CN103819006A - 一种净化污染河道的生物绳强化植物修复系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种净化污染河道的生物绳强化植物修复系统，它涉及水体的污染控制方法。本发明采用生物绳对植物修复技术进行强化，组成“植物-微生物”强化净化修复系统，系统上部为挺水植物床，下部为生物绳固定床，挺水植物床和生物绳固定床使用框架相连后固定于河道中。挺水植物床种植美人蕉、鸢尾、菖蒲、旱伞草等，采用真空塑料水面浮床固定于框架上；生物绳固定床采用高性能接触过滤材料-生物绳，将生物绳上下两端固定在框架上，生物绳固定床底部设2-4cm的吸附层，吸附层从上至下为纳米碳微球层、纳米碳管层、吸附网。本发明可以解决流域河网地区河道水体的污染问题，有效去除污水中有机物、氮、磷等污染物质。

Description

一种净化污染河道的生物绳强化植物修复系统

技术领域

本发明涉及水体的污染控制方法，具体的说是一种净化污染河道的生物绳强化植物修复系统。

背景技术

随着人口的增长和经济的快速发展，越来越多的污染物被排入河流，已远超过河流的自净能力。我国河流污染严重，2012年全国十大流域的国控断面中，IV～V类和劣V类水质断面比例分别为20.9％和10.2％，水体已丧失使用价值(即水质为IV、V、劣V类)的断面比例占31.1％。尤其是城市河流，由于受城市发展的影响较大，其水污染从污染类型到污染强度都发生了重大变化，一方面制约城市的社会、经济与环境可持续发展，另一方面，危害人们身体健康。因此，城市污染水体的治理刻不容缓。鉴于城市河道的自身特点，近些年来，对污染河道治理与修复的方法进行了大量的研究和尝试。河道水体修复方法主要包括物理法、化学法与生态修复法，其中，生态修复技术由于具有安全、经济、实用、系统等诸多优点而成为河流污染治理的主要技术手段。

生态修复的概念自20世纪70年代被提出以来，由于其应用广、成本低、环境美学价值高、环境扰动小、治理污染同时也有利于改善生态环境等特点在美国、西欧等一些发达国家引起广泛重视，国际上曾多次召开专题讨论会进行了一些相关性研究。20世纪90年代以来，亚洲的中国、日本、韩国等国家对生态修复的研究也尤为重视，并且实施了一系列的生态修复工程，使河流湖泊的水质得到一定的改善，保证了饮用水的质量，并相继开展了一系列生态工程的实验研究，也取得了大量的研究成果。

植物修复系统为污染水体污染物的去除提供了一种投资少、效率高、管理方便的方法。现有研究表明，美人蕉、鸢尾、菖蒲、旱伞草、香根草、水芹菜等在污染河道中生长良好并具有很好的水质净化效果和广泛的应用前景。同时，植物修复系统中的微生物与其净化功能之间存在显著关系，数量越多则去除率越高，其中污水中BOD₅的去除率与细菌总数显著相关，氨氮的去除率与硝化细菌和反硝化细菌的数量密切相关。

生态-生物污水处理技术，是利用培育的植物或培养、接种的微生物的生命活动，对水中污染物进行转移、转化及降解作用，从而使水体得到净化的技术，具有处理效果好、工程造价相对较低、不需耗能或低耗能、运行成本低廉等优点。另外，这种处理技术不向水体投放药剂，不会形成二次污染。还可以与绿化环境及景观改善相结合，在治理区建设休闲和体育设施，创造人与自然相融合的优美环境。

(1)生物膜法是指用天然材料(如卵石)、合成材料(如纤维)为载体，在其表面形成一种特殊的生物膜，生物膜表面积大，可为微生物提供较大的附着表面，有利于加强对污染物的降解作用。生物膜法主要工艺方法有生物廊道、生物滤池、生物接触氧化池等。生物膜法具有较高的处理效率，对于受有机物及氨氮轻度污染水体有明显的效果。它的有机负荷较高，接触停留时间短，减少占地面积，节省投资。此外，运行管理时没有污泥膨胀和污泥回流问题，且耐冲击负荷。

(2)人工湿地的原理是利用自然生态系统中物理、化学和生物的三重共同作用来实现对污水的净化。这种湿地系统是在一定长宽比及底面有坡度的洼地中，由土壤和填料(如卵石等)混合组成填料床，污染水可以在床体的填料缝隙中曲折地流动，或在床体表面流动。在床体的表面种植具有处理性能好、成活率高的水生植物(如芦苇等)，形成一个独特的动植物生态环境，对污染水进行处理。

人工湿地的显著特点之一是其对有机污染物有较强的降解能力。废水中的不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用，可以很快地被截留进而被微生物利用；废水中可溶性有机物则可通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程而被分解去除。这种技术已经成为提高大型水体水质的有效方法。

(3)土地处理技术是一种古老、但行之有效的水处理技术。它是以土地为处理设施，利用土壤-植物系统的吸附、过滤及净化作用和自我调控功能，达到某种程度对水的净化的目的。土地处理系统可分为快速渗滤、慢速渗滤、地表漫流、湿地处理等几种形式。国外的实践经验表明，土地处理系统对于有机化合物尤其是有机氯和氨氮等有较好的去除效果。

综上所述，现有的水体植物修复技术，主要是通过植物对污染物的吸收、吸附、截滤作用去除水体中的氮磷，系统中氨化细菌、硝化细菌、反硝化细菌的含量较低，硝化反硝化作用较弱，对污水中的有机物、氮、磷等去除效果较低，尤其是动态水流条件下氮磷很难去除。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明的目的是提供一种净化污染河道的生物绳强化植物修复系统，采用生物绳对植物修复技术进行强化，组成“植物-微生物”强化净化修复系统，该系统可以解决流域河网地区河道水体的污染问题，有效去除污水中有机物、氮、磷等污染物质。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

(1)一种净化污染河道的生物绳强化植物修复系统，系统上部为挺水植物床，下部为生物绳固定床，挺水植物床和生物绳固定床使用框架相连后固定于河道中。

(2)挺水植物床种植美人蕉、鸢尾、菖蒲、旱伞草等，主要利用吸收、吸附作用以及微生物降解作用，使部分悬浮物质沉降下来，同时去除河道水体中的氮磷，以及其他有机污染物；选取挺水植物植株高度范围在20-30cm，设置横纵间隔均为20cm，采用真空塑料水面浮床固定于竹制或钢管框架上。

(3)生物绳固定床采用新型高性能接触过滤材料-生物绳，该种生物绳呈绳索状，将生物绳上下两端固定在框架(竹制或钢管)上，框架高度为1m，设置生物绳横纵间隔均为20cm，因此，1立方米的框架生物绳的安装量为25m，生物绳设置好后，固定于挺水植物床下方；污水与生物绳接触使微生物附着在生物绳上形成生物膜，在生物绳表面附着的微生物使污水中的有机物、氮、磷被氧化分解而达到水质净化。

上述生物绳由亲水性强的新型接触氧化材料聚丙烯纤维、结构稳定的维尼纶和尼龙，以及弹性恢复效果好的聚偏二氯乙烯等材料加工制作而成，其外层附着好氧微生物，内层附着厌氧微生物；生物绳上能够附着大量的氨化细菌、硝化细菌、反硝化细菌等微生物形成生物膜，使污水中的有机物、氮、磷通过氧化分解、硝化反硝化作用去除，大大提高了水体的净化效果。

(4)生物绳固定床底部设有2-4cm的吸附层，通过吸附水中的悬浮物、有机物、氮、磷等污染物质，进一步提高系统的净化效率。所述吸附层从上至下为纳米碳微球层、纳米碳管层、吸附网；纳米碳微球层与纳米碳管层的填加比例为体积比1∶2；吸附网为钛金属制成。

所述纳米碳管的制备方法为：1)称量原料：活性炭；2)将所称取的活性炭放入60-70℃的真空烘箱中干燥10～30小时后放入气氛保护管式真空炉中，然后通入氮气或氩气，氮气或氩气流量为500～600sccm，以20～25℃/分钟的速度升温至500～600℃，再通入流量为350～650sccm的甲烷气体，保持压力在1.5～2.0Mpa；同时关掉氮气或氩气，在600～1000℃温度下恒温90～120min生长纳米碳管和碳纤维，其至少含有18个碳原子，所述纳米碳管和碳纤维的长度和直径为10～20nm，比表面积为100-500m².g^-1；然后关掉电源使系统在N²气氛中使反应系统缓慢冷却即得所述纳米碳管。

本发明的有益效果：在动态水流条件下对该系统进行试验，结果表明该发明对COD、SS、NH₃-N、TN、TP去除率分别可达70.2％，80.9％，75.9％，76.7％，82.8％。通过生物绳强化植物修复系统的运用，极大削减了COD、SS、NH₃-N、TN、TP含量，有效改善污染河道水质，为下游水体减小了污染负荷压力。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明的生物绳强化植物修复系统示意图，其中1代表挺水植物床，2代表生物绳固定床，3代表生物绳，4代表框架，5代表吸附层。

图2为本发明的河道空间布局图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

以苏南某河道为例，选取长度20米的范围进行了试验研究。在河道两岸布置生物绳强化植物修复系统(图1)，系统上部为挺水植物床1，下部为生物绳固定床2，利用“植物-微生物”强化净化去除氮磷等污染物。河道具体实施空间布局见图2。

(1)挺水植物床1：种植美人蕉，植株高度范围在20-30cm，设置横纵间隔均为20cm，采用真空塑料水面浮床固定于竹制框架上，在长2m、宽1m的框架上种植美人蕉50株。

(2)生物绳固定床2：将生物绳3上下两端固定在竹制框架4上，设置横纵间隔均为20cm，每个在长2m、宽1m、高1m的框架安装生物绳3量为50m，生物绳设置好后，固定于挺水植物床下方。

(3)生物绳强化植物修复系统固定好后置于河道内。每个生物绳强化植物修复系统长2m，宽1m，在河道两岸间隔2m放置，20m范围内共布置10个生物绳强化植物修复系统，总计种植美人蕉500株，安装生物绳量为500m。

(4)生物绳固定床底部设3cm的吸附层，所述吸附层从上至下为纳米碳微球层、纳米碳管层、吸附网；纳米碳微球层与纳米碳管层的填加比例为体积比1∶2；吸附网为钛金属制成。

所述纳米碳管的制备方法为：称量原料活性炭，将所称取的活性炭放入60-70℃的真空烘箱中干燥10～30小时后放入气氛保护管式真空炉中，然后通入氮气或氩气，氮气或氩气流量为500～600sccm，以20～25℃/分钟的速度升温至500～600℃，再通入流量为350～650sccm的甲烷气体，保持压力在1.5～2.0Mpa；同时关掉氮气或氩气，在600～1000℃温度下恒温90～120min生长纳米碳管和碳纤维，其至少含有18个碳原子，所述纳米碳管和碳纤维的长度和直径为10～20nm，比表面积为100-500m².g^-1；然后关掉电源使系统在N²气氛中使反应系统缓慢冷却即得所述纳米碳管。

通过河道试验，结果表明该发明对COD、SS、NH₃-N、TN、TP去除率分别可达70.2％，80.9％，75.9％，76.7％，82.8％。下游出水中COD、SS、NH₃-N、TN、TP等污染物浓度显著下降(见表1)，水质明显改善。

表1工程实施后系统进出水水质监测数据(mg/L)

以上所述，仅是本发明的实施案例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种净化污染河道的生物绳强化植物修复系统，其特征在于包括水上、水下两部分：上部为挺水植物床，下部为生物绳固定床，挺水植物床和生物绳固定床使用框架相连后固定于河道中，组成“植物-微生物”强化净化修复系统。上部挺水植物床种植美人蕉、鸢尾、菖蒲、旱伞草，采用真空塑料水面浮床固定于竹制或钢管框架上；下部生物绳固定床采用高性能接触过滤材料-生物绳，将生物绳上下两端固定在框架上，生物绳固定床底部设2-4cm的吸附层，吸附层从上至下为纳米碳微球层、纳米碳管层、吸附网。

2.根据权利要求1所述的一种净化污染河道的生物绳强化植物修复系统，其特征在于生物绳强化植物修复系统上部种植挺水植物，选择水质净化效果较好的美人蕉、菖蒲、旱伞草、鸢尾等，系统下部生物绳固定床能为上部挺水植物根系提供氧化分解、硝化反硝化作用所需的微生物。

3.根据权利要求1所述的一种净化污染河道的生物绳强化植物修复系统，其特征在于下部生物绳固定床采用高性能接触过滤材料-生物绳，生物绳由亲水性强的新型接触氧化材料聚丙烯纤维、结构稳定的维尼纶和尼龙，以及弹性恢复效果好的聚偏二氯乙烯材料加工制作而成，其外层附着好氧微生物，内层附着厌氧微生物。

4.根据权利要求1所述的一种净化污染河道的生物绳强化植物修复系统，其特征在于所述生物绳固定床底部设有2-4cm的吸附层，所述吸附层从上至下为纳米碳微球层、纳米碳管层、吸附网；纳米碳微球层与纳米碳管层的填加比例为体积比1∶2。

5.根据权利要求4所述的一种净化污染河道的生物绳强化植物修复系统，其特征在于所述吸附网为钛金属制成。

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