一种沉床浮床耦合水质净化装置.pdf

本发明公开了一种沉床-浮床耦合水质净化装置，包括由UPVC管材制作的沉床和浮床；沉床包括上下形状相同的上下矩形框，两矩形框之间有多条垂直连接管，下矩形框内有多条水平连接管，框架内是连通的，下矩形框嵌有可拼接的浮块，其上装有种植沉水植物的种植盆；浮床上也嵌装有可拼接的浮块，其上装有种植挺水植物的种植盆，浮床上相邻浮块间垂挂有人工水草；沉床放置于浮床内轮廓的中央处；沉床与浮床间有连接绳。借助沉床内部灌水和抽水及调节绳的作用调节沉水植物在水中的位置，以实现沉水植物随水位、透明度等生态位的改变，并最大限度地模拟了天然水体环境。水生植物种植量大、品种丰富、成活率高，更加有利于水体自身生态群落的恢复。

权利要求书
1.  一种沉床-浮床耦合水质净化装置，包括沉床(1)和浮床(2)；其特征在于：
所述沉床(1)包括由UPVC管材制作的水位调节框架，所述水位调节框架包括形状相同的上矩形框(11)和下矩形框(12)，所述上矩形框(11)和下矩形框(12)之间设有多条垂直连接管(13)，所述下矩形框(12)内设有多条水平连接管(19)，所述上矩形框(11)、下矩形框(12)、水平连接管(19)和垂直连接管(13)内部形成一连通的空间，所述下矩形框(12)上设有进水口(14)，所述上矩形框上设有出气口(15)，所述进水口(14)和出气口(15)处均分别设有阀门；所述下矩形框(12)内嵌有可拼接的沉床浮块(16)，每个沉床浮块(16)中央设有通孔，通孔中嵌装有塑料种植盆(17)，每个塑料种植盆(17)内种植有沉水植物(18)；
所述浮床(2)包括由UPVC管材制作的框架式支撑(21)，所述框架式支撑(21)上嵌装有可拼接的浮床浮块(22)，每个沉床浮块(22)中央设有通孔，通孔中嵌装有塑料种植盆(23)，每个塑料种植盆(23)种植有挺水植物(24)，相邻的浮床浮块(22)之间垂挂有人工水草(25)；
所述浮床(2)的整体形状呈回字形，所述沉床(1)放置于所述浮床(2)的内轮廓的中央处；
所述沉床(1)与浮床(2)之间连接有可调节的连接绳(3)。

2.  根据权利要求1所述一种沉床-浮床耦合水质净化装置，其特征在于，所述沉床(1)的整体形状小于浮床(2)的内轮廓形状。

3.  根据权利要求1所述一种沉床-浮床耦合水质净化装置，其特征在于，所述浮床(2)的内轮廓与所述沉床(1)的外轮廓之间相距25～35cm。

4.  根据权利要求1所述一种沉床-浮床耦合水质净化装置，其特征在于，所述沉床浮块(16)和浮床浮块(22)的规格为33cm*33cm*6cm，沉床浮块(16)和浮床浮块(22)上通孔的直径为16cm。

5.  根据权利要求1所述一种沉床-浮床耦合水质净化装置，其特征在于，所述下矩形框(12)与沉床浮块(16)之间、所述框架式支撑与浮床浮块(22)之间均采用0.8cm宽的线扎捆绑，相邻的浮块之间也采用0.8cm宽的线扎捆绑连接。

6.  根据权利要求1所述一种沉床-浮床耦合水质净化装置，其特征在于，所述沉床浮块(16)上根据浮力要求设有通孔。

7.  根据权利要求1所述一种沉床-浮床耦合水质净化装置，其特征在于，所述UPVC管材包括UPVC管、UPVC弯头、UPVC三通或UPVC四通。

8.  根据权利要求1所述一种沉床-浮床耦合水质净化装置，其特征在于，所述可调节的连接绳(3)有四根、分别连接于沉床(1)的上矩形框(11)与浮床(2)的框架式支撑(21)之间的四角处。

9.  根据权利要求1所述一种沉床-浮床耦合水质净化装置，其特征在于，所述进水口(14)有两个，所述出气口(15)有两个。

10.  根据权利要求1所述一种沉床-浮床耦合水质净化装置，其特征在于，所述人工水草(25)的种类根据水质选择一种或多种搭配，人工水草(25)的长度根据应用水体深度确定。

说明书一种沉床-浮床耦合水质净化装置
技术领域
本发明涉及自然及人工河道、湖泊的生态重建与恢复技术，具体来说，涉及富营养化及水生植物退化的、透明度较低的水体的生态修复与水质净化领域，尤其涉及一种沉床-浮床耦合水质净化技术装置。
背景技术
近年来，由于人口的剧增和工业的飞速发展，大量的氮、磷元素输入到水环境中，造成水体富营养化，赤潮水华频繁爆发。水体生态环境恶化，透明度下降，水生植物分布面积减少，群落结构趋向单一化，生态系统已相当脆弱。
挺水植物只能通过根部从底泥或周围水中的氮、磷元素，能吸收、富集重金属和有毒有害物质，还可以通过对水流的阻尼减缓水流速度，过滤和沉淀悬浮物、有机物等。如果仅采用挺水植物，其根部所接触到的水深度较小，因此处理水量小且效果差。且挺水植物通过光合作用释放的氧气直接进入了空气中，其对水体的复氧作用远小于沉水植物，不利于水体水质的改善。
沉水植物被形象的比喻为“水下森林”，沉水植物不仅可以通过吸收氮、磷等营养元素遏制水体富营养化，其自身对藻类也有抑制作用，沉水植物还可以通过光合作用对水体起到增氧的作用。但沉水植物对水体的净化能力与其生长状态有关，而在实际环境中沉水植物的生长受到很多因子的影响。其中光照强度对沉水植物生长起着主要限制作用，营养盐、底质、悬浮物、水流、温度对沉水植物生长影响较为明显，着生藻类、重金属、pH等因子也会对沉水植物生长产生一定影响。当水体污染严重，透明度低时，水下的光照小于沉水植物的光补偿点时，沉水植物则不能良好的生长。而目前我国的自然水体，人工水体都面临着水体富营养化、透明度过低等问题。
目前，已有的生态浮床技术中，诸如：公告号为CN101007686A，公开日为2007年8月1日的中国发明专利申请《污水生物处理模块化气浮式人工沉床及制作方法和净化方法》，浮床上的植物仅限于可以露出水面的挺水植物或浮叶植物，而忽略了沉水植物在水体净化中的重要作用。虽然有研究者提出可升降式浮床的概念，再如，公开号为CN101356881A，公开日为2009年2月4日的中国发明专利申请《可升降沉水植物生长床及其制作和应用方法》，床体采用钢筋作为支架，公告号为CN201648116U，公告日为2010年11月24日的中国实用新型专利《沉水式水生植物浮床》，床体为镂空的金属网，金属材质的床体长时间放在水中容易腐蚀生锈，上浮时对浮力主体的要求高，床体的造价也较高；另外，公告号为CN201777934U，公告日为2011年3月30日的中国实用新型专利《一种连续可调式沉水植物种植网床》及公开号为CN101356881A的中国发明专利申请《可升降沉水植物生长床及其 制作和应用方法》，其中，均采用毛竹作为浮力主体，若长时间放置，毛竹腐烂后反而会向水体中释放营养物质，造成二次污染。公告号为别为CN202272773U，公告日为2012年6月13日的中国实用新型专利《沉水位置可调的网箱式生态沉床》、公告日为CN201777934U，公告日为2011年3月30日的中国实用新型专利《一种连续可调式沉水植物种植网床》和公告号为CN201999795U，公告日为2011年10月5日的中国实用新型专利《一种连续沉降式沉水植物生态网床》中，均采用在水底固定打桩，通过连接于固定桩的拉线来调节床体在水下的位置。这不仅加大了现场安装床体时的施工难度，增加成本，而且对于以后的维护也带来不便。
目前，也有采用两层浮床结构的，如公告号为CN202131156U，公开日为2012年2月1日的中国实用新型专利《一种可调式大植物量生态浮床装置》，采用两层浮床，上层在水面以上，种植挺水植物；下层在水面以下，种植沉水植物。但是不足的是其浮床上下两层重叠，上层种植植物后会遮挡下层的阳光，下层植物光补偿点达不到，植物难以成活；而且两层浮床仅靠连通管连接，可到达的生态位浅，接触到的水体少，影响处理效果。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种沉床-浮床耦合水质净化技术，具有植物种植量大、品种多样化且可自由组合、保证植物最佳生长环境、水质净化能力强、美化景观等特点。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种沉床-浮床耦合水质净化装置，包括沉床和浮床；所述沉床包括由UPVC管材制作的水位调节框架，所述水位调节框架包括形状相同的上矩形框和下矩形框，所述上矩形框和下矩形框之间设有多条垂直连接管，所述下矩形框内设有多条水平连接管，所述上矩形框、下矩形框、水平连接管和垂直连接管内部形成一连通的空间，所述下矩形框上设有进水口，所述上矩形框上设有出气口，所述进水口和出气口处均分别设有阀门；所述下矩形框内嵌有可拼接的沉床浮块，每个沉床浮块中央设有通孔，通孔中嵌装有塑料种植盆，每个塑料种植盆内种植有沉水植物；所述浮床包括由UPVC管材制作的框架式支撑，所述框架式支撑上嵌装有可拼接的浮床浮块，每个沉床浮块中央设有通孔，通孔中嵌装有塑料种植盆，每个塑料种植盆种植有挺水植物，相邻的浮床浮块之间垂挂有人工水草；所述浮床的整体形状呈回字形，所述沉床放置于所述浮床的内轮廓的中央处；所述沉床与浮床之间连接有可调节的连接绳。
进一步讲，本发明一种沉床-浮床耦合水质净化装置，其中，所述沉床的整体形状小于浮床的内轮廓形状。所述浮床的内轮廓与所述沉床的外轮廓之间相距25～35cm。
所述沉床浮块和浮床浮块的规格为33cm*33cm*6cm，沉床浮块和浮床浮块上通孔的直径为16cm。所述下矩形框与沉床浮块之间、所述框架式支撑与浮床浮块之间均采用0.8cm宽的线扎捆绑，相邻的浮块之间也采用0.8cm宽的线扎捆绑连接。所述沉床浮块上根据浮 力要求设有通孔。
所述UPVC管材包括UPVC管、UPVC弯头、UPVC三通或UPVC四通。
所述可调节的连接绳有四根、分别连接于沉床的上矩形框与浮床的框架式支撑之间的四角处。
所述进水口有两个，所述出气口有两个。
所述人工水草的种类根据水质选择一种或多种搭配，人工水草的长度根据应用水体深度确定。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明借助沉床主体内部灌水或抽水及调节连接绳的作用，在光补偿深度垂直空间调节沉床的位置(分为定植水位和固定生长水位)，即沉水植物在水中的位置，以实现沉水植物随水位、透明度、植物生长状况等改变生态位，解决了沉水植物水体修复过程中光补偿度、透明度等因素对沉水植物生长的限制，可达到较深的生态位。
本发明中的沉床和浮床的框架均采用UPVC管材，具有耐酸、耐碱、耐腐蚀性强，耐压性能好，强度高，质轻，价格较低，流体阻力小，无二次污染等优点。
本发明沉床-浮床耦合水质净化装置的浮力由三部分提供，一是沉床的矩形框架中若本身不灌水时提供的浮力、二是位于沉床下部的浮块提供的浮力、三是浮床上的浮块提供的浮力；这样的设计可以充分利用装置选材本身的特点，简化了床体结构，节约了成本，且容易维护。
本发明将浮床与沉床相结合，首先充分利用了水体的垂向空间，更有利于水质的净化；其次在浮床上种植挺水植物丰富了植物种类，起到了景观美化的作用；第三在浮床下部垂直悬挂人工水草，可以为微生物的附着、生长提供载体，有利于生物膜的形成。且人工水草对内部的沉床起到过滤水质，提高水透明度的作用，有利于沉水植物的生长；第四沉水植物可以释放分泌物、碎屑和氧气，为浮床下部人工水草附着的生物膜提供生长所需营养物质，更有利于生物膜的形成；再次浮床为沉床提供了浮力，保证沉床主体的稳定，而且二者在垂向并无重叠，浮床不会遮挡阳光，可保证沉床中沉水植物对光照的需求。
发明采用沉水植物-挺水植物耦合净化受污染的水体，沉水植物和挺水植物不仅可以通过吸收氮、磷等营养元素遏制水体富营养化，还可以吸收、富集重金属，拦截、过滤悬浮颗粒物等，对藻类也有抑制作用，还可以通过光合作用对水体起到增氧的作用。沉床-浮床二者相结合具有水生植物种植量大，品种丰富、成活率高的优点，且水质净化效果更好。二者结合最大限度的模拟了天然水体环境，更加有利于所净化水体自身生态群落的恢复。
附图说明
图1为本发明一种沉床-浮床耦合水质净化装置的俯视图；
图2是图1所示沉床-浮床耦合水质净化装置处于定植水位时的侧面示意图；
图3是图1所示沉床-浮床耦合水质净化装置处于固定生长水位时的侧面示意图；
图中：
1-沉床主体         11-上矩形框            12-下矩形框       13-垂直连接管
14-进水口          15-出气口              16-沉床浮块       17、23-塑料种植盆
18-沉水植物        19-水平连接管          2-浮床主体        21-框架式支撑
22-浮床浮块        24-挺水植物            25-人工水草       26-UPVC管
27-UPVC弯头        28-UPVC三通            29-线扎           3-连接绳
4-水位
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图及实施案例进一步阐述本发明。
本发明一种沉床-浮床耦合水质净化装置，如图1、图2和图3所示，包括沉床1和浮床2，所述沉床1与浮床2之间设有可调节的连接绳3。
所述浮床2包括由UPVC管、UPVC弯头和UPVC三通制作的框架式支撑21，浮床2的框架式支撑21的外部尺寸为8.37×5.91m，内部尺寸为6.19×3.73m，如图1所示，所述浮床2的整体形状呈回字形，回字形的内外框之间可以用横管连接，如图1所示，距框架式支撑21两侧宽边外侧1m左右处各有一横管，所述框架式支撑21由UPVC管和UPVC弯头连接而成，所述横管与框架式支撑21采用UPVC三通连接，所述框架式支撑21中内嵌有浮床浮块22，浮床浮块22的规格为33cm*33cm*6cm，所述框架式支撑21与浮床浮块22之间及相邻的浮块之间均采用0.8cm宽的线扎捆绑，每个沉床浮块22中央设有直径为16cm的通孔，通孔中嵌装有塑料种植盆23，每个塑料种植盆23种植有挺水植物24，相邻的浮床浮块22之间垂挂有人工水草25；所述人工水草25的种类根据水质选择一种或多种搭配，人工水草25的长度根据应用水体深度确定。
所述沉床1包括由UPVC管、UPVC弯头、UPVC三通和UPVC四通制作的水位调节框架，沉床1的水位调节框架的长宽尺寸为5.53×3.07m，水位调节框架的高度为0.6m；如图1所示，所述沉床1的整体形状小于浮床2的内轮廓形状，所述沉床1放置于所述浮床2的内轮廓的中央处；所述浮床2的内轮廓与所述沉床1的外轮廓之间相距25～35cm。所述水位调节框架包括形状相同的上矩形框11和下矩形框12，所述水位调节框架中的上矩形框11和下矩形框12的形状小于浮床2中的框架式支撑21，所述上矩形框11和下矩形框12之间设有长度为0.6m的垂直连接管13，所述下矩形框12内设有水平连接管19，所述上矩形框11和下矩形框12均由UPVC管和UPVC弯头连接而成，所述水平连接管19由UPVC管和UPVC四通连接而成，所述垂直连接管13采用UPVC管，所述上矩形框11与水平连接管19之间、下矩形框12与水平连接管19之间、所述垂直连接管13与所述上矩形框11和下矩形框12之间均分别采用UPVC三通连接；所述上矩形框11、下矩形框12、水平连 接管19和垂直连接管13内部形成一连通的空间，所述下矩形框12上设有两个进水口14，所述上矩形框11上设有两个出气口15，所述进水口14和出气口15处均分别设有阀门。所述下矩形框12内部拼接有沉床浮块16，所述沉床浮块16通过线扎捆绑固定在所述下矩形框12和水平连接管19上，所述沉床浮块16上根据配重的不同进行挖孔以减小浮力，每个沉床浮块16通过通孔安装有用于放置种有沉水植物18的塑料种植盆17，塑料种植盆17内铺有8cm厚的土作为基质，土层上可视情况再铺设有2cm厚的沙子。
所述沉床1与浮床2之间的可调节的连接绳3有四根、分别连接于沉床1的上矩形框11与浮床2的框架式支撑21之间的四角处，所述连接绳3的长短可以根据水位，水体透光度等因素进行调节。
本发明通过对沉床1的框架内部抽、灌水的方式来实现沉床1的沉浮，当沉水植物18刚刚种植下去时，采用如图2所示处于定植水位时的(其中的浮床2只显示至回字形的内框)侧面示意的定植水位让植物定植，此时沉床1内部没有灌水。沉床1的上矩形框与水位4齐平。当沉水植物18生长到一定长(高)度，有较大的生物量时，用水泵从进水口14向沉床1内部灌水，同时，打开出气口15排气，当沉床1沉到如图3所示处于固定生长(即正常生长)的位置时(其中的浮床2只显示至回字形的内框)，停止灌水，关上进水口14和出气口15处的阀门，沉水植物18在此位置继续生长。要使沉床1位于不同的水位，可以通过控制向沉床1的空心框架内灌水的多少和调节连接绳3的长度来调解沉床1在水体中的垂直深度，实现随水体透明度不同来调解该深度以满足不同沉水植物的生长要求。
本发明中沉水植物18的选择，可以根据地域的不同及处理水体水质的不同进行合理的选择和搭配，随着水体透明度的提高，通过控制向沉床主体1内灌水的多少和调节绳3的长度调解沉床在水体中的垂直深度，使沉床处于沉水植物最佳生长和光合作用的生态位，解决了沉水植物修复过程中透明度、光补偿点及水质变化对沉水植物生长的限制，使沉水植物安全存活和生长，形成稳定的水下植被，不断净化水质，进而改善水体的生态环境，恢复原有的生态系统，恢复水体的自净能力。优选的沉水植物18为本地耐污种，取植株顶端10～15cm进行种植，水质净化效果与种植密度有关，优选的种植密度为0.5～1kg/m3。
本发明中挺水植物24的选择，也可根据地域的不同、水质的不同及景观效果的要求来进行合理的选择和搭配。
本发明中人工水草25种类可根据水质进行不同的选择和搭配，人工水草25的长度也可根据应用水体的深度不同而进行变化。
根据水体的具体情况，可以将多个沉床-浮床耦合水质净化装置以不同的形式排布设置在水体中，如，可以放置在水体中央也可以排布在两侧等。
利用本发明沉床-浮床耦合水质净化装置可以达到以下功能：
(1)浮床下部垂直悬挂人工水草，一方面可以为微生物的附着、生长提供载体，有利于生物膜的形成，另一方面对内部的沉床起到过滤水质，提高水透明度的作用，有利于沉 水植物的生长；
(2)沉水植物可以释放分泌物、碎屑和氧气，为浮床下部人工水草附着的生物膜提供生长所需营养物质，更有利于生物膜的形成；
(3)浮床上种植挺水植物丰富了植物种类，起到了景观美化的作用；
(4)浮床为沉床提供了浮力，保证沉床主体的稳定，而且二者在垂向并无重叠，浮床不会遮挡阳光，可保证沉床中沉水植物对光照的需求；
(5)与浮床组合后，依托浮床，沉床的布设空间和范围被大幅度地拓宽了。因此，沉床、浮床二者相结合最大限度地模拟了天然水体环境，水生植物种植量大、品种丰富、成活率高，更加有利于所净化水体自身生态群落的恢复，水质净化效果更好。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。