单元面积的1-3倍，所述植被塘单元内设置有人工湿地结构，所述人工湿地结构中种植有莎草、菹草、灯心草中的至少一种植物。

7.根据权利要求1所述的水生态梯级式修复方法，其特征在于，所述植被塘单元的出水口设置有荨麻网过滤装置，所述荨麻网过滤装置由不锈钢薄板焊接制成，所述荨麻网过滤装置的网孔径为0.5-1毫米，所述荨麻网过滤装置呈半圆拱形、开口朝上，其下部焊接有排水管道。