專利名稱：一種適用于南方重金屬污染區的土壤滲漏液與地表徑流攔截凈化系統及方法
技術領域：
本發明屬于環境保護領域的生態工程技術領域，具體涉及一種適用于南方重金屬污染區的土壤滲漏液與地表徑流攔截凈化系統及方法，該系統和方法主要用于攔截控制重金屬污染區水土流失和重金屬污染擴散，維護周邊區域環境的生態安全。
背景技術：
重金屬污染區土壤既是采礦、冶煉等工業企業污染物的受體，也是周邊區域的污染源，由降水帶來的土壤侵蝕，尤其是暴雨期產生的水土流失會導致污染擴散，對周邊區域土水環境帶來危害。污染土壤中可溶性金屬離子和化合物最終會進入水體，影響更大區域的生態安全。重金屬污染治理工程實施會帶來直接的污染，采用生態技術可以修復污染區植被與景觀，但修復污染土壤需要的時間很長。國內外近年來開發了系列控制農業面源污染的生態攔截技術，主要方法是構建含有不同植物種類的溝渠系統，用以攔截徑流泥沙，利用植物、根系微生物和基質填料的綜合作用滯留和去除氮、磷等面源污染物。國際上近期發展了用以處理污染水體的可滲透反應墻(Permeable Reactive Barrier)技術,其采用還原性強的化學反應介質,可去除多種重金屬元素以及硝酸根、硫酸根等污染物。以上技術在農業面源污染控制和污染水體治理中取得一定成效，但應用于重金屬污染擴散控制方面的事例甚少。
發明內容
本發明旨在克服現有技術的不足，提供一種適用于南方重金屬污染區的土壤滲漏液與地表徑流攔截凈化系統及方法，主要用以控制重金屬污染區污染的擴散，重點是阻截污染區水土流失、凈化土壤滲漏液和徑流、修復和增強污染區退化濕地功能。為了達到上述目的，本發明提供的技術方案為
一種適用于南方重金屬污染區的土壤滲漏液與地表徑流攔截凈化系統，所述土壤滲漏液與地表徑流攔截凈化系統包括滲漏液與徑流收集系統，通過水井與滲漏液與徑流收集系統連接的滲漏液與徑流處理系統；所述滲漏液與徑流收集系統為構建于污染區邊緣的暗溝，所述暗溝由下至上依次為石礫層、A吸附填料層和原土層，所述原土層上種植植物；所述滲漏液與徑流處理系統由通過水井串聯的第一級垂直潛流單元、第二級垂直潛流單元和第三級垂直潛流單元組成，每一級垂直潛流單元由下至上依次為石粒層、B吸附填料層和細沙層，所述細沙層上種植濕地植物。其中，所述A吸附填料層為天然沸石；所述第一級垂直潛流單元中B吸附填料層為天然沸石和FeO ;第二級垂直潛流單元中B吸附填料層為膨脹蛭石和硅藻土 ；第三級垂直潛流單元中B吸附填料層為水滑石和CaCO3 ;所述原土層和細沙層上的植物選自如下植物
先鋒植物商陸、黃荊條、鐵掃帚、鬼針草冬茅、狗牙根、艾蒿、草木犀、白茅、斑地錦、野生大豆、律草、蒲公英、野葛、白背葉； 用材林植物泡桐、欒樹、任木、馬尾松、苦楝、黃楊、海桐、香樟；
工業原料植物鹽膚木、構樹、棕櫚、楓香、蘆葦、蘆竹、龍須草、苧麻、香根草、野桐；
能源植物烏桕、黃連木、白檀、光皮樹、蓖麻、矮象草、芒屬植物、楊樹、能源柳；
景觀植物德國鳶尾、紫葉美人蕉、美人蕉、花葉蘆竹、香蒲、香菇草、梭魚草、旱傘草、千屈菜、黑三棱、東方香蒲、鳶尾、燈芯草、姜花、菖蒲、再力花、鴨趾草、山礬、六道木、夾竹桃、小葉女貞、木繡球、復羽葉欒樹、杜英、千頭柏、球核莢迷、金銀花。本發明還提供了一種適用于南方重金屬污染區的土壤滲漏液與地表徑流攔截凈化方法，所述方法包括如下步驟
(O構建滲漏液與徑流收集系統在污染區邊緣構建暗溝，暗溝底層鋪設石礫，中層鋪設吸附填料，表層覆蓋原土，原土上配置不同的抗性植物形成抗污染植物群落帶，即完成滲漏液與徑流收集系統的構建；
(2)構建滲漏液與徑流處理系統在滲漏液與徑流收集系統出水匯集處的水井后依次設置第一級垂直潛流單元，第二級垂直潛流單元和第三級垂直潛流單元，所述三級垂直潛流單元之間通過水井連通；每級垂直潛流單元底層鋪設石粒，中層鋪設吸附填料，表層鋪設細沙，細沙上配置濕地植物，即完成滲漏液與徑流處理系統的構建。( 3)運行與維護管理步驟(I)構建的滲漏液與徑流收集系統和(2)構建的滲漏液與徑流處理系統組成土壤滲漏液與地表徑流攔截凈化系統，土壤滲漏液與地表徑流攔截凈化系統建成后自然運行，人工維護管理系統中的植物和監測水質。其中，步驟(I)所述暗溝中層鋪設的吸附填料為天然沸石；步驟(2)所述第一級垂直潛流單元中層鋪設的吸附填料為為天然沸石和FeO，第二級垂直潛流單元中層鋪設的吸附填料為膨脹蛭石和硅藻土，第三級垂直潛流單元中層鋪設的吸附填料為水滑石和CaCO3 ；所述暗溝表層和垂直潛流單元表層的植物配置方法為選用不同季節的優勢和建群植物，構建復合立體型抗污染生物群落模式；植物選擇的依據是植物抗重金屬脅迫、適應干濕交替環境和吸收利用重金屬元素的能力及其經濟、美學和可持續利用價值；植物配置遵循的原則為(1)因地制宜，盡可能選用速生、抗污染力強的本土植物；(2)豐富植被生物多樣性，以多年生優勢和建群木本植物為主搭配一年生草本植物,形成完整的生物群落；(3)強化植被立體空間效應，通過合理地配置，改善林相與根系的空間結構；(4)增強植被自然更替的能力，采用冷、暖季植物套種模式，實現系統植物群落的自然換季。優選地，所述暗溝表層和垂直潛流單元表層的植物選自如下植物
先鋒植物商陸、黃荊條、鐵掃帚、鬼針草冬茅、狗牙根、艾蒿、草木犀、白茅、斑地錦、野生大豆、律草、蒲公英、野葛、白背葉；
用材林植物泡桐、欒樹、任木、馬尾松、苦楝、黃楊、海桐、香樟；
工業原料植物鹽膚木、構樹、棕櫚、楓香、蘆葦、蘆竹、龍須草、苧麻、香根草、野桐；
能源植物烏桕、黃連木、白檀、光皮樹、蓖麻、矮象草、芒屬植物、楊樹、能源柳；
景觀植物德國鳶尾、紫葉美人蕉、美人蕉、花葉蘆竹、香蒲、香菇草、梭魚草、旱傘草、千屈菜、黑三棱、東方香蒲、鳶尾、燈芯草、姜花、菖蒲、再力花、鴨趾草、山礬、六道木、夾竹桃、小葉女貞、木繡球、復羽葉欒樹、杜英、千頭柏、球核莢迷、金銀花。下面結合原理對本發明作進一步說明
本發明的適用于南方重金屬污染區的土壤滲漏液與地表徑流攔截凈化系統包含滲漏液與徑流收集系統與處理系統
滲漏液與徑流收集系統為環繞污染區邊緣構建的暗溝，暗溝底層鋪設石礫，中層鋪設吸附填料，表層覆蓋原土，配置不同的抗性植物，形成抗污染植物群落帶。暗溝位置、數量、長度、寬度、深度、外墻高度、填料選擇與用量、通透性和植物種類配置等設計依據污染類型與程度、地形、坡度、土壤質地及當地降水狀況來確定，標準是能長期、有效地攔截水土流失、并將滲入暗溝的水導入匯集口的處理系統。暗溝的表觀形似植物綠化帶(網)，其作用除了阻截水土流失、收集滲漏液與徑流外，溝內的吸附填料和表層生長的植物及根際微生物還具有原位處理的功能。因此，收集系統也是凈化處理的初級單元。滲漏液與徑流處理系統設置在攔截系統匯集出水口，作用是對匯集的滲漏液與徑流進行深度處理，以保證進入自然水體的水質達到國家規定的安全標準。本發明采用的土壤滲漏液與徑流處理系統是一個綜合吸附、可滲透反應墻與生物群落作用的組合人工濕地系統，含三個串聯的垂直潛流單元，每個單元鋪設不同的反應介質和吸附填料，表層種植濕地植物。匯集的土壤滲漏液與地表徑流自單元表層垂直下滲，再由連接的水井出水進入下一單元，水質在逐級單元植物、根際微生物、反應介質和填料的綜合作用下得以凈化。吸附填料(見表I)包括氧化還原性化學物質(用以鈍化重金屬污染物)、陽離子吸附劑(用以吸附截留以陽離子形態存在的重金屬污染物)和陰離子吸附劑(用以吸附截留以陰離子形態存在的重金屬污染物)。系統填料用量與填料飽和當量容量、污染類型及程度相關，實踐應用中可基于平衡吸附與解吸曲線來確定填料用量。植物配置的方法是選用不同季節的優勢和建群植物，構建復合立體型抗污染生物群落模式。植物選擇的依據是其抗重金屬脅迫、適應干濕交替環境和吸收利用重金屬元素的能力及其經濟、美學和可持續利用價值。植物配置遵循的原則是①因地制宜，盡可能選用速生、抗污染力強的本土植物，②豐富植被生物多樣性，以多年生優勢和建群木本植物為主搭配一年生草本植物，形成完整的生物群落，③強化植被立體空間效應，通過合理地配置，改善林相與根系的空間結構，④增強植被自然更替的能力，采用冷、暖季植物套種模式，實現系統植物群落的自然換季。基于南方重金屬污染區植被調查、盆栽試驗和污染礦區生態修復示范工程檢驗篩選的5大類(先鋒、用材林、工業原料、能源和景觀)植物種類如下
先鋒植物商陸、黃荊條、鐵掃帚、鬼針草冬茅、狗牙根、艾蒿、草木犀、白茅、斑地錦、野生大豆、律草、蒲公英、野葛、白背葉；
用材林植物泡桐、欒樹、任木、馬尾松、苦楝、黃楊、海桐、香樟；
工業原料植物鹽膚木、構樹、棕櫚、楓香、蘆葦、蘆竹、龍須草、苧麻、香根草、野桐；
能源植物烏桕、黃連木、白檀、光皮樹、蓖麻、矮象草、芒屬植物、楊樹、能源柳；
景觀植物德國鳶尾、紫葉美人蕉、美人蕉、花葉蘆竹、香蒲、香菇草、梭魚草、旱傘草、千屈菜、黑三棱、東方香蒲、鳶尾、燈芯草、姜花、菖蒲、再力花、鴨趾草、山礬、六道木、夾竹桃、小葉女貞、木繡球、復羽葉欒樹、杜英、千頭柏、球核莢迷、金銀花。系統建成后自然運行，需要少量人工維護管理系統植物和監測水質。與現有技術相比，本發明的有益效果為
(I)攔截凈化效果好，可降低污染區水土流失量90%以上，處理系統出水水質可達到國家《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)和《地下水質量標準》(GB/T14848-93) III類標準； (2)系統建設、運行和維護管理成本低，無能耗；
(3)植物、根際微生物、反應介質和吸附填料的綜合作用可實現系統凈化能力的生物再生，不需要更換填料；
(4)采用季節性植物套種模式可實現自然換季，系統穩定性和可持續性強、景觀生態學價值高；
(5)適應面廣，可在南方不同類型的重金屬污染區推廣應用。在達到重金屬污染土壤治理目標前，采用本技術建立土壤滲漏液和地表徑流攔截凈化處理系統，是控制污染擴散，保證區域生態環境安全的有效途徑之一。本項發明結合重金屬污染環境治理周期長的實際情況，通過借鑒與創新，集成抗污染植物群落配置、吸附、可滲透反應墻和人工濕地技術，形成完整的重金屬污染區土壤滲漏液與地表徑流攔截凈化處理技術體系，具有創新性。
圖1為本發明土壤滲漏液與地表徑流攔截凈化系統結構示意圖，其中箭頭方向為水流方向；
圖2為本發明滲漏液與徑流收集系統結構示意 圖3為本發明滲漏液與徑流處理系統結構示意圖，其中箭頭方向為水流方向。圖中1、石礫層；2、A吸附填料層；3、原土層；4、第一級垂直潛流單元；5、第二級垂直潛流單元；6、第三級垂直潛流單元；7、石粒層；8、B吸附填料層；9、細沙層；10、水井；
11、污染區；12、暗溝。
具體實施例方式實施例1
參見圖1至圖3，，所述適用于南方重金屬污染區的土壤滲漏液與地表徑流攔截凈化系統包括滲漏液與徑流收集系統，通過水井與滲漏液與徑流收集系統連接的滲漏液與徑流處理系統；所述滲漏液與徑流收集系統為構建于污染區11邊緣的暗溝12，所述暗溝12由下至上依次為石礫層1、A吸附填料層2和原土層3，所述原土層3上種植植物；所述滲漏液與徑流處理系統由通過水井10串聯的第一級垂直潛流單元4、第二級垂直潛流單元5和第三級垂直潛流單元6組成，每一級垂直潛流單元由下至上依次為石粒層7、B吸附填料層8和細沙層9，所述細沙層9上種植濕地植物。如表I所示，所述A吸附填料層2為天然沸石；所述第一級垂直潛流單元中B吸附填料層8為天然沸石和FeO ;第二級垂直潛流單元中B吸附填料層8為膨脹蛭石和硅藻土 ；第三級垂直潛流單元中B吸附填料層8為水滑石和CaC03。表I
權利要求
1.一種適用于南方重金屬污染區土壤滲漏液與地表徑流攔截凈化系統，其特征在于，所述土壤滲漏液與地表徑流攔截凈化系統包括滲漏液與徑流收集系統，通過水井與滲漏液與徑流收集系統連接的滲漏液與徑流處理系統；所述滲漏液與徑流收集系統為構建于污染區(11)邊緣的暗溝(12)，所述暗溝(12)由下至上依次為石礫層(I)、A吸附填料層(2)和原土層(3)，所述原土層(3)上種植植物；所述滲漏液與徑流處理系統由通過水井(10)串聯的第一級垂直潛流單元(4)、第二級垂直潛流單元(5)和第三級垂直潛流單元(6)組成，每一級垂直潛流單元由下至上依次為石粒層(7)、B吸附填料層(8)和細沙層(9)，所述細沙層(9)上種植濕地植物。
2.如權利要求1所述的土壤滲漏液與地表徑流攔截凈化系統，其特征在于，所述A吸附填料層(2)為天然沸石。
3.如權利要求1所述的土壤滲漏液與地表徑流攔截凈化系統，其特征在于，所述第一級垂直潛流單元中B吸附填料層(8)為天然沸石和FeO ;第二級垂直潛流單元中B吸附填料層(8)為膨脹蛭石和硅藻土 ；第三級垂直潛流單元中B吸附填料層(8)為水滑石和CaC03。
4.如權利要求1所述的土壤滲漏液與地表徑流攔截凈化系統，其特征在于，所述原土層(3)和細沙層(9)上的植物選自如下植物 先鋒植物商陸、黃荊條、鐵掃帚、鬼針草冬茅、狗牙根、艾蒿、草木犀、白茅、斑地錦、野生大豆、律草、蒲公英、野葛、白背葉； 用材林植物泡桐、欒樹、任木、馬尾松、苦楝、黃楊、海桐、香樟； 工業原料植物鹽膚木、構樹、棕櫚、楓香、蘆葦、蘆竹、龍須草、苧麻、香根草、野桐； 能源植物烏桕、黃連木、白檀、光皮樹、蓖麻、矮象草、芒屬植物、楊樹、能源柳； 景觀植物德國鳶尾、紫葉美人蕉、美人蕉、花葉蘆竹、香蒲、香菇草、梭魚草、旱傘草、千屈菜、黑三棱、東方香蒲、鳶尾、燈芯草、姜花、菖蒲、再力花、鴨趾草、山礬、六道木、夾竹桃、小葉女貞、木繡球、復羽葉欒樹、杜英、千頭柏、球核莢迷、金銀花。
5.一種適用于南方重金屬污染區土壤滲漏液與地表徑流攔截凈化方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟 (O構建滲漏液與徑流收集系統在污染區邊緣構建暗溝，暗溝底層鋪設石礫，中層鋪設吸附填料，表層覆蓋原土，原土上配置不同的抗性植物形成抗污染植物群落帶，即完成滲漏液與徑流收集系統的構建； (2)構建滲漏液與徑流處理系統在滲漏液與徑流收集系統出水匯集處的水井后依次設置第一級垂直潛流單元，第二級垂直潛流單元和第三級垂直潛流單元，所述三級垂直潛流單元之間通過水井連通；每級垂直潛流單元底層鋪設石粒，中層鋪設吸附填料，表層鋪設細沙，細沙上配置濕地植物，即完成滲漏液與徑流處理系統的構建； (3 )運行與維護管理步驟(I)構建的滲漏液與徑流收集系統和(2 )構建的滲漏液與徑流處理系統組成土壤滲漏液與地表徑流攔截凈化系統，土壤滲漏液與地表徑流攔截凈化系統建成后自然運行，人工維護管理系統中的植物和監測水質。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，步驟(I)所述暗溝中層鋪設的吸附填料為天然沸石；步驟(2)所述第一級垂直潛流單元中層鋪設的吸附填料為為天然沸石和FeO，第二級垂直潛流單元中層鋪設的吸附填料為膨脹蛭石和硅藻土，第三級垂直潛流單元中層鋪設的吸附填料為水滑石和CaC03。
7.如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述暗溝表層和垂直潛流單元表層的植物配置方法為選用不同季節的優勢和建群植物，構建復合立體型抗污染生物群落模式；植物選擇的依據是植物抗重金屬脅迫、適應干濕交替環境和吸收利用重金屬元素的能力及其經濟、美學和可持續利用價值；植物配置遵循的原則為(1)因地制宜，選用速生、抗污染力強的本土植物；(2)豐富植被生物多樣性，以多年生優勢和建群木本植物為主搭配一年生草本植物，形成完整的生物群落；(3)強化植被立體空間效應，通過合理地配置，改善林相與根系的空間結構；(4)增強植被自然更替的能力，采用冷、暖季植物套種模式，實現系統植物群落的自然換季。
8.如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述暗溝表層和垂直潛流單元表層的植物選自如下植物 先鋒植物商陸、黃荊條、鐵掃帚、鬼針草冬茅、狗牙根、艾蒿、草木犀、白茅、斑地錦、野生大豆、律草、蒲公英、野葛、白背葉； 用材林植物泡桐、欒樹、任木、馬尾松、苦楝、黃楊、海桐、香樟； 工業原料植物鹽膚木、構樹、棕櫚、楓香、蘆葦、蘆竹、龍須草、苧麻、香根草、野桐； 能源植物烏桕、黃連木、白檀、光皮樹、蓖麻、矮象草、芒屬植物、楊樹、能源柳； 景觀植物德國鳶尾、紫葉美人蕉、美人蕉、花葉蘆竹、香蒲、香菇草、梭魚草、旱傘草、千屈菜、黑三棱、東方香蒲、鳶尾、燈芯草、姜花、菖蒲、再力花、鴨趾草、山礬、六道木、夾竹桃、小葉女貞、木繡球、復羽葉欒樹、杜英、千頭柏、球核莢迷、金銀花。
全文摘要
本發明涉及一種適用于南方重金屬污染區的土壤滲漏液與地表徑流攔截凈化系統及方法。本發明主要用以控制重金屬污染區的污染擴散，包括阻截污染區水土流失、凈化土壤滲漏液和徑流、修復和增強退化濕地功能。本發明建設、運行和維護管理成本低，無能耗；攔截凈化效果好，可降低污染區水土流失量90%以上，處理系統出水水質可達到國家《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)和《地下水質量標準》(GB/T14848-93)III類標準；技術適應面廣，可在南方不同類型的重金屬污染區推廣應用。
文檔編號C02F9/14GK103028596SQ201210550670
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月18日 優先權日2012年12月18日
發明者吳曉芙, 蔣麗娟, 文仕知, 周訓芳, 陳永華, 林楊 申請人:中南林業科技大學