湖泊河口水面規模化漂浮植物養殖工程淨化水質技術的製作方法

2023-10-17 13:31:14

專利名稱：湖泊河口水面規模化漂浮植物養殖工程淨化水質技術的製作方法
技術領域：
水體環境工程。本發明涉及一種河口水面7jC質淨化工程成套技術，包括邊界防護、流場 控制、大面積漂浮植物養殖、自然7jC體曝氣除臭、沉7jO隨物區氧化淨化等，適用於在湖泊進、 出河流的河口區水面建設臨時性水質淨化工程，去除自然水流中的藻類及各類汙染物，控制 地表水體間的連帶汙染。該項工程技術亦可用於湖岸汙水排放點的水質淨化或取水口的水質 保護(尤其是漂浮性藍藻的汙染防護)。
背景技術：
入湖河流匯納了徑流區內難以控制的面源汙染物和殘留的點源汙染物，是汙染物進入湖 泊的主要通道。對入湖河水進行攔截淨化是一個很好的汙染控制思路，已有河畔複合型溼地 自流淨化汙染河水技術(撫仙湖)、構築溼地抽提處理重汙染河水技術('漆池)、河道水面生 態浮床或漂浮植物養殖淨化河水技術、河口自然溼地淨化入湖河水技術等，得到了比較廣泛 的應用。但其局限性在於佔用陸地建設人工溼地的規模受到可利用土地面積的嚴格限制， 並且人工溼地與河面之間存在高差，驅動人工溼地的運行尚需要較大水位差，提水造成了較 高的運行能耗和費用；絕大部分河道已經高度人工化，河面寬度十分有限並且嚴格按照洩洪 需要設計，河道水面生態浮床或漂浮植物養殖規模十分有限，並且存在阻礙洩洪問題，淨化 設施還有可能被洪水衝毀，漂浮植物因此而逸散全湖，有較大的生態風險；我國大部分湖泊 堤岸人工化比較普遍，自然河口溼地已經很少存在。河口湖面提供了建設水質淨化工程的廣 闊空間，完全可以根據需要確定建設規模，但風浪和水流衝擊、水位自然波動以及河口區人 工堤岸前的深水條件等是建設河口7jc質淨化工程的主要限制因素。無錫市為減輕太湖藍藻對 梅園水廠的影響，曾經在取水口所在的瀆山港河口水面建設竹籬圏養水葫,，但因漂浮性藍 藻大量湧入水葫，養殖區並在厭氧條件下腐爛分解，造成了嚴重的水質汙染。至今尚未見到 規模化、工藝化、工程化的河口湖面水質淨化技術。2003年雲南省玉溪市星雲湖暴發了嚴重的藍藻水華，大量藍藻經隔河下洩撫仙湖，危及 撫仙湖水質和生態安全。玉溪市公開徵集"隔河洩水藍藻汙染控制應急工程技術方案"，我們 提出的"河口水面規模化漂浮植物養殖工程淨化水質技術方案，，入選，依託此項目我們研發 了該項技術並在一年內成功實現了工程化應用。

發明內容
本發明的目標在於研發湖泊河口水面規模化漂浮植物養殖工程淨化水質的完備工藝和 成套技術，能夠適應湖面風浪、水流、水位自然漲落、藍藻汙染、深水(10m以上)等自然條 件，形成規模化、工藝化、工程化的河口湖面水質淨化技術。為此，必須解決以下技術問題。
有效控制工程區外側邊界，實現工程區水體與湖面之間的隔離，防止水流和藍藻對工程區的衝擊，並抑制風浪，為工程區創造穩定的內部環境。
嚴格控制工程區內的水流，形成近似均一的扇形徑向流場，保障滯留時間和淨化效果。
在工程區深水條件下(10m以上)實現規模化、工程化的漂浮植物養殖。
對漂浮植物淨化區出水實施脫臭、復氧、氧化淨化處理，恢復其自然性狀。 為解決以上技術問題並達到研發目標，這裡以出湖河流河口水面水質淨化工程為例，採 取了以下技術方案。(1) 總體工藝河口水面水質淨化工程區以河口咽部為圓心呈扇形布設(附圖l)，從外弧至圓心工藝過 程為外界防護布水圍隔3 —浮毯式消浪帶4 —漂浮植物淨化區5 —內側布水圍隔6 —曝 氣除臭復氧帶7 —沉水植物淨化區8 —出水濾網9 —洩水閘IO —出水河道氧化溝ll。河口水面7jC質淨化工程區的規模依據進水7jC質、出水標準、流量及溫度條件等因子決定，滯留時間一般為10-20天，以去除藻類為目的時滯留時間不應小於14天。(2) 外界防護布水圍隔外界防護布水圍隔3沿工程區外界弧線布設(圖l),將工程區與湖面水體l隔離開來，並 兼有擋浪和控制進水功能。採用全封閉式柔性圍隔結構(圖2),由柔性一奉狀浮體15、牆布17 和石龍19三部分縫合而成，縫合處附加上綱繩16和下綱繩18。柔性棒狀浮體15將圍隔上端浮 出水面，石龍19將圍隔下端沉入湖底淤泥13中，藉以形成封閉隔離作用。用纜繩21將圍隔下 綱繩18錨定在湖底木樁20上以防止圍隔在水流和風浪衝擊下發生位移，對應於纜繩21位置在 圍隔牆布17上附設尼龍帶加強筋22,以增加圍隔縱向強度。在圍隔牆布17上水面下2-4m處設 置一排進水孔23,其孔徑和分布密度由所在位置的工程區徑向水體斷面面積確定，進水孔總 面積(m2)=設計過水流量(mVs ) +設計過水流速(m/s ),進水孔23的設計過水流速為0. 05m/s 至O. lm/s。(3) 浮毯式消浪帶浮毯單元24採用有結尼龍網包裹禾草類植物漂浮植叢製成(圖3),為10mxlOm正方形， 四邊附加綱繩25用於連接固定。浮氈式消浪帶4沿工程區外界防護布水圍隔3內側弧線成單列
布設(圖l),每個浮趙單元的四角以附加綱繩固定在cb 800 x 400鋼質浮鼓26上，相鄰兩個浮 毯單元共用一對浮鼓。自每個浮鼓向湖底設斜拉纜繩27,斜拉纜繩下端固定在湖底木樁20上， 斜拉纜繩設l. 2左右的鬆弛係數以便適應 K位變化和風浪引起的水面運動。(4) 漂浮植物淨化區漂浮植物養殖栽體單元為10mx iOmx 0. 4m的無蓋聚乙烯網箱28 (圖4 ),網箱四周上、下 邊緣附設八根聚乙烯綱繩29。養殖載體單元在漂浮植物淨化區內沿扇形弧線成雙列布設(圖 1)，網箱四角以綱繩29固定在(800 x 400鋼質浮鼓26上，相鄰的網箱共用浮鼓。自雙列網箱 兩側的每個浮鼓向湖底設斜拉纜繩30,纜繩下端固定在湖底木樁20上，在纜繩2m左右水深處 安裝排水量45L的塑料浮球31，以便在水位變化時始終保持纜繩張緊(彈性錨泊)，保證網箱 口部開張並高於水面。雙列網箱之間保留10m左右間距，作為工程設施維護管理的通道(圖l )。 網箱內放養水葫,等漂浮植物，這些水生植物充分生長後可蔓延覆蓋雙列網箱之間的通道， 實現漂浮植物養殖區100%的水面覆蓋。在冬季末期打撈處置漂浮植物，使漂浮植物覆蓋度達 到30°/ 左右。(5) 內側布水圍隔釆用全封閉式柔性圍隔(結構與邊界防護布水圍隔相同，見圖2 ),沿漂浮植物淨化區內 側弧線布設(圖l ),隔斷水流進入河道的自然通路。在圍隔水面下l. 5m深度均勻布設一排進 水孔23,進水孔總面積(m2)=設計過水流量(mVs)十設計過水流速(m/s ),進水孔的設計 過水流速一般在O. lm/s左右。內側布水圍隔6與外界防護布水圍隔3配合，在扇形工程區內形 成近似均一的徑向流場32 (圖5 ),使得沿徑向水流在工程區內的滯留時間接近一致。同時使 水流均勻通過內側布水圍隔6上的進水孔23,為相鄰的曝氣除臭復氧帶7提供均勻的水力負荷。(6) 曝氣除臭復氧帶如圖6示，沿內側布水圍隔6的內側，在支撐木樁33上架設弧線形曝氣主管34,將一組微 孔曝氣管37安裝在水面下2m深度，通過曝氣支管35和球閥36與曝氣主管連接。在曝氣主管一 端河岸上建鼓風片幾房12,由羅茨風機供氣，供氣壓約30kpa,供氣量為設計過水流量的五分之 一至十分之一。通過對各布氣支管上球閥的調節使整個曝氣帶的曝氣強度趨於均勻。(7) 沉水植物淨化區如圖1示，位於曝氣除臭復氧帶7內側的河口咽部區域8， 一般水比較淺，其面積約為整個 河口水面水質淨化工程區總面積的10°/。左右，水力滯留時間不小於24小時。高密度種植沉水植 物，通過沉水植物光合作用釋放的氧氣以及沉水植物提供的表面吸附-生物膜作用完成對水體 中汙染物質的淨化，佳_得出流水質接近於自然屬性。(8) 出水濾網如圖7示，在河口咽部(沉水植物淨化區8下遊)設置由木樁38和上綱繩39支撐的攔汙網 40,攔汙網用小網目(10-20mm)聚乙烯漁網製成，攔汙網下端安裝壓腳石龍41,藉以封閉河 口 ，攔截打撈水流中攜帶的垃圾雜物和水生植物殘體。(9) 洩水閘為了控制洩水流量，充分發揮河口水面水質淨化工程區的功能，可利用河道上原有的洩 水閘IO (圖l)或新建洩水閘控制洩水流量，嚴格按照設計流量運行。在汛期如果上遊湖泊水 位過高需要洩洪時，可利用沙袋將兩道布水圍隔的浮體壓入水面下，形成洩洪通道，再開啟 水閘至洩水流量。圍隔上洩水通道的過水麵積(m2)與洩洪流量(mVs)的比值必須大於20， 即圍隔上洩水通道處的洩洪過水流速小於O. 05m/s。(10) 出水河道氧化溝對出水河道ll (圖l )進行必要的清淤並恢復水生植被和底棲動物，可以對下瀉水流起到 進一步自然氧化淨化作用。本發明實現了河口水面7jc質淨化技術的規模化、工藝化和工程化，主要有以下優點(1) 可靠的外側邊界防護。在深水(1 Om以上)條件下，將全封閉式柔性深水圍隔與浮毯式 消浪帶組合使用，同時達到了工程區水體與湖面的隔離和平擬風浪之目的，解決了風浪、 湖流、藍藻等漂浮性汙染物對工程區的衝擊這一關鍵問題。(2) 兩道全封閉式柔性圍隔控制工程區布水。通過工程區外界和內側兩道柔性圍隔上的進水 孔控制工程區的進、出水流，並依據工程區水下地形和流量設計外側防護布水圍隔上進 水孔的大小和密度，在扇形工程區內形成滯留時間相近的徑向流場，保證了水質淨化效 果的空間一致性，實現了在河口水面7jc質淨化工程區比較理想的布水。(3) 深水條件下大型載體漂浮植物規模化養殖。彈性錨泊於湖底的大型載體陣列為深水條件 下的規模化漂浮植物養殖提供了可靠的手段，在漂浮植物10(W覆蓋水面和水位季節性漲 落條件下，這樣的漂浮載體系統可以穩定承載大面積漂浮植物，並能抵禦強風的影響。(4) 曝氣除臭復氧。在漂浮植物淨化區下遊布設曝氣斷面，通過曝氣促進水體中氣味物質的 逸散並恢復水體氧化狀態，消除了對下遊水體和大氣環境的不良影響。(5) 沉水植物氧化淨化。漂浮植物淨化區的出水達到了較高的清潔度，保證了 2m左右的透明 度和充足的水下光照，有利於河口咽部沉水植物淨化區及出水河道中沉水植物的生長並 提供了以下氧化淨化機制沉7jc植物通過光合作用直接將高氧化性能的氧氣釋放在水體 中，可以使水體中的氧氣含量過度飽和；沉水植物不僅提供了巨大的水中表面，並通過 供氧、供碳形成了具有高氧化活性的生物膜。


圖l——河口水面水質淨化工程工藝布局圖2 — 一全封閉式柔性圍隔結構示意圖(a) 柔性圍隔橫斷面圖(b) 柔性圍隔側面3——浮毯式消浪帶結構示意圖(a) 浮趙單元及單列消浪帶的組裝固定(b) 消浪帶連接部位斷面4一一漂浮植物養殖載體單元及雙列安裝結構示意圖(a) 漂浮植物養殖栽體單元及其組裝方式(b) 養殖載體連接部位斷面5 — 一兩道全封閉式柔性圍隔控制工程區進出水形成的扇形流場 圖6 ——曝氣除臭復氧帶結構示意圖(a) 平面布設圖(b) 局部結構7 — 一出水濾網結構示意圖(a) 平面布設圖(b) 局部結構中1.湖面，2.湖岸(人工堤)，3.外界防護布水圍隔，4.浮毯式消浪帶，5.布設大型 載體陣列的漂浮植物淨化區，6.內側布水圍隔，7.曝氣除臭復氧帶，8.沉水植物淨化區，9. 出水濾網，10.洩水閘，11.出水河道氧化溝，12.鼓風機房，13.水下+》軟淤泥層，14.水體， 15.柔性棒狀浮體，16.上綱繩，17.牆布，18.下綱繩，19.石龍，20.木樁，21.錨定纜繩，22. 尼龍帶加強筋，23.進水孔，24.浮毯單元，25.附加綱繩，26.浮鼓，27.斜拉纜繩，28.無蓋 聚乙烯網箱，29.綱繩，30.纜繩，31.塑料浮球，32.水流方向，33.曝氣帶支撐木樁，34.布 氣主管，35.布氣支管，36.支管球閥，37.微孔曝氣管，38.濾網支撐木樁，39.上綱繩，40. 攔汙網，41.壓腳石龍。
具體實施例方式本發明按照以下步驟進行工程性應用1. 外界防護布水圍隔、內側布水圍隔的製作與安裝(1) 按照設計尺寸和材質要求，分段縫製牆布、石龍和柔性棒狀浮體，每段的長度視寬度 和材質而定，重量不宜超過200kg。(2) 按照設計位置投放浮標確定布設線路，搭建不小於6mx 20m的浮動工作平臺，自 一端開 始組裝、布設圍隔，邊組裝邊布設，湖底定位木樁用水下打樁才兒施工。2. 浮趙式消浪帶的製作與安裝(1) 縫製10m x 10m的正方形尼龍網片，以兩層網片包裹禾草類植物漂浮植叢縫製成浮毯單 體，沿四周縫結固定四根聚乙烯綱繩。(2) 按照設計位置進行組裝和布設，以綱繩將浮毯單體的四角固定在四個浮鼓上，相鄰兩 個浮毯單體共用 一對浮鼓，自浮鼓向湖底木樁以斜拉繩固定。3. 漂浮植物養殖載體陣列的製作與安裝(1) 縫製10mx 10mx 0. 4m的無蓋聚乙烯網箱，沿四周上、下邊縫結固定/M艮聚乙烯綱繩。(2) 搭建不小於6m x 20m的浮動工作平臺，按照每一個載體陣列的設計位置自 一端開始組 裝、布設。以綱繩將網箱的四角固定在四個浮鼓上，相鄰網箱共用浮鼓，安裝成雙列。 自載體陣列兩側的每個浮鼓向湖底木樁以斜拉繩固定，並在斜拉繩上安裝浮球。(3) 按照設計在每個網箱內放養漂浮植物。4. 曝氣除臭復氧帶的安裝(1) 按照設計線路打支撐木樁，沿支撐木樁安裝布氣主管並接至陸上鼓風機房。(2) 在布氣主管上安裝預裝好的布氣主管+球閥+^L孔曝氣管套件。5. 出水濾網的製作與安裝(1) 按照設計規格縫製濾網網片和石龍並進行縫合組裝。(2) 按照設計線路打支撐木樁，沿木樁頂部布設上綱繩，將縫製好的濾網安裝固定在支撐 木樁的迎水一側。6. 運行(1) 開啟洩水閘並隨時調節至設計流量，啟動曝氣系統，進入運行狀態。(2) 每年冬末春初打撈處置約7(W的漂浮植物。應用舉例本發明在雲南省玉溪市星雲湖"隔河洩水藍藻去除應急工程"中得以正式應用。該工程 利用星雲湖隔河入口處建設扇形的藍藻去除工程，半徑400m,面積20公項，最大水深IO. 5m， 設計處理能力10萬mVd,藍藻去除率80%-90°/。，水質提高一個等級。該工程2003年11月開工建 設，2004年4月建成並投入運行，2005年通過驗收，2007年通過技術成果鑑定，並被玉溪市授 予科技進步一等獎。
權利要求
1.湖泊河口水面規模化漂浮植物養殖工程淨化水質技術的整體工藝①外界防護布水圍隔→②浮毯式消浪帶→③漂浮植物淨化區→④內側布水圍隔→⑤曝氣除臭復氧帶→⑥沉水植物淨化區→⑦出水濾網→⑧洩水閘→⑨出水河道氧化溝，其中①至⑤為核心工藝。
2. 關鍵:技術之一是利用全封閉式柔性邊界防護布水圍隔和浮越式消浪帶控制河口水質淨化 工程區外界，有效隔離工程區水體與湖面，防止風浪、水流、藍藻的衝擊。浮毯式消浪帶由尼龍網包裹禾草類漂浮植叢成10mx lOm浮毯單體，再與浮鼓組裝成單列，通過斜拉 纜繩自各個浮鼓固定在湖底木樁上。
3. 關lt技術之二是利用兩道全封閉式柔性圍隔控制河口水質淨化工程區內的流場，實現了 近似均勻的布水。根據工程區水下地形確定外界圍隔上進水孔的大小和分布密度，根據 工程區設計流量按照過水流速0. 05-0. 10m/s設計每道圍隔上進水孔的總面積。
4. 關鍵技術之三是彈性錨泊於深水區的大型載體陣列漂浮植物規模化養殖。以浮鼓支撐10m x 10m x 0. 4m開口網箱成雙列載體，並通過自兩側浮鼓向湖底木樁的彈性錨泊(裝有45L 浮球的斜拉纜繩)固定載體陣列並保持開口網箱綱繩的張緊，可適應水位波動並承受風 力作用。
5. 關鍵:技術之四是通過曝氣除臭復氧和沉水植物氧化淨化恢復水體自然屬性。將曝氣除臭 復氧帶和沉水植物淨化區結合，用以處理漂浮植物淨化區的出水，具有驅散臭"^未、恢復 氧化狀態、深度淨化水質之功效。
全文摘要
一種湖泊河口水面規模化漂浮植物養殖工程淨化水質的完備工藝和成套技術，主體由外界防護布水圍隔、浮毯式消浪帶、漂浮植物淨化區、內側布水圍隔、曝氣除臭復氧帶、沉水植物淨化區組成。通過外界防護布水圍隔和浮毯式消浪帶控制工程區邊界，隔斷工程區水體與湖面之間的水流交換並阻擬風浪；通過外界防護布水圍隔和內側布水圍隔控制工程區進、出水流，實現均勻布水和統一水力停留時間；通過雙列布設、彈性錨泊於湖底的大型網箱載體規模化養殖漂浮植物，成為淨化水質的主要工藝單元；通過曝氣帶的除臭、復氧和沉水植物淨化區的氧化淨化去除出水中的臭氣並恢復氧化狀態，消除漂浮植物淨化區出水對下遊水體和周圍環境的影響。可用於水體間連帶汙染的控制，包括入湖河流汙染控制、出湖水流汙染控制、湖泊沿岸汙水排放點的水質淨化、湖泊沿岸取水點(水源區)的水質淨化等，對於去除藻類及氮、磷、有機汙染物等均有顯著功效。
文檔編號E02B15/04GK101153484SQ20071013321
公開日2008年4月2日 申請日期2007年10月11日 優先權日2007年10月11日
發明者馮慕華, 李文朝, 潘繼徵 申請人:中國科學院南京地理與湖泊研究所