本发明涉及一种用于治理富营养水体的生态塔及应用。
(二)背景技术
由于夏季日照强烈，富营养化的地表水体(河流、池塘、湖泊等)藻类过度繁殖，一系列异养生物的食物链也随之迅速发展，水体表层浮游生物密度过高，生态活跃，耗氧大大增加。而水体底部则因为缺乏光照、溶解氧而逐渐厌氧化，底栖生物死亡。底栖生物是水体生态物质循环的重要环节，沉水型的藻类是水体光合作用产氧的重要来源，而底栖动物，如螺、蚌、贝等，以浮游生物为食，是滤食性鱼类(鲢、鳙等)之外的重要藻类摄食生物。水体底部溶解氧降低，底栖生物生存环境恶化，生物量减少，其有机物转化能力将削弱甚至消失。陈玉霞等在2010年综述了底栖软体动物对水环境生态的重要性，并收集了人工补种底栖生物对水体生态进行修复的国内研究和应用现状。
因此，富营养化水体水质恶化发臭的问题核心，是水体有机物在合适的温度、氮磷等植物营养物含量高、光照强的综合条件下，其生产量大大增加。而水体表面生态的活跃，反而导致底栖生物的生存环境恶化，对水体有机物转化的能力受到抑制，或完全破坏。水体表层合成的有机物不能得到有效转化，沉积于水体底部严重积累、腐败，水体生态遭受到整体上的严重破坏。
针对水体富营养状态下底栖生物活性不足的状况，前人提出了诸多改进技术方案。如叶子军、刘录三、张豫等，均提出了人工补育底栖软体动物，或沉水植物与底栖软体动物结合的生态恢复方案。但这些技术方案都是在水体内进行原位修复，受到水体自然条件的限制，尤其是底栖软体动物的生长密度限制，在有限的河床、湖床面积上，其生长的底栖生物总量是受限的，从而限制了人工投放的生物量。而对于已经处于亏氧状态的水体，则人工投放底栖生物不但没有意义，死亡腐烂还会进一步加剧水体污染。
(三)
技术实现要素：
本发明目的是提供一种用于治理富营养水体的生态塔及应用，结合滤床和底栖软体生物养殖相结合的异位处理方案，弱化藻类生长、人工设定底栖软体动物生存环境，恢复和强化水体有机物转化能力，两方面同时起作用，解决富营养化水体内藻类和浮游生物过度积累的问题。
本发明采用的技术方案是：
本发明提供一种用于治理富营养水体的生态塔，所述生态塔包括滤池、盛水池和进水管；所述滤池置于盛水池中，所述盛水池设有进水口和排水口；所述滤池由若干个滤池单体至下而上叠加而成(滤池单体内形成遮光环境，减少或避免光合作用的产生)，每个滤池单体底端侧面设有带密封盖的采收口和排水阀，每个滤池单体上沿设有溢流堰(优选三角堰)，所述溢流堰在滤池单体内壁设有过滤介质层；所述进水管贯穿滤池并与各个滤池单体密封连接，所述进水管端部与设有进水泵的进水口通过管路连通，所述进水管设有喷水孔，所述喷水孔个数由下至上递增。
进一步，所述生态塔顶部和生态塔光照面设有太阳能电板，用于发电供应水泵。
进一步，所述滤池由3～15个滤池单体至下而上叠加而成。
进一步，所述各个滤池单体溢流堰缺口面积与该层滤池单体喷水孔面积相匹配，以喷水孔最低处为界，溢流缺口不高于喷水孔最低处，所述喷水孔递增幅度为8～10个。
水流从下往上，动能转化为重力势能0.5mv2＝mgh。
生态塔共8层，最底下一层喷水孔中喷出的水流速为6m/s，孔数为20个，从下往上各层喷水孔的出水流速分别为v1，v2，v3，v4，v5，v6，v7，v8。
最底下一层与最顶上一层喷水孔高差为0.2*(8-1)＝1.4m，根据公式0.5mv2＝mgh，动能损失为mgh＝m*9.8*1.4＝13.72m，得出0.5(v12-v82)＝13.72，v1＝6m/s，得v8＝2.9m/s。
同理可得v7＝3.5m/s，v6＝4.0m/s，v5＝4.5m/s，v4＝4.9m/s，v3＝5.3m/s，v2＝5.7m/s。
单层喷水量q＝s(每层喷水孔总面积)*v(每层喷水孔出水速度)*t(喷水时间)
由于每个喷水孔孔径相同，每层的喷水总量基本一致，因而每层的喷水孔出水速度与每层喷水孔数成反比，结合对水动能在管路损失的补偿，每层喷水孔数量适当增加。因此各层喷水孔的数量从下往上依次为n1＝20，n2＝22，n3＝23，n4＝25，n5＝27，n6＝32，n7＝35，n8＝42。
进一步，所述过滤介质层为海绵或滤布，包括天然海绵、发泡棉、定型棉、橡胶棉、记忆棉、涤纶、丙纶、锦纶、维纶、全棉等材质的滤布型过滤材料；砂芯滤料，所述过滤介质层覆盖在滤池单体溢流堰的内壁，宽度大于溢流堰缺口高度。
进一步，所述盛水池深度低于滤池单体的深度。
进一步，滤池单体深度为8-10cm。
本发明还提供一种所述用于治理富营养水体的生态塔的应用方法，所述方法为：在每个滤池单体中播殖底栖软体动物，将富营养水体作为进水从进水口泵入，进水通过进水管的喷水孔流入各个滤池单体中，然后滤池单体中的水在经过过滤介质层后从各个滤池单体的溢流堰流至盛水池中，从采收口采收各个滤池单体中的底栖软体动物并补加新的底栖软体动物，检测盛水池中水质，当叶绿素a浓度小于10μg/l，达标排放，否则再次作为进水泵入生态塔。
进一步，所述底栖软体动物为淡水贝壳类动物，包括黄蚬、食藻虫、滨螺、苹果螺等食藻螺；花白鲢、黑线飞狐等鱼类；小龙虾等。
通过多层叠加增大培育面积，是水产养殖中常用的技术手段，如江西省水产科学研究所就提出了一种用于养殖河蚬用的吊笼装置。但该装置仍然悬挂于天然水体内，吊笼下部浸入水体深处，只适用于清洁水体。对于亏氧的富营养化水体，深水区域并不适合软体动物生存。
现有方法是原位治理，即在富营养化水体中加入水生生物进行生物治理等。现有方法只能治标无法治本，因为在富营养化水体中加入的水生生物即使去除了藻类，但将氮磷等元素转化为了自身的生物量。如果不及时的将这些水生生物捕捞或者去除(而一般而言，管理者都缺少这一步)，氮磷元素在水生生物死亡腐烂后又从生物体中回到水体当中，再此导致水体中氮磷浓度的升高。
而本发明实施的方式，采用的是异位治理的方法，将富营养化水体的水转移到装置中，通过装置内的食藻动物消耗被截留的藻类，将其转化为自身的生物量。然后通过收取装置中的食藻动物，达到去除水体中的氮磷元素的目的。另外，本发明的食藻动物收获后可用作喂养鸟类、两栖动物等，或构筑立体型生态湿地公园，将其回馈自然环境，为鸟类、两栖动物等目前生态环境的急剧衰退提供一个替补原料。由此构成了生态闭环。
与现有技术相比，本发明有益效果主要体现在：本发明滤池单体采用中心管进水、周边溢流出水，辐流沉淀、出水前过滤截留的物理方式去除水中的藻类、浮游动物等。所截留的藻类在盘内由养殖的底栖软体生物进行生态转化，收获的底栖软体生物具备经济价值，实现富营养化水体过度增殖的藻类的资源化利用。众所周知，在营养、温度、光照均适宜的条件下，藻类的增殖是指数增长模式。将地表水抽吸进滤池，及时将增殖的藻类物理截留，将地表水中的藻密度控制在较低的浓度，可以消除地表水体里的藻类爆发性增殖现象。而截留在滤池里的藻类，由于单体滤池的叠架遮光，离开了光照环境，不再增殖。滤池单体水深在8～10cm，即便截留了较高浓度的藻类、浮游生物，且光合作用停止以后呼吸作用更强而导致亏氧，也可以较容易通过水的流动和氧气浓差扩散而得到充氧，保证底栖软体生物的供氧。低光照、无天敌、人工水流速度合宜、藻类等饵料含量丰富，给底栖软体动物创造了良好的生存环境，其生物量转化能力可以有效发挥。若干个滤池单体叠加，组合成多层的生态塔，仅占用少量的用地，还提供了多倍或十多倍的软体动物养殖面积，突破了天然水体底面积相对固定的局限。该生物塔的安放简便、层数组装灵活，既可以在池塘、河流的岸边固定化安装，也可以用船载方式在湖区内移动式处理。在面积宽松的情况下，可以用3～5层的叠加，方便采收。在用地紧张而有支架条件下，可以最高叠加到10～15层，有效利用空间，最大化处理能力。
(四)附图说明
图1为本发明用于治理富营养水体的生态塔示意图；1-太阳能电板，2-滤池，3-进水口，4-排水口。
图2为滤池单体示意图，5-进水管，6-过滤介质，7-溢流堰，8-排水阀，9-喷水孔，10-采样口。
(五)具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
实施例1
参照图1-图2，本发明用于治理富营养水体的生态塔包括滤池2、盛水池11和进水管5；所述滤池置于盛水池中，所述盛水池设有进水口3和排水口4；所述滤池由8个滤池单体至下而上叠加而成并形成遮光环境，每个滤池单体底端侧面设有带密封盖的采收口10和排水阀8，每个滤池单体上沿设有溢流三角堰7，所述溢流三角堰在滤池单体内壁设有过滤介质层6；所述进水管贯穿滤池并与各个滤池单体密封连接，所述进水管端部与设有进水泵的进水口3通过管路连通，所述进水管5设有喷水孔9，所述喷水孔个数由下至上递增。
水流从下往上，动能转化为重力势能0.5mv2＝mgh。
生态塔共8层，最底下一层喷水孔中喷出的水流速为6m/s，孔数为20个，从下往上各层喷水孔的出水流速分别为v1，v2，v3，v4，v5，v6，v7，v8。
最底下一层与最顶上一层喷水孔高差为0.2*(8-1)＝1.4m，根据公式0.5mv2＝mgh，动能损失为mgh＝m*9.8*1.4＝13.72m，得出0.5(v12-v82)＝13.72，v1＝6m/s，得v8＝2.9m/s。
同理可得v7＝3.5m/s，v6＝4.0m/s，v5＝4.5m/s，v4＝4.9m/s，v3＝5.3m/s，v2＝5.7m/s。
单层喷水量q＝s(每层喷水孔总面积)*v(每层喷水孔出水速度)*t(喷水时间)
由于每个喷水孔孔径相同，每层的喷水总量基本一致，因而每层的喷水孔出水速度与每层喷水孔数成反比，结合对水动能在管路损失的补偿，每层喷水孔数量适当增加。因此各层喷水孔的数量从下往上依次为n1＝20，n2＝22，n3＝23，n4＝25，n5＝27，n6＝32，n7＝35，n8＝42。
所述生态塔顶部和生态塔光照面设有太阳能电板1用于发电供应进水泵。所述过滤介质为海绵，所述过滤介质覆盖在滤池单体溢流堰的内壁，宽度大于溢流堰缺口高度。
在每个滤池单体中播殖黄蚬6000枚，单体养殖面积为12m2，将富含藻类水体作为进水从进水口泵入，日处理水量为80m3，进水通过进水管的喷水孔流入各个滤池单体中，然后滤池单体中的水在通过各个滤池单体的过滤介质层后从溢流堰流至盛水池中，每10天从采收口采收各个滤池单体中的黄蚬并补加新的黄蚬(秋季高温过去且生态塔停运后对滤池中所有的黄蚬进行采收)，检测盛水池中水质，当叶绿素a浓度小于10μg/l，达标排放，否则再次作为进水泵入生态塔。
本实验对于黄蚬除藻能力进行了初步试验，进水中富含的藻类为黄蚬唯一食物来源。本实验用叶绿素a浓度来表征藻类浓度，进水叶绿素a浓度chla68.6ug/l，出水chla6.1ug/l，所用海绵对藻类的物理截留率91.1％。实验对于黄蚬进行了小规模养殖，水处理模块中黄蚬养殖面积为600cm2，日处理水量为50l，在此条件下养殖28日后，40枚黄蚬存活30枚，存活率75％。结合实验数据，本实验黄蚬对于藻类的生物处理能力为22.05ugchla/(g黄蚬*天)。根据实验得出实验水处理区黄蚬适宜养殖密度400～500枚黄蚬/m2，以此类比，单位面积的处理单元对于藻类的处理能力31000～39000ugchla/(m2处理单元*天)。单位面积的该处理单元对于类似藻类浓度的富营养化景观污水的处理能力为0.84m3污水/(m2处理单元*天)。