一种基于水利调配的流域水生态修复系统

摘要

本发明公开了一种基于水利调配的流域水生态修复系统，包括污水净化滤池及蓄洪排灌湿地，所述污水净化滤池设置于入河排污口处，污水净化滤池内从左至右依次设有好氧处理室、缺氧处理室、折流厌氧室，折流厌氧室内设置有折流板，通过设置水泵和射流器，在空间序列上实现缺氧—厌氧—好氧不断循环；所述蓄洪排灌湿地设置于河道堤岸两侧，蓄洪排灌湿地包括第二池体、过滤槽及集水池，第二池体内设有配水室、表流湿地室、潜流湿地室及出水室，通过基质填料和植物的作用，去除水体中的污染因子。本发明通过污水净化滤池实现控源截污，通过蓄洪排灌湿地实现水利调配、生态修复，通过水质净化和保持促进水资源的开发和配置。

说明书

技术领域

本发明属于生态修复技术领域，具体涉及一种基于水利调配的流域水生态修复系统。

背景技术

水是生命之源、生产之要、生态之基，水利是经济社会发展的重要支撑，是生态文明建设的核心内容，是保障国家水安全的战略性基础设施。随着我国工业化和城镇化进程的加快，水资源的开发利用水平逐步提高，水资源的需求量不断增加，由于人们对水资源的利用效率低且浪费严重，导致供需矛盾日益突出；同时，由于人们对水资源的开发利用和保护重视不够，水资源存在过度开采的现象，自然河流被人为渠道化、直线化以及硬质化，含有重金属的工业废水和高氮磷的生活污水不断汇入自然水体，导致流域水环境的自净能力和纳污能力减弱，水质急剧恶化，呈重金属复合污染和富营养化状态，生态环境遭到严重破坏，危及人们的生活与健康。

为了扭转水利建设滞后局面、构建水安全保障体系、加快推进水利现代化进程，迫切需要对水资源配置、水生态文明建设进行专题研究。在综合防洪、水体修复以及区域景观等规划的基础上，以“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的方针为统领，很多学者开展了基于水资源配置的生态水利工程建设规划研究。

目前，限制水资源配置最大的因素是流域水环境的破坏，水体富营养化是我国水域生态环境最常见污染类型之一。国内外有较多因藻类“水华”污染水体而导致鸟类、猪、狗、羊等动物和水生动物及人类发生疾病的报道。除了水体富营养化，含重金属和有机物的工业废水未经有效净化，就直接排入流域水体中，这些持久性复合污染物不断在水体中积累，已远远超出河流自身水环境承载能力，造成部分区域水质长期劣于Ⅴ类水质，丧失使用功能。

控制富营养化和重金属复合污染的方法主要有物理法、化学法和生物法。物理法主要包括：人工和机械打捞、换水法、曝气法、过滤法及超声法等，不产生二次污染，但人工费用和材料费用巨大，且效果一般；化学法主要包括：化学药剂法、电化学等，虽然效果较好，但易造成二次污染；生物法是通过动植物或微生物等生物手段去除水中的藻类和有机污染物，属于较环保的方法，但治理时间过长。除常规手段外，现有用磺酰脲类除草剂抑制藻类生长的报道，但除草剂为农药类制剂，过量使用将对水生态系统的平衡产生危害。因此，保护和改善河流水资源的整体质量，实现流域生态系统的良性循环成为实施水利调配亟待解决的问题。

发明内容

针对流域生态系统水体自净能力弱、上游排放废水与面源污染等导致的水质保障难题，本发明提供了一种基于水利调配的流域水生态修复系统，系统地将流域结构与功能结合起来综合治理，形成了入湖河口污染物拦截以及浅水区湿地建设。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于水利调配的流域水生态修复系统，包括污水净化滤池及蓄洪排灌湿地，所述污水净化滤池设置于入河排污口处，所述蓄洪排灌湿地设置于河道提岸两侧；

所述污水净化滤池包括第一池体以及封闭第一池体上端口的盖板，第一池体内从左至右依次设有第一隔板及第二隔板，所述第一隔板及第二隔板均与第一池体内壁无缝连接，第一隔板及第二隔板将第一池体从左至右分隔成好氧处理室、缺氧处理室、折流厌氧室，折流厌氧室内设置有折流板；好氧处理室的下部及折流厌氧室的下部均设置有格栅板，格栅板下方设置有用于支撑格栅板的过滤砖；好氧处理室的中部挂设有框架，框架下方均匀间隔悬挂有弹性填料，弹性填料的底部固定在好氧处理室下部的格栅板上；折流厌氧室下部的格栅板上铺设有过滤网，过滤网向上依次铺设有第一支撑层、第一滤料层、第一覆盖层，所述层位于折流厌氧室的中部；缺氧处理室顶部插入有入水管，所述入水管的下端伸入至缺氧处理室的下部；好氧处理室的顶部插入有输水主管，所述输水主管的下端伸入至好氧处理室的底部，输水主管的上端穿过盖板并伸出好氧处理室，缺氧处理室的右部及折流厌氧室的左部均插入有输水支管，所述输水支管的下端伸入至第一池体的上部，两个输水支管的上端穿过盖板、伸出第一池体，并与输水主管相连通，缺氧处理室及折流厌氧室内的污水通过输水支管及输水主管进入好氧处理室，输水主管上沿污水流动方向依次安装有水泵和射流器；第一隔板的上部设置有回流口，第二隔板的下部设置有通水口，第一池体右侧壁顶部连通有排水管，所述排水管的出水排入河流；

所述蓄洪排灌湿地包括沿远离堤岸方向依次设置的第二池体、过滤槽及集水池，第二池体内设置有垂直相交的第三隔板及第四隔板，所述第三隔板及第四隔板均与第二池体内壁无缝连接，第三隔板及第四隔板将池体沿逆时针方向分割成配水室、表流湿地室、潜流湿地室及出水室；集水池与过滤槽之间连通有通水管，所述通水管位于集水池的中部，过滤槽与配水室之间连通有进水管，所述进水管位于过滤槽的上部，位于配水室与表流湿地室之间的第三隔板上部均匀间隔设置有若干第一过水孔，位于表流湿地室与潜流湿地室之间的第四隔板上部均匀间隔设置有若干第二过水孔，位于潜流湿地室与出水室之间的第三隔板底部插入有出水管，所述出水管的一端沿横向位于潜流湿地室的底部，出水管的另一端伸入出水室并向上延伸至出水室的中部；表流湿地室及潜流湿地室内均从下至上依次铺设有第二支撑层、第二滤料层、第二覆盖层及种植基质层，所述种植基质层的上表面低于第二过水孔及第一过水孔；所述过滤槽的底部铺设有防水毯，防水毯上堆置有滤网带，滤网带内填充有滤材颗粒；配水室的上部连通有引水槽，所述引水槽朝上游方向延伸，并与河道相连，所述引水槽用于将河流中的水引入配水室，引水槽的入口处设置有格栅和闸阀；出水室的中部连通有出水渠，所述出水渠朝下游方向延伸，并连通有回河管道及排灌管道，所述回河管道用于将出水渠中的水引回河道，回河管道及排灌管道上均设置有控制阀。

优选地，所述第一滤料层集第二滤料层均采用微球填料铺设而成；所述微球填料采用以下步骤制备：

(1)将聚四氟乙烯粉与硅灰石粉按照质量比(9～3)﹕1混合均匀，于300～350℃挤出造粒，得到基粒；

(2)将聚乙烯醇加入水中，搅拌至溶解后，再加入硅酸盐粉，得到硅酸盐分散液；其中，水中聚乙烯醇的加入量为8～15g/L，硅酸盐的加入量为35～42g/L；

(3)将步骤(1)所述基粒与步骤(2)所得硅酸盐分散液按照质量比3﹕(25～45)混合，搅拌20～30min，超声20～30min，再搅拌2～3小时，于200～250℃挤出造粒，即得。

进一步，所述聚乙烯醇的醇解度为87.0～89.0％，平均聚合度为1650～1850，分子量为72600～81400；所述硅酸盐选用经过粉碎、过筛的云母和/或蒙脱土，粒度为800～1400目；所述微球填料的粒径为4～6毫米。

优选地，所述折流厌氧室内的折流板为两个，两个折流板呈左、右布置，折流板的前、后两侧分别与第一池体的前、后侧壁无缝连接，位于左侧的折流板的底部与第一池体底面相靠接，位于右侧的折流板的顶部与盖板底面相靠接。

优选地，所述配水室、出水室及过滤槽的上端口处均设置有罩板，集水池的上端口处设置有雨水篦子。

优选地，所述弹性填料包括固定绳，固定绳上均匀间隔固定有若干塑料环，塑料环的环圈上固定有若干纤维束，所述纤维束采用醛化纤维，弹性填料的悬挂密度为8～12根/平方米。

优选地，所述第一支撑层及第二支撑层均采用卵石铺设而成，卵石的粒径为4～8厘米。

优选地，所述第一覆盖层及第二覆盖层均采用砾石铺设而成，砾石的粒径为1～2厘米。

优选地，所述滤材颗粒采用页岩陶粒或石英砂。

优选地，表流湿地室的种植基质层上种植有挺水植物，潜流湿地室的种植基质层上种植有湿生植物。

本发明所述污水净化滤池只需要一台低功率泵就实现回流和曝气，其他为自流形式，动力能耗少，运行成本低，对场地条件和自动化要求低，具有节约占地、运行稳定、出水水质高等优点；第一池体上通过设置水泵和射流器的组合，实现污水回流、曝气充氧及水力搅拌等多种功能，在空间序列上实现缺氧—厌氧—好氧不断循环，处理效率高；好氧处理室及折流厌氧室设置的填料，利于固化微生物的繁衍，使溶解状态的有机物和特定物质也被去除，其中，微球填料既是微生物的载体，又可以对废水中的磷进行高效吸附，配合卵石和砾石使用，不易堵塞，使用寿命长。

本发明所述蓄洪排灌湿地在河道两岸形成景观海绵系统，收集的雨水及其他地表径流经沉淀、过滤后，进入配水室；同时，借助天然地势，引河水进入配水室，配水室内的水依次经过表流湿地室及潜流湿地室，通过基质填料和植物的作用，去除水体中的COD、氮、磷等污染因子，净化后的水流回河道，或引出作为灌溉使用；运行过程不需要动力，节约了能源，进一步实现水质保持。

本发明通过污水净化滤池实现“控源截污”，通过蓄洪排灌湿地实现“水利调配、生态修复”；以“内源治理、控源截污”为治理基础，通过“生态修复”强化水体生态系统的主要功能，从根本上实现水质的净化和保持，从而促进水资源的开发和配置。

附图说明

图1是所述污水净化滤池的结构示意图；

图2是所述蓄洪排灌湿地的结构示意图；

图3是图2沿A-A线的剖面图；

图4是图2沿B-B线的剖面图。

图1～4中：1.第一池体；2.盖板；3.第一隔板；4.第二隔板；5.第一折流板；6.第二折流板；7.过滤砖；8.格栅板；9.过滤网；10.入水管；11.输水支管；12.输水主管；13.水泵；14.射流器；15.回流口；16.通水口；17.排水管；18.弹性填料；19.框架；20.第一支撑层；21.第一滤料层；22.第一覆盖层；28.挺水植物；33.河流；34.橡胶坝；35.闸阀；36.引水槽；37.出水渠；38.回河管道；39.第一控制阀；40.第二控制阀；41.排灌管道；42.第二池体；43.第三隔板；44.第四隔板；45.配水室；46.表流湿地室；47.潜流湿地室；48.出水室；49.过滤槽；50.集水池；51.堤岸；52.罩板；53.雨水篦子；54.边坡；55.滤网带；56.进水管；57.第一过水孔；58.第二支撑层；59.第二滤料层；60.第二覆盖层；61.种植基质层；62.出水管；63.第二过水孔；64.通水管；65.湿生植物。

具体实施方式

为了使本发明的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合具体实施例对本发明的技术方案作出进一步的说明，但所述实施例旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下述实施例中所用原料均为普通市售产品，所述聚四氟乙烯粉选用浙江巨化品牌(牌号JF-4A1)，粒径200～400μm；所述聚乙烯醇选用三维品牌088-20(型号PVA 1788)，醇解度为87.0～89.0％，平均聚合度为1650～1850，分子量为72600～81400，粒度160目；所述硅灰石粉粒度为1250目；所述硅酸盐选用蒙脱土，粒度为1250目，密度1.6g/cm

实施例1

如图1～4所示，一种基于水利调配的流域水生态修复系统，包括污水净化滤池及蓄洪排灌湿地，所述污水净化滤池设置于入河排污口处，用于控制上游排放废水导致的污染，所述蓄洪排灌湿地设置于河道提岸51两侧，用于提高水体自净能力，并便于进一步农业或市政利用。

所述污水净化滤池包括第一池体1以及封闭第一池体1上端口的盖板2。第一池体1内从左至右依次设有第一隔板3及第二隔板4，所述第一隔板3的前、后两端以及第二隔板4的前、后两端分别与第一池体1的前、后两侧内壁无缝连接，第一隔板3的底部及第二隔板4的底部均与第一池体1的底面无缝连接。第一隔板3及第二隔板4将第一池体1从左至右分隔成好氧处理室、缺氧处理室、折流厌氧室，折流厌氧室内设置有第一折流板5及第二折流板6；所述第一折流板5及第二折流板6呈左、右布置，第一折流板5的前、后两侧以及第二折流板6的前、后两端分别与第一池体1的前、后侧壁无缝连接，第一折流板5的底部与第一池体1底面相靠接，第二折流板6的顶部与盖板2底面相靠接，第一折流板5及第二折流板6沿竖直方向的尺寸均大于第一池体1高度的一半。

好氧处理室的下部及折流厌氧室的下部均设置有格栅板8，格栅板8下方设置有用于支撑格栅板8的过滤砖7(采用本领域常规普通市售产品即可)。好氧处理室的中部挂设有框架19，框架19下方均匀间隔悬挂有弹性填料18，弹性填料18的底部固定在好氧处理室下部的格栅板8上。所述弹性填料18包括固定绳，固定绳上均匀间隔固定有若干塑料环，塑料环的环圈上固定有若干纤维束，所述纤维束采用醛化纤维，弹性填料18的悬挂密度为9根/平方米。折流厌氧室下部的格栅板8上铺设有过滤网9，过滤网9向上依次铺设有第一支撑层20、第一滤料层21、第一覆盖层22，第一支撑层20、第一滤料层21及第一覆盖层22的厚度之比为1﹕2﹕1，所述层位于折流厌氧室的中部。

缺氧处理室顶部插入有入水管10，所述入水管10的下端伸入至缺氧处理室的下部；好氧处理室的顶部插入有输水主管12，所述输水主管12的下端伸入至好氧处理室的底部，输水主管12的上端穿过盖板2并伸出好氧处理室，缺氧处理室的右部及折流厌氧室的左部均插入有输水支管11，所述输水支管11的下端伸入至第一池体1的上部，两个输水支管11的上端穿过盖板2、伸出第一池体1，并与输水主管12相连通，缺氧处理室及折流厌氧室内的污水通过输水支管11及输水主管12进入好氧处理室，输水主管12上沿污水流动方向依次安装有水泵13和射流器14。第一隔板3的上部设置有回流口15，第二隔板4的底部设置有通水口16，第一池体1右侧壁顶部连通有排水管17，所述排水管17的出水排入河流。

所述蓄洪排灌湿地包括沿远离堤岸51方向依次设置的第二池体42、过滤槽49及集水池50，所述第二池体42、过滤槽49及集水池50的上端口相平齐，集水池50的右侧设置有边坡54，集水池50的底部高于第二池体42的底部(集水池50的深度小于第二池体42的深度)，过滤槽49的底部高于集水池50的底部(过滤槽49的底面约为集水池50的中部高度)，过滤槽49的底部铺设有防水毯，防水毯上堆置有滤网带55，滤网带55的堆积量约为过滤槽49容积的一半，滤网带55内填充有滤材颗粒，所述滤材颗粒采用页岩陶粒。

第二池体42内设置有垂直相交的第三隔板43及第四隔板44，所述第三隔板43位于第二池体42的中部，且第三隔板43沿横向延伸，第三隔板43的左、右两端分别与第二池体42的左、右两侧内壁无缝连接，所述第四隔板44位于第二池体42的右部(以蓄洪排灌湿地设置于河道提岸51右侧为例)，且第四隔板44沿前后方向延伸，第四隔板44的前、后两端分别与第二池体42的前、后两侧内壁无缝连接。位于第四隔板44左侧的池体被第三隔板43分割成表流湿地室46及潜流湿地室47，所述表流湿地室46位于潜流湿地室47的前侧，位于第四隔板44右侧的池体被第三隔板43分割成配水室45及出水室48，所述配水室45位于出水室48的前侧。所述配水室45、出水室48及过滤槽49的上端口处均设置有罩板52，集水池50的上端口处设置有雨水篦子53，以防止树叶、树枝等落入，造成堵塞。

集水池50与过滤槽49之间连通有通水管64，所述通水管64位于集水池50左侧壁的中部、过滤槽49右侧壁的底部，且通水管64设置于过滤槽49右侧壁的后侧；过滤槽49与配水室45之间连通有进水管56，所述进水管56位于过滤槽49的上部，且进水管56设置于过滤槽49左侧壁的前侧。位于配水室45与表流湿地室46之间的第三隔板43上部均匀间隔设置有若干第一过水孔57，位于表流湿地室46与潜流湿地室47之间的第四隔板44上部均匀间隔设置有若干第二过水孔63，所述第一过水孔57与第二过水孔63相平齐，且第一过水孔57及第二过水孔63均略低于进水管56。位于潜流湿地室47与出水室48之间的第三隔板43底部插入有出水管62，所述出水管62的一端沿横向位于潜流湿地室47的底部，出水管62的另一端伸入出水室48并向上延伸至出水室48的中部，出水管62位于潜流湿地室47的管壁上开设有若干出水孔。

表流湿地室46及潜流湿地室47内均从下至上依次铺设有第二支撑层58、第二滤料层59、第二覆盖层60及种植基质层61，所述种植基质层61的上表面低于第二过水孔63及第一过水孔57，第二支撑层58、第二滤料层59、第二覆盖层60及种植基质层61的厚度之比为1﹕2﹕1﹕0.8。表流湿地室46的种植基质层61上种植有挺水植物28(如：菖蒲)，潜流湿地室47的种植基质层61上种植有湿生植物65(如：美人蕉)。配水室45的上部连通有引水槽36，所述引水槽36朝上游方向延伸，并与河道相连，所述引水槽36用于将河流33中的水引入配水室45，引水槽36的入口处(位于橡胶坝34上游)设置有格栅和闸阀35。出水室48的中部连通有出水渠37，所述出水渠37朝下游方向延伸，并连通有回河管道38及排灌管道41，所述回河管道38用于将出水渠37中的水引回河道，回河管道38上设置有第一控制阀39，排灌管道41上设置有第二控制阀40。

其中，所述第一支撑层20及第二支撑层58均采用卵石铺设而成，卵石的粒径为5～6cm。所述第一覆盖层22及第二覆盖层60均采用砾石铺设而成，砾石的粒径为1～2cm。所述第一滤料层21集第二滤料层59均采用微球填料铺设而成。

所述微球填料采用以下步骤制备：

(1)将聚四氟乙烯粉与硅灰石粉按照质量比4﹕1混合均匀，于330℃挤出造粒，得到基粒(粒径小于2mm)；

(2)将聚乙烯醇加入水中，搅拌至溶解后，再加入硅酸盐粉，得到硅酸盐分散液；其中，水中聚乙烯醇的加入量为10g/L，硅酸盐的加入量为40g/L；

(3)将步骤(1)所述基粒与步骤(2)所得硅酸盐分散液按照质量比3﹕37混合，搅拌20min，超声20min，再搅拌3小时，于250℃挤出造粒，粒径5～6mm，即得。

所述微球填料用清水浸泡、冲洗之后的水呈中性，说明微球填料性质稳定，利于微生物生长。另外将实施例1制得的微球填料进行装柱处理，柱子的横截面直径为0.2m，微球填料高度1m，控制水流速度5mL/min；利用制成的微球填料柱对含氮磷的废水进行吸附去除，废水初始氨氮浓度30mg/L、磷浓度4mg/L；在25℃的条件下，含磷废水经填料柱处理后，出水含氨氮浓度5.3mg/L、磷浓度2.1mg/L，说明微球填料对氮磷有一定的吸附能力，也利于微生物生长。

实施例2

一种基于水利调配的流域水生态修复系统，按照实施例1的结构设置，区别在于所述微球填料采用以下步骤制备：

(1)将聚四氟乙烯粉与硅灰石粉按照质量比9﹕1混合均匀，于340℃挤出造粒，得到基粒；

(2)将聚乙烯醇加入水中，搅拌至溶解后，再加入硅酸盐粉，得到硅酸盐分散液；其中，水中聚乙烯醇的加入量为8g/L，硅酸盐的加入量为42g/L；

(3)将步骤(1)所述基粒与步骤(2)所得硅酸盐分散液按照质量比3﹕45混合，搅拌20min，超声20min，再搅拌3小时，于250℃挤出造粒，粒径5～6毫米，即得。

实施例3

一种基于水利调配的流域水生态修复系统，按照实施例1的结构设置，区别在于所述微球填料采用以下步骤制备：

(1)将聚四氟乙烯粉与硅灰石粉按照质量比3﹕1混合均匀，于320℃挤出造粒，得到基粒；

(2)将聚乙烯醇加入水中，搅拌至溶解后，再加入硅酸盐粉，得到硅酸盐分散液；其中，水中聚乙烯醇的加入量为15g/L，硅酸盐的加入量为35g/L；

(3)将步骤(1)所述基粒与步骤(2)所得硅酸盐分散液按照质量比3﹕25混合，搅拌20min，超声20min，再搅拌3小时，于250℃挤出造粒，粒径5～6毫米，即得。

经试验，实施例2及实施例3所制得的微球填料与实施例1所制得的微球填料性能相当。

上述基于水利调配的流域水生态修复系统应用时，排入河流33的污水(预先经过沉淀、过滤)经入水管10进入缺氧处理室，在缺氧处理室进行COD降解和反硝化作用，然后经通水口16进入折流厌氧室，在折流厌氧室经过第一支撑层20、第一滤料层21及第一覆盖层22的逐层过滤，进一步COD降解和厌氧释磷，水泵13将缺氧处理室和折流厌氧室的污水吸走，经射流器14进入好氧处理室，在弹性填料18附着的微生物作用下，通过硝化反应将污水中的氨氮转化为硝态氮，富含硝态氮的硝化液经回流口15回流至缺氧处理室，从而实现缺氧—厌氧—好氧不断循环，达到脱氮除磷、降低COD的目的。

蓄洪排灌湿地收集边坡54的地表径流，在集水池50进行沉淀，通过通水管64溢流入过滤槽49，过滤槽49内的水从后向前流动的过程中，经过滤材颗粒的过滤，然后通过进水管56进入配水室45；同时，打开闸阀35，借助天然地势(上游地势高于下游)，通过引水槽36引河水进入配水室45；配水室45内的水通过第一过水孔57进入表流湿地室46，然后再通过第二过水孔63进入潜流湿地室47，通过第二支撑层58、第二滤料层59及第二覆盖层60的逐层过滤，在植物-微生物的共同作用下，进一步净化水质，然后通过出水管62进入出水室48；出水室48内的水自动流入出水渠37，经检测，出水达到地表水Ⅳ类水质标准；关闭第二控制阀40、打开第一控制阀39，净化后的水可回流回河流33；关闭第一控制阀39、打开第二控制阀40，净化后的水可输送用于农业或市政灌溉。