一种用于河道水质净化及生态修复的智能生态丁坝系统

1.本发明涉及河道水体生态修复领域，具体涉及一种用于河道水质净化及生态修复的智能生态丁坝系统。


背景技术：

2.近年来，由于社会发展建设需要，河流受到的水资源与水环境压力日益增大，生活污水、工业污水和地表径流的注入，使得水中氮、磷营养元素积累，极易造成水体富营养化。河流水动力条件的单一和不足，也会造成水生态系统破坏、生物多样性降低、河流自净能力差、水质恶化等一系列连锁反应。因此，从河流水动力条件改善入手，探究河流生态修复、栖息地改善技术，是提高河流自净能力与纳污容量，强化河流对点源与非点源污染缓冲能力的有效手段。
3.丁坝是河道整治等工程中常见的水工建筑物，坝根与河岸相连，坝体伸入河中，因坝轴线与河岸构成“丁”字形而被叫做丁坝。在实际工程中，丁坝具有改变水流方向、保护河岸、防止河床冲刷、增强水流与地形多样性，改善河道的水动力条件等作用。构筑丁坝时所用的材料差异较大，一般使用混凝土、卵砾石、竹木、沥青等材料。基于传统的水动力改善丁坝技术，目前有人提出了以生物填料或其他净污材料为主要材料的生态丁坝。在河流中修建生态丁坝除了对河流的水动力条件具有改善效果外，生物填料对水流的阻挡作用能够增加河水与填料上附着生物膜的接触时间，并提高河流水体的复氧速率，有利于拦截降解河流中的污染物质，同时具有水质改善与生物栖息地改善的双重效益。但是，生态丁坝技术还有一些不足，填料的吸附容量有限，对污染物的去除仅能维持有限时间；填料一般在生态丁坝内部，更换填料过程复杂，耗费人力物力；推广使用受到了限制。


技术实现要素：

4.本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种用于河道水质净化及生态修复的智能生态丁坝系统，该生态丁坝系统对污染物去除长期有效，实现了自动化调控，减少了人力资源的耗费。
5.本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种用于河道水质净化及生态修复的智能生态丁坝系统，包括坝身，所述坝身的主体中部为竖向设置的填料层，在所述填料层中设有煤渣和绿沸石的混合体吸附层，在所述坝身的背水侧设有感应器和曝气泵，所述感应器上装有do检测仪和氨氮检测仪，所述do检测仪和所述氨氮检测仪与控制柜连接，所述控制柜根据所述do检测仪和所述氨氮检测仪的检测数据控制所述曝气泵的运行状态。
6.所述填料层沿水流方向依次设有无烟煤过滤层、所述煤渣和绿沸石的混合体吸附层和陶粒反硝化层，在所述陶粒反硝化层的两侧各设有一堵生态混凝土墙。
7.在所述填料层的两侧均设有砂和碎石混合的透水体。
8.在所述砂和碎石混合的透水体外侧设有大块卵石缓冲层，所述大块卵石缓冲层为
所述坝身的外层。
9.在所述坝身的底部设有鱼巢层。
10.在所述坝身的顶部设有生态毯，在所述生态毯内种植有挺水植物。
11.所述无烟煤过滤层、所述煤渣和绿沸石的混合体吸附层和所述陶粒反硝化层的体积比为1:2:1.5。
12.所述无烟煤过滤层中无烟煤的粒径为15
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20mm，所述煤渣和绿沸石的混合体吸附层中绿沸石和煤渣的粒径为8
‑
10mm，所述陶粒反硝化层中陶粒的粒径为5
‑
8mm，所述生态混凝土墙的厚度为4
‑
6cm。
13.所述砂和碎石混合透水体中砂子和碎石的平均粒径30
‑
50mm。
14.所述鱼巢层是由正方形生态混凝土鱼巢块体铺成的，所述正方形生态混凝土鱼巢块体的边长为15
‑
25cm，所述正方形生态混凝土鱼巢块体设有分别沿水流方向和垂直水流方向设置的圆孔形鱼巢，所述圆孔形鱼巢的孔径为12
‑
16cm。
15.本发明具有的优点和积极效果是：
16.1)生态毯上种植的鸢尾、香蒲、菖蒲、千屈菜等挺水植物对氮磷具有很好的拦截效果，有效拦截水中的氮磷，降低水中氮磷的浓度。
17.2)来自生态丁坝两侧的水体通过大块卵石缓冲层、砂和碎石混合的透水体均匀流入填料层，有效减缓了水体的流速，同时去除了水体中的悬浮物质，防止填料层堵塞。
18.3)相较于一般的混凝土，生态混凝土除了具备支撑作用外，还具有孔隙率大，透水性好，便于微生物挂膜，可以吸附氮磷等污染物，碱度低等优点，适合应用于水净化系统中。
19.4)无烟煤过滤层作为填充滤料，可以有效的去除水体中的较大的悬浮物质。
20.5)绿沸石和煤渣表层易于生物膜的形成与生长，可以作为生物的载体，生物膜表面的细菌与生态毯表面的挺水植物的协同作用用于截留水体中的氮磷。除此以外，绿沸石本身对氮磷具有很高的吸附效率，煤渣对于氮磷具有很好的拦截效果。
21.6)生态混凝土鱼巢块体，可以为鱼类生存提供适宜条件，建立良好的生态系统，同时具有良好的景观效果。
22.7)借助控制柜对河流中的溶氧量和氨氮进行实时监测，并控制曝气泵的功率进而控制曝气泵的曝气量，防止河道由于缺氧造成的黑臭现象，同时可以促进填料层的绿沸石再生，有利于生态丁坝系统长期有效的运行。
23.8)借助控制柜对河流的水质进行监测和控制，对河道中的污染物进行有效截留，节约了人力资源，提升了生产效率。
24.综上所述，本发明通过改善传统丁坝功能，使其同时具有改善水动力、改善水质、修复生态的功能。充分利用生物填料的吸附性强，过滤效果优良且易于微生物挂膜生长的诸多优点，强化河道的净化能力。通过种植挺水植物和构建鱼巢层，满足生态修复的需求，又能实现很好的观赏效果。同时利用智能感应系统，监测河道水质，并自动控制曝气装置，增加水体溶氧量，促进填料层再生，使整个生态丁坝系统长期有效的运行。
附图说明
25.图1为本发明的断面结构示意图；
26.图2为本发明的侧视图。
27.图中：1
‑
大块卵石缓冲层，2
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挺水植物，3
‑
生态毯，4
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生态混凝土鱼巢块体，5
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砂和碎石混合的透水体，6
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无烟煤过滤层，7
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煤渣和绿沸石的混合体吸附层，8
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生态混凝土墙，9
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陶粒反硝化层，10
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控制柜，11
‑
感应器，12
‑
曝气泵。
具体实施方式
28.为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
29.请参阅图1和图2，一种用于河道水质净化及生态修复的智能生态丁坝系统，包括坝身，所述坝身的主体中部为竖向设置的填料层，在所述填料层中设有煤渣和绿沸石的混合体吸附层7，在所述坝身的背水侧设有感应器11和曝气泵12，在所述感应器11上装有do检测仪和氨氮检测仪，所述do检测仪和所述氨氮检测仪与控制柜10连接，所述控制柜10根据所述do检测仪和所述氨氮检测仪的检测数据控制所述曝气泵的运行状态。上述控制柜10通常设置在控制室内。
30.在本实施例中，所述填料层沿水流方向依次设有无烟煤过滤层、所述煤渣和绿沸石的混合体吸附层和陶粒反硝化层，在所述陶粒反硝化层的两侧各设有一堵生态混凝土墙8。在所述填料层的两侧均设有砂和碎石混合的透水体5。在所述砂和碎石混合的透水体5外侧设有大块卵石缓冲层1，所述大块卵石缓冲层1为所述坝身的外层，邻水。上述大块卵石的粒径为10
‑
24cm。在所述坝身的底部设有鱼巢层。所述鱼巢层是由正方形生态混凝土鱼巢块体4铺成的，所述正方形生态混凝土鱼巢块体4的边长为15
‑
25cm，所述正方形生态混凝土鱼巢块体4设有分别沿水流方向和垂直水流方向设置的圆孔形鱼巢，所述圆孔形鱼巢的孔径为12
‑
16cm。在所述坝身的顶部设有生态毯3，在所述生态毯3内种植有挺水植物2。所述无烟煤过滤层6、所述煤渣和绿沸石的混合体吸附层7和所述陶粒反硝化层9的体积比为1:2:1.5。所述无烟煤过滤层6中无烟煤的粒径为15
‑
20mm，所述煤渣和绿沸石的混合体吸附层7中绿沸石和煤渣的粒径为8
‑
10mm，所述陶粒反硝化层9中陶粒的粒径为5
‑
8mm，所述生态混凝土墙8的厚度为4
‑
6cm。所述砂和碎石混合的透水体5中砂子和碎石的平均粒径30
‑
50mm。
31.本发明的工作原理和详细说明如下：
32.河道水流通过生态丁坝侧面的大块卵石缓冲层，主要目的是去除水中的较大的悬浮物质，防止内侧填料层堵塞，减小水流对丁坝的冲击；经过大块卵石缓冲层后，水流经砂和碎石混合的透水体，进一步保证填料层对污染物的去除效果，同时砂和碎石混合的透水体具有固定填料层的作用；填料层分为三层，由生态石笼进行装填，其中过滤层主要由无烟煤铺设而成，主要目的是为了去除水中的悬浮物质，有利于吸附层进一步净化水质；吸附层是由绿沸石和煤渣的混合体铺设而成，对水中的氮磷具有较强的吸附性能，另外河道中的天然菌种如硝化细菌、氨化细菌和聚磷菌等，在随水流流动的过程中附着在绿沸石表面形成生物膜，进一步降低水中氮磷的含量；反硝化层主要由小粒径陶粒构成，同时两侧增设生态混凝土墙，增加水力停留时间，上层的少部分陶粒在硝化细菌的作用下可以吸收水中的氮磷，下层的大部分陶粒内部则更容易形成厌氧环境，有利于反硝化细菌在其表面上附着生长，利用反硝化细菌将硝态氮转化为氮气，以达到除氮的目的。顶部生态毯上种植鸢尾、香蒲、菖蒲、千屈菜等挺水植物，挺水植物的种植密度为40株/m2，可以吸收富集在填料中的n、p等营养元素，其根系还可以固定丁坝，减少水流的冲刷，防止降雨径流对河道水质造成
污染，起到一定的护岸作用，同时提升景观效果。底部的鱼巢层由生态混凝土鱼巢块体构成，可以促进微生物在其表面挂膜，对水体有一定的净化效果，同时有利于沉水植物的生长，形成稳定的生态系统，达到生态修复的目的。
33.感应系统设置的主要目的是为了借助do检测仪和氨氮检测仪对河道的水质进行监测，并通过控制柜对于河道的不同的水质状况进行分析和控制，使河水水质调控工作智能化，有效的降低了人力要求，具体通过以下技术方案实现该目的：控制柜接收do检测仪和氨氮检测仪传来的信号，进行运算处理以后，将数值反映到控制柜的液晶显示屏上，实现对河道水质的监测。同时控制柜分析河道溶氧量大小和氨氮含量，根据设定的溶氧量和氨氮范围，自动调控曝气泵的运行方式，满功率运行、正常运行、关闭，进而控制曝气量。感应系统的设置提升了水中溶解氧的含量，同时有利于填料层中绿沸石的生物再生，使得填料层可以持续降解水中的氮磷，具有长期的使用效能。
34.感应系统控制柜上设有液晶显示屏，感应器11上装有do检测仪和氨氮检测仪，设置在生态丁坝的反硝化层之后，可以对水体中的溶解氧和氨氮进行实时监控和显示，同时控制曝气泵调节河道水质。
35.实施案例：
36.以某城市内一段小型缓流河道为例：(1)河水在经过斜面坡度为0.3～0.5的大块卵石缓冲层后，对水中的悬浮物质进行初步的截留，并且有效减缓了水体的流速，保证了生态丁坝系统的净化作用；(2)水流经大块卵石缓冲层后，渗入平均粒径为30
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50mm的砂和碎石的混合透水体，进一步截留悬浮物质，防止填料层阻塞，有利于填料层对水流进行吸附和吸收。(3)在种植密度为40株/m2的鸢尾、香蒲、菖蒲、千屈菜等挺水植物，生态混凝土与无烟煤、绿沸石和煤渣、陶粒混合填料层的协同作用下有效去除水体中n、p等富营养元素。其中生态混凝土鱼巢块体，长宽高均为20cm孔径为15cm，生态混凝土墙厚度为5cm。无烟煤的粒径为15
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20mm，绿沸石/煤渣的粒径为8
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10mm，陶粒的粒径为5
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8mm。生态混凝土内部孔隙以及绿沸石和煤渣、陶粒表面附着微生物。煤渣和绿沸石的混合吸附层主要效果是去除水体当中的磷并且将水中的氨氮转化为硝酸盐类物质用于植物生长，陶粒反硝化层主要是将硝酸盐转化为氮气从而去除水中的氮；(4)生态毯上种植的挺水植物可以去除水中氮磷，且具有一定的景观作用，生态混凝土鱼巢块体可以为鱼类提供良好的小栖息环境，有利于生态修复。(5)感应器设置在坝身的背水侧，do检测仪和氨氮检测仪将数据传输到控制柜中，进而对河道水流中的溶解氧和氨氮进行监测。根据监测数据，控制柜自动确定曝气泵的功率，进而对溶解氧和氨氮进行控制。当水体中的溶解氧平均值低于1.5mg/l，氨氮平均值高于1.5mg/l，曝气泵满功率运行；当水体中溶解氧平均值1.5
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2.5mg/l，氨氮平均值0.15
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1.5mg/l，曝气泵正常运行；当溶解氧含量高于2.5mg/l，氨氮平均值低于0.15mg/l曝气泵关闭。
37.本发明可以有效拦截并降解河流中的污染物质，除了对河流的水动力条件具有改善效果外，还具有水质改善与生态修复的双重效益。既实现了生态丁坝对污染物去除长期有效的功能，又充分实现了自动化调控，减少人力资源的耗费，修复并建立稳定的生态系统。可以通过智能控制减少人力资源，同时各个填料层之间进行充分的吸附反应和生物反应，有效去除河道水体中的氮磷。该智能生态丁坝系统不仅在水质净化等方面取得显著效果，而且在观赏方面和生态修复方面取得重大进步。
38.尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。