一种复合型河道生物反应器系统、构建方法及应用与流程

本发明涉及一种复合型河道生物反应器系统，属于水生态净化与修复技术领域。

背景技术：

目前，常用的河道生物反应器主要有两形式：1）、以浮床为载体，悬挂于浮床下面；2）、以金属框架为主体，安装于水面之下。第一种存在后期维护麻烦、容易受水流影响、影响防洪功能、景观功能不佳等缺点，受到一定的质疑，而第二种方式可克服或部分克服这些缺点，表现出较好的应用前景。

但是，上述两种河道生物反应器均没有解决以下问题：1）、对于以污水处理厂尾水为主要水源的重污染河道，存在典型的碳氮失衡问题，碳源不足不仅会显著降低反硝化作用，影响总氮的去除，而且还会影响其它异养型功能微生物的丰度与活性，降低其净化功能；2）、河道反应器总体上景观效果不佳，难以满足城市居民对河道景观效果的要求。

水生植物是水生生态系统的重要组成部分，水生态系统中水生植物的建植与恢复对提升水体的净化功能具有重要的意义，水生植物不仅可以直接吸收利用水体中的氮、磷元素等营养元素；而且根系可以为净化微生物的附着提供良好的载体，促进微生物膜的形成。此外，水生植物还具有良的泌氧功能，可改善根系和水体的溶氧环境，促进硝化作用的进行，降低水体发生黑臭的风险；而且水生植物可通过根系分泌、淋溶和残体分解等途径，向水生态系统提供有机碳源，促进反硝化作用的进行。但是，水生植物残体的集中分解容易引起二次污染，出现黄泛等污染现象。

水生植物的建植与恢复是河流等水生态系统治理与修复的重要内容，但是，对于污染状况较为严重城市硬质化河道，特别是水深大于1.5m的河道，水生植物的恢复难度较高，建植的水生植物存活率较低或容易出现快速衰退等现象。统计发现，大部分水深大于1.5m的城市河道，水生植物存活困难的主要制约因子是水深：对于沉水植物而言，过高的水深导致水下光照不足，加之叶片表面附着的藻类与泥沙可进一步恶化沉水植物的光环境，使得沉水植物处于接近或低于叶片光合补偿点，导致其难以存活;对于挺水植物而言，水高的水深会使得叶片不能及时长出水面或长出水面部分比例过低，降低水生植物整体的光合效率，使得水生植物长势较弱，降低其存活率。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种复合型河道生物反应器系统、构建方法及应用，解决常规河道受重污染导致生物反应器碳源缺乏或城市水深>1.5m后河道水生植物存活率较低或浅水区水生植物残体分解引起二次污染等问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种复合型河道生物反应器系统构建方法，包括以下步骤：

步骤1）、在河道底部构建生物膜网箱，在生物膜网箱上部构建水生植物群落，在生物膜网箱内部搭载生物膜填料带，通过上层的水生植物群落和下层的生物膜填料带形成的隔离带组件；

步骤2）、将隔离带组件在河底成组间隔安装，形成的隔离带；

步骤3）、将隔离带沿河道长度方向间隔分布，相邻隔离带之间开敞区河底构建沉水植物带；通过水生植物群落、生物膜填料带及沉水植物带形成水生植物—微生物膜一体化系统。

所述步骤1）中的生物膜网箱为框架结构，框架结构与河道宽度相匹配；框架结构上端低于水面0.2m－0.8m，框架结构下端通过加固机构固定在河床底部且与河底保持间隔。

所述步骤1）中的生物膜填料带的安装包括以下步骤：

a）、在生物膜网箱上、下部框架上均间隔打孔，沿横向、纵向拉出钢丝线，最终形成钢丝网，钢丝网的网格大小为10－15cm。

b）、在上下部钢丝网的各个交点系上一根生物膜填料带，由此形成安装于河道底部的河道反应器主体结构。

所述步骤1）中在生物膜网箱顶端安装水生植物毯，具体包括以下步骤：

c）、生物膜网箱顶部周向间隔固定立柱；

d）、以网箱顶部立柱为主要支架，以透水性长丝无纺布为材料，缝合成网袋，并将网袋固定在网箱顶部的立柱上；

e）、以底泥和小石子为主要填料填充无纺布袋，并将水生植物群落种植于基质上；

所述步骤2）中隔离带组件以10－20个为一组形成隔离带横向安装在河道，相邻隔离带组件之间间距为25-35cm，相邻隔离带之间间距为10－20m。

步骤3）中沉水植物带的构建包括以下步骤：

f）、待网箱顶部水生植物形成后，水体透明度得以升高，当水深与水体透明度的比值小于2.5时，开始种植沉水植物带的植物；

g）、制备沉水植物毯，待沉水植物高度5－20cm高时，建植于隔离带间空隙位置。

一种复合型河道生物反应器系统，包括交替间隔分布在河道内的隔离带、沉水植物带，隔离带由多组隔离带组件组成，每个隔离带组件均包括固定在河道底部的生物膜网箱，生物膜网箱上部构建水生植物群落，生物膜网箱内部搭载生物膜填料带。

一种复合型河道生物反应器系统，特别适用于硬质化、宽度6m－12m、水深1.5－2.5m、流速<0.2m/s的城市小型河道。

本发明一种复合型河道生物反应器系统、构建方法及应用，具有以下技术效果：

1）、生物膜网箱顶部分布有水生植物群落（沉水或挺水植物），利用水生植物群落可提高水体透明度，为深水区沉水植物带的建植提供条件；从而可在深水区种植沉水植物。通过设置水生植物，水生植物除净化功能外，还发挥为微生物提供碳源，增加系统内功能微生物丰度与活性的效应，从而强化水生态系统净化功能；通过设置生物膜填料带，利用生物膜填料带较大的表面积，增加净化微生物丰度，进而提高河道水质净化功能，降低水生植物残体分解引发的二次污染风险。综上所述，将浅水层水生植物和生物膜网箱的一体化装置与河底沉水植物形成水生植物-微生物膜一体化系统，发挥水生植物供碳，微生物膜净化协同效应，强化净化效率，也由此可形成一个较好的良心循环，最终净化水质，改善水体。

2）、通过设置生物膜网箱，利用生物膜网箱增加水生植物种植高度，在超过1.5米的深水型河道中增加水生植物存活率，网箱顶部水生植物可提升水体透明度，为河底沉水植物的存活创造了条件。

3）、通过生物膜网箱上部可种植不同品种的水生植物，大大可增加观赏性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明在河道中的布置示意图。

图2为本发明中生物膜网箱主视图。

图3为本发明中生物膜网箱的结构示意图（图中部分生物膜填料带仅仅用线条表示）。

图中：生物膜网箱1，水生植物群落2，隔离带组件3，沉水植物带4，隔离带5，生物膜填料带6，加固机构7，钢丝线8，固定立柱9，网袋10，底泥11，小石子12。

具体实施方式

如图1-3所示，一种复合型河道生物反应器系统、构建方法及应用，应用于郑州市中原区贾鲁河2#溢流坝下游河段，针对河道水体bod/cod小于0.3的水体。

包括生物膜网箱1，生物膜网箱1内布置生物膜填料带6，生物膜填料带6为弹性填料或复合填料，生物膜网箱1顶部搭载有水生植物毯，水生植物毯上种植水生植物群落2，生物膜网箱1、水生植物群落2、生物膜填料带6等组成相对封闭的隔离带组件3，多个隔离带组件3间隔并列横向设置在河道内组成隔离带5，隔离带5与沉水植物带4交替分布形成河道生物反应器系统。

具体地，所述生物膜网箱1为由40型角钢焊接形成长方体框架结构，生物膜网箱1长度接近于河道宽度（即6m-12m），具体值可根据河道河床形态做适当调整。生物膜网箱的高度以1.0m-1.6m为宜，具体值可根据河道水深度而定，但尽可能保证网箱箱体顶端低于水面约0.2m-0.8m左右。网箱宽度为1m左右。每个生物膜网箱除了用三角形支架（加固机构7）固定在河底外，需进一步打桩固定。

为了方便对生物膜填料带6的安装，可在生物膜网箱上部和下部角钢上每隔10cm-15cm打一个直径约0.5cm圆形孔，沿角钢打孔位置纵向和横向间隔拉出钢丝线8约6-9根，形成网格大小为10cm-15cm的钢丝网，在每个网格四角处系上一根弹性填料带或组合填料带，形成安装于河道底部的河道反应器主体结构。

所述生物膜填料带6上的生物膜填料为弹性填料或组合填料，弹性填料规格以φ150加密丝或双倍加密丝填料为宜，组合填料规格以φ150或φ180型为宜。

所述的生物膜网箱底部安装0.5m-1.0m长的三角形支架（加固机构7），使生物膜网箱安装在河道时箱底部离底泥约20cm。

为了方便在生物膜网箱1上方构建水生植物群落2，在生物膜网箱1顶端设置水生植物毯。水生植物毯的构建具体包括以下步骤：

1）、首先在生物膜网箱顶部角钢每隔约30cm焊接一根长约15cm角钢（固定立柱9），以透水性长丝无纺布为材料，缝合成长*宽*高为1*1*0.1m³的长方体状网袋10，将网袋10固定在网箱顶部的固定立柱9上。

2）、然后以农用岩棉、结皮底泥和小石子为主要填料，填充上述网袋，并将水生植物种植于上述基质上即可。

优选地，水生植物群落采用预先培养方式最佳，即将岩棉块放置在浅水区、玻璃缸或地面（定期浇水）进行培养，待水生植物存活后（高度为5－20cm），将岩棉块连同水生植物移至生物膜网箱上部，再在岩棉上覆盖一层底泥和小石子。

这里的水生植物毯可为挺水植物形成的群落，如芦苇、香蒲、菖蒲，或为沉水植物形成的群落，如苦草、马来眼子菜、轮叶黑藻、菹草。考虑安全问题，水生植物毯为沉水植物为主，或采用沉水植物与挺水植物间种方式（挺水植物块呈s形）。

上述由生物膜网箱1、水生植物群落2、生物膜填料带6等组成的隔离带组件3以6－10个为一组，横向安装在河道内形成隔离带5，相邻隔离带组件3之间的间距为30cm左右，相邻隔离带5之间的间距为10-20m。

待网箱顶部水生植物群落形成后，水体透明度得以升高，当水深与水体透明度的比值小于2.5时，可在相邻隔离带5间隔区域开始种植沉水植物。

沉水植物种植方式以沉水植物毯方式为宜：预先制备沉水植物毯，待沉水植物高度5－20cm高时，建植于生物膜网箱的组间空隙位置。考虑河道水质的稳定性，沉水植物类型的选择标准为：冷季型沉水植物（如菹草）和暖季性沉水植物（如苦草、黑藻、眼子菜）以1：1间种为宜。

一种复合型河道生物反应器系统，适用于硬质化（两面或三面硬质化均适用）、宽度6m-12m、水深1.5m-2.5m、流速<0.2m/s的城市小型水质重污染型河道。在以污水处理厂尾水为主要水源的河道中效果非常显著。