一種凈化污染河道的生物繩強化植物修復系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種凈化污染河道的生物繩強化植物修復系統，它涉及水體的污染控制方法。本發明采用生物繩對植物修復技術進行強化，組成“植物-微生物”強化凈化修復系統，系統上部為挺水植物床，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2-4cm的吸附層，吸附層從上至下為納米碳微球層、納米碳管層、吸附網。本發明可以解決流域河網地區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。
【專利說明】一種凈化污染河道的生物繩強化植物修復系統
【技術領域】
[0001]本發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系統。
【背景技術】
[0002]隨著人口的增長和經濟的快速發展，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類水質斷面比例分別為20.9%和10.2%，水體已喪失使用價值(即水質為IV、V、劣V類)的斷面比例占31.1 %。尤其是城市河流，由于受城市發展的影響較大，其水污染從污染類型到污染強度都發生了重大變化，一方面制約城市的社會、經濟與環境可持續發展，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的方法進行了大量的研究和嘗試。河道水體修復方法主要包括物理法、化學法與生態修復法，其中，生態修復技術由于具有安全、經濟、實用、系統等諸多優點而成為河流污染治理的主要技術手段。
[0003]生態修復的概念自20世紀70年代被提出以來，由于其應用廣、成本低、環境美學價值高、環境擾動小、治理污染同時也有利于改善生態環境等特點在美國、西歐等一些發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、韓國等國家對生態修復的研究也尤為重視，并且實施了一系列的生態修復工程，使河流湖 泊的水質得到一定的改善，保證了飲用水的質量，并相繼開展了一系列生態工程的實驗研究，也取得了大量的研究成果。
[0004]植物修復系統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。現有研究表明，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凈化效果和廣泛的應用前景。同時，植物修復系統中的微生物與其凈化功能之間存在顯著關系，數量越多則去除率越高，其中污水中BOD5的去除率與細菌總數顯著相關，氨氮的去除率與硝化細菌和反硝化細菌的數量密切相關。
[0005]生態-生物污水處理技術，是利用培育的植物或培養、接種的微生物的生命活動，對水中污染物進行轉移、轉化及降解作用，從而使水體得到凈化的技術，具有處理效果好、工程造價相對較低、不需耗能或低耗能、運行成本低廉等優點。另外，這種處理技術不向水體投放藥劑，不會形成二次污染。還可以與綠化環境及景觀改善相結合，在治理區建設休閑和體育設施，創造人與自然相融合的優美環境。
[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系統中物理、化學和生物的三重共同作用來實現對污水的凈化。這種濕地系統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(如蘆葦等)，形成一個獨特的動植物生態環境，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。這種技術已經成為提高大型水體水質的有效方法。
[0009](3) 土地處理技術是一種古老、但行之有效的水處理技術。它是以土地為處理設施，利用土壤-植物系統的吸附、過濾及凈化作用和自我調控功能，達到某種程度對水的凈化的目的。土地處理系統可分為快速滲濾、慢速滲濾、地表漫流、濕地處理等幾種形式。國外的實踐經驗表明，土地處理系統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，現有的水體植物修復技術，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，尤其是動態水流條件下氮磷很難去除。
【發明內容】
[0011]針對現有技術上存在的不足，本發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系統，采用生物繩對植物修復技術進行強化，組成“植物-微生物”強化凈化修復系統，該系統可以解決流域河網地區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。
[0012]為了實現上述目的，本發明是通過如下的技術方案來實現:
[0013](1) 一種凈化污染河道的生物繩強化植物修復系統，系統上部為挺水植物床，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、結構穩定的維尼綸和尼龍，以及彈性恢復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，進一步提高系統的凈化效率。所述吸附層從上至下為納米碳微球層、納米碳管層、吸附網；納米碳微球層與納米碳管層的填加比例為體積比1: 2;吸附網為鈦金屬制成。
[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 ;然后關掉電源使系統在N2氣氛中使反應系統緩慢冷卻即得所述納米碳管。
[0019]本發明的有益效果:在動態水流條件下對該系統進行試驗，結果表明該發明對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系統的運用，極大削減了 COD、SS、NH3-N, TN、TP含量，有效改善污染河道水質，為下游水體減小了污染負荷壓力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]下面結合附圖和【具體實施方式】來詳細說明本發明；
[0021]圖1為本發明的生物繩強化植物修復系統示意圖，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為本發明的河道空間布局圖。
【具體實施方式】
[0023]為使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合【具體實施方式】，進一步闡述本發明。
[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系統(圖1)，系統上部為挺水植物床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，生物繩設置好后，固定于挺水植物床下方。
[0027](3)生物繩強化植物修復系統固定好后置于河道內。每個生物繩強化植物修復系統長2m，寬lm，在河道兩岸間隔2m放置，20m范圍內共布置10個生物繩強化植物修復系統，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3cm的吸附層，所述吸附層從上至下為納米碳微球層、納米碳管層、吸附網；納米碳微球層與納米碳管層的填加比例為體積比1: 2;吸附網為鈦金屬制成。
[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 ;然后關掉電源使系統在N2氣氛中使反應系統緩慢冷卻即得所述納米碳管。
[0030]通過河道試驗，結果表明該發明對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)，水質明顯改善。
[0031]表1工程實施后系統進出水水質監測數據(mg/L)
【權利要求】
1.一種凈化污染河道的生物繩強化植物修復系統，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”強化凈化修復系統。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2-4cm的吸附層，吸附層從上至下為納米碳微球層、納米碳管層、吸附網。
2.根據權利要求1所述的一種凈化污染河道的生物繩強化植物修復系統，其特征在于生物繩強化植物修復系統上部種植挺水植物，選擇水質凈化效果較好的美人蕉、菖蒲、旱傘草、鳶尾等，系統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.根據權利要求1所述的一種凈化污染河道的生物繩強化植物修復系統，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、結構穩定的維尼綸和尼龍，以及彈性恢復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，內層附著厭氧微生物。
4.根據權利要求1所述的一種凈化污染河道的生物繩強化植物修復系統，其特征在于所述生物繩固定床底部設有2-4cm的吸附層，所述吸附層從上至下為納米碳微球層、納米碳管層、吸附網；納米碳微球層與納米碳管層的填加比例為體積比1: 2。
5.根據權利要求4所述的一種凈化污染河道的生物繩強化植物修復系統，其特征在于所述吸附網為鈦金屬制成。
【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 優先權日:2014年3月17日
【發明者】張瑞斌, 錢新, 朱文婷, 高海龍, 王金花, 劉喆 申請人:南京大學