一种黑臭河湖原位生态修复技术集成系统及其控制方法

摘要

本发明公开一种黑臭河湖原位生态修复技术集成系统，所述系统包括净水微生物制剂、微纳米推流曝气机、搅拌机；生态草净水单元、纳米过滤净水单元、监测控制中心；传感器单元、无线网络单元、太阳能光伏电站；所述净水微生物制剂，用于吸收和矿化有机碳，有机氮，螯合重金属，固定可溶性磷；所述微纳米推流曝气机，用于水体增氧、曝气、推流、投放所述净水微生物制剂实现气泡的纳米化；所述监测控制中心，实现水质指标的在线监测；并根据水质变化自动修正控制命令。本发明打破了传统治污只治水的观念，获得了突破性的成果，在短时间内能迅速恢复河流、湖泊、浅海的自身净化能力，激活生物链体系，形成水生态良性循环，达到根治污水的目的。本发明还公开了一种基于黑臭河湖原位生态修复技术集成系统的控制方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种黑臭河湖治理技术，尤其适用于河湖、景观水、浅海污染进行生态原位 修复治理的集成设备及其控制方法。

背景技术

由于社会经济快速发展过程中的多种综合原因，致使大量未经有效处理的工业废水、淡 水产业、生活污水排入城市、乡村的河流、湖泊及浅海等，造成水环境污染，河湖富营养化 和河道黑臭是我国城乡水环境普遍现象。污水厂中水排放、人为活动、工业废水、农业污染 等造成河流、湖泊、浅海水体水质恶化、生态系统遭受严重破坏。

国内目前治理污水的常规技术如：生物技术、化学技术、湿地技术等单一技术，均难以 起到综合治理的效果。

发明内容

本发明提供的原位生态修复集成系统，是基于原位生态修复集成原理进行的点源污染治 理、面源污染控制、河道整治等多项创新技术的系统化集成创新，本质上是利用微生物的分 解能力，配以潜水纳米推流曝气增氧技术、固定化载体技术为微生物菌种提供良好的生存环 境，加速污染物向终产物的转化，使其进入地球生物化学循环。微生物的引入可以增加水中 的生物多样性，最终使水体的各级营养结构趋于稳定并保持平衡。

本发明黑臭河湖原位生态修复技术集成系统如下：

黑臭河湖原位生态修复技术集成系统，包括净水微生物制剂、微纳米推流曝气机、搅拌 器；生态草净水单元、纳米过滤净水单元、监测控制中心；传感器单元、无线网络单元、太 阳能光伏电站；其特征为：

所述净水微生物制剂，用于吸收和矿化有机碳，有机氮，螯合重金属，固定可溶性磷；

所述微纳米推流曝气机，用于水体增氧、曝气、推流、投放所述净水微生物制剂实现气 泡的纳米化；

所述生态草净水单元，用于吸收、吸附、截留水中溶解态和悬浮态污染物，并为多种微 生物、藻类和微型动物的生长、繁殖提供着生、附着或穴居条件，最终在载体上形成薄层的 具有强净化活性功能的生物膜薄层，该生物膜薄层厚约2毫米；

所述纳米过滤净水单元，作为吸附材料，用于被污染水体金属离子及硫化氢、二氧化硫等 酸性气体的处理；

所述监测控制中心，能够通过中转节点控制最低层的传感器节点，实现水质指标的在线 监测；并根据水质变化自动修正控制命令；

所述无线网络单元，监测控制中心可以通过该无线网络单元控制中转节点及其下级传感 器节点，实现水体指标监测与图像采集；

所述太阳能光伏电站，为微纳米推流曝气机提供能量，所述太阳能光伏电站中的光伏组 件和蓄电池容量能够保证微纳米推流曝气机连续多日阴雨天的使用。

优选为：所述水质指标包括水体温度、PH值、COD、TN、NH4-N、TP。

优选为：所述无线网络单元还具有用户登录及监测项目选择、实时数据显示、历史数据 查询等功能的操作显示界面。

优选为：所述太阳能光伏电站为并网型光伏电站。

优选为：所述并网型光伏电站的光伏组件采用汉能生产的柔性CIGS组件。

本发明基于上述黑臭河湖原位生态修复技术集成系统所采用的技术方法如下：

步骤1、投加先锋菌种及除臭组合菌，此类菌剂耐污能力强，可在高浓度污水中生存， 繁殖速度快，可以起到快速降解有机质，降低COD，消除臭味的作用。该阶段溶解氧要求在 2-5mg/L。当COD去除率达到85％时，进入步骤2。

步骤2、投加脱氮组合菌剂和控磷组合菌剂，能够实现水体的快速脱氮除磷，当氨氮去 除率达到90％时进入步骤3。

步骤3、投加控磷组合菌剂及絮凝微生物制剂，强化除磷，当总磷去除率达到80％时进入 步骤4。

步骤4、投加贫营养有机矿化系列菌剂，在较低浓度污水中进一步降低水体COD及氮磷 污染物，使水质中的氨氮、总磷、COD最终达到地表III类水标准。

优选为：所述步骤2阶段中，其溶解氧要求在0-2mg/L左右；

优选为：所述步骤2阶段中，其溶解氧要求在0.8mg/L；

优选为：所述步骤3阶段中，其溶解氧要求在0-2mg/L左右；

优选为：所述步骤3阶段中，其溶解氧要求在0.8mg/L；

优选为：所述步骤4阶段中，最终使水质中的氨氮、总磷、COD最终达到地表III类水标准。

上述方案重点强调一点：在步骤2阶段以及步骤3阶段中，其溶解氧要求在0.8mg/L这个指 标是技术方案最优的，该溶解氧要求指标参数点的确定是本领域技术人员通过多年付出创造性 的劳动，从海量的实验数据中得出的最佳结论：该参数点最能适于微生物制剂生存和繁殖的最佳环 境状态，使其大量繁殖，达到氧化分解有机物的最高效率，以提高其氧化分解有机物的效率。

本发明打破了传统治污只治水的观念，获得了突破性的成果，成功研发了一套综合治理 黑臭河湖的科学方法和高科技产品，在短时间内能迅速恢复河流、湖泊、浅海的自身净化能 力，激活生物链体系，形成水生态良性循环，达到根治污水的目的。该发明技术费用低、效 果稳定、对外界干扰少，无二次污染，具有综合效益，可以从根本上加速水体营养物质的分 解转化，提高河流湖泊的净化效率。

本发明填补了我国该行业的空白，适应当前市场需求，符合环保产业发展方向，其经济、 社会效益显著，应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明黑臭河湖原位生态修复技术集成系统框图。

图2为本发明黑臭河湖原位生态修复技术集成系统控制方法流程图。

具体实施方式

参见附图1-2。水体水质恶化的主要原因是有机质的大量注入，导致好氧分解加速，水体 很快出现缺氧状态，从而使厌氧微生物占据优势地位，可彻底降解污染物的好氧微生物减少， 作用被抑制。然而，有机质的厌氧分解，产生有机胺，醛类，丁酸，以及氨气硫化氢等，这 些物质溢出水面，导致臭味的产生。容易导致水生生物死亡，形成恶性循环。这些臭气对周 边环境造成不良影响。自然条件下微生物对水体的自净速度很慢，水体自净的能力有限，长 期高负荷污染物的排入，必将导致水体水质恶化。因此，必须采取人为的强化措施才能加快 这一进程。复合微生物净化技术，本质上是利用微生物的分解能力，配以纳米曝气增氧技术， 固定化微生物载体技术为微生物菌种提供良好的生存环境，加速污染物向终产物的转化，使 其进入地球生物化学循环。微生物的引入可以增加水中的生物多样性，最终使水体的各级营 养结构趋于稳定并保持平衡。

黑臭河湖原位生态修复技术集成系统，包括净水微生物制剂、微纳米推流曝气机；生态 草净水单元、纳米过滤净水单元、监测控制中心；传感器单元、无线网络单元、太阳能光伏 电站；所述净水微生物制剂，用于吸收和矿化有机碳，有机氮，螯合重金属，固定可溶性磷； 所述微纳米推流曝气机，用于水体增氧、曝气、推流、投放所述净水微生物制剂实现气泡的 纳米化；所述生态草净水单元，用于吸收、吸附、截留水中溶解态和悬浮态污染物，并为多 种微生物、藻类和微型动物的生长、繁殖提供着生、附着或穴居条件，最终在载体上形成薄 层的具有强净化活性功能的“生物膜”；所述纳米过滤净水单元，作为吸附材料，用于被污 染水体金属离子及硫化氢、二氧化硫等酸性气体的处理；所述监测控制中心，能够通过中转 节点控制最低层的传感器节点，实现水质指标的在线监测；并根据水质变化自动修正控制命 令；所述无线网络单元，监测控制中心可以通过该无线网络单元控制中转节点及其下级传感 器节点，实现水体指标监测与图像采集；所述太阳能光伏电站，为微纳米推流曝气机提供能 量，所述太阳能光伏电站中的光伏组件和蓄电池容量能够保证微纳米推流曝气机连续多日阴 雨天的使用。

1、净水微生物制剂

采用分离、筛选技术从自然界不同生态环境中分离出具有安全性高且可以高效降解、转 化水体污染物的微生物，并优化其培养条件，采取高密度发酵工艺，获得多种可工业化生产 的净水微生物制剂。根据污染水体的特点，有机复配各类净水微生物制剂，采用直接投放或 固定化的方式，对各类污染水体进行有针对性的处理。

现有技术中的净水微生物制剂共10大系列，20余种，是特有的功能菌和本土菌结合使用， 短时间内消除有机负荷；吸收和矿化有机碳，有机氮，螯合重金属，固定可溶性磷，使污水 转化为水质优良的清洁水。

微生物菌种包括除臭组合菌、脱氮组合菌剂、控磷组合菌剂和贫营养有机矿化系列菌剂 等；所述的除臭组合菌可降解有机物，脱氮，脱硫，形成胶团；所述的脱氮组合菌主要功能 为脱氮，其对硝态氮和亚硝态氮转化率分别达80％以上；所述的控磷组合菌剂可使水体中所 含的磷进入底泥，水体TP去除率达60.5～85.7％；所述的贫营养有机矿化系列菌剂对轻微污 染水体有较好的净化作用；

微生物菌种在培驯和挂膜过程中，菌种的投加量为25-140ppm；当一次菌种的投加量大 于5公斤时，需进行活化操作；所述的活化操作，其活化温度为20-30℃，活化时间为4-5小时， 所用的活化材料可以是红糖、白糖、糖蜜等。

具有以下优势：

(1)污染物的转化过程不需要高温、高压，在温和的条件下经过微生物和酶催化即可高效完 成，处理费用低廉；

(2)微生物具有来源广、易培养、繁殖快、对环境适应性强等特性，在一定条件下加以驯化， 可使大多数有机物实现生物降解处理，应用面宽；

(3)微生物处理不仅能去除有机物、病原体、有毒物质，还能去除臭味、提高透明度、降低 色度等，处理效果良好；

(4)对环境影响小，不产生二次污染，遗留问题少；

(5)就地处理，操作简便。

2、微纳米推流曝气机

该微纳米推流曝气机将水体增氧、曝气、推流、投放微生物制剂、太阳能发电结合为一 体，实现了气泡的纳米化，可在水中停留24小时以上，较快地达到饱和溶氧状态。该设备能 极大地增加充氧效率又能节约动力能源，为微生物菌种提供良好的生存环境，有效降低水体 有机物污染负荷，加速污染物向终产物的转化，使其进入地球生物化学循环，最终使水体的 各级营养结构趋于稳定并保持平衡。经过射流器高速射出的液气流在推流筒扩充作用下比射 流器射出的液气流增大5-6倍；先进的控制系统可实现就地快捷简便操作，也可远程联机操 作。能够全自动投放微生物菌剂，替代加药船的使用，适用于河道湖泊的水环境治理。

3、生态草净水单元

该生态草净水单元中的载体填料能吸收、吸附、截留水中溶解态和悬浮态污染物，并为 各类微生物、藻类和微型动物的生长、繁殖提供良好的着生、附着或穴居条件，最终在载体 上形成薄层的具有很强净化活性功能的“生物膜”。

该技术对氨氮、总磷和有机物的去除率都较高。本工艺单元净化机理虽然是依靠微生物 的代谢来实现污染物的降解和转移，但是其削减污染物效率却远高于单独使用微生物制剂的 方法。若直接在水体中投加微生物，一方面会存在微生物量流失的问题，另一方面微生物在 没有介质存在的情况下很难大量繁殖，致使整个降解的过程比较漫长，无法达到“局部强化” 的目的。因此，实施微生物净化工艺要在投加微生物菌种的前期首先要定植微生物聚居、生 长和繁殖的载体。

目前国际上通用的生物膜载体主要选择标准为：①载体的比表面积；②微生物挂膜的难 易程度和质量；③载体的使用寿命和抗逆性能；④自然水域中更要考虑载体的生物亲和性和 环境安全性。根据以上选择标准对现行各种载体材料进行比选后，工程微生物载体择优选择 仿生净水草。利用仿生净水草进行河水净化是基于河水原有的自净作用进行生物净化的方法。 就如同河床中的沙石、水草一样，在其表面附着生长的微生物与河水接触，将河水中的有机 物污染物质氧化分解，从而达到净化效果。

在水里设置仿生净水草可以附着大量微生物，从而提高分解水中污染物质的能力。这些 微生物也成为环形虫或水蚯蚓的食物，最终也被鱼类捕食掉，通过这样的食物链可以抑制污 泥的发生。这种类型是在水下悬挂安装生物绳，适用于水位较深的河流、池塘等场所。根据 需要可以浮于水下不同深度。

4、纳米过滤净水单元

纳米材料的结构由表面(界面)结构组元构成，粒径介于原子团簇与常规粉体之间，一般 不超过100nm，与电子的德布罗意波长相当。粒径越小的纳米材料，其界面组元的比值越高， 低动量电子散射量越大。纳米材料的界面组元中含有相当量的不饱和配位键、端键及悬键， 从而作为高效吸附材料逐步应用于国民经济诸多领域。层板有序排列决定了纳米材料孔隙结 构的特殊性，再加之表面活性中心的作用，使其具有优异的吸附性能。这一特点在对金属离 子、酸性污染物的吸附过程中表现得尤为突出，将其作为吸附材料，用于被污染水体金属离 子及硫化氢、二氧化硫等酸性气体的处理，可得到显著的环境效益。

5、监测控制中心

监测控制中心能够通过中转节点控制最低层的传感器节点，实现水体温度、PH值、COD、 TN、NH4-N、TP等水质指标的在线监测；中央控制系统根据水质变化自动修正工艺，真正实 现河湖治理与后期维护的全自动化；监测控制中心可以通过中国移动GPRS网络控制中转节点 及其下级传感器节点实现水体指标监测与图像采集。同时研发具有用户登录及监测项目选择、 实时数据显示、历史数据查询等功能的操作显示界面。

6、太阳能光伏电站

光伏电站为离网型电站，光伏白天发的电储存到蓄电池里，供微纳米推流曝气机电动机 白天和夜晚使用，光伏组件和蓄电池容量能够保证连续三个阴雨天的使用。本离网型光伏电 站光伏组件采用汉能生产的柔性CIGS组件，组件具有轻、柔、薄等优点。由于负载为电动机， 属于感性负载，因此光伏电站逆变器的容量设置较大，以满足电动机启动时的大电流。

本发明基于上述黑臭河湖原位生态修复技术集成系统所采用的技术方法如下：

第一阶段投加先锋菌种及除臭组合菌，此类菌剂耐污能力强，可在高浓度污水中生存， 繁殖速度快，可以起到快速降解有机质，降低COD，消除臭味的作用。该阶段溶解氧要求在 2-5mg/L。当COD去除率达到85％时，进入第二阶段。

第二阶段投加脱氮组合菌剂和控磷组合菌剂，能够实现水体的快速脱氮除磷，该阶段溶 解氧要求在0-2mg/L左右，当氨氮去除率达到90％时进入第三阶段。

第三阶段投加控磷组合菌剂及絮凝微生物制剂，强化除磷，该阶段溶解氧要求在0-2mg/L 左右，当总磷去除率达到80％时进入第四阶段。

第四阶段投加贫营养有机矿化系列菌剂，在较低浓度污水中进一步降低水体COD及氮磷 污染物，使水质中的氨氮、总磷、COD最终达到地表III类水标准。

本发明具有如下特点：

(1)首次在黑臭河湖治理上采用微生物净化技术与微纳米推流曝气增氧技术、固定化微生物 载体技术相结合，从根本上加速水体营养物质的分解转化，提高河流湖泊的净化效率；污染 水体的治理技术费用低、效果好、对外界无干扰，无二次污染；

(2)微纳米推流曝气机，首次实现纳米量级的气泡微小化，纳米气泡可在水中停留24小时 以上，其停留时间是传统产品的100倍之多；该设备极大地增加了充氧效率并且较大地节约 了动力能源；其先进的控制系统可实现就地快捷简便操作，也可远程联机操作，实现全自动 运营；

(3)微纳米推流曝气机首次实现了曝气、增氧、推流、投放微生物菌剂、太阳能发电等多 功能于一体；

(4)首次在河湖水质监测上采用基于物联网的无线自动水质监测系统，可以实现24小时监 测，中央控制系统根据水质变化自动修正工艺，真正实现河湖治理与后期维护的全自动化；

(5)首次将太阳能发电技术应用于该技术增氧设备上。

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明 的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受 上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情 况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰， 或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实 质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范 围内。