一種凈化污染河道的生物繩強化植物修復(fù)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種凈化污染河道的生物繩強化植物修復(fù)系統(tǒng)，它涉及水體的污染控制方法。本發(fā)明采用生物繩對植物修復(fù)技術(shù)進行強化，組成“植物-微生物”強化凈化修復(fù)系統(tǒng)，系統(tǒng)上部為挺水植物床，下部為生物繩固定床，挺水植物床和生物繩固定床使用框架相連后固定于河道中。挺水植物床種植美人蕉、鳶尾、菖蒲、旱傘草等，采用真空塑料水面浮床固定于框架上；生物繩固定床采用高性能接觸過濾材料-生物繩，將生物繩上下兩端固定在框架上，生物繩固定床底部設(shè)2-4cm的吸附層，吸附層從上至下為納米碳微球?qū)印⒓{米碳管層、吸附網(wǎng)。本發(fā)明可以解決流域河網(wǎng)地區(qū)河道水體的污染問題，有效去除污水中有機物、氮、磷等污染物質(zhì)。
【專利說明】一種凈化污染河道的生物繩強化植物修復(fù)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水體的污染控制方法，具體的說是一種凈化污染河道的生物繩強化植物修復(fù)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人口的增長和經(jīng)濟的快速發(fā)展，越來越多的污染物被排入河流，已遠超過河流的自凈能力。我國河流污染嚴重，2012年全國十大流域的國控斷面中，IV~V類和劣V類水質(zhì)斷面比例分別為20.9%和10.2%，水體已喪失使用價值(即水質(zhì)為IV、V、劣V類)的斷面比例占31.1 %。尤其是城市河流，由于受城市發(fā)展的影響較大，其水污染從污染類型到污染強度都發(fā)生了重大變化，一方面制約城市的社會、經(jīng)濟與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，另一方面，危害人們身體健康。因此，城市污染水體的治理刻不容緩。鑒于城市河道的自身特點，近些年來，對污染河道治理與修復(fù)的方法進行了大量的研究和嘗試。河道水體修復(fù)方法主要包括物理法、化學(xué)法與生態(tài)修復(fù)法，其中，生態(tài)修復(fù)技術(shù)由于具有安全、經(jīng)濟、實用、系統(tǒng)等諸多優(yōu)點而成為河流污染治理的主要技術(shù)手段。
[0003]生態(tài)修復(fù)的概念自20世紀70年代被提出以來，由于其應(yīng)用廣、成本低、環(huán)境美學(xué)價值高、環(huán)境擾動小、治理污染同時也有利于改善生態(tài)環(huán)境等特點在美國、西歐等一些發(fā)達國家引起廣泛重視，國際上曾多次召開專題討論會進行了一些相關(guān)性研究。20世紀90年代以來，亞洲的中國、日本、韓國等國家對生態(tài)修復(fù)的研究也尤為重視，并且實施了一系列的生態(tài)修復(fù)工程，使河流湖 泊的水質(zhì)得到一定的改善，保證了飲用水的質(zhì)量，并相繼開展了一系列生態(tài)工程的實驗研究，也取得了大量的研究成果。
[0004]植物修復(fù)系統(tǒng)為污染水體污染物的去除提供了一種投資少、效率高、管理方便的方法?，F(xiàn)有研究表明，美人蕉、鳶尾、菖蒲、旱傘草、香根草、水芹菜等在污染河道中生長良好并具有很好的水質(zhì)凈化效果和廣泛的應(yīng)用前景。同時，植物修復(fù)系統(tǒng)中的微生物與其凈化功能之間存在顯著關(guān)系，數(shù)量越多則去除率越高，其中污水中BOD5的去除率與細菌總數(shù)顯著相關(guān)，氨氮的去除率與硝化細菌和反硝化細菌的數(shù)量密切相關(guān)。
[0005]生態(tài)-生物污水處理技術(shù)，是利用培育的植物或培養(yǎng)、接種的微生物的生命活動，對水中污染物進行轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化及降解作用，從而使水體得到凈化的技術(shù)，具有處理效果好、工程造價相對較低、不需耗能或低耗能、運行成本低廉等優(yōu)點。另外，這種處理技術(shù)不向水體投放藥劑，不會形成二次污染。還可以與綠化環(huán)境及景觀改善相結(jié)合，在治理區(qū)建設(shè)休閑和體育設(shè)施，創(chuàng)造人與自然相融合的優(yōu)美環(huán)境。
[0006](I)生物膜法是指用天然材料(如卵石)、合成材料(如纖維)為載體，在其表面形成一種特殊的生物膜，生物膜表面積大，可為微生物提供較大的附著表面，有利于加強對污染物的降解作用。生物膜法主要工藝方法有生物廊道、生物濾池、生物接觸氧化池等。生物膜法具有較高的處理效率，對于受有機物及氨氮輕度污染水體有明顯的效果。它的有機負荷較高，接觸停留時間短，減少占地面積，節(jié)省投資。此外，運行管理時沒有污泥膨脹和污泥回流問題，且耐沖擊負荷。[0007](2)人工濕地的原理是利用自然生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學(xué)和生物的三重共同作用來實現(xiàn)對污水的凈化。這種濕地系統(tǒng)是在一定長寬比及底面有坡度的洼地中，由土壤和填料(如卵石等)混合組成填料床，污染水可以在床體的填料縫隙中曲折地流動，或在床體表面流動。在床體的表面種植具有處理性能好、成活率高的水生植物(如蘆葦?shù)?，形成一個獨特的動植物生態(tài)環(huán)境，對污染水進行處理。
[0008]人工濕地的顯著特點之一是其對有機污染物有較強的降解能力。廢水中的不溶性有機物通過濕地的沉淀、過濾作用，可以很快地被截留進而被微生物利用；廢水中可溶性有機物則可通過植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代謝降解過程而被分解去除。這種技術(shù)已經(jīng)成為提高大型水體水質(zhì)的有效方法。
[0009](3) 土地處理技術(shù)是一種古老、但行之有效的水處理技術(shù)。它是以土地為處理設(shè)施，利用土壤-植物系統(tǒng)的吸附、過濾及凈化作用和自我調(diào)控功能，達到某種程度對水的凈化的目的。土地處理系統(tǒng)可分為快速滲濾、慢速滲濾、地表漫流、濕地處理等幾種形式。國外的實踐經(jīng)驗表明，土地處理系統(tǒng)對于有機化合物尤其是有機氯和氨氮等有較好的去除效果O
[0010]綜上所述，現(xiàn)有的水體植物修復(fù)技術(shù)，主要是通過植物對污染物的吸收、吸附、截濾作用去除水體中的氮磷，系統(tǒng)中氨化細菌、硝化細菌、反硝化細菌的含量較低，硝化反硝化作用較弱，對污水中的有機物、氮、磷等去除效果較低，尤其是動態(tài)水流條件下氮磷很難去除。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]針對現(xiàn)有技術(shù)上存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種凈化污染河道的生物繩強化植物修復(fù)系統(tǒng)，采用生物繩對植物修復(fù)技術(shù)進行強化，組成“植物-微生物”強化凈化修復(fù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以解決流域河網(wǎng)地區(qū)河道水體的污染問題，有效去除污水中有機物、氮、磷等污染物質(zhì)。
[0012]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過如下的技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0013](1) 一種凈化污染河道的生物繩強化植物修復(fù)系統(tǒng)，系統(tǒng)上部為挺水植物床，下部為生物繩固定床，挺水植物床和生物繩固定床使用框架相連后固定于河道中。
[0014](2)挺水植物床種植美人蕉、鳶尾、菖蒲、旱傘草等，主要利用吸收、吸附作用以及微生物降解作用，使部分懸浮物質(zhì)沉降下來，同時去除河道水體中的氮磷，以及其他有機污染物；選取挺水植物植株高度范圍在20-30cm，設(shè)置橫縱間隔均為20cm，采用真空塑料水面浮床固定于竹制或鋼管框架上。
[0015](3)生物繩固定床采用新型高性能接觸過濾材料-生物繩，該種生物繩呈繩索狀，將生物繩上下兩端固定在框架(竹制或鋼管)上，框架高度為lm，設(shè)置生物繩橫縱間隔均為20cm,因此，I立方米的框架生物繩的安裝量為25m，生物繩設(shè)置好后，固定于挺水植物床下方；污水與生物繩接觸使微生物附著在生物繩上形成生物膜，在生物繩表面附著的微生物使污水中的有機物、氮、磷被氧化分解而達到水質(zhì)凈化。
[0016]上述生物繩由親水性強的新型接觸氧化材料聚丙烯纖維、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的維尼綸和尼龍，以及彈性恢復(fù)效果好的聚偏二氯乙烯等材料加工制作而成，其外層附著好氧微生物，內(nèi)層附著厭氧微生物；生物繩上能夠附著大量的氨化細菌、硝化細菌、反硝化細菌等微生物形成生物膜，使污水中的有機物、氮、磷通過氧化分解、硝化反硝化作用去除，大大提高了水體的凈化效果。
[0017](4)生物繩固定床底部設(shè)有2-4cm的吸附層，通過吸附水中的懸浮物、有機物、氮、磷等污染物質(zhì)，進一步提高系統(tǒng)的凈化效率。所述吸附層從上至下為納米碳微球?qū)?、納米碳管層、吸附網(wǎng)；納米碳微球?qū)优c納米碳管層的填加比例為體積比1: 2;吸附網(wǎng)為鈦金屬制成。
[0018]所述納米碳管的制備方法為:1)稱量原料:活性炭；2)將所稱取的活性炭放入60-70°C的真空烘箱中干燥10~30小時后放入氣氛保護管式真空爐中，然后通入氮氣或氬氣，氮氣或氬氣流量為500~600sccm，以20~25°C /分鐘的速度升溫至500~600°C，再通入流量為350~650sccm的甲烷氣體，保持壓力在1.5~2.0Mpa ;同時關(guān)掉氮氣或氬氣，在600~1000°C溫度下恒溫90~120min生長納米碳管和碳纖維,其至少含有18個碳原子，所述納米碳管和碳纖維的長度和直徑為10~20nm，比表面積為100_500m2.g—1 ;然后關(guān)掉電源使系統(tǒng)在N2氣氛中使反應(yīng)系統(tǒng)緩慢冷卻即得所述納米碳管。
[0019]本發(fā)明的有益效果:在動態(tài)水流條件下對該系統(tǒng)進行試驗，結(jié)果表明該發(fā)明對C0D、SS、NH3-N、TN、TP 去除率分別可達 70.2%,80.9%, 75.9%, 76.7%,82.8% O 通過生物繩強化植物修復(fù)系統(tǒng)的運用，極大削減了 COD、SS、NH3-N, TN、TP含量，有效改善污染河道水質(zhì)，為下游水體減小了污染負荷壓力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】來詳細說明本發(fā)明；
[0021]圖1為本發(fā)明的生物繩強化植物修復(fù)系統(tǒng)示意圖，其中I代表挺水植物床，2代表生物繩固定床，3代表生物繩，4代表框架，5代表吸附層。
`[0022]圖2為本發(fā)明的河道空間布局圖。
【具體實施方式】
[0023]為使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合【具體實施方式】，進一步闡述本發(fā)明。
[0024]以蘇南某河道為例，選取長度20米的范圍進行了試驗研究。在河道兩岸布置生物繩強化植物修復(fù)系統(tǒng)(圖1)，系統(tǒng)上部為挺水植物床1，下部為生物繩固定床2，利用“植物-微生物”強化凈化去除氮磷等污染物。河道具體實施空間布局見圖2。
[0025](I)挺水植物床1:種植美人蕉，植株高度范圍在20-30cm，設(shè)置橫縱間隔均為20cm,采用真空塑料水面浮床固定于竹制框架上，在長2m、寬Im的框架上種植美人蕉50株。
[0026](2)生物繩固定床2:將生物繩3上下兩端固定在竹制框架4上，設(shè)置橫縱間隔均為20cm，每個在長2m、寬lm、高Im的框架安裝生物繩3量為50m，生物繩設(shè)置好后，固定于挺水植物床下方。
[0027](3)生物繩強化植物修復(fù)系統(tǒng)固定好后置于河道內(nèi)。每個生物繩強化植物修復(fù)系統(tǒng)長2m，寬lm，在河道兩岸間隔2m放置，20m范圍內(nèi)共布置10個生物繩強化植物修復(fù)系統(tǒng)，總計種植美人蕉500株，安裝生物繩量為500m。
[0028](4)生物繩固定床底部設(shè)3cm的吸附層，所述吸附層從上至下為納米碳微球?qū)?、納米碳管層、吸附網(wǎng)；納米碳微球?qū)优c納米碳管層的填加比例為體積比1: 2;吸附網(wǎng)為鈦金屬制成。
[0029]所述納米碳管的制備方法為:稱量原料活性炭，將所稱取的活性炭放入60-70°C的真空烘箱中干燥10~30小時后放入氣氛保護管式真空爐中，然后通入氮氣或氬氣，氮氣或氬氣流量為500~600sccm，以20~25°C /分鐘的速度升溫至500~600°C，再通入流量為350~650sccm的甲烷氣體，保持壓力在1.5~2.0Mpa ;同時關(guān)掉氮氣或氬氣，在600~1000°C溫度下恒溫90~120min生長納米碳管和碳纖維，其至少含有18個碳原子，所述納米碳管和碳纖維的長度和直徑為10~20nm，比表面積為100_500m2.g—1 ;然后關(guān)掉電源使系統(tǒng)在N2氣氛中使反應(yīng)系統(tǒng)緩慢冷卻即得所述納米碳管。
[0030]通過河道試驗，結(jié)果表明該發(fā)明對C0D、SS、NH3_N、TN、TP去除率分別可達70.2%，80.9%,75.9%,76.7%,82.8%0下游出水中COD、SS、NH3-N' TN、TP等污染物濃度顯著下降(見表1)，水質(zhì)明顯改善。
[0031]表1工程實施后系統(tǒng)進出水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)(mg/L)
【權(quán)利要求】
1.一種凈化污染河道的生物繩強化植物修復(fù)系統(tǒng)，其特征在于包括水上、水下兩部分:上部為挺水植物床，下部為生物繩固定床，挺水植物床和生物繩固定床使用框架相連后固定于河道中，組成“植物-微生物”強化凈化修復(fù)系統(tǒng)。上部挺水植物床種植美人蕉、鳶尾、菖蒲、旱傘草，采用真空塑料水面浮床固定于竹制或鋼管框架上；下部生物繩固定床采用高性能接觸過濾材料-生物繩，將生物繩上下兩端固定在框架上，生物繩固定床底部設(shè)2-4cm的吸附層，吸附層從上至下為納米碳微球?qū)印⒓{米碳管層、吸附網(wǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種凈化污染河道的生物繩強化植物修復(fù)系統(tǒng)，其特征在于生物繩強化植物修復(fù)系統(tǒng)上部種植挺水植物，選擇水質(zhì)凈化效果較好的美人蕉、菖蒲、旱傘草、鳶尾等，系統(tǒng)下部生物繩固定床能為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.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種凈化污染河道的生物繩強化植物修復(fù)系統(tǒng)，其特征在于下部生物繩固定床采用高性能接觸過濾材料-生物繩，生物繩由親水性強的新型接觸氧化材料聚丙烯纖維、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的維尼綸和尼龍，以及彈性恢復(fù)效果好的聚偏二氯乙烯材料加工制作而成，其外層附著好氧微生物，內(nèi)層附著厭氧微生物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種凈化污染河道的生物繩強化植物修復(fù)系統(tǒng)，其特征在于所述生物繩固定床底部設(shè)有2-4cm的吸附層，所述吸附層從上至下為納米碳微球?qū)?、納米碳管層、吸附網(wǎng)；納米碳微球?qū)优c納米碳管層的填加比例為體積比1: 2。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種凈化污染河道的生物繩強化植物修復(fù)系統(tǒng)，其特征在于所述吸附網(wǎng)為鈦金屬制成。
【文檔編號】C02F3/34GK103819006SQ201410096071
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月17日
【發(fā)明者】張瑞斌, 錢新, 朱文婷, 高海龍, 王金花, 劉喆 申請人:南京大學(xué)