静脉河道低污染水负荷削减的方法

专利名称：静脉河道低污染水负荷削减的方法
技术领域：
本发明涉及水体的污染控制方法，更具体的说是静脉河道低污染水负荷削减的方法。
背景技术：
污水处理，就是采用各种方法将污水中所含有的污染物分离出来，或将其转化为无害和稳定的物质，从而使污水得到净化。现代的污水处理技术，按其作用原理，可以分为物理法、化学法和生物法。(1)物理处理方法主要是利用过滤、沉淀、浮选等方法除去悬浮物。(2)化学处理方法包括中和、氧化、化学凝聚、电解凝聚、离子交换等方法。中和使废液pH值接近中性。氧化法是利用空气或氧化剂将废水中的有机物质氧化为无害物质。化学凝聚是利用硫酸铝、氯化铁等物质使废水中的胶体成絮状沉淀。离子交换法是利用离子交换树脂把重金属离子从废水中分离出来。然后用酸液淋洗树脂，将重金属洗出，使树脂再生。(3)生物处理方法利用微生物生命运动过程中的生化作用，将有害有机物分解转化为无害的简单物质，达到废水净化的目的。生活污水和工业污水中的污染物是多种多样的，不能预期只用一种方法就能够把所有的污染物去除殆尽，一种污水往往需要通过由几种方法组成的处理系统进行处理，才能达到要求处理的程度。"按处理程度划分，污水处理可分为一级处理、二级处理、三级处理。 一级处理又叫预处理，其内容是去除污水中飘浮物和部分悬浮状态的污染物质，调节PH值，减轻污水的腐化程度和后续处理工艺的负荷。物理法中的大部份只能完成一级处理的要求。二级处理也称生化处理，主要任务是大幅度地去除污水中呈胶态和溶解状态的有机性污染物质。三级处理是深度处理，应用物理化学和化学方法使水质达到用水要求。 自20世纪90年代开始，国家以"三河三湖"(淮河、辽河、海河、太湖、巢湖、滇池)、三峡库区、南水北调沿线等流域为重点，采取一系列措施，开展流域水污染防治工作。经过多年努力，目前我国流域水污染恶化的趋势基本得到遏制，水环境质量有所改善，但面临的水环境形势依然不容乐观。 首先，水质状况没有从根本上改善，水污染状况依然相当严重。2006年，全国地表水总体水质属中度污染。在国家环境监测网(简称国控网)实际监测的745个地表水监测断面中，I III类(优、良好)，IV、V类(轻度和中度污染)，劣V类(重度污染)水质的断面比例分别为40%、32%和28%。流经城市90%的河段受到不同程度污染，其中，松花江、黄河、淮河为中度污染，辽河、海河为重度污染；75%的湖泊出现富营养化，其中，巢湖水质为V类，太湖和滇池为劣V类；此外，30%的重点城市饮用水源地水质达不到III类标准。
其次，污染物排放总量大，远远超过流域所能承受的环境容量。"十五"期间，我国废水排放量从2000年的415. 2亿吨增加到2005年的524. 5亿吨，增加8. 7% ;化学需氧量2005年为1414. 2万吨，比2000年减少5. 6% ，并未完成"十五"计划减排10%的目标。国家"十一五"规划纲要提出，"十一五"期间化学需氧量要减排10%，并作为约束性目标。但是，2006年全国化学需氧量排放量比2005年增长1.0%，不减反升。经过艰苦努力，2007年前
3三季度全国化学需氧量排放量同比下降O. 28%，首次由上升转为下降，但要完成"十一五"期间减排10%的目标，任务依然很艰巨。 第三，严重的水污染不仅加剧了水资源的缺乏，破坏了水生生态系统，而且影响了人们正常的生产和生活，对我国经济和社会的可持续发展构成威胁。 一是在水污染的日益严重加剧了水资源的短缺。由于水污染使原本丰富的江河水资源不仅不能被利用，而且还需大量的人力、物力进行整治，这使得原来缺水的北方地区和城市更加缺水，而且使水资源丰富的南方地区和城市守着河湖却不能获取清洁达标的水，形成了所谓的水质型缺水，成为制约经济社会又好又快发展的瓶颈。二是水资源过度开发，水生态系统遭到破坏。国际公认的流域水资源利用率警戒线为30% 40%，而我国大部分河流的水资源利用率均已经超过该警戒线，如淮河为60 % ，黄河62 % 、辽河65 % ，海河超过90 % 。水资源的过度开发利用和河流系统的渠道化、破碎化，造成洪水调蓄能力、污染物净化能力、水生生物的生产能力等不断下降，使我国水生系统受到不同程度的破坏。三是水污染给人们的饮用水安全和健康造成了威胁。我国近90%的城镇饮用水源已受到城市污水、工业废水和农业排水的威胁。在许多地方造成不同程度的饮用水危机。像贵州、云南等就出现了明显的公害病，如铅中毒、镉中毒、汞中毒等；淮河流域许多地区癌症发病率比正常地区高出十几倍到上百倍，严重影响了当地居民的健康和生活。

发明内容
1.发明要解决的技术问题 针对现有的河流水体的污染日益加剧而难以处理的问题，本发明提供了静脉河道低污染水负荷削减的方法，采用潜没式生态床技术、生物接触氧化技术、生态浮岛技术和生态透水坝，该方法可以解决流域河网地区静脉河道的污染问题，有效去除污水中氮、磷等污染物质。 2.技术方案 为解决以上的技术问题，本发明的原理为 根据静脉河道的特征、各核心技术的功能、静脉河道治理目标以及所要达到的生态景观效果，本发明的技术方案为在河道上游两岸采取岸边修复可以较好的固定岸坡、阻截污水，有效减少面源污水、生活污水的流入，河道中采用生态浮岛技术，通过生态浮岛植物_固定化氮循环细菌微生物互利共生体系强化去除上游河道中的氮磷，同时生态浮岛与岸边修复植物共同营造了和谐的的生态景观。上游与中游之间设置的生态透水坝，透水坝表面种植植物的根系为微生物提供栖息场所的同时，也能为微生物提供氧气，有助于促进N、 P等营养物质的吸收与转化。在河道中游设置潜没式生态床，利用植物的吸收作用去除污水中的氮、磷等污染物，然后设置生物接触氧化，通过生物氧化作用，将污水中的有机物以及中上游的植物残体氧化分解。潜没式生态床中的植物会分解腐烂到水中，因此将生物接触氧化设在潜没式生态床之后。在河道下游前先设生态透水坝，进一步有效去除残余的C0D、TN、TP。河道下游水质已经基本达到地表水标准，设置生态浮岛有两个作用一是进一步净化河道水质，二是美化河道环境，取得较好的生态效果和景观效果。设置岸边修复可以保持水土，并结合生态浮岛共同构成的生态系统，达到"水清、岸绿、景美"的效果。通过静脉河道低污染水负荷削减关键技术的综合运用，形成"一条河道，两层过滤，三重处理，四种核心技术"的静脉河道低污染水负荷削减关键技术体系，最终实现静脉河道功能性、生态性
和景观性合一。
本发明的技术方案为静脉河道低污染水负荷削减的方法，其步骤为(1)利用废弃河道或低洼地近自然型河道构建静脉河道， (2)在静脉河道中按水流方向在上游设置生态浮岛与岸边修复带；(3)在静脉河道上游与中游之间设置生态透水坝；(4)在静脉河道中游设置潜没式生态床与生物接触氧化床；(5)在静脉河道中游与下游之间设置生态透水坝；(6)在静脉河道下游设置生态浮岛与岸边修复带。河道污水依次经过以上生态处理后最终能够达到水质改善的目的。(一)生态浮岛在潜水湖泊水体采集、驯化、筛选高效脱氮细菌，包括氨化细菌、硝化细菌、亚硝化
细菌和反硝化细菌；制备出适宜于微生物生长，具有生物相容性、环境和谐性的微生态型固定化载体；采用高新技术将筛选出的高效氮循环细菌固定在生物相容性载体上，制备出固定化高效脱氮细菌(氨化，硝化、亚硝化、反硝化细菌)；采用生态浮岛技术与固定化氮循环细菌技术集成对静脉河道水体进行净化，建立生态浮岛植物_固定化氮循环细菌微生物互利共生体系强化去除湖泊、河流水体氮磷。 综合考虑水生植物的净化效果、生长季节、存活难易、土著种类、景观效果、后续管理、长效管理及水体中营养物质监测结果等方面综合因素，选择对TN、氨氮、总磷处理效果好的水生植物，同时选择挺水植物、沉水植物、浮水植物相结合进行配置，建设生态浮岛。对TP去除效果较好的水生植物有沉水植物中的黑藻、苦草，挺水植物中的芦苇、香蒲、黄菖蒲、茭白、荸荠，浮水植物中的水浮莲、浮萍、水蕹菜。对氨氮去除效果较好的植物中，沉水植物有黑藻、金鱼藻、苦草、轮藻，挺水植物有芦苇、香蒲、菖蒲、水葱、茭白、芋头、慈姑、荸荠、莲藕，浮水植物有水浮莲、浮萍、水蕹菜、菱、雨久花、睡莲，陆生植物有美人蕉、旱伞草，其中水浮莲、浮萍效果最好水浮莲、浮萍效果最好。 生态浮岛不仅能有效地去除氮、磷等营养盐，使水体透明度大幅度提高，同时水质指标也得到有效的改善，特别是对藻类有很好的抑制效果。浮岛植物不仅营造了水面的景观，在进行光合作用的时候，吸收周围的0)2释放02，同时净化着空气；植物在生长过程中有蒸腾作用，蒸腾作用通过植物气孔蒸发水分调节环境温度。因此，生态浮岛植物的光合作用与蒸腾作用调节着水面的微气候，这种良好的微气候适宜于鸟类等的栖息场所。由于浮岛的遮阳效果、涡流效果等创造了鱼类生存的良好条件。
( 二 )潜没式生态床 潜没式生态床技术是采用潜没式生态床处理河湖、水库水体污染的一种技术。潜没式生态床包括浮力调节装置、锚定装置，沉水植物床、微生物床、曝气装置、微孔曝气管，其中潜没式生态床上部为沉水植物床，下部为可撤卸式微生物床，潜没床底部设微孔曝气系统，潜没床顶部为浮力调节装置，底部为锚定装置。潜没式生态床既可以根据所种植水生植物种类调节水深，适合挺水植物、漂浮植物、沉水植物生长，为水生植物与水中微生物在水体有氧-缺氧条件下的生长提供条件，又可以根据河、湖、水库水体透明度条件调节床体深度。因此，应用潜没式生态床技术可在水体透明度低、水位波动大，沉水植物难以存活的 水域进行水体生态修复，而潜没式生态床能够对床体立体位置进行调节，依照水质状况改 变生态床的潜没深度，使生态床的应用范围更加广泛。 潜没式生态床上沉水植物大量吸收水中氮磷及有机物，转化为自身生物量，通过 收获植物可达到去除水中污染物的目的，此外，沉水植物光合作用产生的氧气营造出根系 周围的厌氧_好氧微环境，有利于微生物通过硝化_反硝化将N以铵态氮、N20等中间气体 和K形式逸出水体。不同的载体具有不同的营养盐吸附能力，以及不同的细菌负载能力， 在不同的水质条件下，通过下层载体附着不同介质(氮细菌、有机物降解菌与吸附介质等) 与上层沉水植物的合理搭配，构建不同类型污染物净化单元，既能消减营养负荷，又不影响 生态景观或又能达到改善和美化环境的目的，同时当河道水体水质较差时，可采用潜没床 底部曝气装置对水体进行曝气，强化进化河道水体水质。
(三)生物接触氧化床 生物接触氧化床是采用适宜于微生物生长的挂膜材料，利用栖附在填料上的生物 膜和充分供应的氧气，通过生物氧化作用，将废水中的有机物氧化分解，达到净化目的。生 物接触氧化床具有处理所需时间短、对进水有机负荷的变动适应性较强、净化效果好、出水 水质好而且稳定、污泥不需回流也不膨胀、耗电小、运行管理方便等优点。 [OOSO](四)生态透水坝 生态透水坝剖面为梯形复式结构，坝坡的边坡系数为i : i i : 2.5，包含以下
四个部分(A)控制层，位于生态透水坝的迎水坝坡，由lmm 5mm的筑坝材料构成，其体积 为整个透水坝的5% 15% ; (B)过渡层，位于生态透水坝内部，由5mm 10mm的筑坝材料 构成，其体积为整个透水坝的50% 65% ; (C)溢流层，位于生态透水坝的坝顶，由10mm 40mm的筑坝材料构成，占到生态透水坝体积的10% 15%; (D)稳定层，位于生态透水坝的 背水坝坡，由20mm 40mm的筑坝材料构成，占生态透水坝体积的20% 30% 。生态透水坝 的设计流程为首先勘测筑坝地址的地形条件和查询水文气象资料或其他设计资料，得到生 态透水坝的几何参数和设计流量，将上述参数代入渗流力学中的杜平公式中进行试算，得 到合理的渗透系数和停留时间，然后进行生态透水坝进一步的设计，选择合适的砾石级配、 筑坝材料、种植植物。 生态透水坝具有以下显著的优点无动力运行、降低了建设成本、具有很好的针对 性，可以获得10%左右的C0D去除率，10% 20%的TN去除率，20% 40%的TP去除率。
3.有益效果 发明提供了静脉河道低污染水负荷削减的方法，对其中的生态浮岛技术、潜没式 生态床技术、生物接触氧化技术进行试验，试验结果分析见图6 11。生态浮岛技术采用 挺水植物旱伞草和美人蕉进行试验，试验结果表明生态浮岛技术对TN、 TP去除效果明显， 其中旱伞草对TN、TP去除率可达80X。潜没式生态床技术采用沉水植物金鱼藻和伊乐藻， 试验结果表明潜没式生态床技术对SS、 NH4-N、 N03-N、 TN、 TP去除效果明显，其中N03_N、 TN、 TP去除率可达60%以上。生物接触氧化技术采用ZH901弹性立体填料进行试验，试验结果 表明生物接触氧化技术对SS、NH4-N、TP、COD去除效果明显，其中NH4_N、TP、C0D去除率可达 60%。通过以上各技术的综合运用，可以有效改善污水水质。 通过本发明的运用，静脉河道中C0D、氨氮、总氮和SS的去除率均可达60%以上。最终使静脉河道取得较好的生态效果和景观效果，使水体内鱼类和高等植物增多，高等生 物的生物量得到较大提高，浮岛上的水生植物与昆虫和鸟类增多，人工生态系统逐步建立。 通过人工调控的生态工程建设，使水系微生物、水生植物、水生动物与底质、水质动态平衡， 并逐步向自然恢复演替。改变河道年久失修，水质恶化现象，实现河道功能性、生态性和景 观性合一，达到"水清、岸绿、景美"的治理效果，为河网地区的水质改善提供保障。


图1为静脉河道低污染水负荷削减的方法结构示意图。
图2为潜没式生态床示意图。
图3为生物接触氧化示意图。
图4为生态浮岛示意图。
图5为生态透水坝示意图。 图6 11中，O代表初始浓度，1代表第一周的浓度值，2代表第二周的浓度，3代 表第三周的浓度，4代表第二周的浓度。BK代表空白对照，SWJC代表生物接触氧化，HSC旱 伞草，MRJ代表美人蕉，YLZ代表伊乐藻，JYZ代表金鱼藻。 图6为生态浮岛技术、潜没式生态床技术、生物接触氧化技术对污水中SS的净化 效果图。 图7为生态浮岛技术、潜没式生态床技术、生物接触氧化技术对污水中NH4_N的净 化效果图。 图8为生态浮岛技术、潜没式生态床技术、生物接触氧化技术对污水中N03-N的净 化效果图。 图9为生态浮岛技术、潜没式生态床技术、生物接触氧化技术对污水中TN的净化 效果图。 图10为生态浮岛技术、潜没式生态床技术、生物接触氧化技术对污水中TP的净化 效果图。 图11为生态浮岛技术、潜没式生态床技术、生物接触氧化技术对污水中C0D的净 化效果图。 图12为苏南河网地区河道实施静脉河道负荷削减关键技术的空间布局图。
图12中，①⑥代表生态浮岛与生态修复，②⑤代表生态透水坝，③代表潜没式生 态床，④代表生物接触氧化。
具体实施例方式
以苏南河网地区某河道为例进行了实验研究，针对该河道的污染特征和静脉河道 处理低污染水的功能要求，构建静脉河道，设计了静脉河道负荷削减示范工程方案，采用潜 没式生态床技术、生物接触氧化技术、生态浮岛技术等转化氮磷营养盐，强化净化河道水体 水质。静脉河道上游与下游均采用生态浮岛与岸边修复技术，中上游与中下游分别采用潜 没式生态床技术和生物接触氧化技术，并设计生态透水坝2处。示范工程具体实施空间布 局见附图12。 在静脉河道上游两岸5m范围内采取岸边修复，种植水蕹菜、芦苇、香蒲、黄菖蒲、茭白、荸荠、美人蕉等，形成水陆交错带与岸边缓冲带。上游河道中采用生态浮岛技术，生态 浮岛设计长为2m，宽为lm，在河道中放置两列，每两个之间的间隔为2m，采用驳岸牵拉的形 式进行固定，种植旱伞草、美人蕉、香蒲等，浮岛水下部分放置微生物载体，其上布满高效脱 氮细菌(氨化，硝化、亚硝化、反硝化细菌)。河道上游与中游之间设置生态透水坝，透水坝 主要由5 10mm(体积分数为40% )碎石和2 4cm(体积分数为60% )砾石构建。透水 坝沿水流方向为梯形结构，坝顶长4. 6m，坝底长15. 6m，宽度为12. 7m，高度为2. 2m，坝前坝 后边坡系数均为2. 5，渗透系数为0. 10m s—、生态透水坝表面种植美人蕉、菖蒲等，种植 密度为40株 m—2。在河道中游先设置潜没式生态床，潜没式生态床上部为沉水植物床，种 植植物选择伊乐藻、金鱼藻，下部为可撤卸式微生物床，潜没床底部设微孔曝气系统，潜没 床顶部为浮力调节装置，底部为锚定装置。然后在河道中游设置生物接触氧化，采用ZH901 弹性立体填料，潜没式生态床与生物接触氧化均长为2m，宽为lm，高位0. 6m，河道中放置两 列，每两个之间的间隔为2m。在河道下游前先设生态透水坝，其参数与河道上游与中游之间 的生态透水坝相同。在河道下游两岸5m范围内采取岸边修复，种植芦苇、香蒲、黄菖蒲、美 人蕉、旱伞草等。河道中采用生态浮岛技术，生态浮岛设计长为2m，宽为lm，河道中放置两 列，每两个之间的间隔为2m，种植旱伞草、美人蕉等。 通过静脉河道低污染水负荷削减示范工程的实施，由河道末端的水质变化可以看 出，河水中的NH3-N、 TN、 TP等污染物浓度显著下降，末端尾水NH3-N、 N03_N、 TN、 TP等污染负 荷削减率均达到80%以上，水质明显改善。
表1工程实施前后静脉河道末端水质监测数据(mg/L)
监测点ssNH3-NN03-NN02-NTNTPCOD
工程实施前32.000.621.920.072.930.2835.77
工程实施后6.000.150.40.030.070.0621.5权利要求
静脉河道低污染水负荷削减的方法，其步骤为(1)利用废弃河道或低洼地近自然型河道构建静脉河道，(2)在静脉河道中按水流方向在上游设置生态浮岛与岸边修复带；(3)在静脉河道上游与中游之间设置生态透水坝；(4)在静脉河道中游设置潜没式生态床与生物接触氧化床；(5)在静脉河道中游与下游之间设置生态透水坝；(6)在静脉河道下游设置生态浮岛与岸边修复带。
2. 根据权利要求1所述的静脉河道低污染水负荷削减的方法，其特征在于静脉河道为 利用废弃河道、低洼地等构建的近自然型河道，河水流速缓慢，自净能力较弱，污染轻微，出 现轻度富营养化现象，河岸以坡岸为主，植被较丰富。
3. 根据权利要求1所述的静脉河道低污染水负荷削减的方法，其特征在于其中步骤中 所采用的方法包括生态浮岛、潜没式生态床、生物接触氧化和生态透水坝。
4. 根据权利要求1 3中任一项所述的静脉河道低污染水负荷削减的方法，其特征在于实现静脉河道功能性、生态性和景观性合一。
5. 根据权利要求1、3所述的静脉河道低污染水负荷削减关键技术，其特征在于在步骤(2)、 (6)中建立生态浮岛植物-固定化氮循环细菌微生物互利共生体系强化去除湖泊、河流水体氮磷，其步骤为A) 在潜水湖泊水体采集、驯化、筛选高效脱氮细菌，包括氨化细菌、硝化细菌、亚硝化细 菌和反硝化细菌；B) 制备出适宜于微生物生长，具有生物相容性、环境和谐性的微生态型固定化载体；C) 采用高新技术将筛选出的高效氮循环细菌固定在生物相容性载体上，制备出固定化 高效脱氮细菌；D) 采用生态浮岛技术与固定化氮循环细菌技术集成对静脉河道水体进行净化，建立生 态浮岛植物_固定化氮循环细菌微生物互利共生体系强化去除湖泊、河流水体氮磷。
全文摘要
本发明公开了静脉河道低污染水负荷削减的方法，属于水处理领域。其步骤为(1)利用废弃河道或低洼地近自然型河道构建静脉河道，(2)在静脉河道中按水流方向在上游设置生态浮岛与岸边修复带；(3)在静脉河道上游与中游之间设置生态透水坝；(4)在静脉河道中游设置潜没式生态床与生物接触氧化床；(5)在静脉河道中游与下游之间设置生态透水坝；(6)在静脉河道下游设置生态浮岛与岸边修复带。通过本发明的运用，静脉河道中COD、氨氮、总氮和SS的去除率均可达60％以上。最终使静脉河道取得较好的生态效果和景观效果。实现河道功能性、生态性和景观性合一，达到“水清、岸绿、景美”的治理效果，为河网地区的水质改善提供保障。
文档编号C02F3/34GK101723520SQ20091026337
公开日2010年6月9日 申请日期2009年12月18日 优先权日2009年12月18日
发明者孙平, 张瑞斌, 柏益尧, 窦艳艳, 钱新 申请人:南京大学