一种湖塘生态孵化床系统的制作方法

本发明涉及一种湖塘生态孵化床系统。

背景技术：

在生态环境不佳并长期保持相对静止状态时，水体中的生物多样性必然降低甚至丧失，形成生态系统不平衡的状态，从而优势生物逐步蔓延乃至水体恶化。静态水体由于长期处于呆滞状态，自然生态条件欠佳的水中溶解氧不足，部份生物生长受到抑制，优势生物逐步占据生存空间，导致食物链断裂甚至丧失，水体纳污功能退化，最终爆发环境污染与生物污染，甚至失去景观价值等。

水体生态不佳、流动性差、溶氧低，水中生物无法获得足够的生长基，导致生物生长受阻，甚至死亡；相对单一的优势生物快速发展，并由于单一养源的竟争，形成繁殖得快死亡快的恶性循环造成底泥倍增；底泥主要是生物肢体及较大颗粒污染物组成，水体纳污能力大跌或丧失，污染因子不能有效降解，而沉淀积累于底泥之中；大量有机物沉积水底，通过系列自然厌氧反应等，释放出大量污染物形成水体富养营化，造成局部空间环境进一步恶化，由恶化水体的逐步扩大与蔓延从而演变为生物污染与污染物污染并存的黑臭水体。

通过对面源水体污染的研究，景观水体与自然水域均堪称是自然界的净化器，不仅是水往底处流承载着周边污染物的汇集，包括自然界产生与人类物质生活产生的各类污染因子最终均汇集于水体之间。由此，可以看出景观水体与自然水域对人类物质文明建设与生态文明建设有着极其重要的地位。在环卫士公司的长期探索中发现，已然形成黑臭水体的污染水体，仅通过表面的生态修复难以奏效。通过分析数据表明，底泥释放出来内源污染总量远超过水体外源污染的总量，加上近年水体周边的大量截污，并没能使得相对静态的水体污染得到长效的改善，进一步证实了黑臭水体的污染根源不仅仅是来自于外源污染，事实表明黑臭水体依靠截污与表面的生态修复作为彻底解决与治理的方案显然的不足的。

塘湖黑臭水体或受污染水体的生态修复就是要激活其水体的流动性，促水质充分质换，提高食物链的互动与修复其生物多样化和生态完整性，提高水体的自净能力，同时实现底泥就地利用与消减，循环消除内源污染，使之遁入良性生态循环从而达到长期保持的目的。但目前常用措施主要是截污、清淤、曝气复氧、换水冲稀、投加混凝剂、施用除藻剂、水生植物应用、投放微生物制剂、人工浮岛等。均缺乏系统性、长效性的治理策略，局部性与极限性明显，短期效应，治标不治本居多，个别还存在二次污染的风险。通过人工曝气增氧、局部循环增氧、增加加糙物、生物操控等均俱有改善成效，但都存在极限性，缺乏对内源污染的循环降解，以及水体生物群落的充分互动。大面积水体通常的循环效应都是局部的，在没有导流渠的前提下一般只能实现表循环或局部的蝶形循环或球形循环，造成水体局部处于长期呆滞状态，呆滞水体易产生食物链短易造成爆发性的生物污染，局部恶化水体在其强势下易蔓延整个水域导致措施失效。

鉴于此，本案发明人对上述问题进行深入研究，遂有本案产生。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够就地降解淤泥循环消除内源污染，促进水体质换与生物互动创建生物食物链，实现高效治理和长期维护、降低维护成本的湖塘生态孵化床系统。

为了达到上述目的，本发明采用这样的技术方案：

一种湖塘生态孵化床系统，包括多个治理单元，多个治理单元依照湖塘的轮廓走向布设并形成循环状态，所述治理单元包括用于实现局部水流推流和复氧的推流装置和用于孵化生物群落和进行水体处理的生物孵化床，推流装置的出口端对应生物孵化床的进口端设置。

作为本发明的一种优选方式，所述生物孵化床包括设置在水体中的生物发生器、装设在生物发生器中的填料以及设置在生物发生器上的水生浮岛。

作为本发明的一种优选方式，所述推流装置包括设置在水体中的至少一个推流单元和用以固定推流单元的安装架，推流单元包括多根推流管和用以带动水流在推流管中流动的驱动装置，推流管包括横向进水管、横向出水管以及纵向衔接管，横向进水管设置在水体的下部，横向出水管设置在水体的上部，纵向衔接管的进水端与横向进水管的出水端连接，纵向衔接管的出水端与横向出水管的进水端连接。

作为本发明的一种优选方式，所述推流管至少为三根。

作为本发明的一种优选方式，所述推流管为三根，分别设为第一推流管、第二推流管以及第三推流管，第一推流管包括第一横向进水管、第一横向出水管以及第一纵向衔接管，第二推流管包括第二横向进水管、第二横向出水管以及第二纵向衔接管，第三推流管包括第三横向进水管、第三横向出水管以及第三纵向衔接管，第二推流管设置在第一推流管与第三推流管之间，所述第一横向进水管的长度为a，所述第二横向进水管的长度为b，所述第三横向进水管的长度为c，a与b不同，c与b不同。

作为本发明的一种优选方式，所述第一纵向衔接管、所述第二纵向衔接管以及所述第三纵向衔接管三者平行设置且处于同一面，所述第一横向进水管的进水端与所述第二横向进水管的进水端之间的距离设为d,所述第一横向进水管的出水端与所述第二横向进水管的出水端之间的距离设为e,d与e不同。

作为本发明的一种优选方式，所述第三横向进水管的进水端与所述第二横向进水管的进水端之间的距离设为f,所述第三横向进水管的出水端与所述第二横向进水管的出水端之间的距离设为g,f与g不同，所述a大于所述b，所述c大于所述b,所述d大于所述e，所述f大于所述g。

作为本发明的一种优选方式，所述第一横向进水管的高度、所述第二横向进水管的高度以及所述第三横向进水管的高度三者中至少有两者不同。

作为本发明的一种优选方式，所述驱动装置包括风机、气管以及气体输送喷头，气管的一端与风机的出口端连接，另一端与气体输送喷头的进口端连通，气体输送喷头设置在所述推流管内。

作为本发明的一种优选方式，在湖塘中构建有景观建筑物，所述风机安装在景观建筑物中。

采用本发明的技术方案后，将推流装置和生物孵化床进行强强组合并形成循环状态，由多组治理单元并用形成互动关系，推流装置用于带动水体快速循环流动，在推流装置的互动作用下与生物孵化床的导流作用下，使循环作用力得以延伸，在多组推流装置的联合作用形成底部负压递进式引流，上部正压陈列式推流，同步同向的截面导流之势，杜绝复氧盲区使水气混合的水充分流动起来实现大面积水域的水体交替活动，由推流装置底部的扇形布施与递进布施作用，在多组推流装置的联合作用下，带动水底淤泥同步推进，在横向进水管的作用下淤泥得以提升，通过水气切割的淤泥进入生物孵化床成为新养源，在养源充足的生物孵化床中孵化出庞大、多样性的生物群落，从而内源污染得到有效消减及提供充分的成长基，由此孵化出物种丰富、食物链长的生物体系，在推流装置的作用下将食物链长、物种丰富的生物体系推送至整个水域进行水体质换与生物互动，形成行之有效有生物食物链竞争网，生物孵化床与推流装置的联合作用实现以点带面的水体生物体系互动效益，本发明相比传统的治理方法，避免人为介质影响生物链的健康发展，实现基本免维护。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中推流装置和生物孵化床配合的结构示意图；

图3为本发明中的推流装置的结构示意图(图中驱动装置未示出)；

图4为图3中a向视图(图中驱动装置未示出)；

图5为发明中推流管配合驱动装置的结构示意图；

图6为本发明中景观湖水域治理区域图；

图中：

100-推流装置200-生物孵化床

201-生物发生器202-水生浮岛

300-湖塘400-景观建筑

1000-治理单元

10-水体11-液面

12-下部20-安装架

30-第一推流管31-第一横向进水管

32-第一横向出水管33-第一纵向连接管

40-第二推流管41-第二横向进水管

42-第二横向出水管50-第三推流管

51-第三横向进水管52-第三横向出水管

60-风机61-气管

62-气体输送喷头

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面结合附图进行详细阐述。

参照图1至图6，一种湖塘生态孵化床系统，包括多个治理单元1000，多个治理单元1000依照湖塘300的轮廓走向布设并形成循环状态，在实施例中，治理单元1000为三个，根据湖塘300的形状布设成环状循环，图中箭头表示水流的走向，当然，本发明中，治理单元的数量可以根据湖塘300的大小和形状进行其他设置。治理单元1000包括用于实现局部水流推流和复氧的推流装置100和用于孵化生物群落和进行水体处理的生物孵化床200，推流装置100的出口端对应生物孵化床200的进口端设置。

作为本发明的一种优选方式，所述生物孵化床200包括设置在水体10中的生物发生器201、装设在生物发生器201中的填料以及设置在生物发生器201上的水生浮岛202。其中，生物孵化床20的结构采用申请人自主研发的生物孵化床，如在申请号201520551733.4的中国实用新型专利中即介绍到这种生物孵化床，主要配套惰性微生物填料与水生植物，通过对微环境的设计与布施，形成生物孵化床的承载体，通过科学驯化达到生物多样化，并遁入生态循环长久不息的发展。经驯化完成的生物反应器形成巨大微生物群落的生物膜，具有种类丰富、生物活性强、亲水性好等特点，从而快速高效去除有机污染物。生物反应器在养源充足的条件下，微生物的繁殖十分迅速，生物膜逐渐增厚，当生物膜达到一定厚度时，生物膜内层逐步开始繁殖兼氧菌—厌氧菌，在此基础上不断扩散，厌氧产生代谢物的逸出使内层生物膜脱落，在生物膜已脱落的生物载体表面重新发展起生物膜，周而复始生生不息。生物反应器有高比表面积的三维结构，超级编织技术可驯化出表层微a/o环境的生物膜，从而为硝化、反硝化作用的细菌群落共同繁殖以及为藻类生长创造适宜的条件。

污水中的氮主要以有机氮和氨氮的形式存在，在微生物的作用下，有机氮很容易转化为氨氮。在好氧条件下，氨氮通过硝化细菌的作用转化为亚硝态氮no2^-和硝态氮no3^-，接着，在厌氧条件下，no2^-和no3^-通过反硝化菌的作用转化为氮气逸到大气中，达成除氮。

生物反应器可以起到水力阻碍的作用，并拥有水草型的设计使得它一方面能够营造平缓的水力环境；也可以按不同条件的需求设计为缓流或顺流模式；另一方面大大增加生物膜与水体的有效接触，增加颗粒物与生物膜的接触机会。

水中的悬浮固体在与生物膜碰撞的过程中动能迅速下降，促使其充分沉降；同时由于生物膜表面的生物絮凝作用，使部分悬浮固体被吸附和携带并最终随生物膜脱落降至水底。这些固形物沉降至水底与脱落的生物膜在不同的微环境下又产生了新的食物竟争链，成为微生物的附着载体并且消化有机污泥。

生物吸附：生物载体的超级编织技术使生物膜拥有大量种类的微生物，经过一系列生物化学作用，使重金属离子被微生物细胞吸附，这些作用包括络合、螯合、离子交换、共代谢、吸附等。这些微生物从溶液中分离金属离子的机理有胞外富集和沉淀、细胞表面吸附和络合、胞内富集等。

生物絮凝：生物载体表明的生物膜产生大量的生物絮凝剂，将重金属充分絮集。生物絮凝剂一般由多糖、蛋白质、dna、纤维素、糖蛋白、聚氨基酸等高分子物质构成，分子中的氨基和羟基等多种功能团，能使水中胶体悬浮物相互凝聚沉淀。根据目前研究，生物絮凝剂中可与cu²⁺、hg²⁺、ag⁺、au²⁺等重金属离子形成稳定的螯合物而沉淀下来。

高效水生态的生物膜具有菌类共存、藻菌共存的特性形成微a/o环境，强大的微生物群落形成为共代谢过程提供了一种新的代谢现象，已被作为一种新的生化技术。

水生态技术拥有完善的生态食物链，具有良好的共代谢功能，能够有效降解难以降解的有机物，而淤泥主要成份是有机物，即可分解物质，在功能强大的水生态系统中，其污泥可得到良好的消减，消减率可达90％以上。

作为本发明的一种优选方式，推流装置100包括设置在水体10中的至少一个推流单元和用以固定推流单元的安装架20，推流单元包括多根推流管和用以带动水流在推流管中流动的驱动装置，推流管包括横向进水管、横向出水管以及纵向衔接管，横向进水管设置在水体10的下部12，横向出水管设置在水体10的上部且位于液面11以下，纵向衔接管的进水端与横向进水管的出水端连接，纵向衔接管的出水端与横向出水管的进水端连接。其中，本领域的技术人员可以根据水体10的整体面积进行推流单元的个数选择。横向进水管和横向出水管沿水平方向布设，纵向衔接管沿竖直方向布设。

作为本发明的一种优选方式，所述推流管至少为三根，当然本发明中推流管并不局限于3根，在图3中，示出了6根。

作为本发明的一种优选方式，所述推流管至少为三根，以三根为例来说明本发明的构思，三个推流管分别设为第一推流管30、第二推流管40以及第三推流管50，第一推流管30包括第一横向进水管31、第一横向出水管32以及第一纵向衔接管33，第二推流管40包括第二横向进水管41、第二横向出水管42以及第二纵向衔接管，第三推流管50包括第三横向进水管51、第三横向出水管52以及第三纵向衔接管，第二推流管40设置在第一推流管30与第三推流管50之间。

作为本发明的一种优选方式，所述第一横向进水管31的长度为a，所述第二横向进水41管的长度为b，所述第三横向进水管51的长度为c，a与b不同，c与b不同，第一横向进水管31、第二横向进水41以及第三横向进水管51均沿水平方向设置。

作为本发明的一种优选方式，所述第一纵向衔接管33、所述第二纵向衔接管以及所述第三纵向衔接管三者平行设置且处于同一面，即位于竖直平面内。

作为本发明的一种优选方式，所述第一横向进水管31的进水端与所述第二横向进水管41的进水端之间的距离设为d,所述第一横向进水管31的出水端与所述第二横向进水管41的出水端之间的距离设为e,d与e不同。

作为本发明的一种优选方式，所述第三横向进水管51的进水端与所述第二横向进水管41的进水端之间的距离设为f,所述第三横向进水管51的出水端与所述第二横向进水管41的出水端之间的距离设为g,f与g不同。

作为本发明的一种优选方式，所述a大于所述b，所述c大于所述b,所述d大于所述e，所述f大于所述g。采用这种结构，能够扩张预动态水的范围，使得水流向推流单元的中心递进，水流由于递进式同向作用力的互动而形成接力作用，在推流管的出水口不会形成短流或者蝶形循环，保证了水流的同向推流，并带动整体水域进行同向有规律的微循环。

作为本发明的一种优选方式，所述第一横向进水管31的高度、所述第二横向进水管41的高度以及所述第三横向进水管51的高度三者中至少有两者不同。在本发明中，第一横向进水管31的高度、第二横向进水管41的高度以及第三横向进水管51可以根据水体10底部高度的不同进行布设，高度差的设置可以使得水流在纵向更好地循环，更好地实现水体底部、中部与上部交替互换的静态水体的激活流动性，使不同部位的优势生物互动交流，逐步形成生物食物链效应，达到水生生物群落与水环境共同构成的具有特定结构和功能的动态平衡系统。

作为本发明的一种优选方式，所述驱动装置包括风机60、气管61以及气体输送喷头62，气管62的一端与风机60的出口端连接，另一端与气体输送喷头62的进口端连通，气体输送喷头62设置在所述推流管内。其中，风机60设置在水体10外，通过气体输送喷头62，一方面可以向推流管中输送氧气，同时利用氧气的逸流作用可以带动水流在推流管中的流动，如此，本发明中，驱动装置起到曝气和推动水流流动地双重作用，能够节能能耗。呆滞水体不仅仅是平面上的局部静态水体，还包括水体底部的呆滞问题，水体底部长期处于呆滞状态，容易造成底泥快速增长，从而演变或恶化。底泥同样有着相应的水底生物食物链，一般水体缺氧越严重，底泥的增长速度越快，恶化反应越明显。本发明在整体水域动态循环的基础上，实现水体底部、中部与上部交替互换促进大气复氧功效。

实施例

以福建省泉州市某某景观湖的治理方案为来说明本发明的效果。

一、设计水量、水质

1.设计水量

本工艺流程是以处理水域有效的平方面积为主要参数，依据原水特征及目标水质而设计，根据现场实测，景观湖治理水域有效治理面积为127681m²，湖边周长约为2.5km，参见图6：景观湖水域治理区域图。

2.设计水质

根据项目方提供的相关资料及实地考察，了解到景观湖湖水浑浊，有藻类爆发趋势，呈现暗黄色，可见度及透明度较低；池面呈现类似胶质物尚无明显漂浮物，无令人不快感的异味。由此预测，景观湖水质呈水华之势，污染与氮磷元素、有机污染物等富营养化，属于生态链失衡自净功能尚失所致。

二、设计达到的目标

为满足景观效益的需求，维护景观湖周边生态和谐、无异味、美化环境等要求，富营养化水体经过本发明的湖塘生态孵化床系统治理后，水体净化指标可达《地表水环境质量标准》(gb3838-2002)中的ⅲ～ⅳ类标准，主要水质指标如下：

注：在感观上透明度达到1.2米以上；水体清澈无异味。

三、设计工艺

根据地理状况及废水特点，在湖塘300沿着湖塘300的走向布设多组治理单元1000。传统氧化塘是以太阳能为初始能量，通过在塘中种植水生植物，进行水产和水禽养殖，形成人工生态系统，在太阳能(日光辐射提供能量)作为初始能量的推动下，通过稳定塘中多条食物链的物质迁移、转化和能量的逐级传递、转化，将进入塘中污水的有机污染物进行降解和转化，最后不仅去除了污染物，而且以水生植物和水产、水禽的形式作为资源回收，实现治污资源化。但实际应用中对波动性大的水源、气候变化处在生态链变化等条件的变化而变化，稳定性能差，易产生臭味和滋生蚊蝇等二次污染。

本发明是在传统氧化塘的基础上结合生物孵化床200与推流装置的功能，是以人工介质修复并强化水体生物食物链为核心的工艺技术，实现生物多样性强，可控性强，并遵循自然生态发展规律的水体生态系统，增加了可控性以强化水体本身的水生态链为主导，强化水体生态链的键全与稳定，提高水体的自净功能与抗波动性能。通过培育菌群、藻类、原生动物、后生动物等优化良性菌株，并以强化土著的微生物群体为核心的就地驯化技术，形成构建相对完整的生物链，并使其附在填料之上，达到水生态的生物多样性，逐步建立起长期稳定的水生态系统。

本发明的湖塘还可结合其他生物体系建设如：植底、植被、湿地植物、养鱼、鸭、鹅等延伸食物链。其中，不仅有分解者生物即细菌和真菌，生产者生物即藻类和其他水生植物，还有消费者生物，如鱼、虾、贝、螺、鸭、鹅、野生水禽等，三者分工协作，对水体中的污染物进行更有效的分解与利用。

机房及相应配套设施可依据实际需求设计于浮岛中部，采用地格栅为作业台平来承载风机房及相关作业。地格栅具有如下特点：①、耐腐蚀：具有非常优越的防腐性能，长期浮动于水面可避免腐蚀造成风险；②、轻质、高强，便于切割、安装；③、耐老化：使用寿命在50年以上；④、可设计性强，尺寸灵活多样；⑤、用于水面踏板有利于水体的透气性能，避免复板后形成厌氧空间；此外，格栅面层可种植一些非挺水植物进行修饰。因此，采用整块的地格栅作为机房及作业平台具有较高的安全性与稳定性，其承载浮力可依据需求而设计。

四、构筑物设计

1.景观湖

·面积≈127681m²

·湖边周长≈2.5km

·水深约为：2.5-12m

·总容量约为：100万m³

2.推流装置

集助循环、搅拌及复氧功能为一身，并实现同向同步推流的重要部件。通过大水量快速循环流动，提高水体的复氧效益与质换交流，构件主要由聚丙烯材料及不锈钢构成。

·⑴规格：l4.2m×h6m×7组

⑴套数：9套

·⑵规格：l4.2m×h3.5m×7组

⑵套数：6套

·⑶规格：l4.2m×h9.5m×7组

⑶套数：3套

3.生物孵化床

·功能及描述：主要凭借高效生物载体与科学的微环境布局，并结合生物浮岛技术原理，模拟天然湿地生态系统的效应，改善水生植物、动物和微生物的生存微环境，通过生物操控与驯化而达成的生物发生器，创建完善的生物群落结构和多样性的生物食物链。在运行中孵化出庞大的、多样性强、食物链长、安全稳定的微生物群，是由点带面维护水体健康的核心部件。

·主要设备、材料：

a、水生浮岛

设计面积：l12m×w4m

数量：18个

b、生物发生器

·⑴设计规格：l12m×w4m×h3.5m

⑴设计参数：q＝220m³/h×7组，

y＝0.5m×(12×3.5)×8组

⑴数量：9个

·⑵设计规格：l12m×w4m×h2.5m

⑵设计参数：q＝220m³/h×7组，

y＝0.5m×(12×2.5)×8组

⑵数量：6个

·⑶设计规格：l12m×w4m×h5.5m

⑶设计参数：q＝220m³/h×7组，

y＝0.5m×(12×5.5)×8组

⑶数量：3个

c、浮动作业台

·功能及描述：用于承载风机房及相关作业。

·设计规格：l4m×w4m-(1×1×4)

·设计参数：g＝100kg/m²

·数量：6个

4.风机房

·功能及描述：浮动风机房包括机房、进风室和配电室，为轻型材质结构。

风机房是保证曝气系统正常工作的关键设施，本工程设2台强压节能风机，1用1备。每台风机的进风管上均设有消声器及弹性接头，每台风机的出风管上设有止回阀、安全阀、闸阀弹性接头、出口消声器等。机房建议业主依照需求而另行设计与施工，采用轻型材质，可以饰各式景观筑物，要求屋内通风良好。

·结构尺寸：l2.5m×w2.5m×h1.6-2.5m(通风良好，顶部空气可对流)

·数量：6座

·主要设备、材料：

a、风机

设计参数：q＝1.8m³/min，h＝29kpa

功率：1.75kw

数量：2台，1用1备(六套)

b、智能电控系统

数量：1×6套

五、工艺系统主要材料设备清单

1、设备选型原则：

(1)关注长远效益，性能价格比合理；

(2)运行可靠，维护量少，耗能低；

(3)噪声小，震动小，使用寿命长。

2、主要设备及辅料清单如下：

六、项目运行成本

1.主要设备电费(由水域面积大，每次运行不低于4小时循环)

注：生态系统的耗电规律：前3个月(驯化期)24小时工作；前15个月(发展期)遂步减少至每周4小时；满15个月后天视状况而工作，如：发现水质有所异常、发现鱼到水面取氧、连续阴雨天气等，可以启动修复系统，日常可无需工作，依靠光合作用与大自然的自维护功能。

2.人工费

本湖塘生态孵化床系统可以实现自动化控制，前期可由物业相关工作人员每日巡视确保系统正常运行即可，后期主要是冬季的景观维护不需要另计人工费。

本发明的产品形式并非限于本案图示和实施例，任何人对其进行类似思路的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。