專利名稱：復合型濕地自流凈化污染河水方法
技術領域：
本發明涉及水污染治理、內陸水體生態修復，特別是一種利用河灘濕地、河口區湖灘濕地建設凈化系統，攔截、凈化入湖河流，防止湖泊污染和富營養化的復合型濕地自流凈化污染河水方法。
背景技術：
在水污染防治領域，對于各類點污染源的防治技術已經相當豐富和成熟，但對于來自廣大農村、農業和徑流區水土流失的面源污染卻缺乏經濟、快速有效的控制技術。在點污染源已經基本得到控制的今天，面源污染是造成我國河流、湖泊水質污染和水體富營養化的主要污染源。采用建設污水處理廠等方法治污，建設成本及運行成本較高且一般水處理工程的工藝流程和處理能力是恒定的，難以適應天然河流的水量、水質等波動。
發明內容
本發明的目的是針對我國河流、湖泊面源污染控制難題，探索利用河灘濕地、河口區湖灘濕地建設凈化系統，攔截凈化入湖河流，防止湖泊污染和富營養化，并針對污染河流水量、水質波動幅度大，污染物復雜多樣等特點，參考水利工程、污水處理工程、濕地生態工程等相關內容，依據天然河流的綜合屬性，提供一種復合型濕地自流凈化污染河水方法，實現經濟、有效、快速、持久等目標。
本發明的上述目的是這樣實現的復合型濕地自流凈化污染河水方法，其特征是利用河灘濕地、河口區湖灘濕地建設凈化區，攔截、凈化入湖河流，該凈化區包括初級凈化和深度凈化兩個工藝段，初級凈化將污染的河流上設置一截污閘，截污閘前河道上設置出水口，出水口后設置周邊設有攔污格柵圈圍的沉淀池，截污閘后河道上設置溢洪口，沉淀池出水至深度凈化的養殖有漂浮植物的生物強化沉淀池，生物強化沉淀池出水至布水溝，布水溝出水至設置于潛流濕地底部的潛流濕地布水管，潛流濕地布水管出口端設堵頭，潛流濕地布水管的管壁上設有出水口，潛流濕地布水管上分層設置石灰石、鵝卵石，潛流濕地出水至集水溝，集水溝出水至表層流濕地，潛流濕地及表層流濕地均種植有濕地植物，表層流濕地出水至下游河道，凈化區周邊設阻水圍堰且自溢洪口后亦設置阻水圍堰將潛流濕地及表層流濕地與沉淀池及生物強化沉淀池分隔，凈化區內自河道上設置的出水口至表層流濕地出水至下游河道，上、下流程之間設有水位落差。可采用弧形攔污格柵圈圍扇形沉淀池，并且在圓心處設置長臂塔吊，及時打撈清除沉淀池中的垃圾雜物和污泥。在生物強化沉淀池出水、集水溝出水處均設有分水堰，分水堰出水至下一流程，表層流濕地出水處設分水溢流堰至下游河道，表層流濕地可設2～3級，各級間設分水堰，最后一級與下游河道之間設分水溢流堰。潛流濕地布水管兩端可分別暴露在布水溝和集水溝中。
本發明的優點及效果(1)比較完備的復合型濕地凈化工藝依據污染河流的水文特征、污染特征及可利用土地資源，綜合水利工程、環境工程、生態工程理論與技術，可以適應污染河流水量、污染程度波動幅度大、污染物類型復雜多樣等特點，實現有效凈化。河流匯集了整個集水域中所有的污染物，不僅污染物種類多樣，而且污染物濃度多變。本發明方法在沉淀去除泥沙、攔截打撈垃圾雜物、生物協助沉淀去除細小固體和非固體污染物、分解轉化有機污染物、除磷脫氮等方面均具有較強的凈化功能，可以適應污染河水的治理。對于以生活污水為主的重污染河水(城鎮河流)，10000m3/d的水量需要約40000m2濕地，出水可以達到一級綜合排放標準；對于污染較輕的河水，10000m3/d的水量需要約20000m2濕地，可以將地表V類水處理成III類水。
(2)低落差自流運行小水頭自流運行，只需要0.5m左右的微小落差，就可以驅動濕地凈化系統的自流運行，這使得本發明方法能適用于大部分河流。整個濕地凈化系統采取大斷面、短流程設計，通過分水堰進行均勻布水，利用河流自然坡降獲取0.5m左右的微小落差推動，實現自流運行，無需消耗能源，不僅節約了運行費用，而且可以適應河流水量的大幅波動(甚至短期干枯)。主要原因在于濕地凈化系統一般修建在地勢比較平緩的湖灘或河灘低洼土地上，在這些地段河流自然坡降一般小于1∶1000，要獲得0.5m左右的落差相對比較容易。
(3)強大的初級處理能力天然河流水量和水質波動幅度比較大。一般在旱季水量較小，污染比較嚴重；雨季水量較大，污染較輕；暴雨季節泥沙、垃圾雜物較多。一般水處理工程的工藝流程和處理能力是恒定的，無法適應天然河流的水量波動。本發明方法在沉砂、攔污工段之后設溢洪口，形成初級處理支流，在適當設置沉砂池、攔污格柵、溢洪道規模的情況下，可以對所有河水(包括暴雨徑流)實施初級凈化處理，有效控制垃圾雜物污染和泥沙污染。
(4)抗老化連續運行本發明方法在運行管理方面，對攔污格柵前的垃圾雜物和污泥隨時打撈清除(每天至少一次)，對生物強化沉淀池里的沉積物定期清除(每年1-2次)，對潛流濕地定期疏通(每年一次)，對所有濕地植物嚴格按照季節進行栽種和收割，可以保證整個濕地凈化系統不堵塞、不老化，實現永續利用。利用水芹菜和東方香蒲兩種常綠植物作為建群種組建濕地植被，實現了濕地植被的常綠；加上生物強化沉淀池的水下清淤和潛流濕地防堵塞技術，可以保證濕地凈化系統周年穩定運行，克服了一般濕地工程老化、堵塞、季節性失效等弊端。
(5)確保水利安全、環境安全、生態安全本發明方法從河道中截取污濁河水，還給下游河道以清泉，全程采用物理凈化和生物凈化工藝，不引入外來物種，不使用任何藥劑，并且有完備的泄洪設施，可以確保河流及其下游水體的水利安全、環境安全和生態安全。
(6)管理簡便利用本發明方法建設的濕地工程，日常管理工作主要包括打撈清運攔污格柵前垃圾雜物和污泥，濕地植物的管理，水流的觀測調控等，均比較簡單，一般具有高中文化的農民經過1年的培訓就可以擔任管理工作，20000m2的濕地通常只需要2人管理。
(7)經濟實用攔污—沉砂—垃圾雜物打撈—污泥清除一體化。一般污水處理工藝將攔污格柵和沉淀池分開設置，打撈垃圾雜物和清除污泥分兩步進行，建設投資和運行管理費用較高。本發明用弧形攔污格柵圈圍沉淀池，形成攔污—沉砂一體化結構；在圓心上設置輕便長臂塔吊操作抓斗，實現了垃圾雜物、污泥用同一臺機械打撈清除，大幅度降低了建設投資和運行費用，并節約了工程占地。與污水處理廠的電動攔污格柵相比，這種弧形攔污格柵具有更大的過濾面積，攔污格柵前的沉淀池可以容納大量垃圾雜物，便于處理富含垃圾雜物的大流量暴雨徑流。用一臺輕型長臂塔吊同時完成打撈清除垃圾雜物和沉淀池污泥的任務，打撈上來的垃圾雜物和污泥可以直接裝車外運，比分別處理更加經濟有效。利用本發明方法，處理嚴重污染的河水10000m3/d，大約需要40000m2濕地，4人管理，建設費用不超過600萬元(不含征地費)，年運行費用在15萬元以內。與其他任何污水處理技術(包括普通的人工濕地技術)相比，本發明方法都具有經濟實用的優勢。
圖1是本發明方法的凈化流程示意圖；圖2是本發明方法的凈化區設置示意圖。
具體實施例方式
參看圖1、2，本發明方法的工作原理及工作過程初級凈化關閉修建在河道1上的攔污閘2，迫使河水由出水口3進入濕地凈化區(出水口3過水斷面大于河道斷面)。進入扇形沉淀池4后，水流變緩，大顆粒泥沙和懸浮的垃圾雜物發生沉降，漂浮的垃圾雜物被攔污格柵5攔擋在扇形沉淀池內。利用安裝在圓心上的輕便長臂塔吊6操控自動抓斗，及時將扇形沉淀池內的垃圾雜物和污泥打撈清除，裝車運往垃圾場作填埋處理。經過以上初級處理(沉淀、攔污)之后，超過深度凈化能力的水量將經由溢洪道口7排入下游(閘后)河道，其他河水進入深度進化工段。雨季大流量的輕度污染河水攜帶著較多的垃圾雜物和泥沙，全部經過初級凈化系統沉淀、攔污處理后，大部分河水經溢洪道排入閘后河道；旱季河水流量小，污染程度比較重，全部河水經過初級凈化處理+深度凈化處理。正是這種工藝特點，可以適應天然河流水量和水質的大幅度波動，并保證出水水質。
深度凈化河水穿過攔污格柵后進入生物強化沉淀池8，將水芹菜、水葫蘆等漂浮植物養殖在沉淀池中，漂浮植物覆蓋度達到80％以上，在進一步物理沉淀的同時，可以通過表面吸附—剝落、生物助凝—沉淀、生物吸收—沉淀等機制，促使水體中的微小顆粒物、溶解性有機物、甚至溶解態礦物質發生沉淀；同時漂浮植物表面提供的生物膜功能和營養鹽吸收同化—收獲輸出功能在去除BOD和氮、磷等方面發揮作用。對于比較污濁的河水，生物強化沉淀工段顯得尤為重要。經過生物強化沉淀池凈化之后，河水匯入潛流濕地布水溝9，經由埋設在潛流濕地底部的布水管10進入潛流濕地11，垂直上升到表面之后，匯入集水溝12，然后通過分水堰13均勻進入表層流濕地14。表層流濕地一般設2～3級，種植有多種濕地植物(根據當地氣候條件和濕生植物資源，選擇水芹菜、慈姑、蓮、水葫蘆、東方香蒲、石菖蒲、傘竹、美人蕉、黑藻、苦草、菹草、馬來眼子菜等物種，將耐旱種類和喜熱種類套種，組建常綠型濕地植被，形成周年穩定的凈化能力)，通過土壤、植物和微生物的綜合凈化作用，達到去除氮、磷、BOD、COD等深度凈化目的。各級表層流濕地之間通過分水堰13進行均勻布水，最后一級表層流濕地與下游河道之間設分水溢流堰15，經過濕地凈化的河水經過分水溢流堰15跌落進入下游河道16。
泄洪天然河流存在泄洪問題，本發明方法主要從三個層次實現在保障泄洪安全的前提下最大限度地處理污染河水。①深度處理系統采取大斷面、可溢流設計；②攔污格柵后溢洪道的設置，形成了強大的初級處理能力。洪水攜帶的大量污泥和垃圾雜物在初級凈化系統得以去除，經過初級凈化的河水通過溢洪道進入下游河道；③閘上溢洪和開閘泄洪，閘室凈寬度等于河道寬度，閘頂高程等于最高工作水位，遇到洪水時可以從閘頂溢洪，必要時開閘泄洪。本發明方法提供的攔污—沉砂—溢洪道泄洪途徑可以有效排泄一般流量的洪水，并實現初級凈化，閘上溢洪和開閘泄洪可以排泄任何流量的洪水，不影響原有河道的泄洪能力。
植被管理對生物強化沉淀池內的漂浮植物定期打撈，對潛流濕地和表層流濕地內的植物定期收割，每年更新栽植一次。
生物強化沉淀池清淤每年2月份對生物強化沉淀池內的淤泥進行清除，可以通過兩種方式打開攔污閘2，放干生物強化沉淀池8內河水，進行人工清淤或泥漿泵清淤；在正常運行情況下用泥漿泵直接抽吸清淤。
潛流濕地防堵塞潛流濕地亦稱碎石床濕地，是所有濕地中水流阻力最大、過水量最小、最容易堵塞老化的濕地類型，生物膜脫落及濕生植物殘體積累是造成堵塞的主要原因。本發明方法通過三個方面預防和消除潛流濕地堵塞。①在潛流濕地前設生物強化沉淀池，深度去除河水中的細小顆粒物，減少進入潛流濕地河水中的顆粒物含量。②潛流濕地采取上升流、大斷面結構，流程短，過水能力強，不容易發生堵塞；采用比較粗的填料，下層填料用直徑10-30mm破碎石灰石，以降低建設投資并強化除磷效果；上層填料用直徑20-50mm鵝卵石，以保證濕地植物根系的正常發育。③布水管兩端分別暴露在布水溝和集水溝中，集水溝中的一端用堵頭堵塞，發生管內堵塞時可以打開堵頭從進水口用水泵沖洗，發生碎石床堵塞時可以封上堵頭從進水口用高壓水泵沖洗。采用本發明方法，可以實現潛流濕地的長期連續運行，免除填料翻洗或更新的麻煩和巨額花費。
大流量均一流場整個濕地凈化系統采取大斷面、低流速設計，并且在各級濕地之間采用“分水溢流堰”進行布水，級間只需要0.1m的落差，就可以實現整個濕地中流場均一，充分發揮濕地各部分的凈化功能。
實施舉例(1)撫仙湖窯泥溝試驗濕地工程，由中國科學院南京地理與湖泊研究所按照本發明方法設計，2001年由玉溪市紀委、玉溪市環保局批準立項，澄江縣環保局與設計單位聯合建設，面積12000m2，總投資167萬元(含征地費)，2001年底建成并投入試運行。窯泥溝為流經澄江縣城的小型天然河流，后經人工改造成集污溝，接納了澄江縣城70％左右的生活污水。旱季河水幾乎全部為生活污水，水量約3000m3/d；雨天城區地表徑流和上游集水區徑流會入，攜帶大量垃圾雜物和污泥。窯泥溝試驗濕地工程旱季處理所有水量，雨季處理能力可以達到12000m3/d。經過2年來的試運行，出水水質基本達到國家污水綜合排放一級標準，年運行管理費用約6萬元，完全可以取代建在窯泥溝上的污水處理廠，并且最大處理水量和處理效果均超過該污水處理廠。
(2)撫仙湖馬料河污染控制濕地工程，由中國科學院南京地理與湖泊研究所按照本發明方法設計，玉溪市紀委、玉溪市環保局2002年批準立項，澄江縣環保局與設計單位聯合建設，面積20000m2，總投資333萬元(含征地費)，2003年6月開工建設，10月竣工并投入運行。馬料河為流經澄江縣城的小型天然河流，接納了澄江縣城30％左右的生活污水，河水水質常年為地表V類或劣于V類。馬料河污染控制濕地工程設計初級凈化能力50000m3/d，深度凈化能力15000～20000m3/d，經深度凈化出水水質達到地表IV類標準。2個月運行初步結果，深度凈化最大流量達到43000m3/d，出水水質優于地表III類標準。
采用本發明方法處理重污染河水(污水級別)，10000m3/d的處理能力約需要土地40000m2，建設投資約600萬元，1m3/d的處理能力投資僅600元；年運行管理費用約15萬元，處理1m3污水的運行管理費用只有0.04元；在3～4個月內就能建成并投入運行。這是迄今為止任何常規污水處理工藝及人工濕地處理工藝所不能及的。
權利要求
1.復合型濕地自流凈化污染河水方法，其特征是利用河灘濕地、河口區湖灘濕地建設凈化區，攔截、凈化入湖河流，該凈化區包括初級凈化和深度凈化兩個工藝段，初級凈化將污染的河流上設置一截污閘，截污閘前河道上設置出水口，出水口后設置周邊設有攔污格柵圈圍的沉淀池，截污閘后河道上設置溢洪口，沉淀池出水至深度凈化的養殖有漂浮植物的生物強化沉淀池，生物強化沉淀池出水至布水溝，布水溝出水至設置于潛流濕地底部的潛流濕地布水管，潛流濕地布水管出口端設堵頭，潛流濕地布水管的管壁上設有出水口，潛流濕地布水管上分層設置石灰石、鵝卵石，潛流濕地出水至集水溝，集水溝出水至表層流濕地，潛流濕地及表層流濕地均種植有濕地植物，表層流濕地出水至下游河道，凈化區周邊設阻水圍堰且自溢洪口后亦設置阻水圍堰將潛流濕地及表層流濕地與沉淀池及生物強化沉淀池分隔，凈化區內自河道上設置的出水口至表層流濕地出水至下游河道，上、下流程之間設有水位落差。
2.根據權利要求1所述復合型濕地自流凈化污染河水方法，其特征是用弧形攔污格柵圈圍扇形沉淀池，并且在圓心處設置長臂塔吊，及時打撈清除沉淀池中的垃圾雜物和污泥。
3.根據權利要求1或2所述復合型濕地自流凈化污染河水方法，其特征是在生物強化沉淀池出水、集水溝出水處均設有分水堰，分水堰出水至下一流程，表層流濕地出水處設分水溢流堰至下游河道，表層流濕地可設2～3級，各級間設分水堰，最后一級與下游河道之間設分水溢流堰。
4.根據權利要求1或2所述復合型濕地自流凈化污染河水方法，其特征是潛流濕地布水管兩端分別暴露在布水溝和集水溝中。
5.根據權利要求3所述復合型濕地自流凈化污染河水方法，其特征是潛流濕地布水管兩端分別暴露在布水溝和集水溝中。
全文摘要
復合型濕地自流凈化污染河水方法，利用河灘濕地、河口區湖灘濕地建設凈化區，包括初級凈化和深度凈化兩個工藝段，初級凈化將污染的河流上設置一截污閘，截污閘前河道上設置出水口，出水口后設置周邊設有攔污格柵圈圍的沉淀池，截污閘后河道上設置溢洪口，沉淀池出水至深度凈化的養殖有漂浮植物的生物強化沉淀池，生物強化沉淀池出水至布水溝，布水溝出水至設置于潛流濕地底部的潛流濕地布水管，潛流濕地布水管出口端設堵頭，潛流濕地布水管的管壁上設有出水口，潛流濕地布水管上分層設置石灰石、鵝卵石，潛流濕地出水至集水溝，集水溝出水至表層流濕地，潛流濕地及表層流濕地均種植有濕地植物，表層流濕地出水至下游河道。
文檔編號C02F1/00GK1580415SQ20041001492
公開日2005年2月16日 申請日期2004年5月18日 優先權日2004年5月18日
發明者李文朝 申請人:中國科學院南京地理與湖泊研究所