CN117819732B - 入河排口降雨净化耦合水质改善的生态系统及其运行模式 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种入河排口降雨净化耦合水质改善的生态系统及其运行模式，该系统包括预沉缓冲区、水生植物净化区、强化入渗区和自动监测控制系统；本发明通过构建以本地沉水植物为核心的净化系统，实现入河排口降雨污染及雨后水体中溶解性氮、磷污染物的高效净化，以及DO、ORP和透明度的提升；通过设有排气泄压系统的强化入渗区，改善下渗和排泄效果，削减降雨入河峰值流量；自动监测控制系统将入河排口流速监测装置与提升系统关联，实现旱季、雨季运行模式自动切换。本发明能够实现溶解性氮磷污染的净化以及DO、ORP、透明度的改善，具有建设运维成本低、抑制雨后水体黑臭、提升水体自净能力及降低河道雨季行洪排涝压力等优点。
Description
技术领域
本发明属于城镇水环境治理技术领域，具体涉及一种入河排口降雨净化耦合水质改善的生态系统及其运行模式。
背景技术
我国各地通过工程措施和技术手段，初步解决了城市水体的主要污染问题，实现了“不黑不臭”的阶段性目标。但我国排水管网长期历史欠账较多，污染物旱季低流速沉积、雨季冲刷入河湖现象普遍，水体返黑返臭频发，尤其是水体沿线入河排口周边水体返黑返臭问题尤为严重，排口降雨污染成为水体返黑返臭的重要原因。
针对入河排口降雨污染的净化处理，部分城市采取一级强化、旋流分离、快速过滤等物理化学法为主的快速净化处理方式，对于削减COD（全称是chemical oxygen demand，化学需氧量）、SS（全称是suspended solids，悬浮物）和TP（全称是total phosphorus，总磷）等入河、入湖污染物总量和改善城市水环境起到了重要作用。但是，上述快速处理方法在溶解性氮、磷污染物的去除和DO（全称是dissolved oxygen，溶解氧）、ORP（全称是oxidation-reduction potential，氧化还原电位）等指标的改善等方面还存在不足，难以满足目前城市水体雨后黑臭的精准治理和长效防控要求；此外，目前大多可去除溶解性污染物并改善DO、ORP的处理方法又普遍需要投加生物菌剂或特殊填料，并辅以曝气增氧设施，不仅存在易堵塞、影响河道行洪排涝、运维难度大等问题，且没有考虑到雨季、旱季处理重点的不同和运行模式的切换问题，因此，亟需研究开发一种入河排口降雨污染净化耦合雨后水体水质改善的生态系统，并提出切实可行的雨季和旱季运行模式，对于支撑现阶段各地降雨入河污染的精准管控和黑臭防控，助力水体自净能力提升、水环境质量持续改善具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是在于克服现有技术中存在的不足，提供了一种入河排口降雨净化耦合水质改善的生态系统及其运行模式，通过构建以本地沉水植物为主的净化系统，实现入河排口降雨污染及雨后水体中溶解性氮、磷污染物的高效降解，提升雨后水体的DO、ORP和透明度；通过设有排气泄压系统的强化入渗区，有效改善下渗和排泄效果，削减降雨入河峰值流量，减少堵塞等问题；自动监测控制系统将入河排口流速监测装置与提升系统关联，实现旱季、雨季运行模式自动切换。本发明能够实现溶解性氮磷污染物的净化和DO、ORP、透明度指标的改善，无需投加生物菌种和化学药剂，具有建设运维成本低、可有效抑制雨后水体黑臭、提升水体自净能力及降低河道雨季行洪排涝压力等优点。
为实现以上技术目的，本发明实施例采用的技术方案是：
第一方面，本发明实施例提供了一种入河排口降雨净化耦合水质改善的生态系统，包括预沉缓冲区、水生植物净化区、强化入渗区和自动监测控制系统；
所述预沉缓冲区用于去除入河排口排放的雨污水中的大颗粒物和漂浮物；
所述水生植物净化区的进水口与所述预沉缓冲区的出水口连接，所述水生植物净化区种植有本地生挺水植物和沉水植物，利用沉水植物净化去除雨污水、河水中的溶解性氮、磷污染物，提升DO、ORP和透明度；
所述强化入渗区位于所述水生植物净化区的下方，深度为0.6 -1.5 m，底部设置有排水管及与所述排水管连通的排气泄压管，以保持所述强化入渗区与外界大气压相通，所述强化入渗区底层设有不锈钢龙骨；
所述自动监测控制系统将入河排口的流速监测装置与进水提升系统关联连接，所述自动监测控制系统通过获取流速监测装置的数据信号并进行判断，然后发出操作控制指令控制所述进水提升系统的运行。
进一步地，所述流速监测装置安装于入河排口内部，所述进水提升系统的流量为变频可调设计，所述进水提升系统的进水口保持在河道旱季运行水位以下。
进一步地，所述预沉缓冲区的底部为斜坡型式，坡度α为5 - 45°；所述预沉缓冲区的出水口设置有拦渣栅网，孔径为1-5 cm，所述拦渣栅网的上部朝向所述预沉缓冲区弯折。
进一步地，所述挺水植物分布于所述水生植物净化区进水口的周边区域，所述沉水植物的种植面积不低于水生植物净化区总面积的3/4。
进一步地，所述排气泄压管与排水管交叉连接，二者的连接点位于所述排水管的中部水位线以上；所述排气泄压管出口设有防雨装置；所述排水管的顶部有进水孔，孔径为2-5 mm，开孔率为1%-5%。
进一步地，所述强化入渗区的上部填充粒径为0.2-1 cm的渗水土层，下部填充粒径为2-8 cm的砾石填料层，所述渗水土层与砾石填料层之间由渗水型土工布隔开，所述渗水土层与砾石填料层的填充深度根据需要进行调整，所述砾石填料层的填充深度满足：所述排水管被砾石填料层覆盖。
第二方面，本发明实施例提供了第一方面所述的入河排口降雨净化耦合水质改善的生态系统的运行模式，包括雨季和旱季两种运行模式：
A、雨季运行模式下，入河排口排放的雨污水在重力的作用下流进预沉缓冲区，其中较大的颗粒物和漂浮物将在所述预沉缓冲区通过重力沉淀和拦渣栅网物理拦截去除，所述预沉缓冲区的出水跌水进入水生植物净化区，所述水生植物净化区的出水一部分通过强化入渗区底部的排水管排到河道下游，一部分下渗进入下层土壤；
B、旱季运行模式下，河水通过进水提升系统直接进入水生植物净化区，所述水生植物净化区的出水一部分通过强化入渗区底部的排水管排到河道下游，一部分下渗进入下层土壤。
进一步地，当自动监测控制系统通过流速监测装置监测到入河排口雨污水的排放速度≥1.0 m/s且持续时间达到30 min时，将发出指令关闭进水提升系统，进入雨季运行模式，反之，当自动监测控制系统通过流速监测装置监测到入河排口雨污水的排放速度＜1.0m/s且持续时间达到30 min时，将发出指令启动进水提升系统，进入旱季运行模式。
进一步地，所述预沉缓冲区出水口高程高于水生植物净化区的围堰20-50 cm，所述水生植物净化区的围堰高于河道雨季平均水位10-20 cm，高于旱季常水位30 cm以上。
进一步地，所述预沉缓冲区与所述水生植物净化区的水力停留时间比为1:50-1:15，依照河道现有高程变化布局建设，所述预沉缓冲区在河道上游，所述排水管出口在河道下游。
本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
（1）本发明通过构建以本地沉水植物为主的水生态净化系统，能够有效削减入河排口降雨污染及雨后水体中的溶解性氮、磷污染物，改善水体DO、ORP和透明度，有效提升城市水体的自净能力，抑制雨后水体发黑发臭。
（2）本发明通过在强化入渗区增加排气泄压系统，能够有效改善降雨的下渗和排泄效果，削减降雨入河峰值流量，减少堵塞风险和运维工作量，对于降低雨季河道排洪、排涝压力具有显著作用。
（3）本发明通过自动监测控制系统将入河排口流速监测装置与提升系统关联，以排口雨污水的流速和持续时间为标准进行研判并发出控制指令，实现旱季、雨季运行模式的自动切换，运维成本低、无需投加生物菌种和化学药剂，有助于行业的绿色低碳高质量发展。
附图说明
图1是本发明入河排口降雨净化耦合水质改善的生态系统的结构示意图。
附图标记说明：1-预沉缓冲区；2-水生植物净化区；3-强化入渗区；4-自动监测控制系统；5-拦渣栅网；6-排水管；7-排气泄压管；8-不锈钢龙骨；9-流速监测装置；10-进水提升系统；11-挺水植物；12-沉水植物；13-渗水土层；14-砾石填料层。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“内、外”“上、下”“左、右”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，一种入河排口降雨净化耦合水质改善的生态系统，包括预沉缓冲区1、水生植物净化区2、强化入渗区3和自动监测控制系统4；
预沉缓冲区1用于去除入河排口排放的雨污水中的大颗粒物和漂浮物；
水生植物净化区2的进水口与预沉缓冲区1的出水口连接，水生植物净化区2种植有本地生挺水植物11和沉水植物12，利用沉水植物净化去除雨污水、河水中的溶解性氮、磷污染物，提升DO、ORP和透明度；
强化入渗区3位于水生植物净化区2的下方，深度为0.6 -1.5 m，底部设置有排水管6及与排水管6连通的排气泄压管7，以保持强化入渗区3与外界大气压相通，强化入渗区3底层设有不锈钢龙骨8，避免系统沉降；
自动监测控制系统4将入河排口的流速监测装置9与进水提升系统10关联连接，所述自动监测控制系统4通过获取流速监测装置9的数据信号并进行判断，然后发出操作控制指令。
其中，流速监测装置9安装于入河排口内部，进水提升系统10的流量为变频可调设计，进水提升系统10的进水口保持在河道旱季运行水位以下。
预沉缓冲区1的底部为斜坡型式，坡度α为5-45°；预沉缓冲区1的出水口设置有拦渣栅网5，孔径为1-5 cm，拦渣栅网5的上部朝向预沉缓冲区1弯折。
挺水植物11分布于水生植物净化区2进水口的周边区域，以缓冲强降雨期间进水对沉水植物12的水力冲击，沉水植物12的种植面积不低于水生植物净化区2总面积的3/4。
排气泄压管7与排水管6交叉连接，二者的连接点位于排水管6的中部水位线以上，排气泄压管7的出口设有防雨装置；排水管6的顶部有进水孔，孔径为2-5 mm，开孔率为1%-5%。
强化入渗区3的上部填充粒径为0.2-1 cm的渗水土层13，下部填充粒径为2-8 cm的砾石填料层14，渗水土层13与砾石填料层14之间由渗水型土工布隔开，渗水土层13与砾石填料层14的填充深度根据需要进行调整，砾石填料层14的填充深度满足：排水管6被砾石填料层14覆盖。
预沉缓冲区1的出水口高程高于水生植物净化区2的围堰20-50 cm，水生植物净化区2的围堰高于河道雨季平均水位10-20 cm，高于旱季常水位30 cm以上。
实施例2
一种入河排口降雨净化耦合水质改善的生态系统的运行模式，该生态系统建设于某城市河道一雨水排口旁的边坡上，包括雨季和旱季两种运行模式：
A、当自动监测控制系统4通过流速监测装置9监测到入河排口雨水的排放速度≥1.0 m/s且持续时间达到30 min时，将发出指令关闭进水提升系统10，该系统进入雨季运行模式：首先，入河排口排放的雨水在重力的作用下流进入预沉缓冲区1，经过1 h的水力停留时间，雨水中较大的颗粒物和漂浮物将通过重力沉淀和拦渣栅网5的物理拦截去除，出水跌水20 cm进入水生植物净化区2；水生植物净化区2种植有菖蒲和狐尾藻，两者的种植面积比例为1:5，水力停留时间为30 h，通过沉水植物及其根系附着的生物群落实现氨氮、磷酸盐等污染物的吸附降解，而通过呼吸作用又提升了水体的DO和ORP，同时对胶体和悬浮物也会形成吸附沉降作用，使透明度指标得到改善；最后，水生植物净化区2的出水一部分通过强化入渗区3底部的排水管6排到河道下游，一部分下渗进入下层土壤；其中，强化入渗区3的底部有3根排水管6，每根排水管都连有1个排气泄压管7，以保持运行期间排水通畅，少堵塞甚至不堵塞，底部有不锈钢龙骨8起到支撑和避免沉降的作用。降雨期间，该系统不仅实现了雨水中溶解性氮磷污染物的净化去除，DO、ORP和透明度也得到了提升，且由于下渗作用的加强，进入河道的峰值流量也有所减小，能够有效降低降雨期间河道的行洪排涝压力。
B、随着降雨强度的逐渐减小，通过入河排口排放的雨污水量也随之降低，当自动监测控制系统4通过流速监测装置9监测到入河排口雨污水的排放速度＜1.0 m/s且持续时间达到30 min时，将发出指令启动进水提升系统10，进入旱季运行模式：河水通过进水提升系统10直接进入水生植物净化区2，水生植物净化区2的出水一部分通过强化入渗区3底部的排水管6排到河道下游，一部分下渗进入下层土壤；必要时，通过人工方式对预沉缓冲区1的沉积物和栅渣进行清理维护。旱季期间，通过该系统对河水以在线循环的形式进行净化处理，不断提升水体的DO和ORP，同时污染物也有一定程度的去除，能够有效降低因厌氧环境而引发的水体黑臭风险。
实施例3
一种入河排口降雨净化耦合水质改善的生态系统的运行模式，该生态系统建设于某城市河道一雨污合流制溢流口旁的边坡上，包括雨季和旱季两种运行模式：
A、当自动监测控制系统4通过流速监测装置9监测到入河排口雨污合流水的排放速度≥1.0 m/s且持续时间达到30 min时，将发出指令关闭进水提升系统10，该系统进入雨季运行模式：首先，入河排口排放的雨污合流水重力流进入预沉缓冲区1，经过40 min的水力停留时间，雨污合流水中较大的颗粒物和漂浮物将通过重力沉淀和拦渣栅网5的物理拦截去除，出水跌水15 cm进入水生植物净化区2；水生植物净化区2种植有芦苇、狐尾藻和苦草，芦苇与狐尾藻和苦草的种植面积比例为1:6，水力停留时间15 h，通过沉水植物及其根系附着的生物群落实现氨氮、磷酸盐等污染物的吸附降解，而通过呼吸作用又提升了水体的DO和ORP，同时对胶体和悬浮物也会形成吸附沉降作用，使透明度指标得到改善；最后，水生植物净化区2的出水一部分通过强化入渗区3底部的排水管6排到河道下游，一部分下渗进入下层土壤；其中，强化入渗区3的底部有3根排水管6，每根排水管都连有1个排气泄压管7，以保持运行期间排水通畅，少堵塞甚至不堵塞，底部有不锈钢龙骨8起到支撑和避免沉降的作用。降雨期间，该系统不仅实现了雨污合流水中溶解性氮磷污染物的净化去除，DO、ORP和透明度也得到了提升，且由于下渗作用的加强，进入河道的峰值流量也有所减小，能够有效降低降雨期间河道的行洪排涝压力。
B、随着降雨强度的逐渐减少，通过入河排口排放的雨污合流水量也随之降低，当自动监测控制系统4通过流速监测装置9监测到入河排口雨污合流水的排放速度＜1.0 m/s且持续时间达到30 min时，将发出指令启动进水提升系统10，进入旱季运行模式：河水通过进水提升系统10直接进入水生植物净化区2，水生植物净化区2的出水一部分通过强化入渗区3底部的排水管6排到河道下游，一部分下渗进入下层土壤；必要时，通过人工方式对预沉缓冲区1的沉积物和栅渣进行清理维护。旱季期间，通过该系统对河水以在线循环的形式进行净化处理，不断提升水体的DO和ORP，同时污染物也有一定程度的去除，能够有效降低因厌氧环境而引发的水体黑臭风险。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种入河排口降雨净化耦合水质改善的生态系统，其特征在于，包括预沉缓冲区（1）、水生植物净化区（2）、强化入渗区（3）和自动监测控制系统（4）；
所述预沉缓冲区（1）用于去除入河排口排放的雨污水中的大颗粒物和漂浮物；
所述水生植物净化区（2）的进水口与所述预沉缓冲区（1）的出水口连接，所述水生植物净化区（2）种植有本地生挺水植物（11）和沉水植物（12）；
所述强化入渗区（3）位于所述水生植物净化区（2）的下方，深度为0.6 -1.5 m，底部设置有排水管（6）及与所述排水管（6）连通的排气泄压管（7），以保持所述强化入渗区（3）与外界大气压相通，所述强化入渗区（3）底层设有不锈钢龙骨（8）；
所述自动监测控制系统（4）将入河排口的流速监测装置（9）与进水提升系统（10）关联连接，所述自动监测控制系统（4）通过获取流速监测装置（9）的数据信号并进行判断，然后发出操作控制指令控制所述进水提升系统（10）的运行；
所述流速监测装置（9）安装于入河排口内部，所述进水提升系统（10）的流量为变频可调设计，所述进水提升系统（10）的进水口保持在河道旱季运行水位以下；
所述预沉缓冲区（1）的底部为斜坡型式，坡度α为5 - 45°；所述预沉缓冲区（1）的出水口设置有拦渣栅网（5），孔径为1-5 cm，所述拦渣栅网（5）的上部朝向所述预沉缓冲区（1）弯折；
所述排气泄压管（7）与排水管（6）交叉连接，二者的连接点位于所述排水管（6）的中部水位线以上；
当自动监测控制系统（4）通过流速监测装置（9）监测到入河排口雨污水的排放速度≥1.0 m/s且持续时间达到30 min时，将发出指令关闭进水提升系统（10），进入雨季运行模式，反之，当自动监测控制系统（4）通过流速监测装置（9）监测到入河排口雨污水的排放速度＜1.0 m/s且持续时间达到30 min时，将发出指令启动进水提升系统（10），进入旱季运行模式。
2.根据权利要求1所述的入河排口降雨净化耦合水质改善的生态系统，其特征在于，所述挺水植物（11）分布于所述水生植物净化区（2）进水口的周边区域，所述沉水植物（12）的种植面积不低于水生植物净化区（2）总面积的3/4。
3.根据权利要求1所述的入河排口降雨净化耦合水质改善的生态系统，其特征在于，所述排气泄压管（7）出口设有防雨装置；所述排水管（6）的顶部有进水孔，孔径为2-5 mm，开孔率为1%-5%。
4.根据权利要求1所述的入河排口降雨净化耦合水质改善的生态系统，其特征在于，所述强化入渗区（3）的上部填充粒径为0.2-1 cm的渗水土层（13），下部填充粒径为2-8 cm的砾石填料层（14），所述渗水土层（13）与砾石填料层（14）之间由渗水型土工布隔开，所述渗水土层（13）与砾石填料层（14）的填充深度根据需要进行调整，所述砾石填料层（14）的填充深度满足：所述排水管（6）被砾石填料层（14）覆盖。
5.权利要求1-4任一项所述的入河排口降雨净化耦合水质改善的生态系统的运行模式，其特征在于，包括雨季和旱季两种运行模式：
A、雨季运行模式下，入河排口排放的雨污水在重力的作用下流进预沉缓冲区（1），其中较大的颗粒物和漂浮物将在所述预沉缓冲区（1）通过重力沉淀和拦渣栅网（5）物理拦截去除，所述预沉缓冲区（1）的出水跌水进入水生植物净化区（2），所述水生植物净化区（2）的出水一部分通过强化入渗区（3）底部的排水管（6）排到河道下游，一部分下渗进入下层土壤；
B、旱季运行模式下，河水通过进水提升系统（10）直接进入水生植物净化区（2），所述水生植物净化区（2）的出水一部分通过强化入渗区（3）底部的排水管（6）排到河道下游，一部分下渗进入下层土壤。
6.根据权利要求5所述的入河排口降雨净化耦合水质改善的生态系统的运行模式，其特征在于，所述预沉缓冲区（1）出水口高程高于水生植物净化区（2）的围堰20-50 cm，所述水生植物净化区（2）的围堰高于河道雨季平均水位10-20 cm，高于旱季常水位30 cm以上。
7.根据权利要求5所述的入河排口降雨净化耦合水质改善的生态系统的运行模式，其特征在于，所述预沉缓冲区（1）与所述水生植物净化区（2）的水力停留时间比为1:50-1:15，依照河道现有高程变化布局建设，所述预沉缓冲区（1）在河道上游，所述排水管（6）出口在河道下游。
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