复合型湿地自流净化污染河水方法.pdf

复合型湿地自流净化污染河水方法，利用河滩湿地、河口区湖滩湿地建设净化区，包括初级净化和深度净化两个工艺段，初级净化将污染的河流上设置一截污闸，截污闸前河道上设置出水口，出水口后设置周边设有拦污格栅圈围的沉淀池，截污闸后河道上设置溢洪口，沉淀池出水至深度净化的养殖有漂浮植物的生物强化沉淀池，生物强化沉淀池出水至布水沟，布水沟出水至设置于潜流湿地底部的潜流湿地布水管，潜流湿地布水管出口端设堵头，潜流湿地布水管的管壁上设有出水口，潜流湿地布水管上分层设置石灰石、鹅卵石，潜流湿地出水至集水沟，集水沟出水至表层流湿地，潜流湿地及表层流湿地均种植有湿地植物，表层流湿地出水至下游河道。

1、  复合型湿地自流净化污染河水方法，其特征是利用河滩湿地、河口区湖滩湿地建设净化区，拦截、净化入湖河流，该净化区包括初级净化和深度净化两个工艺段，初级净化将污染的河流上设置一截污闸，截污闸前河道上设置出水口，出水口后设置周边设有拦污格栅圈围的沉淀池，截污闸后河道上设置溢洪口，沉淀池出水至深度净化的养殖有漂浮植物的生物强化沉淀池，生物强化沉淀池出水至布水沟，布水沟出水至设置于潜流湿地底部的潜流湿地布水管，潜流湿地布水管出口端设堵头，潜流湿地布水管的管壁上设有出水口，潜流湿地布水管上分层设置石灰石、鹅卵石，潜流湿地出水至集水沟，集水沟出水至表层流湿地，潜流湿地及表层流湿地均种植有湿地植物，表层流湿地出水至下游河道，净化区周边设阻水围堰且自溢洪口后亦设置阻水围堰将潜流湿地及表层流湿地与沉淀池及生物强化沉淀池分隔，净化区内自河道上设置的出水口至表层流湿地出水至下游河道，上、下流程之间设有水位落差。

2、  根据权利要求1所述复合型湿地自流净化污染河水方法，其特征是用弧形拦污格栅圈围扇形沉淀池，并且在圆心处设置长臂塔吊，及时打捞清除沉淀池中的垃圾杂物和污泥。

3、  根据权利要求1或2所述复合型湿地自流净化污染河水方法，其特征是在生物强化沉淀池出水、集水沟出水处均设有分水堰，分水堰出水至下一流程，表层流湿地出水处设分水溢流堰至下游河道，表层流湿地可设2～3级，各级间设分水堰，最后一级与下游河道之间设分水溢流堰。

4、  根据权利要求1或2所述复合型湿地自流净化污染河水方法，其特征是潜流湿地布水管两端分别暴露在布水沟和集水沟中。

5、  根据权利要求3所述复合型湿地自流净化污染河水方法，其特征是潜流湿地布水管两端分别暴露在布水沟和集水沟中。

复合型湿地自流净化污染河水方法
                               技术领域
本发明涉及水污染治理、内陆水体生态修复，特别是一种利用河滩湿地、河口区湖滩湿地建设净化系统，拦截、净化入湖河流，防止湖泊污染和富营养化的复合型湿地自流净化污染河水方法。
                               背景技术
在水污染防治领域，对于各类点污染源的防治技术已经相当丰富和成熟，但对于来自广大农村、农业和径流区水土流失的面源污染却缺乏经济、快速有效的控制技术。在点污染源已经基本得到控制的今天，面源污染是造成我国河流、湖泊水质污染和水体富营养化的主要污染源。采用建设污水处理厂等方法治污，建设成本及运行成本较高且一般水处理工程的工艺流程和处理能力是恒定的，难以适应天然河流的水量、水质等波动。
                               发明内容
本发明的目的是针对我国河流、湖泊面源污染控制难题，探索利用河滩湿地、河口区湖滩湿地建设净化系统，拦截净化入湖河流，防止湖泊污染和富营养化，并针对污染河流水量、水质波动幅度大，污染物复杂多样等特点，参考水利工程、污水处理工程、湿地生态工程等相关内容，依据天然河流的综合属性，提供一种复合型湿地自流净化污染河水方法，实现经济、有效、快速、持久等目标。
本发明的上述目的是这样实现的：复合型湿地自流净化污染河水方法，其特征是利用河滩湿地、河口区湖滩湿地建设净化区，拦截、净化入湖河流，该净化区包括初级净化和深度净化两个工艺段，初级净化将污染的河流上设置一截污闸，截污闸前河道上设置出水口，出水口后设置周边设有拦污格栅圈围的沉淀池，截污闸后河道上设置溢洪口，沉淀池出水至深度净化的养殖有漂浮植物的生物强化沉淀池，生物强化沉淀池出水至布水沟，布水沟出水至设置于潜流湿地底部的潜流湿地布水管，潜流湿地布水管出口端设堵头，潜流湿地布水管的管壁上设有出水口，潜流湿地布水管上分层设置石灰石、鹅卵石，潜流湿地出水至集水沟，集水沟出水至表层流湿地，潜流湿地及表层流湿地均种植有湿地植物，表层流湿地出水至下游河道，净化区周边设阻水围堰且自溢洪口后亦设置阻水围堰将潜流湿地及表层流湿地与沉淀池及生物强化沉淀池分隔，净化区内自河道上设置的出水口至表层流湿地出水至下游河道，上、下流程之间设有水位落差。可采用弧形拦污格栅圈围扇形沉淀池，并且在圆心处设置长臂塔吊，及时打捞清除沉淀池中的垃圾杂物和污泥。在生物强化沉淀池出水、集水沟出水处均设有分水堰，分水堰出水至下一流程，表层流湿地出水处设分水溢流堰至下游河道，表层流湿地可设2～3级，各级间设分水堰，最后一级与下游河道之间设分水溢流堰。潜流湿地布水管两端可分别暴露在布水沟和集水沟中。
本发明的优点及效果：
(1)比较完备的复合型湿地净化工艺
依据污染河流的水文特征、污染特征及可利用土地资源，综合水利工程、环境工程、生态工程理论与技术，可以适应污染河流水量、污染程度波动幅度大、污染物类型复杂多样等特点，实现有效净化。河流汇集了整个集水域中所有的污染物，不仅污染物种类多样，而且污染物浓度多变。本发明方法在沉淀去除泥沙、拦截打捞垃圾杂物、生物协助沉淀去除细小固体和非固体污染物、分解转化有机污染物、除磷脱氮等方面均具有较强的净化功能，可以适应污染河水的治理。对于以生活污水为主的重污染河水(城镇河流)，10000m³/d的水量需要约40000m²湿地，出水可以达到一级综合排放标准；对于污染较轻的河水，10000m³/d的水量需要约20000m²湿地，可以将地表V类水处理成III类水。
(2)低落差自流运行
小水头自流运行，只需要0.5m左右的微小落差，就可以驱动湿地净化系统的自流运行，这使得本发明方法能适用于大部分河流。整个湿地净化系统采取大断面、短流程设计，通过分水堰进行均匀布水，利用河流自然坡降获取0.5m左右的微小落差推动，实现自流运行，无需消耗能源，不仅节约了运行费用，而且可以适应河流水量的大幅波动(甚至短期干枯)。主要原因在于：湿地净化系统一般修建在地势比较平缓的湖滩或河滩低洼土地上，在这些地段河流自然坡降一般小于1∶1000，要获得0.5m左右的落差相对比较容易。
(3)强大的初级处理能力
天然河流水量和水质波动幅度比较大。一般在旱季水量较小，污染比较严重；雨季水量较大，污染较轻；暴雨季节泥沙、垃圾杂物较多。一般水处理工程的工艺流程和处理能力是恒定的，无法适应天然河流的水量波动。本发明方法在沉砂、拦污工段之后设溢洪口，形成初级处理支流，在适当设置沉砂池、拦污格栅、溢洪道规模的情况下，可以对所有河水(包括暴雨径流)实施初级净化处理，有效控制垃圾杂物污染和泥沙污染。
(4)抗老化连续运行
本发明方法在运行管理方面，对拦污格栅前的垃圾杂物和污泥随时打捞清除(每天至少一次)，对生物强化沉淀池里的沉积物定期清除(每年1-2次)，对潜流湿地定期疏通(每年一次)，对所有湿地植物严格按照季节进行栽种和收割，可以保证整个湿地净化系统不堵塞、不老化，实现永续利用。利用水芹菜和东方香蒲两种常绿植物作为建群种组建湿地植被，实现了湿地植被的常绿；加上生物强化沉淀池的水下清淤和潜流湿地防堵塞技术，可以保证湿地净化系统周年稳定运行，克服了一般湿地工程老化、堵塞、季节性失效等弊端。
(5)确保水利安全、环境安全、生态安全
本发明方法从河道中截取污浊河水，还给下游河道以清泉，全程采用物理净化和生物净化工艺，不引入外来物种，不使用任何药剂，并且有完备的泄洪设施，可以确保河流及其下游水体的水利安全、环境安全和生态安全。
(6)管理简便
利用本发明方法建设的湿地工程，日常管理工作主要包括：打捞清运拦污格栅前垃圾杂物和污泥，湿地植物的管理，水流的观测调控等，均比较简单，一般具有高中文化的农民经过1年的培训就可以担任管理工作，20000m²的湿地通常只需要2人管理。
(7)经济实用
拦污—沉砂—垃圾杂物打捞—污泥清除一体化。一般污水处理工艺将拦污格栅和沉淀池分开设置，打捞垃圾杂物和清除污泥分两步进行，建设投资和运行管理费用较高。本发明用弧形拦污格栅圈围沉淀池，形成拦污—沉砂一体化结构；在圆心上设置轻便长臂塔吊操作抓斗，实现了垃圾杂物、污泥用同一台机械打捞清除，大幅度降低了建设投资和运行费用，并节约了工程占地。与污水处理厂的电动拦污格栅相比，这种弧形拦污格栅具有更大的过滤面积，拦污格栅前的沉淀池可以容纳大量垃圾杂物，便于处理富含垃圾杂物的大流量暴雨径流。用一台轻型长臂塔吊同时完成打捞清除垃圾杂物和沉淀池污泥的任务，打捞上来的垃圾杂物和污泥可以直接装车外运，比分别处理更加经济有效。利用本发明方法，处理严重污染的河水10000m³/d，大约需要40000m²湿地，4人管理，建设费用不超过600万元(不含征地费)，年运行费用在15万元以内。与其他任何污水处理技术(包括普通的人工湿地技术)相比，本发明方法都具有经济实用的优势。
                                 附图说明
图1是本发明方法的净化流程示意图；
图2是本发明方法的净化区设置示意图。
                               具体实施方式
参看图1、2，本发明方法的工作原理及工作过程：
初级净化：关闭修建在河道1上的拦污闸2，迫使河水由出水口3进入湿地净化区(出水口3过水断面大于河道断面)。进入扇形沉淀池4后，水流变缓，大颗粒泥沙和悬浮的垃圾杂物发生沉降，漂浮的垃圾杂物被拦污格栅5拦挡在扇形沉淀池内。利用安装在圆心上的轻便长臂塔吊6操控自动抓斗，及时将扇形沉淀池内的垃圾杂物和污泥打捞清除，装车运往垃圾场作填埋处理。经过以上初级处理(沉淀、拦污)之后，超过深度净化能力的水量将经由溢洪道口7排入下游(闸后)河道，其他河水进入深度进化工段。雨季大流量的轻度污染河水携带着较多地垃圾杂物和泥沙，全部经过初级净化系统沉淀、拦污处理后，大部分河水经溢洪道排入闸后河道；旱季河水流量小，污染程度比较重，全部河水经过初级净化处理+深度净化处理。正是这种工艺特点，可以适应天然河流水量和水质的大幅度波动，并保证出水水质。
深度净化：河水穿过拦污格栅后进入生物强化沉淀池8，将水芹菜、水葫芦等漂浮植物养殖在沉淀池中，漂浮植物覆盖度达到80％以上，在进一步物理沉淀的同时，可以通过表面吸附—剥落、生物助凝—沉淀、生物吸收—沉淀等机制，促使水体中的微小颗粒物、溶解性有机物、甚至溶解态矿物质发生沉淀；同时漂浮植物表面提供的生物膜功能和营养盐吸收同化—收获输出功能在去除BOD和氮、磷等方面发挥作用。对于比较污浊的河水，生物强化沉淀工段显得尤为重要。经过生物强化沉淀池净化之后，河水汇入潜流湿地布水沟9，经由埋设在潜流湿地底部的布水管10进入潜流湿地11，垂直上升到表面之后，汇入集水沟12，然后通过分水堰13均匀进入表层流湿地14。表层流湿地一般设2～3级，种植有多种湿地植物(根据当地气候条件和湿生植物资源，选择水芹菜、慈姑、莲、水葫芦、东方香蒲、石菖蒲、伞竹、美人蕉、黑藻、苦草、菹草、马来眼子菜等物种，将耐旱种类和喜热种类套种，组建常绿型湿地植被，形成周年稳定的净化能力)，通过土壤、植物和微生物的综合净化作用，达到去除氮、磷、BOD、COD等深度净化目的。各级表层流湿地之间通过分水堰13进行均匀布水，最后一级表层流湿地与下游河道之间设分水溢流堰15，经过湿地净化的河水经过分水溢流堰15跌落进入下游河道16。
泄洪：天然河流存在泄洪问题，本发明方法主要从三个层次实现在保障泄洪安全的前提下最大限度地处理污染河水。①深度处理系统采取大断面、可溢流设计；②拦污格栅后溢洪道的设置，形成了强大的初级处理能力。洪水携带的大量污泥和垃圾杂物在初级净化系统得以去除，经过初级净化的河水通过溢洪道进入下游河道；③闸上溢洪和开闸泄洪，闸室净宽度等于河道宽度，闸顶高程等于最高工作水位，遇到洪水时可以从闸顶溢洪，必要时开闸泄洪。本发明方法提供的拦污—沉砂—溢洪道泄洪途径可以有效排泄一般流量的洪水，并实现初级净化，闸上溢洪和开闸泄洪可以排泄任何流量的洪水，不影响原有河道的泄洪能力。
植被管理：对生物强化沉淀池内的漂浮植物定期打捞，对潜流湿地和表层流湿地内的植物定期收割，每年更新栽植一次。
生物强化沉淀池清淤：每年2月份对生物强化沉淀池内的淤泥进行清除，可以通过两种方式：打开拦污闸2，放干生物强化沉淀池8内河水，进行人工清淤或泥浆泵清淤；在正常运行情况下用泥浆泵直接抽吸清淤。
潜流湿地防堵塞：潜流湿地亦称碎石床湿地，是所有湿地中水流阻力最大、过水量最小、最容易堵塞老化的湿地类型，生物膜脱落及湿生植物残体积累是造成堵塞的主要原因。本发明方法通过三个方面预防和消除潜流湿地堵塞。①在潜流湿地前设生物强化沉淀池，深度去除河水中的细小颗粒物，减少进入潜流湿地河水中的颗粒物含量。②潜流湿地采取上升流、大断面结构，流程短，过水能力强，不容易发生堵塞；采用比较粗的填料，下层填料用直径10-30mm破碎石灰石，以降低建设投资并强化除磷效果；上层填料用直径20-50mm鹅卵石，以保证湿地植物根系的正常发育。③布水管两端分别暴露在布水沟和集水沟中，集水沟中的一端用堵头堵塞，发生管内堵塞时可以打开堵头从进水口用水泵冲洗，发生碎石床堵塞时可以封上堵头从进水口用高压水泵冲洗。采用本发明方法，可以实现潜流湿地的长期连续运行，免除填料翻洗或更新的麻烦和巨额花费。
大流量均一流场：整个湿地净化系统采取大断面、低流速设计，并且在各级湿地之间采用“分水溢流堰”进行布水，级间只需要0.1m的落差，就可以实现整个湿地中流场均一，充分发挥湿地各部分的净化功能。
实施举例：
(1)抚仙湖窑泥沟试验湿地工程，由中国科学院南京地理与湖泊研究所按照本发明方法设计，2001年由玉溪市纪委、玉溪市环保局批准立项，澄江县环保局与设计单位联合建设，面积12000m²，总投资167万元(含征地费)，2001年底建成并投入试运行。窑泥沟为流经澄江县城的小型天然河流，后经人工改造成集污沟，接纳了澄江县城70％左右的生活污水。旱季河水几乎全部为生活污水，水量约3000m³/d；雨天城区地表径流和上游集水区径流会入，携带大量垃圾杂物和污泥。窑泥沟试验湿地工程旱季处理所有水量，雨季处理能力可以达到12000m³/d。经过2年来的试运行，出水水质基本达到国家污水综合排放一级标准，年运行管理费用约6万元，完全可以取代建在窑泥沟上的污水处理厂，并且最大处理水量和处理效果均超过该污水处理厂。
(2)抚仙湖马料河污染控制湿地工程，由中国科学院南京地理与湖泊研究所按照本发明方法设计，玉溪市纪委、玉溪市环保局2002年批准立项，澄江县环保局与设计单位联合建设，面积20000m²，总投资333万元(含征地费)，2003年6月开工建设，10月竣工并投入运行。马料河为流经澄江县城的小型天然河流，接纳了澄江县城30％左右的生活污水，河水水质常年为地表V类或劣于V类。马料河污染控制湿地工程设计初级净化能力50000m³/d，深度净化能力15000～20000m³/d，经深度净化出水水质达到地表IV类标准。2个月运行初步结果，深度净化最大流量达到43000m³/d，出水水质优于地表III类标准。
采用本发明方法处理重污染河水(污水级别)，10000m³/d的处理能力约需要土地40000m²，建设投资约600万元，1m³/d的处理能力投资仅600元；年运行管理费用约15万元，处理1m³污水的运行管理费用只有0.04元；在3～4个月内就能建成并投入运行。这是迄今为止任何常规污水处理工艺及人工湿地处理工艺所不能及的。