一种多自由度的增容增效生态修复体的制作方法

本发明通过构建一种多自由度的增容增效生态修复体探索了一种改善河流水质状况的方法。

背景技术：

随着工农业的飞速发展，水环境问题日益恶化。目前我国许多城市河流水质受到严重污染，耗氧性有机污染物、氮磷营养盐含量高居不下导致蓝藻、水葫芦等水生植物爆发性生长繁殖，富营养化严重甚至引起黑臭现象，对人体健康造成威胁；此外，城市河流在整治过程中改变了天然形态和自然走向，河床和边坡硬化，破坏了生物赖以生存的自然空间，加上工矿废水和生活污水的超标排放，导致水体纳污能力下降、水生态功能退化。可见，开发解决水体富营养化难题、改善水质、提升河流健康水平的生态修复技术是时代要求。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请201510215887.0提出了一种“用于水体修复的分布式净化装置”，设置两个可将微生态制剂泵入的净化区，净化区的两侧壁和底壁均形成用于引导水流方向的透水网面外壁区域供微生物附着，配合曝气设施强力去除COD、氨氮、重金属离子等污染物，使水体在较短的时间内变清澈、恶臭消失；中国专利申请201210544889.0提出了一种“用于富营养化污染水体修复的浮岛系统及水体修复方法”，采用的微纳米气泡发生装置增加溶解氧，在小范围促进并控制水体流动，增加修复生物链去除水体污染物；中国专利申请201410612326.X“一种基于植物的水体修复系统”，在曝气管适当的曝气和控制pH条件下，通过水培植物及系统设置的兼氧区和好氧区，构成微生态系统模拟自然水生生态，完成对水体污染物质的去除；中国专利申请201520815313.2“一种河道水体修复装置”，在曝气环境中利用植物和好氧微生物去除水体污染物，稳定地治理了河道水体污染。然而这些装置与污染水体的接触面积甚小，发挥的效益有限；此外，修复体多用绳索固定，长期使用容易腐烂且易缠绕，减小修复体与水体的接触面积，后期需要投入较大人力和财力，推广性受到局限。

如何克服现有技术的不足已成为污染水体生态修复中亟待解决的重点难题之一。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种多自由度的增容增效生态修复体，本发明不仅能有效去除水体中的有机污染物和营养盐，提高水体含氧量，而且修复面广、经济美观、效果显著，适用于普通富营养化河流水体的治理与修复。

一种多自由度的增容增效生态修复体，其特征在于包括曝气单元、漂浮平衡单元、增容单元和多自由度修复单元，曝气单元、漂浮平衡单元和增容单元上下依次连接，多自由度修复单元侧向连接在增容单元上；其中曝气单元由防水盒、曝气泵、曝气管、三通和两通组成；漂浮平衡单元由挺水植物、漂浮生长基、环臂和漂浮平衡圈组成；增容单元由滑动柱、盖板、单向螺栓球、滑动槽和柱础组成；多自由度修复单元由植物生长包、基质、侧向连接杆、三节式万向节和橡胶防水罩组成。滑动柱上下两端通过螺纹分别连接环臂和单向螺栓球，单向螺栓球在滑动槽上自由滑动；多自由度修复单元通过侧向连接杆固定在滑动柱上，布置一个以上的多自由度修复单元；曝气单元的防水盒安置在漂浮平衡单元上方，曝气管分布在滑动柱、侧向连接杆周围。

本发明实现的原理是：利用水流控制三节式万向节的多自由度旋转和单向螺栓球的滑动，带动有沉水植物生长的悬浮生长基在水体中的在三维空间中的转动和水平方向的运移，增大修复体与水体的接触面积，去除更大范围内的水体污染物，并增加水体中的溶解氧含量，水生植物和悬浮生长基中的基质填料在氧气充足的条件下更好地发挥光合作用和吸附作用，能达到长效去除水体污染物的效果，实现提高水体自净能力、改善水生态环境的目的。

本发明与现有技术相比其显著优点在于：

一是植物与污染水体的接触面积在三维空间中成倍增加。单向螺栓球可水平滑动、多自由度修复单元在水体中万向旋转，使得有沉水植物生长的漂浮生长基与污染水体在三维方向上的接触面积增大，通过同化吸收作用能去除更多有机质、营养盐等污染物，大大提高了修复效率。

二是修复体不易缠绕，保证修复效果。侧向连接杆代替了目前普遍使用的绳索，有效解决了一般生态浮床由于绳索缠绕，会缩小接触面积，减弱修复效果的缺陷，使此装置的使用效果较已有装置有明显提升。

三是去污效果长效显著。通过曝气泵的富氧，水体溶解氧含量增高，增强了水生植物的同化吸收作用、生物陶粒的吸附作用，提高了装置的去污效率。

四是所用动力绿色环保。装置利用自然风和水流提供单向螺栓球滑动和三节式万向节多自由度旋转的动力，通过柱础和漂浮平衡圈维持稳定，节能环保，经济实用，展现了可广泛推广的优势。

本发明能为富营养化河湖水体生态的修复提供方法，实现水体污染物的去除，具有修复面积广、修复效果好、经济美观的优点，推广性强。

附图说明

图1为本发明提出的一种多自由度的增容增效生态修复体的结构示意图。

图2为本发明提出的多自由度修复单元的结构示意图。

其中：1、曝气单元；2、漂浮平衡单元；3、增容单元；4、多自由度修复单元；5、防水盒；6、曝气泵；7、曝气管；8、三通；9、两通；10、挺水植物；11、漂浮生长基；12、环臂；13、漂浮平衡圈；14、滑动柱；15、盖板；16、单向螺栓球；17、滑动槽；18、柱础；19、沉水植物；20、悬浮生长基；21、侧向连接杆；22、三节式万向节；23、橡胶防水罩。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

结合图1，本发明提出的一种多自由度的增容增效生态修复体，它包括曝气单元1、漂浮平衡单元2、增容单元3和多自由度修复单元4；其中所述的曝气单元1、漂浮平衡单元2和增容单元3上下依次连接，多自由度修复单元4侧向连接在增容单元3上；其中曝气单元1由防水盒5、曝气泵6、曝气管7、三通8和两通9组成；漂浮平衡单元2由挺水植物10、漂浮生长基11、环臂12和漂浮平衡圈13组成；增容单元3由滑动柱14、盖板15、单向螺栓球16、滑动槽17和柱础18组成；多自由度修复单元4由沉水植物19、悬浮生长基20、侧向连接杆21、三节式万向节22和橡胶防水罩23组成。其中：

所述的曝气单元1中的曝气泵6安置在防水盒5中，防水盒5与增容单元3的滑动柱14通过环臂12连接，曝气管7通过三通8和两通9将氧气传输到悬浮生长基20处，曝气管7分布在滑动柱14、侧向连接杆21周围，并用绳子固定在滑动柱14和侧向连接杆21上以防止风浪扰动等因素使曝气管7扭折，影响氧气的正常传输。曝气单元1主要为植物的同化和吸附作用提供充足的氧气，增强修复体的修复效果。防水盒材质为PVC，曝气管材质为硅胶。

所述的漂浮平衡单元4中的漂浮平衡圈13与增容单元3中的单向螺栓球16通过滑动柱14连接，漂浮生长基11为装有生物陶粒的不锈钢丝网，安放在漂浮平衡圈13内部，种植挺水植物，挺水植物为美人蕉、鸢尾、千屈菜和旱伞草中的一种或几种，挺水植物不仅可吸收水体的污染物，而且可以使外形更加美观。漂浮平衡圈13下方固定的环臂12设有螺纹口，与滑动柱14的上端连接，漂浮平衡圈13材质为聚乙烯，环臂12材质为不锈钢。滑动柱14根据水深设置，使漂浮平衡圈13漂浮在水面，在水流控制下，可牵引底部的单向螺栓球16在滑动槽17内水平滑动，实现修复面积的增大。

所述的增容单元3中的柱础18由生物沸石与水泥浇筑而成，柱础18上设有滑动槽17，材质为光滑大理石，滑动槽17形状与单向螺栓球16相契合，槽深稍大于单向螺栓球16的直径。单向螺栓球16安置在滑动槽17中，可自由滑动，其上设有螺纹孔与滑动柱14下端匹配，滑动槽17长度可根据柱础18设置，柱础18长度可根据河宽设置。盖板15覆盖在滑动槽17上方，长度约为滑动槽17长度的两倍，滑动柱14自盖板15中心穿过，盖板15能够在小球滑动过程中刚好盖住滑动槽17上面的开口，防止修复体使用过程中水体泥沙沉降到滑动槽17中，增加小球滑动的阻力。柱础18支撑整个修复体，配合漂浮平衡单元2起稳定作用。单向螺栓球16材质为不锈钢或大理石，盖板15材质为PVC，滑动柱14材质为PVC或不锈钢。

所述的多自由度修复单元4的侧向连接杆21与增容单元3的滑动柱14通过三节式万向节22连接，三节式万向节22安置在橡胶防水罩23中。侧向连接杆21长约1m，外端连接悬浮生长基20，悬浮生长基20为装有生物陶粒和生物沸石的不锈钢丝网，种植沉水植物，沉水植物为金鱼藻、菹草、黑藻和马来眼子菜中的一种或几种。三节式万向节22受橡胶防水罩23保护，在水体中可实现多自由度旋转，使有沉水植物生长的悬浮生长基20能更充分地接触水体，在曝气装置的氧气补充下，更好地发挥植物的同化吸收作用。侧向连接杆21的材质为PVC或不锈钢管，三节式万向节22材料为不锈钢。

以上所述修复体所需材料均易获得。

以下结合图1和图2，进一步说明本发明的具体操作步骤：

本发明提出的一种多自由度的增容增效生态修复体，包括曝气单元1、漂浮平衡单元2、增容单元3和多自由度修复单元4，曝气单元1、漂浮平衡单元2和增容单元3上下依次连接，多自由度修复单元4通过三节式万向节22侧向连接在滑动柱14上，一根滑动柱14上安置一个以上的多自由度修复单元4。

步骤一：设置柱础18尺寸长×宽×高＝200cm×50cm×50cm，柱础18顶端设置滑动槽17，长度略小于柱础18长度，槽长×槽宽×槽深＝280cm×15cm×15cm，滑动槽17槽口宽约8cm，同时滑动槽17一端保留开口，整个柱础18由生物沸石与水泥浇筑而成。

步骤二：在步骤一中滑动槽17表面铺设光滑大理石，同时将一个直径约13cm的大理石或PVC不锈钢单向螺栓球16(内置螺纹)通过滑动槽17开口放入滑动槽17，然后用橡胶块封堵住滑动槽17的开口，防止单向螺栓球16从滑动槽17中滑出。

步骤三：依据水深设置滑动柱14的长度(约等于水深减去柱础的高度)，滑动柱14直径略小于滑动槽17槽口宽度，约6.5cm，滑动柱14两端设计为螺纹结构，将一端插入滑动槽17中单向螺栓球16的螺口中，旋紧。同时在滑动柱14与滑动槽17槽口相接处，在滑动柱14上套一带孔盖板15(孔径略大于滑动柱直径)，盖板15长度为滑动槽17的两倍，盖板15宽度应大于滑动槽17槽口的宽度为宜，保证滑动过程中盖板15可以覆盖住滑动槽17槽口。

步骤四：按生物陶粒与生物沸石体积比1∶3放进不锈钢丝网中做成悬浮生长基20，然后在悬浮生长基20中培养沉水植物，悬浮生长基20的长×宽×高＝20cm×20cm×20cm，基质中的生物陶粒的粒径为1.5-2cm，生物沸石的粒径为2-3cm，大于网袋的孔径1cm，悬浮生长基20用绳子固定在长约1m的侧向连接杆21上，侧向连接杆21通过三节式万向节22连接在滑动柱上，三节式万向节22安置在橡胶防水罩23中，防止因长期浸泡在水中而影响其多自由度旋转的灵活度。可根据水深在滑动柱14上安置一个以上多自由度修复单元4，以增加修复效果。

步骤五：设置漂浮平衡圈13内径约30cm，在漂浮平衡圈13上成120度固定三个环臂12，在环臂12上端固定防水盒5，环臂12下端设置一螺纹口，与滑动柱14上端连接，将生物陶粒安放在不锈钢丝网上做成漂浮生长基11，然后将沉水植物种植在漂浮生长基11上。使用过程中要保证漂浮平衡圈13能漂浮在水面，在维持整体平衡的基础上随着水流带动单向螺栓球16在滑动槽17内水平滑动。

步骤六：将曝气泵6放入步骤五中的防水盒5中，曝气管7通过三通8和两通9连接好，用绳子固定在滑动柱14和侧向连接杆21的周围，最终导入到悬浮生长基20中。

步骤七：将安装好的修复体投入水体，打开曝气泵6，氧气通过曝气管7传输到悬浮生长基20处，多自由度修复单元在水流和风浪扰动的影响下多角度自由旋转，吸附和降解水体中的污染物，改善河流水质，提高水体自净能力。实际工程中可根据河宽放置多个修复体。

以下进一步说明本发明实施效能的具体对比实例：

设置一种多自由度的增容增效生态修复体水箱(试验组)与普通浮床水箱(对照组)，以便进行同步试验，水箱的规格为长×宽×深＝103cm×103cm×155cm，水箱内注入135cm深的污水，试验用水取自富营养化城市河流。多自由度的增容增效生态修复体柱础长×宽×高＝50cm×17cm×17cm，滑动槽长×宽×深＝47cm×6cm×6cm，槽口宽约3.5cm；单向螺栓球直径为5cm，滑动柱长约85cm，滑动柱直径为3cm；侧向连接杆长约50cm，悬浮生长基长×宽×高＝15cm×15cm×12cm，每个悬浮生长基上种植12株菹草，在滑动柱上设置两根侧向连接杆和两个悬浮生长基；漂浮平衡圈内径约20cm，漂浮生长基上种植15株美人蕉；防水盒长×宽×高＝15cm×15cm×18cm；对照组普通浮床水箱中控制与实验组相同的系统表面覆盖率，即采用与实验组相同的根系表面积。

试验历时20天。试验期间，菹草和美人蕉已经生长良好，试验结束时，多自由度的增容增效生态修复体水箱和普通浮床水箱中的水体修复效果见表1。试验结果表明：多自由度的增容增效生态修复体去除效果显著。

如上所述，我们完全按照本发明的宗旨进行说明，但本发明并非局限于上述实施例和实施方法。相关技术领域的从业者可在本发明的技术思想许可的范围内进行不同的变化及实施。