一种黑臭河道下沉式绿地处理系统及其处理方法与流程

本发明涉及河道生态治理
技术领域：
，特别涉及一种黑臭河道下沉式绿地处理系统及其处理方法。
背景技术：
：随着城市化步伐加快，我国城市、乡村河流的生态功能由于人类干扰退化日益严重，陆地上污染物的大量排入，使大部分河流中氮、磷、化学需氧量(cod)、生化需氧量(bod)等污染物严重超标，从而诱发了一系列环境问题，如河流水体富营养化、河流黑臭、河流生物多样性下降、河流底泥垃圾化、河流自净能力和水体景观功能退化等。其中，河流黑臭是一个关键的河流环境问题，河流黑臭既是其他河流环境问题产生的原因，也是其他环境问题导致的结果，是一个难于治理的环境问题，解决河流黑臭是城市河流生态系统、流域生态系统可持续发展的关键所在。河流黑臭产生的原因有内、外因：外因主要是大量外源氮、磷、cod、bod进入河流水系，超过了水体的自我氧化分解能力或自净能力，导致水体富营养化，且处于缺氧状态，水体中的cod、bod主要通过厌氧分解的方式进行，结果产生了许多挥发性、气体性小分子有机物和无机物，如酮类、醛类、醇类、有机酸类、硫化氢、甲烷、氮氧化物、一氧化碳等，人们靠近河流时会闻到这些物质散发的臭味。在水体厌氧的条件下，河流中水体和富含有机物的底泥处于还原状态，有些金属离子如3价的铁、锰被还原成2价，从而形成fes，mns等物质，这些物质沉在底泥中或被释放进入水体，致使河流底泥变黑。内因主要是城市化步伐加快，为了节约土地，河流两岸常常被硬化，河道收窄，岸边和水中植被减少，导致对河流的输氧能力下降，从而降低了河流自净能力。另外，水资源被截留，雨污分流的实施，使河流水体的补充减少，水体流速缓慢，也使河流自净能力下降。针对河流黑臭问题，国内外已开发了不少的治理黑臭的技术。这些技术主要包括物理、化学、生物生态法。物理方法主要是人工曝气、底泥疏浚、调水冲淤等。人工曝气如鼓风-扩散曝气、水面转刷曝气、射流曝气、船载移动曝气等；底泥疏浚主要有干床开挖、船载或岸边抓斗清挖、水力冲挖等；调水冲淤是通过输入清水，把污染物冲走并稀释。化学方法主要是强化絮泥、化学氧化、化学沉淀等，所使用的化学药剂主要有铁盐、铝盐、改性硅藻土等混凝剂，双氧化水等氧化剂和生石灰等沉淀剂。生物生态技术包括微生物强化技术、生物膜技术、植物净化技术等。根据国内外实践，上述任何单一的技术无法根本解决河流黑臭问题，有的还会导致水体二次污染，可持续利用性不高，且成本偏高。技术实现要素：针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种黑臭河道下沉式绿地处理系统及其处理方法，该黑臭河道下沉式绿地处理系统可持续地长期应用，成本不高，可发挥整体优势，使河道对黑臭水体的净化处理能力提高，且能改善城市水体和陆地景观，外溢效应明显。为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。(一)一种黑臭河道下沉式绿地处理系统，包括：拦河取水单元、引水单元和下沉式绿地；其中，所述拦河取水单元设置在黑臭河道的上游；所述黑臭河道的每侧分别设置有引水单元和下沉式绿地，引水单元的入水口与所述拦河取水单元的出水口连通，引水单元的出水口与所述下沉式绿地的进水口连通；所述下沉式绿地的表面自下而上依次设置黏土层、土壤层和砾石层，所述土壤层上种植有水生植物；所述下沉式绿地设置有出水口，所述下沉式绿地用于处理黑臭河道内的污水。优选的，所述下沉式绿地包含黑臭河道两岸的绿化带、小区绿地、公共绿地或湖泊。优选的，所述拦河取水单元包含沿黑臭河道水流方向依次设置的上游连接段、取水口、拦河闸闸室段和下游连接段；所述取水口与所述引水单元的入水口连通。优选的，所述引水单元为引水渠；所述引水渠的渠首设置有曲线沉砂池，所述引水渠的渠尾设置有第一拦污栅。优选的，所述下沉式绿地的首端设置有振动筛网；所述下沉式绿地分段布置，每段下沉式绿地低于地面且设置有溢流坝。优选的，所述黏土层的厚度为50～70cm，所述土壤层的厚度为20～40cm，所述砾石层的厚度为8～12cm。优选的，所述水生植物包含挺水植物、浮水植物或沉水植物中的一种或多种。优选的，所述挺水植物为荷花、千屈菜、菖蒲、黄菖蒲、水葱、再力花、梭鱼草、花叶芦竹、香蒲、泽泻、旱伞草、芦苇、茭白、灯芯草或小横脉中的一种或多种。优选的，所述浮水植物为菱角、睡莲、凤眼莲、浮萍或眼子菜中的一种或多种。优选的，所述沉水植物为丝叶眼子菜、穿叶眼子菜、水菜花、海菜花、海菖蒲、苦草、金鱼藻、水车前、穗花狐尾藻或黑藻中的一种或多种。优选的，还包括出水单元，所述出水单元包含前池、聚水池和水闸；所述前池的进水口与所述下沉式绿地的出水口连通，所述前池的出水口与所述聚水池的进水口连通；所述前池和所述聚水池之间设置有第二拦污栅；所述水闸的进水口与所述聚水池的出水口连通，所述水闸的出水口与黑臭河道的下游连通。(二)一种黑臭河道下沉式绿地处理方法，包括以下步骤：步骤1，采用拦河取水单元拦截黑臭河道上游的污水，并将污水引入至引水单元；步骤2，采用引水单元除去污水中的固体沉淀物和固体漂浮物；步骤3，采用下沉式绿地内的水生植物对引水单元净化后的污水进一步净化。优选的，步骤2中，引水单元的渠首采用曲线沉砂池除去固体沉淀物，引水单元的渠尾采用第一拦污栅去除固体悬浮物。与现有技术相比，本发明的有益效果为：1)使黑臭河道中污水至少从劣五类提升到五类水质，或者从五类水质提升到三或四类水质；2)根本消除水体黑臭；3)增加城市水体景观面积，提升城市土地和不动产的价值；4)增加城市生物多样性；5)改善城市居住环境。附图说明下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。图1为黑臭河道下沉式绿地处理系统的整体结构示意图；图2为本发明的黑臭河道下沉式绿地处理系统治理污水的流程图；其中，图(a)为在黑臭河道的两侧选择地质稳定、表面平整、施工条件好的绿化带、小区绿地、城市绿地、水塘、低洼地；图(b)为拦河闸、上游连接段、下游连接段、护基的设计与实施图；图(c)为引水渠、第一拦污栅的设计图；图(d)为下沉绿地图；图(e)为出水单元的设计与实施图；图(f)为引水单元的设计与实施图。其中：1黑臭河道；2上游连接段；3取水口；4拦河闸闸室段；5下游连接段；6曲线沉砂池；7第一拦污栅；8下沉式绿地；801振动筛网；802溢流坝；803水生植物；9前池；10第二拦污栅；11聚水池；12水闸。具体实施方式下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例以西安市皂河为例进行应用，具体如下：皂河是黄河最大支流渭河的分支，其横穿西安市，河道水质为劣v类水。将下沉式绿地8安置在皂河中游，配合下游的西安渭河城市运动公园和西安湖，共同对皂河河水进行净化。在皂河黑臭河道1的上游设置拦河取水单元，在皂河的两侧分别对应设置引水单元和下沉式绿地8，通过拦河取水单元拦截皂河内的污水，并通过引水单元将污水引流至下沉式绿地8形成表面流湿地，通过表面流湿地的净化作用，对河道水质进行改善，从而满足河道水流可排放的v类水质。1、拦河取水单元拦河取水单元为拦河闸，布置于西安市高新区丈八四路与西护公路十字西北角，拦河闸从上游到下游依次为上游连接段2、取水口3、拦河闸闸室段4、下游连接段5等。拦河闸闸孔为五孔闸，每孔净宽9m，总净宽45m，每闸孔净高8m，宽9m，长7m。(1)上游连接段：上游连接段2主要包括上游铺盖段，上游河道断面过渡段，两者结合同时布置，以及取水口3。其中，上游铺盖段均采用c25钢筋混凝土结构。下设0.15m厚c15素混凝土垫层，铺盖在增加防渗长度下兼作阻滑板作用。铺盖顺水流方向长度设计长度为15m，板厚0.5m，上下游端均设置齿墙，上游齿墙齿深1.5m，下游齿墙齿深1m，齿底水平长度均为0.5m。上游齿墙斜坡4:3，下游齿墙斜坡2:1。铺盖与拦河闸闸室段4、上游衬砌的伸缩缝内设橡胶止水带。拦河闸上游铺盖顶高程为分别为392m。上游河道断面过渡段，上游河道为梯形断面，修建过渡段，使梯形断面与矩形断面顺利过渡，不影响过洪能力。过渡段长15m，高8米，过渡段为平面，过渡段采用c25钢筋混凝土结构，混凝土结构厚0.65m，并在其后设0.5m浆砌石挡墙。(2)取水口：取水口3延水流方向长9m，高8m，宽与拦河闸宽度一致，取为4m，设计结构与上游河道断面过渡段相同。(3)下游连接段：主要包括消力池，下游河道断面过渡段。其中，消力池长为15m，消力池深为0.5m，斜坡段坡比1:4，斜坡段水平长2m，消力坎高度为0.5m，采用c25钢筋混凝土结构。下游河道断面过渡段与上游河道断面过渡段相同。(4)护基埋深：冲刷深度为1.5m，护基墙基埋深于设计滩面线之下2m。护基结构为0.65m后混凝土结构，并在其后设0.5m浆砌石挡墙。(5)经过试验验算，拦河闸的抗滑稳定系数kc＝1.4＞1，满足稳定性要求。拦河闸的上游基底应力σmin＝26kpa，大于0kpa；下游基底应力σmax＝187kpa，小于基岩允许压应力[σ]＝260kpa，拦河闸稳定性安全。2、引水单元引水单元采用引水渠，引水单元两岸布置，引水单元位于拦河取水单元的两侧，拦河取水单元的出水口与引水单元的进水口连通，将皂河内的污水引到河道两侧的引水单元，采用溢流堰引水，两侧无大型建筑物，地势平坦。其中，引水渠渠首设置曲线沉砂池6，曲线沉砂池6的进水口设置进水口控制闸；引水渠的渠尾设置第一拦污栅7。引水渠外半径为10m,内半径为9，引水渠为水平圆环布置，沿程无坡降。引水渠内设排沙渠，排沙渠外半径8m，内半径7m，设坡降为1％。排沙渠道与引水渠之间设置冲砂廊道，冲砂廊道坡降1:1。进口设置成喇叭形，内设平板闸门。弯道长约15m,直线段长30m，高2m。引水渠弯段的渠底与渠壁为0.15m厚c15素混凝土垫层，0.5m的c25钢筋混凝土结构。引水渠直线段渠底、渠壁为0.4m的c20混泥土硂。皂河内的污水经过拦河取水单元的拦蓄，通过引水单元中的曲线沉砂池6进行初步沉淀，去除水中较大的泥沙等固体沉淀物，固体沉淀物在洪水期或流量较大时，通过闸门泄水被带走。初步沉淀后的河水经过第一拦污栅7去除水中的固体漂浮物，如树叶，树枝，塑料垃圾等物质。曲线沉砂池6的进水口处的进水口控制闸用于控制引水。其中，第一拦污栅7为平面细格栅，采用钢结构，高2.5m，宽1.5m，厚0.2m；格栅净距为16mm。3、下沉式绿地将河道两岸不同形态和结构的绿化带、居民小区绿地、公共绿地进行下沉3m，将其修建成湿地，沿河湿地总长7km，总面积约400000m2。通过种植水生植物803，形成下沉式绿地8，当河道污水通过下沉式绿地8时，经过植物根系的吸收、吸附、过滤、氧化、分解、沉淀作用所产生的一系列物理、化学、生物反应，使黑臭水体得到净化，具体各指标及要求见下表1。表1皂河水质指标表项目指标codbod5nh3-ntp上游(mg/l)50.91690.9下游(mg/l)167.752.824.81.5中游(mg/l)109.334.416.91.2ⅴ类水标准(mg/l)40102.00.4超标量(mg/l)69.324.414.90.8去除率(％)63.4718867日超标量(kg)1948.6686.2419.022.5本发明的设计流量为0.33m3/s，日径流量为28120.6m3/d，由于河道坡降较小，故采用表面流湿地。表面流湿地的面积为400000m2。表面流湿地布置在河道与两侧公路过渡绿化带内，每侧流量0.17m3/s，绿化带下沉3.5m，宽30m,湿地坡降为2‰。布置的绿化带长度为6666.7m取7km。按照《人工湿地污水处理工程技术规范》提供的数据计算人工湿地系统污染物去除效率如表2所示。表2人工湿地系统污染物去除效率(％)人工湿地类型bod5codcrssnh3-ntp表面流人工湿地40-7050-6050-6020-5035-70在开挖下沉式绿地8过程中，产生的大量泥土可以作为城市抬高地形修建、人工山丘修建、绿化、景观改造的基质利用，改变城市基准线，使城市地形多样化，特别是对于平原型城市具有美化城市景观的作用。表面流湿地从下往上依次为黏土层、土壤层和砾石层。其中，黏土层厚度为60cm，并分层压实，作为基质，同时也起防渗作用；土壤层厚度为30cm，渗透系数为0.025～0.35cm/h的黏土或壤土；砾石层厚度为10cm，粒径为16mm细砾石。土壤层上种植有水生植物803，水生植物803包含挺水植物、浮水植物或沉水植物中的一种或多种。挺水植物包含荷花、千屈菜、菖蒲、黄菖蒲、水葱、再力花、梭鱼草、花叶芦竹、香蒲、泽泻、旱伞草、芦苇、茭白、灯芯草或小横脉中的一种或多种。浮水植物包含菱角、睡莲、凤眼莲、浮萍或眼子菜中的一种或多种。沉水植物包含丝叶眼子菜、穿叶眼子菜、水菜花、海菜花、海菖蒲、苦草、金鱼藻、水车前、穗花狐尾藻或黑藻中的一种或多种。通过表面流湿地系统的吸附作用、吸收作用、分解作用等物理、化学、生物方法可以将水中的污染物进行分解，对水质产生净化。表面流湿地底面不采用混凝土垫层或防渗膜进行防渗处理，仅采用黏土进行简单防渗处理，所引河道黑臭水体经过湿地处理以及黏土层过滤，对地下水污染可以不计，可认为是河水补给地下水，而损失水量可通过加大引流进行补充。下沉式绿地8分段布置，长100m，宽30m，各单元表面流湿地体积为12000m3。各段修建溢流坝802，采用溢流进水。在分段布置末端设置溢流堰，溢流堰选择薄壁堰。堰前水深为0.5m时，堰上水头为0.02m，故薄壁堰高为0.48m，薄壁堰堰宽为3cm，采用钢结构。此外，下沉式绿地8可以将湖泊、水景公园、城市绿地纳入其中形成水系，不仅提高了生态净化系统的规模，更节约了生态景观用水，让净化后的河水有用武之地。同时，也可以根据实际需求，下沉式绿地8可以通过与污水一级强化处理、曝气、生物膜法、氧化塘等污水处理工艺相结合，进一步提高下沉式绿地8的处理能力。如抬高水位，修建阶梯流动蓄水池，放置喷泉，修建碎石多孔滤料滤床，以及氧化塘还原塘等。在下沉式绿地8的首端设置有振动筛网801，振动筛网801处理的固体悬浮物粒径大小为小于5mm，保证悬浮物能够在下沉式绿地8中流动，不产生堆积即可。主要在固体悬浮物较多较小时，以及洪水期流量较大时，辅助进一步降低引流中的固体悬浮物，正常工况下可以不使用。振动筛网801利用机械振动，将水中的固体悬浮物与水进行分离，并将振动网筛上截留的纤维杂质卸到固定筛网上，纤维杂质定期进行处理即可。筛网宽1.5m，长5m，首段高程397.5m，末端高程397m。经过下沉绿地的净化处理后，河道污水由劣ⅴ类水被净化为ⅴ类水标，此时表面流湿地出水可引入红光公园作为景观用水，而后经出水单元蓄积，再次回到河道，或者用于农业用水，道路喷洒用水。该过程即净化了河道水质，又产生了生态景观，同时满足了红光公园的用水需求，同时也产生了一定的经济效益。4、出水单元拦河取水单元的设置使河道上游水位抬高2-3米，导致下沉绿地湿地系统水位高于河道水位，下沉绿地湿地系统中的水可以从下沉绿地的出水口自流进入河流；也可以从前池9流入聚水池11，通过水闸12再次返回至下游河道内。水闸12的设置可以控制下沉绿地中水体停留时间，也可以防止河道内水体倒灌。其中，前池9选择侧正向进水到前池9，来水方向与出水方向一致，坡降为1:30，长60m，前池9的末端，布置聚水池11，聚水池11形状为矩形，聚水池11长60m，宽30米，高4m。两侧采用浆砌石结构，厚度取为0.5m。湿地底面采用0.2m厚的c25钢筋混凝土结构。下设0.3m厚c15素混凝土垫层，两侧修建护栏，护栏高1.5m，宽0.1m，长7km。聚水池11主要适用于将出水汇集，因为湿地出水较小，且根据不同时段、季节等流量也有变化，聚水池11则起缓冲作用，保证水闸12稳定出流。当水闸12流量较大时，抬高水位减少出水；水闸12流量较小时，降低水位增加出水；水闸12流量与出水流量一致时水位则不发生变化。第二拦污栅10布置于前池9与聚水池11之间，保证出水物质中的悬浮物质可以通过水闸12的隧洞即可，粒径约为1cm大小。水闸12修建于红光公园北侧景观水出口，河道两侧同时布置，用于将净化处理后的水排出。本发明对皂河内污水的具体治理方法如下：采用拦河闸拦蓄皂河内的污水，拦蓄的污水经过曲线沉砂池6沉淀，去除水中较大的泥沙等固体沉淀物，沉淀物在洪水期或流量较大时，通过闸门泄水被带走。初步沉淀后的河水经过第一拦污栅7去除水中的较大杂物，如树枝、塑料袋等。第一拦污栅7净化后的水经过振动筛网801对于水中的较小悬浮物进行去除，使表面流湿地入水tss达到进水要求，河道污水通过表面流湿地的物理、生物净化作用后，河道污水由劣ⅴ类水被净化为ⅴ类水标，此时表面流湿地出水可引入红光公园作为景观用水，而后进入前池9和聚水池11，通过水闸12再次回到河道，可作为农业用水或道路喷洒用水，达到治理河道污水，创建生态景观，节约公园用水的目的。皂河下沉式绿地8工程处理污水日负荷达28120.6m3/d，其处理规模相当于一个小型污水处理厂，按每吨水处理费用0.5元计算，皂河下沉式绿地8工程产生的日经济效益约一万两千五百元。并且，处理后的ⅴ类水部分供于红光公园，可使红光公园用水减少，甚至不要求补给；湿地处理后水体可用于城市喷洒用水，按每吨水约0.5元计算，皂河下沉式绿地8工程产生的日经济效益七千元，故皂河下沉式绿地8工程日产生的社会经济效益约一万九千五百元。具体数据见下表2：表2日经济效益项目单价/元数量/m3效益/万元污水处理0.525000，按工程设计水量的90％1.25出水使用0.514000，按工程设计水量的50％，0.7皂河下沉式绿地8工程生态环境效益主要体现在两个方面，第一个方面主要表现在净化了河道污水，治理了皂河黑臭，改善了城市生态景观，表面流湿地上种植水生植物803，产生水景，不仅美化了城市形象，改变了城市景观单一景象。第二个方面主要表现在海绵城市作用，在降雨时起到蓄水作用，在干旱时起到释放水作用，提高城市适应环境变化能力和应对自然灾害能力，减少城市洪涝灾害的发生。综上所述，皂河下沉式绿地8工程在不影响河道原有功能，确保防洪安全的前提下，通过人工生态基段建设提高河道的自净能力，使工程出水达到ⅴ类水标准，改变因河道水动力不足，流动性较差、缺氧发臭而导致的水体生态系统脆弱而引发的黑臭河道1污染。且其修建不论是在经济方面，还是环境方面都是一项充分利用水资源，改善项目区生态环境，促进区域经济、社会和谐、社会稳定、发挥地域资源优势的生态工程。虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。当前第1页12