CN102134140A - 湖口区天然能源驱动的前置库系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了湖口区天然能源驱动的前置库系统，属于前置库领域。本系统由5个单元构成：引水调蓄缓冲区、生态拦截与沉降区、强化净化区、深度净化区和生态稳定区。本发明采用风能和太阳能源驱动技术解决库区的进水和强化净化所需要的动力问题，通过5个单元的环环净化、步步拦截，提高其处理效率，达到最终入湖污染物的削减。通过5个单元的联合作用，最终可实现去除TN、TP、COD负荷30%的目标，经处理后大部分水质指标可以达到并优于国家地表水环境质量标准中的Ⅳ-Ⅴ类标准。经系统处理后的出水可用于渔业、景观、农业灌溉用水等。本发明可为湖口区前置库建设、入湖污染负荷削减、湖泊富营养化控制提供科学的、有效的可供借鉴的技术。
Description
技术领域
本发明涉及湖泊富营养化控制系统，具体地说是湖口区天然能源驱动的前置库系统。
背景技术
前置库英文称pre-dam或pre-reservoir，从20世纪50年代末起，德国、丹麦、前捷克先后开展了利用前置库治理水体的富营养化的研究和实践（Klaus Pütz ,Jürgen Benndorf ,The importance of pre-reservoirs for the control of eutrophication of reservoirs，Water Science and Technology，1998，37( 2 )：317–324）。在我国于桥水库和滇池面源控制中也运用了此项技术，先后有文章介绍（边金钟等,于桥水库富营养化防治前置库对策可行性研究，城市环境与城市生态，1994，7（3）：5-9 杨文龙等,前置库在滇池非污染源控制中的应用研究，云南环境科学，1996，15（4）：8-10。 ）。
经典的前置库是在入湖口筑坝，建成位于主体湖泊水库上游的小型水库，用于截留进入主体水库的污染物。在以往的国内外研究中，前置库多设置在丘陵地区，利用天然的坡降，有效地拦截大部分泥沙和N、P营养物质，而且结构单一，仅有一个蓄水库区。我国在平原河网地区前置库已有应用(张毅敏等，前置库技术在太湖流域面源污染控制中的应用探讨，《环境污染与防治》2003,25(6)：342-344，张永春，张毅敏等，平原河网地区面源污染控制的前置库技术研究《中国水利》2006，17：14-18)，但仅用于面源污染控制。由于湖口区特殊的地理条件以及能源装置安装的不便，在湖口区污染物的处理上一直未有很好的解决办法，在本专利申请前未检索到在入湖口区建设天然能源驱动前置库系统去除入湖的氮、磷的文献报道。
发明内容
1、要解决的技术问题
针对大量的氮、磷污染物经入湖口进入湖泊（水库），引起湖泊的富营养化发生，而以往单一技术对去除氮、磷等污染物上效率低，加之湖口区多在空旷野外，电力供给十分困难，系统动力无法解决等问题，本发明提供平原河网地区湖口区天然能源驱动的氮、磷营养盐去除的前置库技术及其构建方法。通过风能提水驱动库区水流，克服平原地区河流落差较小不利于前置库水体流动的水力学缺点；本发明通过构建前置库三级净化区和生态稳定调控区等集成现有的技术，有效提高系统的处理效率；针对目前我国湖口区的自然现状，动力供给十分困难，无法驱动系统运行，采用风能、太阳能等天然能源。本发明使用范围广，处理效果稳定，能同时去除入湖的氮和磷等污染物质，并促进湖体水质改善。
2、技术方案
湖口区天然能源驱动的前置库系统，由5个单元构成：引水调蓄缓冲区，生态拦截与沉降区、强化净化区、深度净化区和生态稳定区。
通过各单元的有机地结合，步步拦截，环环净化，实现最佳的净化效果。本发明前置库系统的面积可根据入湖污染物的量进行设计，面积应不小于(40m×100m)4000m2，库容不小于为6000m3。前置库水力负荷为0.1-0.5m3/m2/d。库区水面形状宜为长方形或圆形；前置库可以以土质堤坝围堰而成，也可以钢筋水泥或砖混构造而成。
湖口区天然能源驱动的前置库系统中各个单元的具体组成如下：
（1）引水调蓄缓冲区，针对平原河网地区水流落差较小的特点，本发明以风能作为能量来源采用风车提水，将河水利用风能引至库区的调蓄缓冲区（即高位配水区），形成水位落差，保证后续处理工艺的顺利进行，即借助提水的重力势能进行下阶段的生态净化作用。入湖口多位于开阔水面附近，风力资源充足，可发挥其特点利用风能，提供动力。
引水调蓄区的设计水深为2-3m；设计水面控制标高应该高于入湖河流多年最低水位1.5-3m；设计面积一般占前置库总水面面积10%左右，避免死角区；向下游生态拦截与沉降区布水可以采用管道布水和溢流布水两种形式。
（2）、生态拦截与沉降区，生态拦截沉降区通过高密度种植芦苇，香蒲等挺水植物，形成拦截屏障，拦截河水中携带的颗粒污染物，同时通过植物的吸附、吸收以及微生物的硝化一反硝化作用，去除部分的氮、磷等营养盐。
生态拦截与沉降区的设计面积应占库区总水面面积10%左右，设计水深为0.4-0.7m；挺水植物种植密度为15-25株/m2，植被覆盖率80%以上。
（3）强化净化区，强化净化区是整个净化流程中最重要的部分。设置生态导流坝，增加水体的处理停留时间，布设漂浮植物区和挺水植物区。漂浮植物区内布置凤眼莲、菱，浮水植物生长迅速，其对氮磷的净化效果较好；在挺水植物区，布置景观挺水植物荷、再力花等，进一步去除氮磷；同时布置太阳能驱动的水体曝气复氧设备，增强水中DO含量，促进好氧微生物的新陈代谢，从而高效的去除水中的氮、磷。
强化净化区内漂浮植物区设计水深为1.0-2.0m，挺水植物区水深为0.4-0.7m；面积占前置库总水面面积30%为宜，挺水植物种植密度为10株/m2左右，种植种类为荷、再力花、梭鱼草等，植被覆盖率30%-50%为宜；漂浮植物种植密度为10株/m2，植被覆盖率50%-80%为宜；
（4）深度净化区，深度净化区内主要布设立体生态浮床，立体生态浮床是由浮床、水生植物、复合填料、附着微生物构成。水生植物主要由西伯利亚鸢尾、水生美人蕉、旱伞草、水蕹菜合理配置，西伯利亚鸢尾耐寒性较强，而且景观性较好，净化吸收氮磷的能力也较高。旱伞草、美人蕉的水质净化能力和景观价值较高；水蕹菜的净化能力和经济价值较高。附着微生物是依托复合填料高效富集水体中的微生物的作用，对水体中N、P有较好去除效果。通过水生生物的共同作用，进一步降低进水中污染物浓度，改善水质。
深度净化区设计水深为1.5-2.0m，面积占前置库总水面面积20%为宜；浮床覆盖率为10-20%；浮床植物种植密度为9－18株/m2；
（5）生态稳定区，生态稳定区是前置库工艺流程的最后一个环节，起辅助净化作用。进入库区的河水经过拦截、沉降和深度净化后，水质得到明显的改善，特别是透明度将大大提升，为沉水植物的生长创造了基本条件。因此，在该区域布置沉水植物、鱼类、和底栖动物，初步构建健康的生态系统。通过生物间的互利共生，加快湖泊生态恢复进程，提高湖泊生态系统的稳定性。放养滤食性鱼类鲢、鳙鱼，可减少浮游植物的生物量，改变系统的群落结构和代谢强度。在生态稳定区中放养鱼类，并控制其合理的放养密度，可对水体中浮游生物的生物量起到良好的控制作用，平衡小型生态系统的稳定性，改善水质。保证系统的出水效果。
生态稳定区水深以0.5-1.5m为宜，面积占前置库水面总面积的30%为宜；沉水植物种植密度为1-5株/m2，植物覆盖率20%-40%；投放鲢鱼、鳙鱼等滤食性鱼类1-5尾/m2，蚌类和螺类5kg/100m2为宜。
3、有益效果
本发明采用风能和太阳能源驱动技术解决库区的进水和强化净化所需要的动力问题，通过5个单元的环环净化、步步拦截，提高其处理效率，达到最终入湖污染物的削减。入湖河口前置库采用风能驱动引水，加上太阳能曝气复氧，根据物理沉降与水生植物、微生物净化等机理，去除入湖的N、P等营养盐、悬浮固体和有机污染物，减少入湖污染负荷量，有效控制湖泊的富营养化。通过5个单元的联合作用，最终可实现去除TN、 TP、COD负荷30%的目标，经处理后大部分水质指标可以达到并优于国家地表水环境质量标准（GB2002-3838）中的Ⅳ-Ⅴ类标准。经系统处理后的出水可用于渔业、景观、农业灌溉用水等。本发明可为为湖口区前置库建设、入湖污染负荷削减、湖泊富营养化控制提供科学的、有效的可供借鉴的技术。
附图说明
图1为湖口区前置库的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明.
实施例1：
在苏南某处湖口区进行风能驱动的湖口区前置库系统构建工程。该湖泊通过湖口区排入大量氮磷营养盐，导致湖泊水质恶化。本前置库工程采用风车提水，设计水力负荷为0.20 m3/m2/d，前置库水面面积设计为1250m2。此前置库工程的容积为1520m3，进水量为250m3/d，水力停留时间为6d。工程采用砖混构造，各区域之间相互隔断，并以PVC管沟通。
（1）引水调蓄区：面积为20m×5m=100m2，水流方向与20m边方向平行，占前置库总面积8%，设计水深2m；风车提水量平均为250m3/d；引水调控区以5条DN20的PVC管布水，与下一单元连通。
（2）生态拦截与沉降区：面积为20m×5m=100m2，水流方向与20m边方向平行，占前置库总面积的8%；设计水深为0.5m，水泥池原水深为1m，上层铺垫50cm的泥土；区内挺水植物种植菖蒲，种植密度为20株/m2；本区与下一单元以5条DN20的PVC管连通。
（3）强化净化区：面积为10m×40m=400m2，水流方向与40m边方向平行，占前置库总面积的32%；前半部10m×20m的挺水植物区水深为0.4m，种植植物为荷、再力花以1:1混种；后半部10m×20m的漂浮植物区设计水深为1.5m，植物种植为大薸，以渔网做成围格限制其恶性生长；本区与下一单元以5条DN20的PVC管连通。
（4）深度净化区：面积为10m×30m=300m2，占前置库总面积的24%，水流方向与30m边方向平行；设计水深为2.0m；立体浮床水面覆盖率为20%；浮床植物为旱伞草和水生美人蕉以1:1比例混种，种植密度为9株/m2；以组合填料作为富集附着生物的基质；本区与下一单元以5条DN20的PVC管连通。
（5）生态稳定区：面积为10m×35m=350m2，占前置库水面面积的28%，水流方向与35m边方形平行；设计平均水深为0.83m，平均水深为0.5m，种植沉水植物苦草，种植密度为3丛/m2；本区为前置库最后一个功能区，库区内净化后的水体以溢流方式排出。
经本系统处理以后的出水，主要常规水质指标均有改善，见下表。
| 水质指标 | TN | TP | NH3-N | 高锰酸盐指数 |
| 进水浓度/mg.L-1 | 3.34±0.55 | 0.165±0.075 | 1.34±0.59 | 5.80±0.84 |
| 进水水质等级 | 劣Ⅴ | Ⅴ | Ⅳ | Ⅳ |
| 出水浓度/mg.L-1 | 2.34±0.73 | 0.092±0.062 | 0.57±0.21 | 4.02±0.85 |
| 出水水质等级 | 劣Ⅴ | Ⅳ | Ⅲ | Ⅲ |
| 平均去除率/% | 30.0% | 44.2% | 57.5% | 30.7% |
实施例2：
在苏南某处湖口区开展天然能源驱动的湖口区前置库工程。湖口区进入湖泊大量的氮磷等营养物质是该湖泊富营养化的一主要原因。本前置库工程采用风车提水，设计水力负荷为0.40 m3/m2/d，前置库水面面积为10000m2，容积为13750m3，进水量为4000m3/d，水力停留时间为3.4d。前置库主体工程为土质构造，形状为近似长方形，各区域之间以土质围堰隔断，除引水调蓄区外，均以围堰上设置断口来沟通各净化区。
（1）引水调蓄区：面积50×20=1000m2，水流方向与50m边方向平行，占前置库总面积的10%，设计水深2.5m；风车提水高度为2m，提水量平均为4000m3/d；引水调控区与下一单元由一条溢流坝隔断，水从溢流坝顶部溢流进入下一单元。
（2）生态拦截与沉降区：面积50×20=1000m2，水流方向与50m边方向平行，占前置库总面积的10%；设计水深为0.5m，区内挺水植物种植菖蒲，种植密度为20株/m2，水面覆盖率90%；
（3）强化净化区：面积为60m×50m=3000m2，在区内隔20m设置导流坝，导流坝方向与50m边平行，水流在强化净化区内沿50m边迂回流动；导流坝坝顶宽度1m，高度与前置库内水面等高，坝顶种植挺水植物芦苇；前半部一个50×20=1000m2廊道为漂浮植物区，设计水深为1.5m，植物种植为大薸，以渔网做成围格限制其恶性生长；后部两个50m×20m=1000m2廊道为挺水植物区，水深为0.5m，种植植物为荷、再力花以1:1混种；本区平均水深为1.25m，水生植物水面覆盖率为50%。
（4）深度净化区：面积为100m×20m=2000m2，占前置库总面积的20%，水流方向与100m边方向平行；设计水深为2.0m；立体浮床水面覆盖率为20%，浮床设置在过水通道中央，浮床植物为旱伞草和水生美人蕉以1:1比例混种，种植密度为9株/m2；以组合填料作为富集附着生物的基质。
（5）生态稳定区：面积为50m×60m=3000m2，占前置库水面面积的30%；设计平均水深为0.5m，种植沉水植物苦草，种植密度为3丛/m2；生态稳定区投放鲢、鳙鱼各1000尾，环棱螺20kg；生态稳定区设置出水溢流坝，水流从溢流坝顶部流出系统。
经过本工程净化以后的出水，主要常规水质指标均得到改善，负荷得到了削减。具体见下表。
| 水质指标 | TN | TP | NH3-N | 高锰酸盐指数 |
| 进水浓度/mg.L-1 | 4.28±0.65 | 0.234±0.894 | 2.53±0.87 | 6.37±0.67 |
| 进水水质等级 | 劣Ⅴ | Ⅴ | Ⅳ | Ⅳ |
| 出水浓度/mg.L-1 | 2.96±0.74 | 0.124±0.908 | 0.68±0.43 | 4.27±0.97 |
| 出水水质等级 | 劣Ⅴ | Ⅳ | Ⅲ | Ⅲ |
| 平均去除率/% | 30.8% | 47.0% | 73.1% | 33.0% |
Claims (5)
1.一种湖口区天然能源驱动的前置库系统，其特征在于由5个单元构成：引水调蓄缓冲区，生态拦截与沉降区、强化净化区、深度净化区和生态稳定区。
2.根据权利要求1所述的湖口区天然能源驱动的前置库系统，其特征在于该前置库系统的面积可根据入湖污染物的量进行设计，面积应不小于40m×100m，库容不小于为6000m3。
3.根据权利要求2所述的湖口区天然能源驱动的前置库系统，其特征在于：
（1）引水调蓄缓冲区，面积以不小于40m×10m为宜，风车提水，将河水利用风能引至库区的调蓄缓冲区，形成水位落差；
（2）生态拦截与沉降区，面积以不小于40m×20m为宜，生态拦截区高密度种植挺水植物，形成拦截屏障；
（3）强化净化区，面积以不小于40m×40m为宜，设置生态导流坝，增加水体的处理停留时间，布设漂浮植物区，增设太阳能曝气设备；
（4）深度净化区，面积以不小于40m×20m为宜，深度净化区内布设立体生态浮床，立体生态浮床是由浮床、水生植物、复合填料和附着微生物构成；
（5）生态稳定区，面积以不小于40m×10m为宜，布置沉水植物、鱼类、和底栖动物。
4.根据权利要求3所述的湖口区天然能源驱动的前置库系统，其特征在于引水调蓄缓冲区提水采用天然风能资源。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的湖口区天然能源驱动的前置库系统，其特征在于深度净化区立体生态浮床中的水生植物主要由西伯利亚鸢尾、水生美人蕉、旱伞草和水蕹菜构成，设置复氧曝气装置，装置以天然太阳能光源驱动。
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