專利名稱：一種河流面源污染的旁置生物凈化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本方法提供了一種將河道旁現(xiàn)有的水庫或水塘改造成旁置生物凈化系統(tǒng)的方法，通過改造后凈化系統(tǒng)的沉砂作用與植物凈化作用而達(dá)到去除河流懸浮物、氮、磷等面源污染的目的，本方法屬水污染控制與生態(tài)修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，隨著人類活動的增加，許多河流上游植被破壞嚴(yán)重，造成水土流失，河流兩岸村落污染、農(nóng)田面源污染大量排放，給河流帶來嚴(yán)重的面源污染。河流是湖泊水體懸浮物、營養(yǎng)鹽氮與磷的直接輸入者，河流面源污染的增加，一方面使河流難以滿足水環(huán)境功能的需求，另一方面增加了河流輸入湖泊的污染負(fù)荷量。對河流面源污染進行治理、在河流入湖前削減其污染負(fù)荷成為湖泊富營養(yǎng)化控制的重要內(nèi)容之一。
我國已在河流面源污染治理方面開展了一定的研究。南京環(huán)境科學(xué)研究所的張永春等于2004年公開了“平原河網(wǎng)地區(qū)面源污染強化凈化前置庫系統(tǒng)”，該系統(tǒng)通過設(shè)立調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、沉降子系統(tǒng)、生態(tài)透水壩、前置庫庫區(qū)這4個部分，對平原河網(wǎng)地區(qū)面源進行強化凈化。南京大學(xué)的安樹青等于2003年公開了“溝渠河流坡岸構(gòu)造濕地廢污水處理方法”，通過仿建自然生態(tài)系統(tǒng)，設(shè)計了溝渠河流坡岸構(gòu)造濕地廢污水處理系統(tǒng)，具處理污水、綠化護坡、美化景觀等特點。而因地制宜地利用河道旁現(xiàn)有的水塘或水庫，將其改造成具沉砂作用與植物凈化作用的面源凈化系統(tǒng)，在我國尚無報道與應(yīng)用的先例。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于河流暴雨徑流污染物輸出特征，即初期徑流和前期徑流攜帶大量的泥沙和N、P污染物，因地制宜地利用河道旁現(xiàn)在的水庫或水塘，將其改造成旁置式生物凈化系統(tǒng)，將攜帶污染物負(fù)荷量高的初場暴雨徑流和前期暴雨徑流截入凈化系統(tǒng)中進行凈化，凈化后的水重新回到河道，最大可能地去除泥沙、氮、磷等污染物量，同時又不影響河道的行洪。具體包括如下7部分內(nèi)容1、攔水閘與引水系統(tǒng)在河道內(nèi)適當(dāng)位置建立攔水閘壩，將河流水截入旁側(cè)水庫進行凈化。主要截流的水為河流枯水期水、河流平水期部分水(根據(jù)庫容定)、河流初期暴雨徑流和暴雨前期徑流。根據(jù)水庫或水塘的庫容確定設(shè)計流量，超過設(shè)計流量的水、暴雨后期水或特大洪水不進入凈化系統(tǒng)，以保證不影響河道行洪。根據(jù)河流與水庫間的相對位置設(shè)立引水渠，截流的水通過引水渠進入水庫或水塘。
2、平流式沉砂池系統(tǒng)河流暴雨徑流尤其是初期暴雨徑流中攜帶大量的泥沙、顆粒態(tài)氮、磷等污染物含量較高。在水庫內(nèi)淺水處設(shè)立平流式沉砂池，河水經(jīng)引水渠引入沉砂池后，含沙的徑流在沉砂池中減速或旋轉(zhuǎn)，利用泥沙與水的重力差或離心力差異，將設(shè)計粒徑以上的泥沙沉降，同時相應(yīng)地去除了泥沙中所含的N、P污染物。
沉砂池的面積根據(jù)斯托克“溢流速度”法進行計算溢流速度小于或等于沉降速度時，顆粒物將被去除，即OR＝Q/As≤w其中OR-溢流速度(m/s)Q-流量(m3/s)As-沉砂池面積(m2)w-泥砂沉降速度(m/s)沉砂池泥斗容積按照下述公式計算V＝S泥/t其中v-泥斗容積(m3)S泥-年泥沙沉積量(m3/a)t-清理沉砂池時間間隔(a)3、配水與水力優(yōu)化在水庫或水塘內(nèi)，沉砂池出水入植物強化凈化系統(tǒng)之前，因地制宜建配水渠，使沉砂池出水均勻分配入植物強化凈化系統(tǒng)，以提高植物的凈化效果。同時根據(jù)水庫或水塘的水下地形條件，在水庫或水塘局部位置，通過開挖水下溝等方式，延長水流流程，防止短流，使水均勻流過整個水庫段面。
4、植物強化凈化系統(tǒng)沉砂池出水中仍含細(xì)顆粒泥沙和較多的溶解態(tài)污染物，在水庫或水塘淺水區(qū)(＜3m)，根據(jù)水深與底質(zhì)條件構(gòu)建由濕生帶、挺水帶、浮葉帶和沉水植物帶組成的植物強化凈化帶，通過植物根部的接觸沉淀、植物對污染物的吸附和吸收作用而去除細(xì)顆粒泥沙和大部分溶解態(tài)污染物質(zhì)。
5、深水凈化系統(tǒng)由于考慮到農(nóng)村地區(qū)一般水庫或水塘的蓄水與農(nóng)灌功能，水庫水面不可能全部種植強凈化能力的水生植物。為充分利用水庫的庫面面積，在水庫或水塘深水區(qū)，即正常蓄水位時水深超過3m的區(qū)域，恢復(fù)以沉水植物和漂浮植物為主的凈化帶，使面源污染河水在凈化系統(tǒng)的停留時間達(dá)到5-10天，污染物得到進一步的凈化。植物配置以水庫現(xiàn)有沉水植物種類為主，通地加強保護與人工恢復(fù)，使沉水植物達(dá)到合理的分布面積。
6、放水閘系統(tǒng)經(jīng)生物凈化系統(tǒng)凈化后的出水由放水閘重新回到河道。通過放水閘調(diào)節(jié)凈化系統(tǒng)的出水，保證河水在凈化系統(tǒng)中足夠的停留時間。一般農(nóng)村地區(qū)可用鋼筋砼制作閘門，根據(jù)閘門重量選擇安裝電動啟閉機。
7、優(yōu)化運行與管理通地對凈化系統(tǒng)的進出水優(yōu)化調(diào)控與運行期間的管理，加強凈化系統(tǒng)凈化效益的發(fā)揮。主要包括制定優(yōu)化運行方案、運行管理對策與監(jiān)測方案。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(1)因地制宜地利用河道旁現(xiàn)有的水庫或水塘，不需重新開挖，土石方量少，工程投資小。(2)在河道中設(shè)立攔水閘壩，主要攔截初期暴雨徑流和前期暴雨徑流，不影響河道的行洪。凈化后出水重新流回河道，不對河流水量產(chǎn)生影響。(3)充分利用水庫或水塘的水下地形，改造成平流式沉砂池與植物強化凈化系統(tǒng)，最大可能地發(fā)揮對泥沙、氮、磷的去除效果。(4)生物凈化系統(tǒng)所用的植物主要為本地的、具較強凈化能力的物種，成本低，耐成活，無外來物種問題。若采用本地經(jīng)濟水生植物如茭白、菱等，則每年還可將經(jīng)濟水生植物收獲后銷售，獲得一定的經(jīng)濟收入。


圖1旁置生物凈化系統(tǒng)斷面示意2旁置生物凈化系統(tǒng)平面布置圖其中(1)-進水閘與引水系統(tǒng) (2)-沉砂池系統(tǒng) (3)-配水與水力優(yōu)化 (4)-植物強化凈化系統(tǒng) (5)-深水凈化系統(tǒng) (6)-放水閘系統(tǒng)具體實施方式
結(jié)合云南大理“洱源彌苴河水環(huán)境綜合治理工程”前期研究項目，在洱海上游的鳳羽河開展了鳳羽河面源污染治理旁置生物凈化系統(tǒng)的研究。該凈化系統(tǒng)平面布置見附圖2。鳳羽河是洱海上游河流的主要補給水源，由于接納山地水土流失、村落污水、農(nóng)田面源等污染源，目前鳳羽河面源污染嚴(yán)重，水質(zhì)顯著惡化，為地表水IV類，鳳羽河水如不經(jīng)處理，將對洱海上游的彌苴河及洱海產(chǎn)生污染。通過因地制宜地利用位于鳳羽河中游的小(一)型水庫-上村水庫，將其改造成旁置生物凈化系統(tǒng)，將鳳羽河水引入凈化。具體內(nèi)容如下1、生物凈化系統(tǒng)選址通過現(xiàn)場踏勘與考察，確定鳳羽河中部的上村水庫作為改造的對象。該水庫面積0.38km2，死庫容7.35萬m3，總庫容135.4萬m3。水庫平均水深4-5m。上村水庫的主要功能是農(nóng)灌功能，保證下游玉湖鎮(zhèn)約4500畝農(nóng)田的灌溉。
2、進水閘與引水系統(tǒng)(1)河道內(nèi)原有一簡易引水閘與50m長的引水渠。保留原有的引水閘，并對其進行改造，安裝電動起臂機，改人工啟閉為電機啟閉。在原有引水閘下游10m左右，建立攔水閘。利用攔水閘、引水閘將鳳羽河水引入上村水庫進行凈化。由于河道寬度5-6m、河床底至岸頂高差約1.5-2m，為滿足根據(jù)不同季節(jié)變化方便調(diào)節(jié)水位的要求，采用鋼筋混凝土平板閘。為方便啟閉，采用雙閘孔，在河中設(shè)一閘墩。每個閘門由六組200mm高、重約110kg的閘門板組合而成，以便調(diào)節(jié)進入水庫的水量，同時減少閘門一次提升重量，方便啟閉。同時在閘墩頂部搭設(shè)2～4塊鋼筋混凝土板形成簡易橋梁，方便操作人員調(diào)節(jié)閘門，也為當(dāng)?shù)鼐用裥凶咛峁┍憷麠l件。
保留引水閘原有的攔污格柵，并針對原有攔污柵柵條間距大而難以有效攔截較小塊的垃圾，在其后5m處增設(shè)細(xì)格柵1道。柵條總長度為12m，分6格，每格寬2m，高1.5m，格柵傾角60°。格柵采用圓鋼，四周為扁鋼柵槽，圓鋼直徑15mm，柵條間距5mm。格柵清渣采用人工清渣，格柵攔截的垃圾送往附近的垃圾收集池。
3、沉砂池系統(tǒng)(2)根據(jù)上村水庫的水位變化情況及現(xiàn)場地形勘測，沉砂池設(shè)置于水庫前端高程2077.55m處。建立4個面積為2100m2、有效水深1.1m的平流式沉砂池，根據(jù)水文資料計算得設(shè)計流量10m3/s，泥沙去除粒徑0.1mm，泥斗容積7800m2。
4、配水與水力優(yōu)化(3)在沉砂池出水處設(shè)置配水渠，配水渠采用溝形矩形齒口加Φ100毛石配水系統(tǒng)，溝寬0.6m，深0.6m，毛石寬0.5m。配水渠沿高程2077.2m布設(shè)，長度為250m。
為了使進水在生物凈化系統(tǒng)中流經(jīng)較長的水力流程，防止短流，根據(jù)現(xiàn)場地形條件，在上村水庫東側(cè)，采取開挖水下溝的方式，使水均勻流過整個水庫段面。根據(jù)現(xiàn)場地形，擬開挖20條寬4m、間隔1m的水下溝。
5、植物強化凈化系統(tǒng)(4)根據(jù)水庫前端的地形及植物帶寬度與污染物去除間的關(guān)系，植物強化凈化帶設(shè)為寬200m，長300m，面積約90畝。不同生活型植物對污染物凈化能力有一定的差異。本植物強化凈化系統(tǒng)由濕生植物帶、挺水植物帶、浮葉植物帶和沉水植物帶組成。
濕生帶由于濕生植物對細(xì)顆粒泥沙有阻攔作用，濕生植物寬度設(shè)為20m，布設(shè)于高程2077.0-2077.2m之間，面積9畝；挺水帶由于挺水植物對細(xì)顆粒泥沙及可溶性氮、磷的凈化能力較強，本植物強化凈化系統(tǒng)以挺水植物帶為主，挺水植物帶寬度設(shè)為120m，布設(shè)于高程2076.5-2077.0m之間，面積54畝；浮葉帶由于浮葉植物對低濃度污染負(fù)荷水凈化能力較強，配置浮葉植物帶寬度10m，布設(shè)于高程2076.0-2076.5m之間，面積4.5畝；沉水植物帶寬度50m，布設(shè)于高程2175.5-2176.0m之間，面積22.5畝。
6、深水凈化系統(tǒng)(5)上村水庫高程2175.0m以下，平均水深3-5m，充分利用這片開闊水面，恢復(fù)沉水植物，使植物強化凈化帶出水經(jīng)這片深水區(qū)的植物進一步凈化，提高凈化效率。
植物配置以上村水庫原有沉水植物種類為主，通地加強保護與人工恢復(fù)，使沉水植物達(dá)到合理的分布面積。深水區(qū)植物配置在選用現(xiàn)有植物種類的基礎(chǔ)上，配置其它一些當(dāng)?shù)爻Ｒ姷?、具較強凈化能力的植物種類，如金魚藻、微齒眼子菜、黑藻等，使深水區(qū)的水生植物達(dá)到60-70％的覆蓋度。
7、放水閘系統(tǒng)(6)對上村水庫原有的放水涵閘進行改建，重新制作安裝閘門，在原放水涵閘處重新設(shè)置鋼筋砼閘，維修閘槽，根據(jù)情況安裝新的止水橡膠條，將目前的手動起閉機改為電動。新的閘門依舊采用鋼筋混凝土板結(jié)構(gòu)，四周用角鋼或扁鋼包邊，防止磕碰損壞閘門。
8、優(yōu)化運行與管理與上村水庫水位調(diào)控相結(jié)合，建立專門的管理機構(gòu)，配備專門的管理人員負(fù)責(zé)前置庫的運行與管理。包括進、出水閘門的調(diào)控、格柵垃圾的清除、沉砂池定期清淤、凈化系統(tǒng)植物的補種與收割、植物生長監(jiān)測等。
權(quán)利要求
1.一種河流面源污染的旁置生物凈化方法。其特征是在河道旁側(cè)設(shè)立生物凈化系統(tǒng)，將受面源污染的河水截入凈化系統(tǒng)中凈化。該凈化系統(tǒng)由河道內(nèi)攔水閘與引水系統(tǒng)、平流式沉砂池系統(tǒng)、配水與水力優(yōu)化、植物強化凈化系統(tǒng)、深水凈化系統(tǒng)等內(nèi)容組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是因地制宜地利用河道旁現(xiàn)有的水庫或水塘，將其改造成旁置生物凈化系統(tǒng)，該系統(tǒng)具物理沉降與植物凈化作用等功能，有效去除懸浮物、氮、磷等面源污染物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是通過在河道內(nèi)設(shè)立攔水閘壩，將污染物濃度較高的初期暴雨徑流和前期徑流截入凈化系統(tǒng)中，充分利用現(xiàn)有的庫容有效去除泥沙等顆粒態(tài)物質(zhì)與氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)。凈化后河水通過放水閘重新回到河道中，不影響河道的水量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是在水庫或水塘淺水處設(shè)立平流式沉砂池系統(tǒng)，在3m水深以內(nèi)設(shè)立植物強化凈化系統(tǒng)，3m以上水深設(shè)立深水凈化系統(tǒng)。通過在植物凈化系統(tǒng)前設(shè)置配水渠均勻配水提高植物凈化效果，通過因地制宜地開挖水下溝延長植物凈化系統(tǒng)的水力流程。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是在水庫或水塘淺水區(qū)(＜3m)，根據(jù)水深與底質(zhì)條件構(gòu)建由濕生帶、挺水帶、浮葉帶和沉水植物帶組成的植物強化凈化帶，通過植物根部的接觸沉淀、植物對污染物的吸附和吸收作用去除細(xì)顆粒泥沙和大部分溶解態(tài)污染物質(zhì)。在水庫或水塘水深超過3m的區(qū)域，恢復(fù)以沉水植物和漂浮植物為主的凈化帶，使面源污染河水在凈化系統(tǒng)的停留時間達(dá)到5-10天，污染物得到進一步的凈化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是通地對凈化系統(tǒng)的進出水優(yōu)化調(diào)控與運行期間的管理，加強凈化系統(tǒng)凈化效益的發(fā)揮。主要包括制定優(yōu)化運行方案、運行管理對策與監(jiān)測方案。
全文摘要
本發(fā)明屬水污染控制與生態(tài)修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域。公開了一種凈化河流面源污染的旁置生物凈化方法。通過因地制宜地利用河道旁現(xiàn)在的水庫或水塘，將其改造成旁置式生物凈化系統(tǒng)。該凈化系統(tǒng)包括(1)攔水閘與引水系統(tǒng)(2)平流式沉砂池系統(tǒng)(3)配水與水力優(yōu)化(4)植物強化凈化系統(tǒng)(5)深水凈化系統(tǒng)(6)放水閘系統(tǒng)(7)優(yōu)化運行與管理。攜帶高濃度污染物的河流初期與前期暴雨徑流被截入凈化系統(tǒng)中，經(jīng)過沉砂作用與植物凈化作用后出水重新回到河道，最大可能地去除泥沙、氮、磷等污染物的量。是一種投資較小、見效快的面源污染治理方法。
文檔編號C02F3/32GK101045585SQ20071009030
公開日2007年10月3日 申請日期2007年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月4日
發(fā)明者金相燦, 胡小貞, 盧少勇, 葉春, 儲昭升 申請人:中國環(huán)境科學(xué)研究院