一种闸控非恒定水位河口水质净化系统及其运行方法与流程

1.本发明属于河道水质净化和水体修复领域，具体涉及一种闸控非恒定水位河口水质净化系统及其运行方法。


背景技术：

2.随着社会的发展进步和人民生活水平的提高，河道不仅要满足行洪和排水等要求，还要满足人们对水环境和生态环境质量的需求。但由于闸控河口河流水动力条件差、水位变化大、污染物累积严重、非溶解性tp含量高，致使河道河口淤堵、水流不畅、水体自净能力差。因此，针对河道水动力不足、底泥堆积、水体污染等严重问题，需构建运行稳定、操作管理方便、无二次污染、见效快的水生态系统。
3.cn103422466a公开了一种黑臭河道治理及恢复方法，包括河道截污、河道清淤、坡面修整、铺设植物垫等。形成了新的水体生态系统，使水体达到四类水的标准。cn110092546a公开了一种河道治理净化方法，包括采用锥形结构的河道水体净化机构将河内沉积的淤积物进行清理；采用河面截留结构对河面的水生藻类进行处理；采用人工曝气的方式为河水复氧；并在河道中央设立拦水堰，在河道两岸设立鱼类、水生植物去营养化池。通过多种治理方式综合应用，降低氮磷含量。但是并未考虑河道水文、水动力条件和水质净化的结合，以适应非恒定水位河口水生态的构建。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种闸控非恒定水位河口水质净化系统及其运行方法，通过构建以水动力改善为基础、水质净化为核心、监控预警为辅助的闸控非恒定水位河口水生态构建系统，解决活水、净化、防洪的问题。本方法具有运行稳定、操作管理方便、无二次污染、见效快等优点。
5.本发明的目的通过以下技术方案实现：一种闸控非恒定水位河口水质净化系统及其运行方法，包括监控预警系统、水动力系统和水质净化系统；所述监控预警系统包括水质检测仪、水文监测仪和智能闸控控制器，用于检测水文、水质并调控曝气时间和节制闸的启闭；所述水动力系统包括定向活水推流器和原位活水冲氧器，用于改善水流进行水质净化；所述水质净化系统包括防污帘、生物载体床、生物填料、改性铁铝泥基质中的一种或几种，用于去除水质中的氮磷等污染物。
6.优选的，所述生物载体床中种植挺水植物，设置于河口区和靠近河岸的河口两侧，沿水流方向分布；所述生物填料为碳纳米材料，碳前驱体为金属碳化物、有机硅聚合物等，其孔径为2～50nm，比表面积为390～1955m2/g，生物填料间首尾连接，并由固定设施固定设置于靠近河口中间的两侧，沿水流方向分布；所述改性铁铝泥基质总铁含量不低于40mg/g，总铝含量不低于100mg/g、总钙不低于5mg/g、总镁不低于5mg/g。
7.优选的，所述非恒定水位河口水生态系统根据区域可划分为预处理拦截单元、强化生物处理单元、改性铁铝泥基质修复单元、湿地植物净化单元；所述预处理拦截单元位于
河口区，包括水质监测仪、防污帘、生物载体床和定向活水推流器；所述强化生物处理单元位于靠近河口区的河口右侧，包括生物载体床、生物填料和原位活水冲氧器；所述改性铁铝泥基质修复单元位于靠近节制闸的河口左右两侧，包括生物载体床、生物填料、改性铁铝泥基质、水质监测仪、定向活水推流器和原位活水冲氧器；所述湿地植物净化单元位于靠近河口区的河口左侧，包括生物载体床、生物填料、原位活水冲氧器、定向活水推流器、生物载体床和水质监测仪。
8.一种闸控非恒定水位河口水质净化系统及其运行方法，包括以下步骤：
9.步骤1：河口来水从河口区流入预处理拦截单元，水质监测仪监测水质并控制定向活水推流器进行水动力优化，防污帘拦截悬浮物，生物载体床对水质进行净化，定向活水推流器推送水流进入强化生物处理单元；
10.步骤2：水流在强化生物处理单元经生物载体床、生物填料进行净化，并由步骤1中水质监测仪控制原位活水冲氧器复氧；
11.步骤3：水流流入改性铁铝泥基质修复单元，经生物载体床、生物填料进行净化，经改性铁铝泥基质对水体与底泥吸附除磷，其间由定向活水推流器推送水流从河口右侧向河口左侧行进，并由水质监测仪监测水质并控制原位活水冲氧器复氧；
12.步骤4：水流流入湿地植物净化单元，经生物载体床、生物填料进行净化，并由水质监测仪控制原位活水冲氧器复氧，定向活水推流器推送净化出水在河口区沿河口左侧行进；
13.步骤5：水文监测系统对节制闸前后水位以及降雨气象预报进行监测，确定节制闸的启闭及启闭时间。
14.优选的，所述步骤1中定向活水推流器开启时间t1的计算方法如式1：
15.v1为水体流速，b为水体流速阈值，n为水体中氧的摩尔数，m
o
为氧的摩尔质量，g为定向活水推流器曝气强度，do0为地表水环境质量标准ⅲ类水溶解氧浓度，do1为水质监测仪实时溶解氧浓度。
16.优选的，所述步骤2中原位活水冲氧器的曝气时间t2的计算方法如式2：
17.为水质监测仪对水体中总氮浓度监测值，为地表水环境质量标准ⅲ类水总氮浓度，α
s
为季节变化参数，t
w
为水温影响参数，为原位活水冲氧器标准曝气时间。
18.优选的，所述步骤3中定向活水推流器开启时间t3的计算方法如式3；原位活水冲氧器的曝气时间t4的计算方法如式4：
[0019][0020]
v0为河道活水最低流速，v2为改性铁铝泥基质修复单元断面流速，a为定向活水推流器水动力提升系数；
[0021][0022]
为水质监测仪对水体中总氮浓度监测值，为地表水环境质量标准ⅲ类水总氮浓度，α
s
为季节变化参数，t
w
为水温影响参数，为原位活水冲氧器标准曝气时间。
[0023]
优选的，所述步骤4中原位活水冲氧器的曝气时间t5的计算方法如式5：
[0024]
为水质监测仪对水体中总氮浓度监测值，为地表水环境质量标准ⅲ类水总氮浓度，α
s
为季节变化参数，t
w
为水温影响参数，为原位活水冲氧器标准曝气时间。
[0025]
优选的，所述步骤5中节制闸启闭时间t6计算方法如式6：
[0026][0027]
t
′
为降雨预报可利用的预见期，h2为节制闸闸后方水位，h1为节制闸闸前方水位，b为河口常水位上底宽度，b为河口常水位下底宽度，l为河口上游长度，q为节制闸最大泄洪流量。
[0028]
与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：
[0029]
(1)本发明基于汛期、非汛期非恒定水位复杂条件下，针对河口水文变化大、水体滞流、流速变化冲击强的难点，“水动力优化 高效净化 生态修复”复合强化湿地生态系统，实现闸控河口受污染河道水动力优化、水质净化与水生态系统构建结合，该方法适应性强。
[0030]
(2)本发明针对闸控河口污染物累积、水体滞流、生态系统脆弱等问题，结合生物强化处理、微动力推流、湿地净化等技术，发挥河道水生态系统优势，提升河道内在自净能力。该方法水动力优化效果好、去除效率高。使得水体流速提高至3～5cm/s，tp去除率50％以上，河口水质从劣
ⅴ
类提高至ⅲ类。
[0031]
(3)本发明精准度高、操作简单、运行成本低。在闸控河口非恒定水位河道水体强化修复的技术的基础上，依托预警管理系统，对闸控河口区水位、水质、气象情况进行实时监测预警，在实现河口区水质提升的同时满足汛期防洪要求。
附图说明
[0032]
图1为本发明闸控非恒定水位河口水质净化系统结构图；
[0033]
图2为本发明闸控非恒定水位河口水质净化系统及其运行方法流程图；
[0034]
图3为本发明闸控非恒定水位河口水质净化系统预处理拦截单元断面图；
[0035]
图4为本发明闸控非恒定水位河口水质净化系统强化生物处理单元和湿地植物净化单元断面图；
[0036]
图5为本发明闸控非恒定水位河口水质净化系统改性铁铝泥基质修复单元断面图；
[0037]
图6为本发明闸控非恒定水位河口水质净化系统智能闸控控制器断面图。
[0038]
其中，1为预处理拦截单元、1
‑
1为河口来水、1
‑
2为水质监测仪、1
‑
3为防污帘、1
‑
4为生物载体床、1
‑
5为定向活水推流器；2为强化生物处理单元、2
‑
1为生物载体床、2
‑
2为生物填料、2
‑
3为1#原位活水冲氧器、2
‑
4为2#原位活水冲氧器、2
‑
5为聚乙烯绳、2
‑
6为固定设
施；3为改性铁铝泥基质修复单元、3
‑
1生物载体床、3
‑
2为生物填料、3
‑
3为改性铁铝泥基质、3
‑
4为水质监测仪、3
‑
5为定向活水推流器、3
‑
6为3#原位活水冲氧器、3
‑
7为4#原位活水冲氧器；4为湿地植物净化单元、4
‑
1为生物载体床、4
‑
2为生物填料、4
‑
3为5#原位活水冲氧器、4
‑
4为6#原位活水冲氧器、4
‑
5为定向活水推流器、4
‑
6为生物载体床、4
‑
7为水质监测仪、4
‑
8为净化出水；5为监控预警单元、5
‑
1为桥梁、5
‑
2为节制闸、5
‑
3为河口、5
‑
4为电气控制柜、5
‑
5为水文监测系统、5
‑
6为水质监测仪、5
‑
7为生物填料、5
‑
8为生态护坡。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步说明。
[0040]
一种闸控非恒定水位河口水质净化系统及其运行方法，包括监控预警系统、水动力系统和水质净化系统；所述监控预警系统包括水质检测仪、水文监测仪和智能闸控控制器，用于检测水文、水质并调控曝气时间和节制闸的启闭；所述水动力系统包括定向活水推流器和原位活水冲氧器，用于改善水流进行水质净化；所述水质净化系统包括防污帘、生物载体床、生物填料、改性铁铝泥基质中的一种或几种，用于去除水质中的氮磷等污染物。
[0041]
生物载体床中均种植挺水植物西伯利亚鸢尾、再力花、黄菖蒲、美人蕉、睡莲等，种植密度为20株/m2。所述生物填料为碳纳米材料，碳前驱体为金属碳化物、有机硅聚合物等，其孔径为2～50nm，比表面积为390～1955m2/g。改性铁铝泥基质总铁含量不低于40mg/g，总铝含量不低于100mg/g、总钙不低于5mg/g、总镁不低于5mg/g。改性铁铝泥基质为提前预制并装满长40cm，宽6cm的网袋，并悬挂于生物载体床的四周，间隔为40cm，基质更换周期为30d。
[0042]
定向活水推流器采用qjb3/4
‑
1100/2
‑
52/b型号潜水定向活水推流器，叶片数为2，其叶轮直径d0＝800mm，轮毂直径d
h
＝440mm，额定转速n0＝45r/min。
[0043]
水质监测仪具有独立的水质检测、判定、信号传输功能，测量范围为(0.0～100.0)mg/l，精度为0.1mg/l，判定时间为0.5ms。主要监测指标为cod、nh3‑
n、tn、tp、do、水温等。水文监测系统基于4g移动通信网络，带宽采用50m，时延30ms，供电方式采用太阳能 交流电，主要监测雨量、水位、风速风向、流速流量等水文资料。节制闸闸门选用2孔8m的升卧门，闸底板顺水流向长10m，垂直水流向15m，厚1.5m，底板顶高程0.0m，闸墩顶高程7.0m，门顶挡水高程4.0m，上下游侧均采用悬臂式翼墙，底板顶高程0.0m，顶高程5.0m。闸门顶设计高程取4.5m，满足设计5年一遇防洪需求。
[0044]
实施例1
[0045]
一种非恒定水位河口水生态构建系统及其运行方法如图1和图2所示，水动力系统推送水流依次通过预处理拦截单元(1)、强化生物处理单元(2)、改性铁铝泥基质修复单元(3)、湿地植物净化单元(4)，并由监控预警系统检测水质并调控曝气时间和节制闸的启闭。
[0046]
预处理拦截单元(1)包括水质监测仪(1
‑
2)、防污帘(1
‑
3)、生物载体床(1
‑
4)和定向活水推流器(1
‑
5)。河口来水(1
‑
1)从河口区流入，水质监测仪(1
‑
2)对河口来水(1
‑
1)进行实时监测。桥梁两侧的防污帘(1
‑
3)对河口来水(1
‑
1)中的大型悬浮物、障碍物进行拦截(如图3)。生物载体床(1
‑
4)对河口来水(1
‑
1)进行净化。然后启动定向活水推流器(1
‑
5)对河口来水(1
‑
1)进行水动力优化，推流进入强化生物处理单元，定向活水推流器(1
‑
5)开启时间t1由水体中do1与水体断面流速v1所决定，其计算方法如式1：
[0047][0048]
v1：水体流速，取0～3cm/s；
[0049]
b：水体流速阈值，取1～5cm/s；
[0050]
n：水体中氧的摩尔数，取25.22～55.39mol；
[0051]
m
o
：氧的摩尔质量，取8mg/mol；
[0052]
g：定向活水推流器(1
‑
5)曝气强度，取40～75m3/h；
[0053]
do0：地表水环境质量标准(gb3838
‑
2002)ⅲ类水溶解氧浓度，取5mg/l；
[0054]
do1：水质监测仪(1
‑
2)实时溶解氧浓度，取1～3mg/l。
[0055]
在本实施例中注：v1＝0.5cm/s，b＝3cm/s，n＝30mol，m
o
＝8mg/mol，g＝40m3/h，do0＝5mg/l，do1＝3mg/l，经计算，定向活水推流器(1
‑
5)开启时间t1为3h。
[0056]
强化生物处理单元(2)位于靠近河口区的河口右侧，包括生物载体床(2
‑
1)、生物填料(2
‑
2)、1#原位活水冲氧器(2
‑
3)、2#原位活水冲氧器(2
‑
4)、聚乙烯绳(2
‑
5)和固定设施(2
‑
6)(如图4)。生物载体床(2
‑
1)设置于靠近河岸的河口两侧，沿水流方向分布，生物填料(2
‑
2)设置于靠近河口中间的两侧，沿水流方向平行分布，多条生物填料(2
‑
2)间采用聚乙烯绳(2
‑
5)首尾连接，并由固定设施(2
‑
6)锚桩插进底泥下80～150cm达到固定效果。1#原位活水冲氧器(2
‑
3)、2#原位活水冲氧器(2
‑
4)分布于平行分布的生物填料(2
‑
2)之间，曝气时间t2随季节参数、水温影响参数t
w
、n元素浓度等参数变化而变化，其计算方法如式2：
[0057][0058]
水质监测仪(1
‑
2)对水体中总氮浓度监测值，取1.5～3.5mg/l；
[0059]
地表水环境质量标准(gb3838
‑
2002)ⅲ类水总氮浓度，取1.0mg/l；
[0060]
α
s
：季节变化参数，取0.1～0.5，无量纲；
[0061]
t
w
：水温影响参数，取0.3～0.6，无量纲；
[0062]
原位活水冲氧器标准曝气时间，取6～8h；
[0063]
本实施例中，α
s
＝0.3，t
w
＝0.4，经计算，曝气时间t2为6.24h。
[0064]
改性铁铝泥基质修复单元(3)分布于靠近节制闸(5
‑
2)的河口左右两侧，包括生物载体床(3
‑
1)、生物填料(3
‑
2)、改性铁铝泥基质(3
‑
3)、水质监测仪(3
‑
4)、定向活水推流器(3
‑
5)、3#原位活水冲氧器(3
‑
6)和4#原位活水冲氧器(3
‑
7)(如图5)。生物载体床(3
‑
1)设置于靠近河岸的河口两侧，沿水流方向分布，生物填料(3
‑
2)设置于靠近河口中间的两侧，沿水流方向平行分布，3#原位活水冲氧器(3
‑
6)和4#原位活水冲氧器(3
‑
7)分布于平行分布的生物填料(3
‑
2)之间。改性铁铝泥基质(3
‑
3)悬挂于生物载体床(3
‑
1)四周用于吸附水体与底泥表层中的磷，防止底泥中磷的释放。定向活水推流器(3
‑
5)位于靠近节制闸(5
‑
2)的河口右侧，在节制闸(5
‑
2)截断右侧水流行进的情况下，将右侧水流沿节制闸(5
‑
2)推送至河口左侧继续行进。改性铁铝泥基质总铁含量不低于42mg/g，总铝含量不低于110mg/g、总钙不低于6mg/g、总镁不低于8mg/g。定向活水推流器(3
‑
5)开启时间t3根据水体断面流速v2决
定，其计算方法如
[0065]
式3：
[0066][0067]
v0：河道活水最低流速，取1.5～20cm/s；
[0068]
v2：河口(5
‑
3)在改性铁铝泥基质修复单元(3)断面流速，取0.5～1cm/s；
[0069]
a：定向活水推流器(3
‑
5)水动力提升系数，取0.7～1.0*10
‑3，cm/s2；
[0070]
在本实施例中，v0＝5cm/s，v2＝1cm/s，a＝1.0*10
‑3cm/s2，经计算，定向活水推流器(3
‑
5)开启时间t3为1.1h。
[0071]
水质监测仪(3
‑
4)位于靠近节制闸(5
‑
2)的河口中间，以反映预处理拦截单元(1)、强化生物处理单元(2)、改性铁铝泥基质修复单元(3)的处理情况，并控制3#原位活水冲氧器(3
‑
6)、4#原位活水冲氧器(3
‑
7)的启闭，启闭时间t4计算方法如式4：
[0072][0073]
水质监测仪(3
‑
4)对水体中总氮浓度监测值，取1.5～3.5mg/l；
[0074]
地表水环境质量标准(gb3838
‑
2002)ⅲ类水总氮浓度，取1.0mg/l；
[0075]
α
s
：季节变化参数，取0.1～0.5，无量纲；
[0076]
t
w
：水温影响参数，取0.3～0.6，无量纲；
[0077]
原位活水冲氧器标准曝气时间，取6～8h；
[0078]
本实施例中，α
s
＝0.3，t
w
＝0.4，经计算，3#原位活水冲氧器(3
‑
6)、4#原位活水冲氧器(3
‑
7)启闭时间t4为4.2h。
[0079]
湿地植物净化单元(4)位于靠近河口区的河口左侧，包括生物载体床(4
‑
1)、生物填料(4
‑
2)、5#原位活水冲氧器(4
‑
3)、6#原位活水冲氧器(4
‑
4)、定向活水推流器(4
‑
5)、生物载体床(4
‑
6)和水质监测仪(4
‑
7)(如图4)。生物载体床(4
‑
1)设置于靠近河岸的河口两侧，沿水流方向分布，生物填料(4
‑
2)设置于靠近河口中间的两侧，沿水流方向平行分布，5#原位活水冲氧器(4
‑
3)、6#原位活水冲氧器(4
‑
4)分布于平行分布的生物填料(4
‑
2)之间。定向活水推流器(4
‑
5)推送生物净化后的河水通过生物载体床(4
‑
6)尾水净化后最终形成净化出水(4
‑
8)。水质监测仪(4
‑
7)设置于桥下出口，监测净化出水(4
‑
8)并控制5#原位活水冲氧器(4
‑
3)与6#原位活水冲氧器(4
‑
4)的启闭，启闭时间t5计算方法如式5：
[0080][0081]
水质监测仪(4
‑
7)对水体中总氮浓度监测值，取1.5～3.5mg/l；
[0082]
地表水环境质量标准(gb3838
‑
2002)ⅲ类水总氮浓度，取1.0mg/l；
[0083]
α
s
：季节变化参数，取0.1～0.5，无量纲；
[0084]
t
w
：水温影响参数，取0.3～0.6，无量纲；
[0085]
原位活水冲氧器标准曝气时间，取6～8h；
[0086]
本实施例中，α
s
＝0.3，t
w
＝0.4，经计算，5#原位活水冲氧器(4
‑
3)与6#原位活水冲氧器(4
‑
4)启闭时间t5为0.4h。
[0087]
监控预警单元(5)包括节制闸(5
‑
2)、电气控制柜(5
‑
4)、水文监测系统(5
‑
5)、水质监测仪(5
‑
6)(如图6)。经过水文监测系统(5
‑
5)对河口(5
‑
3)闸前后水位h1、h2以及降雨气象预报的监测，确定节制闸(5
‑
2)的启闭及启闭时间，启闭时间t6计算方法如式6：
[0088][0089]
t
′
：降雨预报可利用的预见期，取18～22h；
[0090]
h2：节制闸(5
‑
2)闸后方水位，取4～6m；
[0091]
h1：节制闸(5
‑
2)闸前方水位，取3～5.5m；
[0092]
b：河口(5
‑
3)常水位上底宽度，取10～25m；
[0093]
b：河口(5
‑
3)常水位下底宽度，取5～18m；
[0094]
l：河口(5
‑
3)上游长度，取50～100m；
[0095]
q：节制闸(5
‑
2)最大泄洪流量，取200～300m3/h。
[0096]
在本实施例中，h1与h2均为4.5m，无需开闸。
[0097]
经预处理拦截单元(1)、强化生物处理单元(2)、改性铁铝泥基质修复单元(3)、湿地植物净化单元(4)处理后，水体中cod
cr
、nh3‑
n、tp等污染物的去除情况如表1所述：
[0098]
表1实施例1污染物去除效果
[0099][0100]
结果表明，经本发明非恒定水位河口水生态构建系统处理后，净化出水(4
‑
8)达标地表水环境质量标准(gb3838
‑
2002)ⅲ类水。
[0101]
实施例2
[0102]
与实施例1的区别在于：水质监测仪(1
‑
2)对河口来水中总氮浓度监测值为3.5mg/l，经计算1#原位活水冲氧器(2
‑
3)与2#原位活水冲氧器(2
‑
4)曝气时间t2为10.4h；3#原位活水冲氧器(3
‑
6)、4#原位活水冲氧器(3
‑
7)启闭时间t4为8.6h、5#原位活水冲氧器(4
‑
3)与6#原位活水冲氧器(4
‑
4)启闭时间t5为4.5h。
[0103]
经预处理拦截单元(1)、强化生物处理单元(2)、改性铁铝泥基质修复单元(3)、湿地植物净化单元(4)处理后，水体中cod
cr
、nh3‑
n、tp等污染物的去除情况如表2所述：
[0104]
表2实施例2污染物去除效果
[0105][0106][0107]
结果表明，经本发明非恒定水位河口水生态构建系统处理后，净化出水(4
‑
8)达标地表水环境质量标准(gb3838
‑
2002)ⅲ类水。
[0108]
实施例3
[0109]
与实施例1的区别在于：经过水文监测系统(5
‑
5)对河口(5
‑
3)闸前后水位h1、h2以及降雨气象预报的监测，h1为3m，h2为4.5m，需进行开闸行洪。
[0110]
本实施例中，t
′
＝18h，h2＝4.5m，h1＝3m，b＝20m，b＝13m，l＝100m，q＝200m3/h，经计算，节制闸(5
‑
2)启闭时间t6为30.375h。
[0111]
经预处理拦截单元(1)、强化生物处理单元(2)、改性铁铝泥基质修复单元(3)、湿地植物净化单元(4)处理后，水体中cod
cr
、nh3‑
n、tp等污染物的去除情况如表3所述：
[0112]
表3实施例3污染物去除效果
[0113][0114]
结果表明，经本发明非恒定水位河口水生态构建系统处理后，净化出水(4
‑
8)达标地表水环境质量标准(gb3838
‑
2002)ⅲ类水。