一种用于河道水体氨氮原位处理的水体净化廊道及工艺的制作方法

本发明涉及河道治理技术领域，具体涉及一种用于河道水体氨氮原位处理的水体净化廊道及工艺。

背景技术：

随着我国对河道治理的重视，国内水体排放标准日益提高，氨氮为河道治理一项重要的污染指标。氨氮在水体中主要表现为游离氨(NH₃)和氨离子(NH₄⁺)。氨氮作为水体营养物质，浓度高，水体富营养化严重，降低河道内溶解氧；氨氮浓度上升，游离氨(NH₃)和氨离子(NH₄⁺)对于水体的鱼类等生物产生毒害作用；氨氮通过亚硝化细菌、硝化细菌的硝化作用产生亚硝酸氮与硝酸氮，形成相应的盐类物质，进入水源，可对人体造成危害。

目前国内去除氨氮的主要技术有植物修复技术、微生物修复技术、生物膜修复技术。生物膜法被认为是性价比最高的去除氨氮方法，也是河道修复工艺中运用最多的。生物膜技术通过较大比表面积物质作为填料，聚集微生物形成生物膜，类似小型的接触氧化池，进行河道氨氮等有机污染物的净化处理。

例如，授权公告号为102219339B的中国发明专利公开了一种污染河道水体净化模块化系统及其应用。污染河道水体净化模块化主要由生物格栅模块、弹性填料吸附床模块、微生物生态分解悬床模块、以及沉水植物生态净化悬床模块组成；生物格栅模块由框架及沉水植物、浮水植物、挺水植物组成，弹性填料模块由框架结构与亲水型弹性填料、疏水性弹性填料构成，微生物床模块由框架结构、微孔曝气装置、微生物构成，沉水植物净化床模块由沉水植物种群及床体构成。

但是现有技术均存在设备占地面积大，前期投资高，后期运行维护繁琐等问题。

技术实现要素：

针对现有河道修复技术对于氨氮的去除装置，设备占地面积大，前期投资高，后期运行维护繁琐等问题，故提出原位氨氮去除效果良好、实用性强的一种具有脱氮功能的水体净化廊道。

一种用于河道水体氨氮原位处理的水体净化廊道，包括至少两级串联的廊道单体，还包括纳米曝气机和设于一级廊道单体进水端的控速装置；所述廊道单体包括：

浮框体，该浮框体包括浮于水面的浮管、沿浮管打入河底的若干根固定杆以及对应穿套在固定杆上的塑料管；

网框，所述网框的进水面和出水面为过水网、底面及沿水体流向的两个侧面为挂膜后不透水的细目网，所述网框的顶边与浮管缝合、侧面与对应的塑料管缝合，所述网框内沿水流方向由过水网依次分隔为硝化填料区、过渡区和反硝化填料区；

以及设于硝化填料区内的布水管，该布水管外接所述纳米曝气机。

浮管浮于河道水面，端头处用堵头封闭处理，固定杆采用镀锌管，沿浮管布置，镀锌管下端打入河底40～60cm，镀锌管上穿套PE塑料管，网框的顶边缝合在浮管上，侧面与塑料管接触处均与塑料管缝合，整体浮于河道水体中，可随水位变化浮动，由镀锌管对其进行限位。

河道水体由控速装置控速后进入廊道内，保证廊道内水体流速在0.01m/s～0.03m/s内，廊道内反复流经硝化区和反硝化区，循环间隔进行消化反应和反硝化反应，通过纳米曝气机及布水管向硝化区内充氧，控制控制硝化填料区溶解氧在3～6mg/L，过渡区溶解氧0.5～3mg/L，反硝化填料区溶解氧0.1～0.5mg/L，对河道水体进行原位净化，整个处理装置浮于底泥上方，曝气与底泥分开，可避免底泥中污染物的二次污染。

优选地，所述控速装置设于一级廊道单体前端0～20cm处。

对于控速装置，一种优选的方案，所述控速装置为推流器，且距离末级廊道单体出水面3～5米处设置使廊道出水形成回流的导流装置。

进一步优选地，所述导流装置包括：

打入河底的镀锌管；

对应穿套在该镀锌管上的PE管；

以及缝合在该PE管上且挂膜后不透水的细目网，该细目网的网面面向末级廊道单体的出水面设置。

更进一步优选地，该细目网的网面包括第一导流面和第二导流面，第一导流面与第二导流面互成120°～150°夹角，且夹角开口朝向末级廊道单体的出水口。

廊道处于不流动水体中时，在廊道装置前端0～20cm处放置功率为0.3kW/m².h～0.4kW/m².h的推流器，可控制水体流速为0.01m/s～0.03m/s。推流器使用牵引绳绑定，锚固定；廊道末端3～5米处设置导流器，镀锌管固定，外套PE管，用100～150目细目网与外套管缝合，导流器角度为120°～150°，与河道驳岸形成回流通道。

作为控速装置的另一种优选，所述控速装置为限速装置，所述限速装置为挡板门，所述挡板门竖直插入河道水体中、其中一个竖向侧边与一级廊道单体进水面的竖向侧边铰接、另一个竖向侧边在一级廊道单体前端的进水区域内位置可调。

进一步地，所述挡板门设置为相互对称的两扇，分别与一级廊道单体进水面的两个竖向侧边铰接。

更进一步地，以一级廊道单体的进水面为基线所述挡板门的旋转角度为60°～90°。可控制水体流速为0.01m/s～0.03m/s。

进一步优选地，所述挡板门使用100～150目细目网与PE塑料管缝合，PE塑料管穿套在镀锌管上，镀锌管打入河底，镀锌管位置可调。

挡板门的镀锌管可根据要求进行移动并固定，为进一步提高挡板门旋转角度的调节精度，优选地，进水区域内的河底设置与挡板门自由侧边摆动弧度一致的底座，底座上间隔设置与挡板门的镀锌管相匹配的插孔。

相邻插孔之间的间距根据挡板门最小调节角度设置，优选以最小调节角度为10°为宜。

优选地，所述网框顶面为40～50目细目网。

网框顶面的细目网用于防止填料溢出，侧面和底面选用100～150目细目网，挂膜后不透水，使廊道内形成封闭处理空间。

所述过水网为渔网，保证水流通透的同时防止填料随水流流动。

优选地，所述硝化填料区、过渡区与反硝化填料区的容积比为7:(1～1.5)：4。控制硝化填料区、过渡区与反硝化填料区内HRT(水力停留时间)为7:1:4。

优选地，所述硝化填料区内填充比表面积10000～20000m²/m³、密度20～25g/cm³的聚氨酯填料，硝化填料区内填充率为30％～50％；反硝化填料区内填充比表面积60000～90000m²/m³、密度0.3-0.4g/cm³的竹球，反硝化填料区内填充率为10％～30％。

进一步地，所述聚氨酯填料为5×5×5cm聚氨酯填料，均匀分布于硝化区内；所述竹球的直径为3～4cm；更进一步地，采用淀粉/聚己内酯(PCL)共混物前3d浸出液对竹球进行浸泡预处理，生化性可提高。

竹球与污泥混合后均匀投撒于反硝化区内，所述反硝化区内的填充率包含了混入的污泥，优选地，所述竹球与污泥的混合质量比为2～3:1。

本发明中通过纳米气泡机与特定的布水管向廊道通入气水混合物，所述纳米发泡机所产生的气泡带有负电荷，可对水体微粒产生吸附效果，可以使悬浮物分离；氧传质速率高，溶解氧维持在较高水平，大大加快廊道内硝化填料微生物的繁殖代谢，加快污染物的分解。

本发明选取硝化填料聚氨酯为大孔与纳米级孔隙相结合：大孔保持良好的气液固的接触条件，纳米气泡可长时间停留在大孔内；微孔中带有氨基羧基、环氧基等亲水性活性基团，可与微生物肽键中的活性基团形成离子键或共价键，适合硝化微生物挂膜。

本发明选取的反硝化填料为竹球填料，搭配淀粉/聚己内酯(PCL)共混物前3d浸出液预处理，用于去除低碳氮比污水中的硝酸盐，并且具有启动速度快、反硝化速率高等特点。

进一步地，所述硝化填料区和反硝化填料区内每间隔2～3m均采用过水网隔断。使填料更好的保持均匀分布。更进一步地，过水网采用渔网。

优选地，所述布水管包括与纳米曝气机连接的布水主管和设于布水主管上且对应伸入硝化填料区内的布水支管，各廊道单体的布水主管之间相互并联。

硝化填料区内相邻部布水支管之间的间距为1～2m。

填料区内硝化微生物内部发生硝化反应，消耗一部分溶解氧，经过填料区反应的河水进入过渡区，过渡区内附着在聚氨酯的生物膜进一步消耗剩余溶解氧，使溶解氧浓度达到反硝化条件。从而控制硝化填料区溶解氧在3～6mg/L，过渡区溶解氧0.5～3mg/L，反硝化填料区溶解氧0.1～0.5mg/L。

进一步地，所述布水支管位于硝化填料底部。

纳米曝气机为市售产品，产生的纳米气泡粒径60％～80％在200nm-400nm之间，实际所测富含该纳米气泡的水体ζ电位高达-20～-40mV，控制气水比为(3.5～4)：1。

纳米曝气机设置配套的提升泵和进水管，控制聚氨酯填料区溶解氧在3～6mg/L，过渡区溶解氧0.5～3mg/L，竹球填料区溶解氧0.1～0.5mg/L。

优选地，设置3～5级廊道单体串联，相邻廊道单体的浮管之间直接、网框之间纽扣连接。

本发明还提供一种利用所述水体净化廊道进行河道水体氨氮原位处理的工艺，包括如下步骤：

由控速装置控制进入所述水体净化廊道内的河道水体流速在0.01m/s～0.03m/s内，进入所述水体净化廊道内的河道水体反复经过硝化填料区和反硝化填料区，反复进行硝化处理和反硝化处理，原位净化后的水体从末级廊道单体出水端排出；

处理过程中由纳米曝气机及布水管向廊道单体内曝气，控制每级廊道单体硝化填料区溶解氧3～6mg/L，过渡区溶解氧0.5～3mg/L，反硝化填料区溶解氧0.1～0.5mg/L。

优选地，纳米曝气机内控制气水比为(3.5～4)：1，纳米气泡粒径60％～80％在200nm-400nm之间。

与现有技术相比，本发明就有如下有益效果：

(1)纳米气泡供氧，溶氧效果好，曝气与底泥分开，可避免底泥中污染物的二次污染；

(2)实施本装置可快速、高效、低能地降低河流中的总氮；

(3)本发明独特的细目网、浮管、固定管设计，适应水位变化；

(4)本发明内部填料等均位于水位之下，不影响水面景观。

(5)本发明在静水情况下，通过导流器设置，部分水体回流可提高水体去除总氮率。

附图说明

图1是本发明俯视结构图。

图2是本发明垂直于水流方向的剖视图。

图3是导流装置结构示意图。

图4是限速装置俯视图。

图中所示附图标记如下：

1-纳米曝气机 2-提升泵 3-出水管

4-布水主管 5-导流装置 6-网框

7-浮管 8-镀锌管 9-布水支管

10-进水面 11-推流器 12-塑料管

13-纽扣 14-挡板门 15-水泥底座

51-第一导流面 52-第二导流面

具体实施方式

如图1～图4所示，一种水体净化廊道，由至少两级廊道单体串联而成，每个廊道单体的结构包括浮框体、网框、布水管和填料。

浮框体包括沿水流方向布置的两根浮管7，两根浮管相互平行布置，沿浮管设置一排打入河底的镀锌管8，每根镀锌管外套设一段塑料管12，网框6通过浮框体悬浮于河道水体中，网框由进水面10、出水面、底面、顶面以及沿水流方向的两个侧面组成，进水面和出水面为渔网，河道水体由渔网进出廊道，顶面为40～50目细目网，底面及沿水流方向的两个侧面为100～150目细目网，网框顶边与浮管接触处与浮管缝合、侧面与塑料管接触处与塑料管缝合。整个网框浮于水体中，且可随水位变化而上下浮动，镀锌管对其进行限位。

100～150目细目网、40～50目细目网和渔网围成的网框6内由渔网分隔为硝化填料区、过渡区和反硝化填料区，顺水流方向依次为硝化填料区、过渡区和反硝化填料区，硝化填料区、过渡区和反硝化填料区的容积比为7:(1～1.5)：4。

硝化填料区填充比表面积10000～20000m²/m³、密度20～25g/cm³的聚氨酯填料，硝化填料区内填充率为30％～50％，聚氨酯填料尺寸为5×5×5cm，均匀投撒于硝化填料区内。反硝化填料区内填充比表面积60000～90000m²/m³、密度0.3-0.4g/cm³的竹球，反硝化填料区内填充率为10％～30％(竹球与污泥以质量比2.5:1混合后投入)，竹球的直径为3～4cm。当廊道单体较长时，硝化填料区和反硝化填料区内每间隔2～3m均采用渔网隔断。

布水管包括布水支管9和布水主管4，布水支管沿与水流相垂直方向分布于硝化填料区内，布水支管位于对应区域内底部，硝化填料区内相邻布水支管之间的间距为1～2m，所有的布水支管的进水端均连接于布水主管4上，布水主管4通过三通与纳米曝气机1的出水管3相连，纳米曝气机1设置在河岸上，并配备提升泵2和进水管。

本实施方式中设置3～5廊道单体串联，每个廊道单体结构一致，相邻廊道单体的浮管之间采用管接头直接，浮管的端头处采用堵头封闭处理，相邻廊道单体的细目网之间采用纽扣13连接，所有廊道单体的布水主管均通过三通并联在纳米气泡机的出水管3上。

廊道处于不流动水体中时，在廊道装置前端10～20cm处放置功率为0.3kW/m².h～0.4kW/m².h的推流器11，可控制水体流速为0.01m/s～0.03m/s。推流器使用牵引绳绑定，锚固定于河底；并在廊道末端3～5米处设置使廊道出水形成回流的导流装置5，导流装置如图3所示，包括第一导流面51和第二导流面52，第一导流面51和第二导流面52互成120°～150°，夹角开口朝向末级廊道单体出水面，两个导流面均采用100～150目细目网，细目网通过打入河底的镀锌管及套设在镀锌管上的塑料管进行固定，细目网缝合在塑料管上，整个导流面可随水位变化浮动与廊道进水一侧的驳岸之间形成回流通道。

当廊道处于流动水体中，在廊道装置前端设置旋转角度为60°～90°的限速装置，可控制水体流速为0.01m/s～0.03m/s。

限速装置的俯视图如图4所示，由两扇对称设置的挡板门14组成，挡板门竖向插入水体中，挡板门使用100～150目细目网，两个挡板门的其中一个竖向侧面分别与廊道的进水面10两侧的竖向侧边铰接，即缝合于连接处的塑料管上，另一个竖向侧边通过打入河底的镀锌管及套设在镀锌管上的塑料管固定于水体中，且该处镀锌管的位置可调，通过调节该处镀锌管的位置从而调节两挡板门之间的开度，为方便挡板门开度调节即挡板门摆动角度的精确控制，在河道底部沿挡板门摆动路线设置水泥底座15，水泥底座上均匀开设与镀锌管尺寸匹配的插孔，相邻两孔之间的间距以使挡板门的最小摆动角度为10°为最佳，挡板门摆动侧的镀锌管插入水泥底座的孔中。

根据需求移动并固定摆动侧的镀锌管，当两挡板门与进水方向平行时，进水量最大，当两挡板门覆盖至进水面上时，关闭廊道进水，以进水面为基线，挡板门在60°～90°内摆动，以调节廊道进水量，从而调节河道水体在廊道内的流速。

本发明工作方式如下：

由控速装置控制进入所述水体净化廊道内的河道水体流速在0.01m/s～0.03m/s内，进入所述水体净化廊道内的河道水体反复经过硝化填料区和反硝化填料区，反复进行硝化处理和反硝化处理，原位净化后的水体从末级廊道单体出水端排出；

处理过程中由纳米曝气机及布水管向廊道单体内曝气，控制每级廊道单体硝化填料区溶解氧3～6mg/L，过渡区溶解氧0.5～3mg/L，反硝化填料区溶解氧0.1～0.5mg/L。

实施例1

在杭州市余杭区赭山港选取长100米的实验河段。赭山港河道全长7.08公里，河面宽15-30米，现状水位2.4米，水质为劣Ⅴ类水体。

在赭山港宽阔水域内安装本发明的水体净化廊道，整体为5级廊道串联，将挂膜成功的聚氨酯与竹球填料放入廊道内。廊道整体悬浮于污染河体的底泥上方，廊道底部最低处为水下1米。

赭山港为流动水体，操作流速控制阀限定流速为0.01m/s。打开纳米气泡机，产生孔径为300mm的富氧水由出水管送入布水管，然后分配至其他布水支管中，控制气水比＝4:1。河水与纳米气泡出水混合液进入廊道内，通过聚氨酯好氧区、聚氨酯过渡区、竹球缺氧区，多级硝化-反硝化反应进行河道水体修复。

从本发明装置运行稳定开始，每五天测定一次赭山港实验河段污染指标数据。本发明装置运行30天后。前后治理现状：

表1

表2

由表1可知，赭山港氨氮、总氮等超标，属劣Ⅴ类水质。表2为该河采用上述实施例治理后1个月的各指标数据，总氮削减43.3％，氨氮削减44.8％；氨氮指标已经达到Ⅴ类标准。具有良好的脱氮效果。

实施例2

在杭州市余杭区仁和街道计家坝港选取长60米的试验河段。计家坝港全长940m，宽约10-15m，平均水深1m，河道水面面积约10000平方米，水质为劣Ⅴ类水体。

在计家坝港宽阔水域内安装本发明的水体净化廊道，整体廊道为3级串联，将挂膜成功的聚氨酯与竹球填料放入廊道内。廊道整体悬浮于污染河体的底泥上方，廊道底部最低处为水下0.8米。导流器设置为120°，距离最后一级廊道3米。

计家坝港为断头河，配备一台0.9kW.h推流器。打开纳米气泡机，产生孔径为300mm的富氧水由出水管送入布水管，然后分配至其他布水支管中，控制气水比＝3.5：1。河水与纳米气泡出水混合液进入廊道内，通过聚氨酯好氧区、聚氨酯过渡区、竹球缺氧区，多级硝化-反硝化反应进行河道水体修复。

从本发明装置运行稳定开始，每五天测定一次计家坝港实验河段污染指标数据。本发明装置运行2个月。前后治理现状：

表3

表4

由表3可知，计家坝港属劣Ⅴ类水质。表4为该河采用上述实施例治理后2个月的各指标数据，总氮削减35.3％，氨氮削减34.5％。由于计家坝沿岸截污井破裂，每天有大量污水进入河体，水体氨氮总体维持在8～8.5mg/L。

实施例3

在杭州市余杭区仁和街道穆家坝港选取长80米的试验河段。穆家坝港东西向长约759m，宽约5-10m(平均宽约7m)，平均水深1m，在河段中间段有一节“7”字型支流，长约430m，宽约15m，平均水深1m，河道总水面面积约12000m²。

在穆家坝港“7”字型支流内安装水体净化廊道，整体廊道为4级串联，将挂膜成功的聚氨酯与竹球填料放入廊道内。廊道整体悬浮于污染河体的底泥上方，廊道底部最低处为水下1米。导流器设置150°，距离最后一级廊道3.5米。

穆家坝港为断头河，配备一台1.2kW.h推流器。打开纳米气泡机，产生孔径为300mm的富氧水由出水管送入布水管，然后分配至其他布水支管中，控制气水比＝3.5:1。河水与纳米气泡出水混合液进入廊道内，通过聚氨酯好氧区、聚氨酯过渡区、竹球缺氧区，多级硝化-反硝化反应进行河道水体修复。

从本发明装置运行稳定开始，每五天测定一次穆家坝港实验河段污染指标数据。本发明装置运行45天。前后治理现状：

表5

表6

由表5可知，计家坝港属劣Ⅴ类水质。表6为该河采用上述实施例治理后45天各指标数据，总氮削减53.8％，氨氮削减56.25％。具有明显的脱氮效果。

以上所述仅为本发明专利的具体实施案例，但本发明专利的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。