修复富营养化天然水体的可移动式生态介质箱的制作方法

本发明涉及水体生态修复和景观提升领域，尤其涉及一种修复富营养化天然水体的可移动式生态介质箱。

背景技术：

随着全球城市化的不断发展，河道水体富营养化已经成为倍受世人关注的环境问题之一，它严重地制约了国民经济的可持续发展，破坏了城市的美好形象，威胁到生态安全和人类健康。

常规的河道治理技术有物理法、化学法和生物法。物理法包括清淤、引水冲污和曝气等技术，其特点在于水体中的污染物有明显的去除效果，但工程量大、运行成本较高，经济效益差，且治标不治本；化学法主要是往污染水体中投加化学试剂，其特点在于操作简单，针对性强，能快速降低水中污染物浓度，效果明显，见效快，但存在二次污染风险，而且不适用于大面积天然水体，且需与其他方法配合使用；生物法包括植物法、动物法与微生物法，其特点在于环保经济，能提高水体生物多样性与景观性，但处理周期漫长，受到外界条件和水体水质的限制因素较多，且也需要结合生态浮床等其他工艺。总之，单一的治理技术并不能有效地治理水体的富营养化问题。因此，需综合利用物理法+化学法+生物法，形成一种综合治理手段才能弥补常规技术的不足，这必将成为治理污染水体的主流技术。

目前，已有的技术中，如童宁军(cn206692419u)实用新型设计中涉及的一种综合治理技术：生态介质箱，其包括了上层可种植水生植物的植物种植区与下层可填充生态基质颗粒的介质填充区，箱体分布若干透水孔，并利用导轨螺母固定于驳岸；但是该介质箱是直接的固定于岸边，导致治理范围有限，且植物直接扎根于吸附基质除磷填料中，所用吸附基质的高碱性对植物的生长有一定的影响，也未考虑到基质的分拣与回收再利用，存在着浪费与成本问题；此外，该结构是将水生植物置于最上层，则箱体中用于给水生植物提供养分的基质必然也位于上部、在水体的表层流动和冲刷下很容易造成基质流失和水生植物不稳，从而降低了水生植物在整个箱体中的使用效果；另外，该介质箱下方的填料仅仅为除磷填料，也没有考虑填料的分级和级配效应，因此消除污染物单一，去除污染物的效果不理想。

又如王子荣(cn105399220a)设计了一种悬挂式生态修复板及其多介质人工沉床，主要是利用多介质吸附、微生物降解、沉水植物的结合，解决现有护坡生态袋存在的池壁生长面积有限且植物在池壁扎根困难和影响沉水植物生长繁育的技术问题。其发明的悬挂式生态修复板厚度1cm，悬挂于浮体上，只能净化单一的浅层水体，且一旦水流速度大(如湖库)或者遇到暴雨天气，修复板很容易受到水体流动的冲刷而破坏并进入水底；所用的可降解淀粉颗粒无疑也会增加水体中的cod含量；同时该发明未考虑到生态修复板及其内部基质材料的循环重复使用，大大增加了治理成本；更为重要的是其将沸石、活性炭和可降解淀粉颗粒混合在一起使用，淀粉会堵塞沸石和活性炭的孔隙，极大地降低了处理效率，也无法有效分层次降解和过滤不同污染物，同时这种设置不方便填料的分选和重复利用。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的上述不足，提出了一种修复富营养化天然水体的可移动式生态介质箱，可多层次多梯级吸附污染物、并能循环使用、管理方便、具有一定景观性、环境友好型的可移动式生态介质箱。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种修复富营养化天然水体的可移动式生态介质箱，该介质箱包括箱体和与箱体连接的浮球，所述的箱体通过活动隔离板从上至下分割为第一填料层、第二填料层、第三填料层和第四填料层；所述的第四层填料层中填充有种植基质，所述的种植基质内种植有沉水植物，所述的沉水植物自下而上穿过第三至第一填料层，并通过种植管(透明塑料管)延伸至箱体上表面之外；所述的第一至第三填料层中装填不同粒径的基质填料，所述的箱体的下方连接有若干竹球。

优选地，所述的第四层填料层中种植基质为所修复水体中的底泥，所述的沉水植物种植于种植基质中，并通过透明塑料管(种植管)延伸出箱体。

优选地，所述的第一填料层至第三填料层中的填料采用正级配或者反级配两种方式进行：正级配方式中所述的第一填料层中填充有活性炭，所述的第二填料层中填充有陶粒，所述的第三填料层中填充有沸石；反级配方式中所述的第一填料层中填充有沸石，所述的第二填料层中填充有陶粒，所述的第三填料层中填充有活性炭；所述的正级配方式和反级配方式中，沸石粒径为15-20mm、陶粒粒径为10-15mm、活性炭粒径为5-8mm。

优选地，为便于箱体内外的物质和能量交换，所述的第一至第三填料层所在的箱体的侧壁上均匀分布有若干微孔，且每层填料层的微孔孔径均小于其中填料颗粒的直径。采用该结构可实现水体与填料之间的充分接触，同时防止填料流出。

作为优选，所述的竹球为由天然毛竹编制而成的密集型竹球作为填料，竹球有一定的亲水性和生物亲和性，挂膜速度快，且能提供碳源，方便土著微生物的挂膜。

优选地，所述的各个填料层之间采用面积小于箱体内部面积的活动隔离板分隔，所述的活动隔离板用内撑(隔离环)撑起于箱体内，位于第一填料层和第二填料层之间以及第二填料层和第三填料层之间的活动隔离板上设置有若干通孔，所述的通孔孔径小于其上部所在填料层中填料的粒径；所述的箱体位于第一填料层的上端面设置有透孔上盖；采用上述结构，内撑的设置一来用于放置隔离板实现对箱体内部的各个填料层的分割，同时可以防止隔离板过度下陷而压迫下一层的基质材料，且活动隔离板分隔便于基质再生时分拣各类基质吸附材料；采用隔离板上设置通孔小于填料颗粒可以防止填料泄露到下一层，同时还能够保持水体在各个填料层之间顺利流动，提高净化效果；而箱体上部加上盖子可以防止箱体内部填料的流失，而且在遇到风浪或者水流比较湍急的情况、箱体发生倾斜或者翻转也不会影响其净化效果。

优选地，所述的浮球与箱体通过耐腐蚀性绳相互连接，且能根据不同水体的深度而调节长度，实现箱体沉浮的深浅调节。

优选地，所述的浮球为耐腐蚀的pvc泡沫浮球，且通过耐腐蚀性绳连接于箱体顶部的四个角上。具体实施时，装置可灵活根据受试河道的水深来调节，并具有一定景观性，作为污染处置装置与自然和谐一体。装置的规格也可随水域面积灵活调整。

优选地，所述的箱体与隔离板采用的材质为pvc，具有良好的透光性、耐腐蚀性、稳定性、强度和较长的使用寿命，价格便宜。

作为优选，所修复的水体中还设置有爆气装置，

本发明的优点和有益效果：

1.本发明可通过调节连接绳的长度来调节装置，适用于不同深度的河道、湖泊以及水库，可移动且灵活性高。

2.本发明选用廉价以及可再生的吸附基质，并用活动性隔离板将基质分离，便于吸附饱和后将基质回收再生，省时省力，并且活动性隔离板和箱体四周都打有微孔，能充分发挥吸附基质的吸附能力，促进物质和能量的流动，利于微生物挂膜。

3.本发明首次采用天然竹球作为净化水体的一种填料，其通过用铁丝连接于箱体下底部的四个角上；因为竹球有一定的亲水性和生物亲和性，挂膜速度快，一般在10-12天内其上会形成厚厚的生物膜(完成挂膜)，其上的土著微生物能够对水体中污染物进行分解与利用，促进对水体的净化，与传统的挂膜填料相比，竹球价钱低、容易获得。

4.本发明中的水生植物与前述专利不同的是并非植入吸附基质中，而是植于底泥中，底泥取自所修复的河湖库，便于土著微生物的生长，且通过透明管将植物与吸附基质隔离，透明管有利于植物的光合作用，也能避免因吸附基质对植物的挤压和吸附基质的碱性侵害等因素而影响植物的生长和净水作用。

5.本发明设有上盖，用直角扣扣住，结构坚固，不会散架，即使遇到特殊情况，例如暴风雨等引起箱体侧翻，箱体中的基质也不会脱离箱体而进入水体及底泥中，从而造成污染物重新回到水体中去。

6.本发明具有生物修复(水生植物)、微生物修复(竹球、吸附基质材料、植物根系上的各类微生物)、湿地修复(生态介质箱也借鉴了人工湿地技术，箱体侧边有各种不同孔径的透水孔，有利于箱体内外物质和能量的交换，与人工湿地相似)和环境友好吸附材料(沸石、陶粒、活性炭)等方式综合作用，相互协同完成去除水体中的污染物，具有可多层次多梯级吸附污染物、可再生循环使用、便于拆卸、管理方便、有景观性、无二次污染等优点。

7.本发明这种特定排列顺序的介质箱体，实验验证得出，正级配方式(从上到下分别铺排活性炭、陶粒、沸石)适宜于对磷污染严重的水体(例如湖泊水库)；反级配方式(从上到下分别铺排沸石、陶粒、活性炭)适宜于对氮污染严重的水体(例如城市内河)；正级和反级可以在同一水域交叉投放，实现更加全面的去污染物效果。此外，本发明突出优势在于介质箱可针对不同深度、面积以及污染程度的水体进行修复，且装置中的吸附材料可再生循环利用，大大节省治理成本；同时对不同污染程度的水体，如氨氮超标的城市内河、磷超标的湖库，可通过替换级配方式来满足修复效果。

8.本发明每层基质层都用活动隔离板分隔，因为每一层都有内撑来对隔离板有一定的支撑与分界作用，若隔离板与底面积一样，那隔离板就无法安装也无法取出，设置小于箱体内层的面积便于灵活安装与拆分，也方便于基质材料的更换；且还要保证填料不会漏出。

9.本发明可移动式生态介质箱中的沉水植物作为修复污染水体的一部分，可以灵活选择沉水植物的种类，其作用在于其根茎叶不仅能吸收水体中的n、p元素，而且沉水植物可为微生物提供生长环境；课题组的研发人员通过比较植物的株高、单株株重、干重、死亡率、总不定茎数、根系长度、出现叶片发黄株数、含水率、叶绿素含量、质膜透性、丙二醛mda、根系活力等指标，发现用修复水体的底泥作为沉水植物的种植基质，更适于沉水植物的生长，也有利于土著微生物的繁殖，能充分发挥水生植物和土著微生物因素的修复作用。

附图说明

图1为本发明的可移动式生态介质箱结构示意图。

图2为本发明的侧面图结构示意图。

图3为本发明的使用方式示意图。

图4为本发明的上两层隔离板结构示意图。

图5为本发明的第三层隔离板结构示意图。

图6为本发明的箱体内的内撑可见的结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例进一步详细描述本发明，但是本发明不仅仅局限于以下实施例。

如附图1-3所示：本发明的一种修复富营养化天然水体的可移动式生态介质箱，该介质箱包括箱体1和与箱体连接的浮球2，所述的箱体通过活动隔离板3从上至下分割为第一填料层4、第二填料层5、第三填料层6和第四填料层7；所述的第四层填料层7中填充有种植基质，所述的种植基质内种植有沉水植物8，所述的沉水植物自下而上穿过第三至第一填料层，并通过种植管10(透明塑料管)延伸至箱体上表面之外；所述的第一至第三填料层中装填不同粒径的基质填料，所述的箱体的下方连接有若干竹球9。

本发明所述的第四层填料层中的种植基质为所修复水体中的底泥，所述的沉水植物种植于种植基质的底泥中，并通过在第一至第三填料层中竖向设置透明塑料管10实现将沉水植物(苦草等)延伸出箱体。

作为一种实施方式采用正级配方式：本发明所述的第一填料层中填充有活性炭，所述的第二填料层中填充有陶粒，所述的第三填料层中填充有沸石；所述的活性炭粒径为5-8mm、陶粒粒径为10-15mm、沸石粒径为15-20mm；

作为另一种实施方式采用反级配方式：本发明所述的第一填料层中填充有沸石，所述的第二填料层中填充有陶粒，所述的第三填料层中填充有活性炭；所述的沸石粒径为15-20mm、陶粒粒径为10-15mm、活性炭粒径为5-8mm(反级配方式)；本发明优选反级配方式的填料方式。

如附图2所示：本发明所述的第一至第三填料层所在的箱体1的侧壁上均匀分布有若干微孔1.1，且每层填料层的微孔孔径均小于其中填料颗粒的直径。采用该结构实现水体与填料之间的接触，同时防止填料跑出。

如附图1-2所示：本发明所述的竹球为由天然竹子编制而成的密集型竹球作为填料；其通过用铁丝连接于箱体下底部的四个角上；因为竹球有一定的亲水性和生物亲和性，挂膜速度快(一般在10-12天内完成挂膜)，因此其上会形成厚厚的生物膜，其上的微生物能够对水体中污染物进行分解与利用，实现对水体的净化，且竹球价钱低，容易获得；本发明的竹球不仅仅局限于箱体下底部的四个角处，其它位置也可以放置，同时每个角上可以通过铁丝串接多个竹球，不局限于1个。

如附图4-5、6所示，所述的各个填料层之间采用面积略小于箱体内部面积的活动隔离板3进行分隔，具体的为：第一填料层和第二填料层之间设置有一块活动隔离板，第二填料层和第三填料层之间设置一块活动隔离板，第三填料层和第四填料层之间也设置一块活动隔离板；所述的活动隔离板用内撑12(隔离环，该内撑位于箱体内侧壁上，可以根据具体的活动隔离板的支撑需求设置在不同位置，附图6仅仅为一种具体的实施方式，即在四个内侧壁上设置等高的四个块状内撑)撑起于箱体内，位于第一填料层和第二填料层之间以及第二填料层和第三填料层之间的活动隔离板上设置有若干通孔3.1，所述的通孔孔径小于其上部所在填料层中填料的粒径；所述的箱体位于第一填料层的上端面设置有透孔上盖13(透气上盖主要通过在其上设置如果透气孔构成，透气孔的孔径小于其箱体填料的粒径；上盖用直角扣与箱体之间进行扣住，结构坚固，不会散架，)。

如附图1-2所示，本发明的所述的浮球与箱体通过耐腐蚀性绳(如塑料绳子、尼龙绳等等)11相互连接，且能根据不同水体的深度而调节长度，实现箱体沉浮的深浅。优选地，所述的浮球为pvc泡沫浮球，且通过耐腐蚀性绳连接于箱体顶部的四个角上。

利用本发明的上述该装置处理河湖库富营养化水体时，首先确定受试水体的深度，然后通过调节耐腐蚀性绳和竹制填料的数量来适应受试水体的深度，最后将装置放置于水体中，浮球提供足够的浮力，沉水植物漂浮于水位线以下，箱体悬浮于水体中层，竹制填料悬挂于水体下层，其实施方式如图3所示：该装置配合曝气装置14使用，曝气装置采用市售的产品，如松宝超静音增氧泵四孔可调气量氧气泵等等行业常规使用的曝气装置，均可以用于本发明。装置上层的沉水植物9通过根系和茎叶吸收环境中的氮磷营养盐，并且植物形成有氧环境从而能滋生微生物。水体通过箱体侧壁上的微孔进入填料层区域(基质区)，然后被填料阻挡，导致水体流速减慢而沉降，基质通过吸附、离子交换等作用吸附污染物，而且其表面形成生物膜，吸附有机污染物。下部的竹球有一定的亲水性和生物亲和性，挂膜速度快(一般在10-12天内完成挂膜)，会形成厚厚的土著微生物膜，对水体中污染物进行分解与利用。从工程化技术和循环生态学的角度出发，这种可移动式生态介质箱主要是通过生物修复(水生植物)、微生物修复、湿地修复和环境友好型吸附材料吸附等技术全方位、多梯阶地修复污染水体。

本实施方式中，第四填料层的种植基质取用的是修复水体中的底泥，它可以作为肥沃土壤供生物生长，实现底泥的二次利用。第一至第三层填料层中的环境吸附材料依靠隔离板隔离，再生或替换时不需要分拣，省时省力，回收后可再生循环利用，不仅节约成本，而且绿色环保，节约资源。

本发明的介质箱体，具体的尺寸和处理污染水体的效果，可以通过下述具体的实施例进行描述，实施例中同时采用曝气装置配合使用，其曝气量为3l/min，属于持续性曝气；实施案例中水的体积为100l投放一件本发明的移动式生态介质箱：

实施例1

本发明此实施例的移动式生态介质箱规格为：长×宽×高为35cm×35cm×25cm，通过浮球提供浮力，悬浮于水体中。箱体内分为四层，上三层为吸附材料，各层尺寸厚度均为5cm，每一层都用的带有不同直径透水孔的隔离板隔开，吸附材料以反级配方式填充，从上到下填充顺序依次为：沸石(粒径15-20mm)、陶粒(10-15mm)、活性炭(5-8mm)，底层为种植基质底泥层，底泥层种植沉水植物苦草，并通过透明管延伸出箱体。箱体底部四个角悬挂若干竹制填料——竹球，同一根悬挂绳子上每个竹球的间隔为5cm。在实际运用中，从受污染河道治理前codmn、nh3-n、tp、tn的78.4mg/l、9.56mg/l、4.69mg/l、15.26mg/l下降到8.4mg/l、1.21mg/l、1.88mg/l、4.72mg/l，去除率分别为89.3％、87.4％、60.0％、69.1％。

实施例2

移动式生态介质箱长×宽×高为35cm×35cm×25cm，通过浮球提供浮力，悬浮于水体中。箱体内分为四层，上三层为吸附材料，各层尺寸均为5cm，每一层都用不同尺寸的带有不同直径透水孔的隔离板隔开，吸附材料以正级配方式填充，从上到下填充顺序依次为：活性炭(5-8mm)、陶粒(10-15mm)、沸石(粒径15-20mm)，底层为种植基质底泥层，种植沉水植物苦草，并通过透明管延伸出箱体。箱体底部四个角悬挂若干竹制填料，每个竹球的间隔为5cm。在实际运用中，从受污染河道治理前codmn、nh3-n、tp、tn的79.0mg/l、9.52mg/l、4.78mg/l、15.23mg/l下降到9.2mg/l、1.49mg/l、1.58mg/l、6.33mg/l，去除率分别为88.4％、84.3％、66.9％、58.4％。

通过上述实施例可知，本装置主要修复水体中的codmn、n、p等污染元素，从而解决水体富营养化问题，而且选择的吸附材料在脱氮除磷方面能力强。本发明通过浮球定位，可将装置直接从水中取出，不需要潜入水底；本发明针对水生植物是否能健康生长，对种植基质和装置结构进行优化，确保植物生长，充分发挥植物和土著微生物因素的作用，植物的存活率高。本发明的结构分上层(植物区)，中层(吸附材料区)，下层(微生物富集区)，通过融入水生植物、土著微生物、环境友好吸附材料、人工湿地等综合作用，使修复手段更加多元化，且增加水体生物的多样性。