一种地表径流生态净化装置及方法与流程

本发明属于环保技术领域，具体涉及一种地表径流生态净化装置及方法。

背景技术：

当前，随着国内城镇化的快速推进，大众对居住环境提出了更高要求，这使得消除黑臭水体、开展地表水生态修复成为近年来水体污染治理的核心任务。依据“治水先治陆”的普遍共识，控源截污已成为水环境质量提升的首要任务。对于各类城镇居民和工业企业排污口等典型点源，一般采取完善污水收集管网、新建集中式污水处理厂（站）或分散型污水处理装置等措施，成效即可显现。相比之下，初期降雨也会导致在城区街道、工业厂区和农业用地形成高污染的地表径流，对其开展截污净化就要困难得多。常见的做法是从汇水源头（如农田、街道等）到水体沿岸依次建设消能沟、生态种植带和生态岸带等设施，分别用于沉降泥沙、降解有机质和去除氮磷营养盐等。对于生态空间不充裕的区域，尤其是普遍采用垂直硬化驳岸的老城区河道或小型湖泊（池塘）而言，上述方法很难获得采用。这导致该地区面源污染的入河（湖）强度往往较高。

为解决上述问题，需要在局促的空间内集成污染径流收集、悬浮物去除和溶解性物质降解等功能，并充分适应降雨的不规律性，实现初期雨水截留净化、持续降雨顺畅入河（湖）、不使用运动机械（降低旱季维修要求）、运行能耗低、易于形成生态景观等目标。这在现有的技术条件下是无法实现的。因此，如何创新地表径流净化装置设计及其使用方法，充分发挥生态工程绿色高效的优势，已成为有效防控水体周边面源污染的关键点。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种地表径流生态净化装置及方法，其能够满足在有限空间内实现截留净化，净化效率高、处理能耗低，无需使用旋转运动机械，日常维护方便。

为解决以上技术问题，本发明采取如下技术方案：

本发明一方面提供一种地表径流生态净化装置，所述的地表径流生态净化装置包括一个或多个截留净化模块，每个所述的截留净化模块包括径流截留沟模块、与所述的径流截留沟模块的末端相连通的旋流分离模块、与所述的旋流分离模块相连通的出水渠模块、与所述的出水渠模块相连通的一个或多个生物膜净化模块。

本发明中，地表径流生态净化装置截留的对象不仅限于初期雨水，还包括灌溉溢流产生的外排水等。

本发明中，截留净化模块的个数根据驳岸的长度以及净化模块的处理能力进行设置，当有多个时，可以多个净化模块并排设置，且一个旋流分离模块与相邻的另一个净化模块的径流截留沟模块的起始端不连通。

本发明中，每个截留净化模块的最小拦截能力以当地年平均降雨量计算前10~20min的初期雨水量。

优选地，水体驳岸位于所述的径流截留沟模块的一侧，所述的出水渠模块和所述的生物膜净化模块并排设置且位于所述的径流截留沟模块的另一侧，从而可以尽可以的减小地表径流生态净化装置的占地面积。

优选地，所述的径流截留沟模块的内侧壁紧贴所述的水体驳岸的侧壁，且所述的径流截留沟模块的内侧壁的顶端与所述的水体驳岸的高度平齐，从而能够确保地表径流流入径流截留沟模块内；所述的径流截留沟模块的外侧壁与所述的出水渠模块的内侧壁以及所述的生物膜净化模块的内侧壁共用，且所述的径流截留沟模块的外侧壁高于水体驳岸，从而能够避免水体倒灌入所述的径流截留沟模块，并且，当地表径流量超出所述的径流截留沟模块排水能力时，径流可以从径流截留沟模块的外侧壁（溢流堰）顶端排入水体。

进一步优选地，所述的径流截留沟模块的外侧壁高出所述的径流截留沟模块的内侧壁0.1~0.3m。

优选地，所述的径流截留沟模块包括具有内侧壁和外侧壁的截留沟、铺设在所述的截留沟的底面的土层、铺设在所述的土层上的蜂窝孔板、种植在所述的土层上的草型植物，所述的截留沟的末端以切线方向与所述的旋流分离模块相连接。通过在土层上铺设蜂窝孔板和种植草型植物，可以减缓水流对土层的冲刷。

本发明中，所述的草型植物如菖蒲、千屈菜、花叶芦竹等。

进一步优选地，所述的截留沟的底面自起始端向末端的坡度为0.0003~0.001，从而便于截留沟内的水流流向旋流分离模块。

优选地，所述的旋流分离模块包括位于上部的呈空心圆柱体的第一部、上端部与所述的第一部的下端部相连接且呈倒置圆台状的第二部、上端部与所述的第二部的下端部相连接且呈倒置圆台状的第三部、与所述的第三部相连接的管道、与所述的管道相连接的排砂泵；所述的第一部的高径比为0.3~0.6:1，所述的第一部的顶部高于水体的高水位；所述的第二部的高度为所述的第一部高度的0.2~0.3倍，所述的第二部的侧壁与上底面的夹角为30~35°；所述的第三部的高度为所述的第一部高度的0.8~1倍，所述的第三部的侧壁与上底面的夹角为60~70°。

进一步优选地，所述的第一部的顶部与水体驳岸平齐。

进一步优选地，所述的管道位于所述的旋流分离模块的中心且竖直设置，所述的管道的管径不小于200mm，当所述的第三部的砂等沉积物较多时，可以通过管道和排砂泵将砂等沉积物排出。

进一步优选地，所述的出水渠模块包括分别与所述的旋流分离模块和所述的生物膜净化模块相连通的出水渠、设置在所述的出水渠上的闸门；所述的出水渠的宽度为所述的径流截留沟模块的截留沟的宽度的2~4倍，所述的出水渠的开口高度为所述的第一部高度的50~70%且所述的出水渠的顶部与所述的第一部的顶部平齐，所述的出水渠的中轴线与所述的第一部的轴心线相交。在洪水期（高水位），设置的闸门能保证驳岸的防洪功能，防止水流倒灌，使得该装置的日常维护较为简单。

优选地，当所述的生物膜净化模块有多个时，多个所述的生物膜净化模块依次串联设置。

优选地，所述的生物膜净化模块包括降流井、通过下部与所述的降流井相连通的升流井、装填在所述的降流井和所述的升流井内的生物填料、种植在所述的填料顶部的挺水植物、设置在所述的降流井和所述的升流井之间且顶部与水体的高水位平齐的排水堰、设置在所述的降流井的上部的出水堰；所述的降流井和所述的升流井的宽度不小于所述的出水渠模块的出水渠的宽度，所述的降流井内生物填料的填充率为60~100%，填充厚度不小于1.2m，所述的降流井内生物填料的顶部与水体常水位平齐；所述的升流井内生物填料的填充率为60~100%，填充厚度不小于1m，所述的升流井内生物填料的顶部高于水体低水位，所述的出水堰的堰顶低于所述的水体低水位。

本发明针对初期雨水中溶解性污染物，通过降流井和升流井实现上下折流，使其与生物填料表面的生物膜以及挺水植物的根系充分接触并得到净化。依据水体水位，对出水堰高度进行优化设计，使得在非降雨期，天然水能够进入降流井和升流井并带入营养物质，用于维持生物膜系统的活性，使得该装置的日常维护较为简单。

本发明在生物膜净化模块中种植了挺水植物，这不仅能有效增强污染物降解效能，还有助于提升水体驳岸的生态化，通过营造生态景观，充分发挥生态保护和环境美化的双重功能。

进一步优选地，所述的生物填料包括框架、填充在所述的框架内且填充率为60~80%的沸石和/或火山岩、以及生物膜，所述的生物膜的厚度为0.5~10mm，所述的生物膜的细菌群落结构为假单胞杆菌占细菌总数的30~50%，其他为与所述的生物膜形成相关的共生菌。

本发明中，所述的挺水植物如芦苇、水葱、美人蕉、再力花、慈姑等。

本发明另一方面提供一种地表径流生态净化方法，采用所述的地表径流生态净化装置对地表径流进行净化，

当所述的径流截留沟模块内的流速不大于2m/s时，所述的地表径流在所述的旋流分离模块的总水力停留时间不小于30s，所述的地表径流在所述的生物膜净化模块中的总水力停留时间不小于50s；

当水体水位处于高水位以下时，所述的出水渠模块的闸门开启；当水体水位处于高水位及以上时，所述的出水渠模块的闸门关闭。

本发明中的低水位、常水位和高水位通过统计该地区历年的水位得出。

由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明充分利用水体沿岸有限空间，利用垂直径流方向的径流截留沟模块，实现小水量可以由径流截留沟模块截留并经净化模块净化处理后排入水体，大水量时可以溢过径流截留沟模块直接排入水体，避免了降雨“前期污染截不住、后期量大排不掉”的问题，并具备模块化组合功能，特别适合用于垂直、硬化水体驳岸周边的面源污染削减；

本发明通过径流截留沟模块和旋流分离模块相结合，可利用密度差异有效去除各类悬浮物，并强化大气复氧能力，有利于提升生物膜净化模块降解效果，防止生物膜净化模块堵塞。更重要的是，该过程完全依靠径流自身水动力即可完成，无需安装任何机械，运行能耗低。

附图说明

图1是具体实施方式的截留净化模块的俯视图；

图2是具体实施方式的径流截留沟模块的俯视图；

图3是具体实施方式的径流截留沟模块的剖视图；

图4是具体实施方式的截留净化模块的侧视图；

图5是实施例1的截留净化模块的旋流分离模块、出水渠模块和生物膜净化模块的剖视图；

图6是实施例2的截留净化模块的旋流分离模块、出水渠模块和生物膜净化模块的剖视图；

其中，1、径流截留沟模块；2、旋流分离模块；3、出水渠模块；4、生物膜净化模块；11、截留沟；12、土层；13、蜂窝孔板；14、草型植物；15、溢流堰；21、第一部；22、第二部；23、第三部；24、管道；31、出水渠；32、闸门；41、降流井；42、升流井；43、生物填料；44、挺水植物；45、排水堰；46、出水堰。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明，但本发明并不限于以下实施例。实施例中未注明具体的实验方法时，遵照国家标准方法和条件进行。

实施例1

本实施例采用的净化装置的具体参数设置如下：

中国长三角某浅水湖泊一段垂直硬化驳岸，沿岸分布有多个居民区和商业区，路面为水泥地面，可用于生态化改造的空间非常有限。针对初期降雨形成的地表径流，沿岸设置3组截留净化模块。雨水产汇流距离以5km计，当地年降雨量约1100mm，初期雨水中codcr、氨氮和悬浮物浓度分别为90~210mg/l、1~5mg/l和400~600mg/l。

每个截留净化模块包括：1个径流截留沟模块1、1个旋流分离模块2、1个出水渠模块3、1个生物膜净化模块4。

旋流分离模块2与径流截留沟模块1的末端连通且水流以切线方向进入旋流分离模块2，出水渠模块3与旋流分离模块2相连通，生物膜净化模块4与出水渠模块3相连通，且生物膜净化模块4与出水渠模块3并排设置在径流截留沟模块1的一侧。

径流截留沟模块1包括具有内侧壁和外侧壁的截留沟11、铺设在截留沟11的底面的土层12、铺设在土层12上的蜂窝孔板13、种植在土层12上的草型植物14。

截留沟11的长度约500m，内侧壁面紧贴驳岸的垂直面且顶部与驳岸平齐，底面距离驳岸顶端约0.5m，坡度取0.0005，宽度0.4m，外侧壁与出水渠模块3的内侧壁以及生物膜净化模块4的内侧壁共用，外侧壁（溢流堰15）高出驳岸约0.2m。土层12厚度约0.1m，蜂窝孔板13厚度约5cm，材质为pvc，种植千屈菜，密度15~20株/m²。

旋流分离模块2包括位于上部的呈空心圆柱体的第一部21、上端部与第一部21的下端部相连接且呈倒置圆台状的第二部22、上端部与第二部22的下端部相连接且呈倒置圆台状的第三部23、与第三部23相连接的管道24、与管道24相连接的排砂泵。其中，第一部21、第二部22和第三部23构成旋流分离体。

第一部21的顶部与驳岸平齐，截面直径为2.4m，高度取1m。第二部22的高度约0.3m，底边夹角α为30°。第三部23的高度为1m，底边夹角β为70°。管道24竖直设置在旋流分离体的中心位置，管径200mm。

出水渠模块3包括分别与旋流分离模块2的第一部21和生物膜净化模块4相连通的出水渠31、设置在出水渠31上的电动闸门32。

出水渠31宽度为1.5m，开口高度为0.7m，长度约1.2m，出水渠31的顶部与第一部21的顶部平齐，且出水渠31的中轴线与旋流分离体的轴心线相交。

生物膜净化模块4包括与出水渠31相连通的1个降流井41、通过下部与降流井41相连通的1个升流井42、装填在降流井41和升流井42内的生物填料43、种植在填料顶部的挺水植物44、设置在降流井41和升流井42之间且顶部与水体的高水位平齐的排水堰45、设置在降流井41的上部的出水堰46。

其中，降流井41和升流井42是通过隔板隔开，隔板底部设置有孔道形成降流井41和升流井42的连通，孔道宽1.5m，高0.5m；隔板的顶部形成排水堰45，排水堰45的堰顶低于驳岸0.1m；降流井41和升流井42的顶部敞开，横截面为正方形，边长1.5m。

降流井41内部填充的高透水生物填料43的填充率约100%，填充厚度为2.0m，填料顶部与河道常水位平齐。升流井42内部填充的高透水生物填料43的填充率约80%，填充厚度1.6m；升流井42出水堰46的堰顶比河道低水位低0.08m；降流井41和升流井42中填料上方依次种植香蒲（密度20~25株/m²）、再力花（密度15芽/m²）。

高透水生物填料43包括pvc球状框架、填充在框架内且填充率为70%的小块沸石、以及生物膜，生物膜的厚度为0.5~4mm，生物膜的细菌群落结构为假单胞杆菌（proteobacteria）占细菌总数的34%，其他为与所述的生物膜形成相关的共生菌（如chloroflexi,actinobacteria和bacteroidetes等）。

控制方法：截留沟11最小拦截能力为前20min的初期雨水，持续降雨由溢流堰15或排水堰45（闸门32开启）排入水体；初期雨水汇入截留沟11，沟内最大水深0.3m，流速控制小于0.8m/s，千屈菜拦截塑料袋、树叶等垃圾；雨水沿切线进入旋流分离体，总水力停留时间约50s，砂粒沉入旋流分离体的第三部23，定期经管道24用泵排出；分离出水经出水渠31进入生物膜净化模块4，先经过降流井41向下运动，再由升流井42向上运动，期间与生物填料43上的生物膜、香蒲和再力花根系充分接触，总接触时间约60s，有效削减有机物和营养盐，最后经出水堰46排入水体。当湖泊水位处于高水位以下时，闸门32开启；降雨初期，径流经净化模块排放；持续降雨后，径流由溢流堰15或排水堰45直接排入湖中。不降雨时，湖水浸没部分生物填料43，维持生物膜生长；当水体水位处于高水位时，闸门32关闭，防止湖水倒灌。

实施例1结果表明，装置对初期雨水中codcr、氨氮和悬浮物的去除率可分别达到53~70%、32~58%和95%以上。

实施例2

本实施例采用的生态净化装置的结构基本上和实施例1相同，不同之处如下：

本实施例用于中国南方平原地区某河道一段垂直硬化驳岸，沿岸分布有多个工厂企业、居民区和水泥空地，可用于生态化改造的空间非常有限。针对初期降雨形成的地表径流，沿岸设置2组截留净化模块。雨水产汇流距离以2.5km计，当地年降雨量约1700mm，初期雨水中codcr、氨氮和悬浮物浓度分别为130~240mg/l、2~6mg/l和500~700mg/l。

截留沟11的长度约800m，底面距离驳岸顶端约0.6m，宽度0.5m；土壤层厚度约0.15m，pvc蜂窝孔板13厚度约5cm，种植菖蒲，密度30~40株/m²。

旋流分离模块2的第一部21的截面直径为2.6m；第三部23的底边夹角60°。

出水渠31的开口高度为0.6m，长度约1.5m。

生物膜净化模块4有2个且串联设置。

第1个生物膜净化模块4的降流井41内部填充的高透水生物填料43的填充率约90%，填充厚度2.0m，升流井42内部填充的高透水生物填料43的填充率约68%，填充厚度1.5m。

第2个生物膜净化模块4降流井41内部填充的高透水生物填料43的填充率约68%，填充厚度1.5m，升流井42内部填充的高透水生物填料43的填充率约68%，填充厚度1.5m。

2个升流井42出水堰46堰顶比河道低水位低0.1m；降流井41和升流井42中交替种植再力花（密度15芽/m²）和芦苇（密度20芽/m²）。

小块沸石在pvc球状框架内的填充率75%，生物膜厚度优选为1~5mm，细菌群落结构优选为假单胞杆菌（proteobacteria）占细菌总数的46%。

控制方法：拦截沟最小拦截能力为前20min的初期雨水，持续降雨由溢流堰15或排水堰45（闸门32开启）排入河中；初期雨水汇入截留沟11，沟内最大水深0.3m，流速控制小于0.7m/s，菖蒲拦截塑料袋、树叶等垃圾；雨水沿切线进入旋流分离体，总水力停留时间约60s，砂粒沉入旋流分离体的第三部23，定期经管道24用泵排出；分离出水经出水渠31依次经过2个生物膜净化模块4，先经过降流井41向下运动，再由升流井42向上运动，期间与填料上生物膜、再力花和芦苇根系充分接触，总接触时间大于90s，有效削减有机物和营养盐，最后经出水堰46排入水体。当河道水位处于高水位以下时，闸门32开启；降雨初期，径流经净化处理排放；持续降雨后，径流由溢流堰15或排水堰45直接排入河道。不降雨时，河水浸没部分生物填料43，维持生物膜生长；当水体水位处于高水位时，闸门32关闭，防止河水倒灌。

实施例2结果表明，装置对初期雨水中codcr、氨氮和悬浮物的去除率可分别达到65~79%、44~67%和95%以上。

以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。