黑臭水体的生态修复方法与流程

本发明涉及水体生态修复领域，更具体地说，它涉及黑臭水体的生态修复方法。

背景技术

随着区域经济的飞速发展和城市化进程的加快，随之而来的城市河流水质污染和生态退化问题愈发突出。耗氧性有机污染物和氮磷营养盐的大量输入，导致城市河流水质恶化，甚至出现季节性和常年性水体黑臭现象。

污染水体的修复技术主要有截污技术、底泥疏浚技术、人工增氧技术、人工岸边植被技术、引水冲污技术和生物修复技术等，但是采取截污、底泥疏浚、人工增氧、引水冲污及岸边植被缓冲带的建设施工在某种程度上都属于辅助的工程手段，不能彻底改善水质。实践证明，仅采用截污、驳岸、清淤等单一技术不能从根本解决问题，所以采用组合工艺，但目前在其治理中，还很少采用河道生物修复技术和生态恢复技术。

目前，在实际河道治理时，不同区域的黑臭水体，其污染程度、污染物含量、污水排放规律不同，通常导致其治理对策的侧重点也不同。由于黑臭水体的复杂性，仅仅采用单一的手段与技术进行治理，治理效果差，常出现治理效果差、见效后持续时间极短，根本无法达到治本的效果，同时均存在投资大、维护成本高、不利于水体生态系统的健康发展等负面影响。因此，需要探索和发明一种能适应不同黑臭水体、长期有效的生态修复黑臭水体的方法，通过多项单一技术的集成综合创新，实现立体式生态修复黑臭水体。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供黑臭水体的生态修复方法，通过采用打捞漂浮物、截污纳管、投放原生动物和原生植物、定期维护、水体周边环境整治以及检测和维护六大措施，解决上述问题，其具有适应不同黑臭水体、长期有效的优点。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

黑臭水体的生态修复方法，包括以下步骤：

步骤一，打捞水体中的漂浮物；

步骤二，截污：将流入水体的污水有效截留至城镇污水管网，并最终排入城镇污水厂，从源头减少污水对水体的污染；

步骤三，水生态系统的再建：对缺氧的水体进行人工曝气，先投放原生动物和原生植物,再种植水生植物，最后再放螺蛳和鱼虾，促进水体生态系统的恢复和平衡，恢复自净能力，引入相对洁净的水体进行置换和冲刷，使水体处于流动状态；

步骤四，水体生态系统维护:及时清理水体垃圾和腐烂的植物，定期收割并维护种植的植物；

步骤五，水体周边环境整治：根据水体周边的建设情况进行绿化或驳岸；

步骤六，检测和维护：对已修复的水体内的水质参数进行自动检测，发现污染反弹及时应对处置。

通过采用上述技术方案，打捞漂浮物和截污从源头减少固体废弃物及污水对水体的污染，城镇污水厂处理后的污水若必须排入河道，则应考虑河道的情况决定污水厂是否需要提标改造，投放的原生植物能够吸收导致富营养化的污染物，净化水质，补充水中溶解氧，丰富的水体溶解氧可以供给投放的原生动物的有氧生存，原生动物会吃掉原生植物和腐烂的植物，同时可氧化水中部分污染物、控制厌氧菌的繁殖，避免造成二次污染，促进水体生态系统的恢复和平衡，恢复自净能力，丰富和完善食物链，定期清理和收割植物有利于形成良性生态循环。分段自动检测水体内的水质参数，当水体出现异常能及时知悉，且便于实际运营过程中分析原因、确认责任、及时应对。本发明适应不同的黑臭水体，修复后长期稳定。

进一步优选为，所述步骤二中的截污具体包括：

当少量污水短期内难以截断时，将污水引入预处理装置中进行处理后再排放至水体，所述预处理装置包括储水池，所述储水池的出水口设置有与其连通的填料室，所述储水池与填料室之间设置有阀门，所述填料室内从上至下依次填充有粒径逐级递减的卵石层、粗砂层、细砂层、改性活性炭层；或

当市政排水排污管网中的雨水管和污水管共用时，在排水总管的排水端设置阀板，所述阀板顶端与排水总管的内壁之间开设有溢流口，所述排水总管的底部连通有与污水处理站连接的排污管。

通过采用上述技术方案，难以截断的污水进入储水池中，打开阀门后污水依次经过卵石层、粗砂层、细砂层、改性活性炭层的过滤和吸附作用，再次排入水体中，降低污染程度；当市政排水排污管网中的雨水管和污水管共用，且短期内难以分流时，阀板的作用是：在平时，生活污水排水量较少，液位低于阀板的上端，生活污水通过排污管流动至污水处理站；当降雨时，大量雨水进入排水总管，液位上升超过阀板上端，大量雨水和少量污水的混合物溢流通过阀板，流入河道中，从而降低流入水体的污水量。根据河道岸边的实际地貌情况，可以设置人工湿地营造跌水供氧效应，对污水进行预处理，或者采用气泵对污水进行间歇曝气。

进一步优选为，所述改性活性炭层中的活性炭的改性包括以下步骤：

（1）将活性炭ⅰ用盐酸溶液搅拌浸渍，抽滤，去离子水清洗，干燥后得到活性炭ⅱ，将活性炭ⅱ用氢氧化钠溶液搅拌浸渍，抽滤，去离子水清洗，干燥后得到活性炭ⅲ，备用；

（2）将活性炭ⅲ加入高铁酸钾溶液中，然后加入盐酸溶液搅拌、抽滤，用去离子水清洗，干燥后得活性炭ⅳ；

（3）将活性炭ⅳ加入硫酸铜溶液中搅拌浸渍，抽滤，干燥，制得活性炭ⅴ；

（4）将纳米二氧化钛加入去离子水中形成悬浮液，再将活性炭ⅴ加入悬浮液中分散均匀，然后对其进行超声处理，抽滤，干燥，制得活性炭ⅵ；

（5）将干燥后的活性炭ⅵ进行焙烧，焙烧后降温得到改性活性炭。

通过采用上述技术方案，盐酸溶液搅拌浸渍是为了去除活性炭中的灰分。采用盐酸和氢氧化钠对活性炭进行改性，在活性炭内开孔、扩孔、创造新孔，使活性炭的表面几何形状变得更加均一，进而形成发达的孔隙结构，增大活性炭的比表面积和孔容。活性炭在改性的同时，增加了其表面的酸性含氧官能团和碱性含氧官能团，从而增强活性炭对极性或者非极性物质的吸附能力。活性炭在酸性条件下浸渍高铁酸钾，活性炭的表面获得了更多的酸性基团，增大对铁离子的吸附能力，吸附在活性炭孔内的铁离子能够除去污水中的砷。活性炭经过硫酸铜浸渍后，吸附一定量的铜离子，可以去除水中的硫离子以及腐殖酸。

纳米二氧化钛具有催化活性高、氧化能力强、稳定性好、连续光照保持活性等特性，由于二氧化钛电子结构所具有的特点，使其受光照时生成化学活泼性很强的超氧化物阴离子自由基和氢氧自由基，攻击有机物，达到降解有机污染物的作用。通过超声波使纳米二氧化钛均匀分布在活性炭的微孔内，再通过高温焙烧使纳米二氧化钛负载在活性炭上，增强活性炭对污染物的吸附能力。高温焙烧对载体活性炭而言还具有扩孔作用，进一步增强活性炭的比表面积和吸附能力。

预处理装置仅用于处理少量的难以分流和截断的污水，由于活性炭吸附饱和后通过脱附仍可连续重复使用，当活性炭吸附较多的污染物时，将活性炭取出置于阳光下暴晒，活性炭内的纳米二氧化钛在光催化下分解活性炭微孔内吸附的污染物，从而有利于活性炭的循环使用，降低污水预处理成本。当活性炭吸附能力已下降至极限时，更换新的活性炭。

进一步优选为，所述步骤二和步骤三之间还包括：

步骤a，清淤：当水体底部淤泥厚度大于5cm时，进行清淤处理，清淤处理选自下述方法中的任意一种：

抓斗式清淤：采用抓斗式挖泥船开挖水体底部的淤泥，将抓斗式挖泥船的前臂抓斗伸入水体底部，利用油压驱动抓斗插入淤泥中并闭斗抓取淤泥，提升回旋并开启抓斗，将淤泥直接卸入挖泥船舷的泥驳船中；

排干清淤:在水体中架设堤坝进行分段拦截，抽干河水，采用高压水枪冲刷淤泥，形成泥浆，采用泥泵吸取泥浆并输送至岸上的堆场或泥浆池内，或由泥浆运输船外运后综合利用；

斗轮式清淤：采用装在斗轮式挖泥船上的专用斗轮挖掘机开挖水下淤泥，通过运泥船将污泥运送至卸泥区。

通过采用上述技术方案，当水体的淤泥较薄时，不需要进行清淤，但是，当淤泥超过5cm时，一方面导致水体原有的调蓄洪水和防灾减灾能力有所减弱，另一方面淤泥富含氮、磷导致水体富营养化。抓斗式清淤适用于开挖淤泥厚度大、施工区域内障碍物多的中小型河道，施工工艺简单，不受天气影响；排干清淤的施工成本低，输送方便；斗轮式清淤的施工精度较高，不会对河道通航产生影响，该方法适用于面积较大且底质均匀的水下淤泥。

进一步优选为，所述步骤二与步骤三之间还包括：

步骤b，调水：引入相对洁净的水，使水体中静止的水循环流动。

通过采用上述技术方案，调水一方面可以打通“断头河”，另一方面使得河道中静止的水体流动起来，增强上层水体和下层水体之间的交换，进一步增加水体中的溶氧量。

进一步优选为，所述步骤二与步骤三之间还包括：

步骤c，曝气增氧：所述曝气增氧选自下述方法中的任意一种：

风机曝气：采用高压风机将空气送入输气管，输气管的周侧连接输气支管，输气支管的出口端安装有水平设置的塑料曝气盘；

微纳米曝气：采用微纳米气泡发生装置向水体中输入纳米级的气泡；

推流式曝气:推流曝气机的曝气叶轮高速旋转时产生强大的搅拌力和推动力，将空气变成细微的小气泡，然后将产生的混合汽、水注入到水体中。

通过采用上述技术方案，曝气提高了水体溶解氧含量，有利于水生动植物和好氧微生物的生长，不仅可增强水体中污染物质的氧化分解作用，而且可以抑制水体反硝化作用和磷的释放，提升水体的絮凝沉淀效果，确保了水体不会出现发黑发臭等现象。本步骤配合调水步骤能够迅速增加水中溶解氧。

进一步优选为，所述水体中设置有溶氧量检测仪，所述溶氧量检测仪的检测端没入水体中，所述溶氧量检测仪内部的控制器电连接有plc控制器，所述plc控制器与上述的高压风机或微纳米气泡发生装置或推流曝气机电连接。

通过采用上述技术方案，当溶氧量检测仪检测到水体中溶氧量不足时，期内的控制器将数字信号传递给plc控制器，plc控制器自动开启高压风机或微纳米气泡发生装置或推流曝气机进行曝气，当水体中溶氧量达标后，自动关闭曝气，从而达到节能并及时为水体补充溶解氧的目的。

进一步优选为，所述步骤三中的原生动物选自草履虫、变形虫、纤毛虫中的至少一种。

通过采用上述技术方案，上述的原生动物会吃掉原生植物和腐烂的植物，避免造成二次污染，促进水体生态系统的恢复和平衡。

进一步优选为，所述步骤三中的水生植物包括沉水植物和挺水植物，所述沉水植物选自龙须眼子菜、虾草和苦草中的至少一种；

所述挺水植物选自芦苇、梭鱼草、花叶芦竹和香菇草中的至少一种。

通过采用上述技术方案，所选定的水生植物优先考虑当地本土植物，并考虑不同季节的适应性。水生植物的生长在水质净化中起着关键性的作用：1)吸收水体中的氮、磷等导致富营养化的污染物和其他营养盐，消除污染，净化水质；2)沉水植物进行光合作用时，吸收溶解在水中的二氧化碳、放出氧气，增加水中的溶解氧；3)能氧化淤泥污染物，改变淤泥理化环境，稳定底质，防止内源污染进一步扩散；4)吸附水中的细微悬浮物，减缓底泥扰动，抑制藻类爆发，提高水体透明度；5)为各种不同微生物的吸附和代谢提供了良好的附着栖息场所，为水中的污染物提供了足够的分解者；6)作为初级生产者，成为动物的食物；7)水生植物是构建水景的重要素材之一，具有美学价值，能改善景观生态环境。

进一步优选为，所述步骤五中的驳岸沿水体流动方向的两侧设置，所述驳岸的临水侧设置有多个石块，相邻所述石块间设置有供鱼虾、螺蛳和水生植物生存的缝隙。

通过采用上述技术方案，驳岸不仅能阻止河岸崩塌或冲刷，还可以为鱼虾等提供生存的空间。

综上所述，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明的截污步骤可以使难以截断的污水进入储水池中，打开阀门后污水依次经过卵石层、粗砂层、细砂层、改性活性炭层的过滤和吸附作用，再次排入水体中，可大大减少污染物总量；通过在排水总管的排水端设置阀板，在降雨时，大量雨水进入排水总管，液位上升超过阀板上端，大量雨水和少量污水的混合物溢流通过阀板，流入河道中，此法可在无雨或者小雨条件下将污水纳入污水管网。

（2）本发明通过采用改性活性炭层，吸附在活性炭孔内的铁离子能够除去污水中的砷，活性炭内的铜离子可以去除水中的硫离子以及腐殖酸，活性炭内的纳米二氧化钛在光催化下分解活性炭微孔内吸附的污染物，从而有利于活性炭的循环使用，降低污水预处理成本。

（3）本发明通过清淤，一方面提高水体原有的调蓄洪水和防灾减灾能力，另一方面避免水体富营养化。

（4）通过调水并打通“断头河”，另一方面使得河道中静止的水体流动起来，增强上层水体和下层水体之间的交换，进一步增加水体中的溶氧量，调水配合曝气增氧步骤能够迅速增加水中溶解氧，溶氧量检测仪和plc控制器能够及时为水体补充溶解氧，并保证水体中的溶解氧处于稳定的水平。

（5）丰富的水体溶解氧可以供给投放的水生动植物的有氧生存，原生动物会吃掉水生植物和腐烂的植物，避免造成二次污染，促进水体生态系统的恢复和平衡，恢复自净能力，丰富和完善食物链，定期清理和收割植物有利于形成良性生态循环。

附图说明

图1为实施例1中的预处理装置的剖面图；

图2为实施例2中的排水总管、阀板和排污管的剖面图；

图3为实施例9中的风机曝气的俯视图。

附图标记：1、储水池；2、填料室；3、阀门；4、卵石层；5、粗砂层；6、细砂层；7、改性活性炭层；8、滤网；9、排水总管；10、阀板；11、溢流口；12、排污管；13、高压风机；14、输气管；15、输气支管；16、塑料曝气盘。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。

实施例1：黑臭水体的生态修复方法，包括以下步骤：

步骤一，打捞水体中的漂浮物；

步骤二，截污：将流入水体的污水有效截留至城镇污水管网，并最终排入城镇污水厂，从源头减少污水对水体的污染，当少量污水短期内难以截断时，如图1所示，将污水引入预处理装置中进行处理后再排放至水体，预处理装置包括漏斗状的储水池1，储水池1的出水口设置有与其连通的填料室2，储水池1与填料室2之间设置有阀门3，填料室2内从上至下依次填充有粒径逐级递减的卵石层4、粗砂层5、细砂层6、改性活性炭层7，改性活性炭层7采用椰壳活性炭，每两层之间均设置有滤网8，改性活性炭层7的底端也设置有滤网8，避免砂石和活性炭串层或漏出；

步骤三，水生态系统的再建：对缺氧的水体进行人工曝气，先投放原生动物和原生植物,再种植水生植物，最后再放螺蛳和鱼虾,促进水体生态系统的恢复和平衡，恢复自净能力，引入相对洁净的水体进行置换和冲刷，使水体处于流动状态；原生动物选自草履虫、变形虫、纤毛虫中的至少一种，原生植物包括绿藻、黑藻、小茨藻；

水生植物包括沉水植物和挺水植物，沉水植物选自龙须眼子菜、虾草和苦草中的至少一种；

挺水植物选自芦苇、梭鱼草、花叶芦竹和香菇草中的至少一种；

步骤四，水体生态系统维护:及时清理水体垃圾和腐烂的植物，定期收割并维护种植的植物；

步骤五，水体周边环境整治：根据水体周边的建设情况进行绿化或驳岸，驳岸沿水体流动方向的两侧设置，驳岸的临水侧设置有多个石块，相邻石块间设置有供鱼虾、螺蛳和水生植物生存的缝隙；

步骤六，检测和维护：对已修复的水体内的水质参数进行自动检测，发现污染反弹及时应对处置。

实施例2：黑臭水体的生态修复方法，与实施例1的不同之处在于，改性活性炭层7中的活性炭的改性包括以下步骤：

（1）将活性炭ⅰ用1mol/l盐酸溶液搅拌浸渍3h，活性炭ⅰ为市售的40目的木材活性炭，抽滤，去离子水清洗，干燥后得到活性炭ⅱ，将活性炭ⅱ用1mol/l氢氧化钠溶液搅拌浸渍3h，抽滤，去离子水清洗，干燥后得到活性炭ⅲ，备用；

（2）将活性炭ⅲ加入0.02mol/l的高铁酸钾溶液中，然后加入1mol/l盐酸溶液搅拌、抽滤，用去离子水清洗，干燥后得活性炭ⅳ；

（3）将活性炭ⅳ加入50mg/l的硫酸铜溶液中搅拌浸渍1h，抽滤，干燥，制得活性炭ⅴ；

（4）将纳米二氧化钛加入去离子水中形成悬浮液，再将活性炭ⅴ加入悬浮液中分散均匀，纳米二氧化钛与活性炭ⅴ的重量比为2.5：100，然后对其进行超声处理，抽滤，干燥，制得活性炭ⅵ；

（5）将干燥后的活性炭ⅵ进行焙烧，焙烧温度650℃，焙烧后降温得到改性活性炭。

活性炭ⅰ未改性时的比表面积的为985.6m2/g，孔容为0.826cm3/g，改性活性炭的比表面积的为1201.8m2/g孔容为1.115cm3/g。

实施例3：黑臭水体的生态修复方法，与实施例1的不同之处在于，当市政排水排污管网中的雨水管和污水管共用时，如图2所示，在排水总管9的排水端设置阀板10，阀板10顶端与排水总管9的内壁之间开设有溢流口11，排水总管9的底部连通有与污水处理站连接的排污管12。

实施例4：黑臭水体的生态修复方法，与实施例1的不同之处在于，步骤二和步骤三之间还包括：步骤a，清淤：当水体底部淤泥厚度大于5cm时，进行清淤处理，清淤方法为抓斗式清淤：采用抓斗式挖泥船开挖水体底部的淤泥，将抓斗式挖泥船的前臂抓斗伸入水体底部，利用油压驱动抓斗插入淤泥中并闭斗抓取淤泥，提升回旋并开启抓斗，将淤泥直接卸入挖泥船舷的泥驳船中。

实施例5：黑臭水体的生态修复方法，与实施例4的不同之处在于，清淤方法为排干清淤:在水体中架设堤坝进行分段拦截，抽干河水，采用高压水枪冲刷淤泥，形成泥浆，采用泥泵吸取泥浆并输送至岸上的堆场或泥浆池内，或由泥浆运输船外运后综合利用。

实施例6：黑臭水体的生态修复方法，与实施例4的不同之处在于，清淤方法为斗轮式清淤：采用装在斗轮式挖泥船上的专用斗轮挖掘机开挖水下淤泥，通过运泥船将污泥运送至卸泥区。

实施例7:黑臭水体的生态修复方法，与实施例1的不同之处在于，步骤二与步骤三之间还包括：步骤b，调水：引入相对洁净的水，使水体中静止的水循环流动。

实施例8:黑臭水体的生态修复方法，与实施例4的不同之处在于，步骤二与步骤三之间还包括：步骤b，调水：引入相对洁净的水，使水体中静止的水循环流动。且步骤b在步骤a之后。

实施例9:黑臭水体的生态修复方法，与实施例1的不同之处在于，步骤二与步骤三之间还包括：步骤c，曝气增氧：曝气增氧方法为风机曝气：如图3所示，采用高压风机13将空气送入输气管14，输气管14的周侧连接输气支管15，输气支管15的出口端安装有水平设置的塑料曝气盘16，优选的，输气管14远离高压风机13的一端也安装有水平设置的塑料曝气盘16。

实施例10:黑臭水体的生态修复方法，与实施例9的不同之处在于，曝气增氧方法为微纳米曝气：采用微纳米气泡发生装置向水体中输入纳米级的气泡，微纳米气泡发生装置购自杭州水多姿环保科技有限公司。

实施例11：黑臭水体的生态修复方法，与实施例9的不同之处在于，曝气增氧方法为推流式曝气:推流曝气机的曝气叶轮高速旋转时产生强大的搅拌力和推动力，将空气变成细微的小气泡，然后将产生的混合汽、水注入到水体中。

实施例12：黑臭水体的生态修复方法，与实施例9的不同之处在于，水体中设置有溶氧量检测仪，溶氧量检测仪的检测端可以设置密度小于水的浮漂，使得溶氧量检测仪的检测端始终没入水体中，溶氧量检测仪内部的控制器电连接有plc控制器，plc控制器与上述的高压风机13或微纳米气泡发生装置或推流曝气机电连接。溶氧量检测仪购自北京时代新维测控设备有限公司，型号是tp350，plc控制器的型号是西门子s7-226。

对比例1：采用公开号为cn107651821a中国发明专利中的实施例1对黑臭水体进行修复，2个月后指标勉强达到《地表水环境质量标准》(gb3838-2002)v类水水质标准，但是达标后维持1个月后水质再次恶化，达不到v类水水质标准。

采用实施例1-12中的生态修复方法对不同黑臭水体进行修复后，半年后水体的化学需氧量、氨氮、溶解氧以及其他指标均达到《地表水环境质量标准》(gb3838-2002)iv类水水质标准。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。