一种用于城市黑臭河道水质强化净化的三维立体式生态浮床

摘要

本发明公开了一种用于城市黑臭河道水质强化净化的三维立体式生态浮床，其结构包括浮床结构主体、生物填料以及生物石；结构成型方法：在流动缓慢甚至处于静止的河流湖泊里，通过简易的组装，形成一种三维立体式高效生态浮床。主要针对城市黑臭河道N、P营养盐及其他水中的有机污染负荷的去除，提高水体透明度及溶解氧。优点：这种三维立体式高效生态浮床的水质强化净化方法，首次提出水生植物—生物填料微生物—生物石组合生态浮床的理念，生态浮床植物、生物填料接触氧化和生物石微生物三者之间既存在处理水体的先后关系，有效完成功能互补。尤其在冬季或其他低温天气下，在水生植物枯萎的状态下，生物填料和生物石能有效的弥补它的空缺，持续、高效净化重污染城市黑臭水体，并实现水生态和水功能恢复和重建。

说明书

技术领域

本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种用于城市黑臭河道水质强化净化的集水生植物、生物填料接触氧化和生物石微生物为一体的三维立体式生态浮床。

背景技术

目前我国大部分城市河道已演变为黑臭河道。在我国许多城市，河道有机污染普遍存在且日益突出，城市污水直排河道，流经城镇河段污染严重，水体出现季节性或终年黑臭，均成为我国目前城市河道污染问题中亟待解决的水环境问题。国务院2015年4月16日正式颁发《水污染防治行动计划》（简称“水十条”），明确提出整治城市水体，要求到2020年，我国地级及以上城市建成区黑臭水体均控制在10%以内；到2030年，城市建成区黑臭水体总体得到消除。

一般情况下，封闭缓流水体的富营养化问题可以通过强化水生植物恢复的途径实现水质的全面净化，生态浮床技术在水生态原位修复方面已经取得很好的效果。生态浮床是一种针对富营养化的水质，利用生态工学原理，降解水中的COD、氮、磷含量的人工浮床。它能使水体透明度大幅度提高，同时水质也得到有效的改善，特别是对藻类有很好的抑制效果。生态浮床对水质净化最主要的功效是利用植物的根系吸收水中的富营养化物质，例如总磷、氨氮、有机物等，使得水体的营养物质得到削减，减轻水体由于封闭或自循环不足带来的水体腥臭、高度富营养化现象。

经过几十年的研究发展，国内外生态浮床技术得到极大完善，在城市水体水质提升和景观改善发挥重要作用，但是对于城市黑臭河道修复，采用传统的生态浮床技术仍存在一些问题和不足：

1.现有生态浮床水生植物需要较为清洁的水质条件，特别是对溶解氧（DO）要求较高，而一般城市黑臭河道水体中DO含量极低，这样会抑制水生植物的生长，甚至会造成水生植物根系腐烂和大面积枯死；

2.传统的生态浮床主要依靠植物吸收和代谢过程实现污染水体中N、P等营养盐的去除，根际所附着的微生物由于生物量较小，去生物降解和脱氮能力有限，特别是对高有机物和高氨氮的城市黑臭水体净化效果并不明显；

3.另外，现有生态浮床对水质的主要净化主体为水生植物，而在冬季或极端天气下，水生植物缓慢，并可能出现枯萎，从而导致生态浮床对水质净化能力下降，不能满足水体生态和环境功能要求。

发明内容

根据上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于克服常规生态浮床的缺陷，提供一种用于城市黑臭河道水质强化净化的三维立体式生态浮床，该新型生态浮床对城市重污染水体的处理能力得到明显增强，且低温、恶劣气候环境下也能发挥净化水质的效果；所发明的生态浮床本身便于安装和存放，维护和更换浮床材料便捷，重复使用性好，且不易造成二次污染。

为了实现上述目的，本发明提出的用于城市黑臭河道水质强化净化的三维立体式生态浮床，所述生态浮床包括浮床主体、生物填料和生物石，所述浮床主体由PVC浮管、PVC接头、不锈钢丝网和浮水植物组成，所述不锈钢丝网为框架结构，PVC浮管镶嵌于不锈钢丝网四周，相邻的PVC浮管之间通过PVC接头连接，不锈钢丝网内呈网格状分布，每个不锈钢丝网网格底部均分布有浮水植物；生物填料由若干根生物绳组成，不锈钢丝网内下部设有PVC框架，若干根生物绳固定于PVC框架中，使生物绳挂于浮床主体正下部；生物石呈空心圆柱形，镶嵌于PVC框架的PVC上；当生物石与水体接触后，其中BB菌等微生物可在48小时内恢复活性，水体中的氨被微生物群落中的硝化细菌转化为亚硝酸盐，进一步转化为硝酸盐；当水流进入生物石中，会产生局部低氧区，水中的硝酸盐被反硝化细菌转化为氮气，从而降低水体中硝酸盐的积累，去除水中恶臭，降低水的浊度，起到初期强化净化水质的作用；生物填料在2至7天内实现挂膜，生物填料上附着的生物膜可去除部分COD_Mn、NH₄^＋-N和TN，生物膜为反硝化细菌的厌氧反硝化过程提供适当条件，可在具有NH₄^＋-N和TP去除率的前提下，获得更为有效的TN去除率。

本发明中，所述生物填料由亲水性丙烯纤维构成，表面非常粗糙，极易附着微生物，实现微生物相的高密度化。

本发明中，所述生物石采用经过BB菌包埋后的改性火山岩，其特点是呈多孔状，质地较轻，在水中具有较强稳定性。

本发明中，所述生物填料采用相同的长度、直径、比表面积的绳型结构，且生物填料之间有一定的间隙。

本发明中，安装生物填料和生物石同时，根据水体实际情况，可增加纳米微孔曝气装置，以增强其生物脱氮和有机物降解功能，其曝气强度控制在2~4m³/(m²·h)，水质较差时可以适当增加微孔曝气强度，实际曝气量以不影响生物填料挂膜和生物石微生物稳定性为准。

本发明中，所述浮水植物选取美人蕉、狐尾藻、菖蒲和西伯利亚鸢尾作为浮床植物。

本发明的工作原理如下：

首先，生物石与水体接触后，其中休眠的BB菌等微生物可以在48小时内恢复活性，水体中的氨被微生物群落中的硝化细菌转化为亚硝酸盐，进一步转化为硝酸盐；当水流进入生物石中，会产生局部低氧区，水中的硝酸盐被反硝化细菌转化为氮气，从而降低水体中硝酸盐的积累，去除水中恶臭，降低水的浊度，从而起到初期强化净化水质的作用。

然后，生物填料在2至7天内实现挂膜，稳定运行后填料上附着的生物膜可达0.8至1.1mm，其对COD_Mn、NH₄^＋-N和TN的去除率分别稳定在10%、40%、20%、25%；特别是生物膜系统为反硝化细菌的厌氧反硝化过程提供适当条件，可在具有一定的NH₄^＋-N和TP去除率的前提下，获得更为有效的TN去除率；低温条件下，通过适当增加微孔曝气可实现强化生物膜去污能力，降低河道水体的有机污染负荷及N、P营养盐，提高水体透明度。

最后，生态浮床上的水生植物经过一段时间的生长，净化、吸收水体中的有害元素，降低水体中的N、P营养盐，促进有机物生物好氧降解进行，从而改善水质条件，并增加额外经济效益与景观效益。选取美人蕉、狐尾藻、菖蒲和西伯利亚鸢尾作为浮床植物，经过3至6个月的生长，植物体叶中的N、P含量均高于茎，其中美人蕉的成活率与繁殖能力相对较高，西伯利亚鸢尾的在冬季低温的水温下也能良好生长。

由于采用了上述技术方案，本发明具有以下优点：

本发明的创新点如下：

（1）针对传统的生态浮床对治理封闭式城市黑臭水体城市黑臭水体的效率差的问题，本发明首次提出水生植物—生物接触氧化—生物石组合生态浮床的处理方法，三者之间存在处理水体的先后关系，功能上存在互补共生，可作为城市黑臭水体修复的应急和长效处理措施。

（2）理念创新，将传统的生态浮床与生物填料、生物石以及曝气系统相结合，使得整体脱氮除磷的净化效果更加明显，可以实现水体生态修复工程的过渡性和持久性，且不易造成二次污染。

（3）浮床的主要3个装置是立体连接而成，因此占用空间较小，处理水深较深，单位体积的水体处理效率更强，同时该处理系统采用分单元、组合式链接，运输和安装相对来说也很方便。

附图说明

图1为三维立体式高效生态浮床的主视图；

图2为生态浮床主体的俯视图；

图3为生物绳填料框架的示意图；

图4为生物石系统的示意图。

附图标记为：１浮床主体、1.1PVC浮管、1.2PVC接头、1.3不锈钢丝网、1.4浮水植物、２生物填料、2.1生物绳、2.2PVC框架、3.1生物石。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例１：

如图１所示，所述装置由浮床主体1，生物填料2以及生物石3组成，所述的浮床主体1由4个Φ110UPVC浮管1.1和4个90°PVC接头1.2拼接而成，一个800*800*150mm的不锈钢丝网1.3的框架结构，与4个Φ110UPVC浮管1.1固定镶嵌连接，浮水植物1.4置于不锈钢丝网1.3网格底部；

生物填料2是由30根立体生物绳2.1组成，每根的直径为45mm左右，最大不得超过60mm，长度为1m；生物填料固定在体积约为1立方米的PVC框架2.2中，PVC框架2.2挂在浮床主体1的正下部；

生物石3.1的形状为空心圆柱形，镶嵌在PVC框架2.2的底部PVC上。

本发明中，所述的生物填料2采用的生物填料采用亲水性丙烯纤维构成，表面非常粗糙，极易附着微生物，实现微生物相的高密度化。生物填料2通过PVC框架2.2挂在浮床主体1的正下部。

本发明中，所述的生物石3.1采用经过BB菌包埋后的改性火山岩，其特点是呈多孔状，质地较轻，在水中具有较强稳定性。

本发明中，所述的立体生物填料是采用相同的长度、直径、比表面积的绳型结构，且生物填料之间有一定的间隙。

本实施例的具体步骤如下：

在巢湖流域某典型城市老城区河道，由于水体封闭、流动性差并缺乏正常水体交换，且地势较低，受初期雨水径流污染影响较大，普遍存在循环流动性差、水质污染等问题，出现黑臭状态且有蚊虫滋生，干扰居民的正常生活，河流自我净化恢复能力减弱，生态功能不断退化和丧失，滞留区面积约为9500至11000m²，水质为劣Ⅴ类，主要超标污染物为TN、NH₄^＋-N、TP和COD_Mn，水体溶解氧（DO）基本在0.6mg/L以下。2015年3月，结合国家水专项课题研究，在以上区域布置本发明专利涉及的三维立体式生态浮床，浮床总面积不超过水面积的20%，浮床植物以美人蕉、狐尾藻、菖蒲和西伯利亚鸢尾为主，植物群落配置考虑种类多样性与水质净化特性，并合理调整花期和群落结构，形成异质性的景观效果；浮床以下生物绳填料的挂膜状态与纳米微孔曝气和局部造流功能相结合，提升人工强化提升水体自净能力的效果；生物石配置数量为每立方米10至20块，设置深度为水下1.5m。同时，本例还设置了传统的单一植物浮床作为对照。该示范项目三维立体式生态浮床工程稳定运行5个月后，生物石与生物填料的对水质的前期强化净化效果明显，且浮床植物迅速增长，形成高效、稳定的城市黑臭水质强化净化和修复系统，本发明所采用的三维立体式生态浮床对水体中TN、NH₄^＋-N和COD_Mn的去除率分别达到41％、66％和49％，较传统的单一植物浮床分别提高45％、77％和62％。目前该示范区域水质可以稳定在地表水Ⅲ类标准，消除了黑臭现象，DO能维持在3.8~5.4mg/L；植物群落配置合理，形成一道美丽的城市景观。