水力循环型生态驳岸耦合铁碳填料的地表水生态修复系统

1.本发明涉及地表水体生态修复技术领域，尤其是涉及水力循环型生态驳岸耦合铁碳填料的地表水生态修复系统。


背景技术：

2.长久以来，富营养化问题始终是大部分水体所面临的最棘手的问题，复杂的污染来源也使得目前水环境治理效果收效缓慢。由于河流、坑塘、水库等地表水体可通过渗流补给地下水，或接受地下水的补给，在地表水与地下水的交换过程中，各类溶质、污染物易伴随着水分运动发生迁移，从而造成严重的交互污染。因此，需要开发和应用低成本、易管理、生态化的修复技术。
3.生态驳岸是综合工程力学、土壤学、生态学和植物学等学科的基本知识对驳岸进行支护，形成由植物或工程和植物组成的综合驳岸系统，既能满足河道护坡功能、又有利于河道护坡系统生态平衡的系统工程。生态驳岸具有保护河岸和改善河道生态环境两大功能，作为河道与岸边的缓冲带，能够有效截留污染物防止河道污染。目前现有研究主要集中于将生态驳岸作为河道与岸边之间的生态缓冲带，截留、去除雨水汇入河道过程中携带的面源污染，还鲜有研究将生态驳岸技术作为修复技术对地表水体进行修复。生态驳岸具有强大的生态自净功能和景观价值，但传统技术功能单一，利用率低。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明的目的是提供水力循环型生态驳岸耦合铁碳填料的地表水生态修复系统，包括驳岸岸坡和水力循环系统；所述驳岸岸坡斜面设置，包括岸坡介质、挺水植物以及填料；所述水力循环系统包括水泵、输水管道以及布水管道；所述岸坡介质底部填覆有填料，顶部种植有挺水植物；所述输水管道沿岸坡介质高度方向由上往下布设于岸坡介质上，一端连接布水管道，一端连接地表水，中间连接水泵，为挺水植物提供水源。本发明利用水泵将河水抽至驳岸岸坡的岸顶，河水从岸顶经生态驳岸回流至河道中，污染物经过植物吸收、微生物降解以及土壤吸附得以去除，实现原位修复，适合各地区地表水的修复，解决传统生态驳岸的问题，提高生态驳岸的自净效能，并阻隔污染物迁移发生地下水污染。
5.水力循环型生态驳岸主要由驳岸岸坡、种植在岸坡介质上的挺水植物、用于水力循环的水泵、输水管道、布水管道和管道支架、填埋在驳岸岸坡下方的铁碳填料和包裹固定铁碳填料的高强度纤维袋所构成。铁填料为铁刨花、海绵铁、铁砂、铁屑等；碳填料为生物炭、活性炭、焦炭等。水力循环系统可持续向驳岸布水，为挺水植物提供营养物质，并达到快速复氧的效果。挺水植物可直接吸收水中的养分物质，并通过发达的根系富集微生物，岸坡介质如沸石、火山岩、炉渣等也可以吸附水中的污染物，并为微生物提供生长载体。深层铁碳填料可通过吸附、沉淀、氧化还原、生物降解等作用去除入渗水体中的污染物。经过上述的多种物理、化学、生物作用，可有效去除水中的污染物，从而实现地表水体的净化，并达到
阻隔污染物迁移进入地下水的目的，实现保护地下水体、防止形成复合污染的效果。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.本发明提供一种水力循环型生态驳岸耦合铁碳填料的地表水生态修复系统，包括驳岸岸坡和水力循环系统；
8.所述驳岸岸坡斜面设置，包括岸坡介质、挺水植物以及填料；
9.所述水力循环系统包括水泵、输水管道以及布水管道；
10.所述岸坡介质底部填覆有填料，顶部种植有挺水植物；所述输水管道沿岸坡介质高度方向由上往下布设于岸坡介质上，一端连接布水管道，一端连接地表水，中间连接水泵，为挺水植物提供水源。
11.在本发明的一个实施方式中，所述填料粒径为6-12mm；
12.所述填料包括铁填料和碳填料，所述铁填料和碳填料的质量比为1：1-3：1。
13.在本发明的一个实施方式中，所述铁填料选自铁刨花、海绵铁、铁屑或铁砂中的一种或几种；所述碳填料选自活性炭、石墨、焦炭或生物炭中的一种或几种。
14.在本发明的一个实施方式中，所述水泵设置有格栅装置，从河道中吸水，泵入输水管道中。
15.在本发明的一个实施方式中，所述驳岸岸坡的水力负荷范围为0.2-1m3/(m2·
d)。
16.在本发明的一个实施方式中，水泵根据实际应用流量和扬程确定(水泵扬程范围为15-25m，流量范围为1-3m3)。
17.在本发明的一个实施方式中，实际应用中，驳岸岸坡大小由具体河道或湖泊河岸尺寸灵活设定。
18.在本发明的一个实施方式中，所述岸坡介质选自当地土壤、沸石、砾石、火山岩或炉渣中的一种或几种；作为植物生长的载体；
19.所述岸坡介质的厚度为200-300mm。
20.在本发明的一个实施方式中，所述挺水植物(对污染物的吸收能力较好)选自美人蕉、香蒲、菖蒲或再力花中的一种或几种；
21.所述挺水植物的种植密度为20-30株每平方米。
22.在本发明的一个实施方式中，布水管道沿驳岸顶端敷设，通过穿孔进行循环布水。
23.在本发明的一个实施方式中，所述布水管道通过管道支架固定，安装固定在驳岸顶部，大小依管径确定，水通过生态驳岸斜面向下流动后进入地表水体。
24.在本发明的一个实施方式中，所述输水管道为聚乙烯管，内径为30-60mm；
25.所述布水管道为穿孔聚乙烯管，内径为25-50mm，穿孔间距为50-100mm；
26.所述管道支架为钢材，相邻管道支架间距为1000-1500mm。
27.在本发明的一个实施方式中，所述填料通过高强度纤维袋包裹固定。
28.在本发明的一个实施方式中，所述高强度纤维袋的材质选自聚丙烯或聚乙烯中的一种；
29.所述高强度纤维袋长为800-1000mm，宽为500-800mm。
30.本发明利用水泵将河水抽至岸顶，河水从岸顶经生态驳岸回流至河道中，污染物经过植物吸收、微生物降解以及土壤吸附得以去除，实现原位修复，管理运行简单，适合各地区地表水的修复，解决传统生态驳岸的问题。
31.本发明在植物生长介质层下铺加铁碳填料，可自选如铁刨花、海绵铁、生物炭、活性炭、石墨组合作为填料，依靠铁碳介质的微电解作用拦截和去除污染物。当污染物渗透通过铁碳填料时，污染物可与墙内填充介质发生吸附、过滤、沉淀、氧化还原、生物降解等作用，阻隔污染物由地表水迁移进入地下水，造成交互复合污染。
32.在实际应用中，本发明可实现高效修复地表水和功能，改善传统生态驳岸利用率低、功能单一、无法有效利用其生态自净能力的缺点，实现高效生态化的水资源保护功能。
33.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
34.本发明提供了一种水力循环型生态驳岸耦合铁碳填料的地表水生态修复系统，可用于净化受污染尤其是氮磷、有机物污染严重的地表水体。水力循环系统可将受污染河水抽至岸顶，均匀布水，河水从岸顶经生态驳岸回流至河道中，可实现快速复氧。护坡介质如沸石、火山岩可吸附水中污染物，并为微生物提供生长载体，种植在驳岸护坡介质上的挺水植物可直接从被抽提的水体中吸收污染物，其发达的根系也可为微生物提供良好的生长条件。通过微生物的硝化作用、反硝化等作用，可实现对水中氨态氮、硝态氮及有机物的去除，通过吸附、沉淀等物理、化学作用多层面去除地表水及迁移入渗水体中污染物。在护坡介质下方铺设的铁碳填料中，富含铁的填料能够提供电子，有利于微生物自养反硝化的进行，强化入渗水中硝氮的去除，溶解的铁变成fe
2
或fe
3
与水中的磷酸根发生化学反应生成磷酸铁或羟基磷酸铁沉淀，从而实现磷的去除。添加的活性炭或生物炭等碳填料具有很强的吸附性，能够直接吸附水中的污染物，实现快速修复地表水并保护地下水的目的。
35.总之，水中的污染物经过此发明的水力循环型生态驳岸耦合铁碳填料的多种物理、化学、生物作用得以去除，从而实现地表水体的净化。
附图说明
36.图1为本发明的水力循环型生态驳岸耦合铁碳填料的地表水生态修复系统的结构示意图；
37.图2为本发明实施例2中水力循环型生态驳岸耦合铁碳填料的地表水生态修复系统的剖面示意图；
38.图中标号：1、驳岸岸坡；2、岸坡介质；3、挺水植物；4、水泵；5、输水管道；6、布水管道；7、管道支架；8、铁填料；9、碳填料；10、高强度纤维袋。
具体实施方式
39.本发明提供一种水力循环型生态驳岸耦合铁碳填料的地表水生态修复系统，包括驳岸岸坡和水力循环系统；
40.所述驳岸岸坡斜面设置，包括岸坡介质、挺水植物以及填料；
41.所述水力循环系统包括水泵、输水管道以及布水管道；
42.所述岸坡介质底部填覆有填料，顶部种植有挺水植物；所述输水管道沿岸坡介质高度方向由上往下布设于岸坡介质上，一端连接布水管道，一端连接地表水，中间连接水泵，为挺水植物提供水源。
43.在本发明的一个实施方式中，所述填料粒径为6-12mm；
44.所述填料包括铁填料和碳填料，所述铁填料和碳填料的质量比为1：1-3：1。
45.在本发明的一个实施方式中，所述铁填料选自铁刨花、海绵铁、铁屑或铁砂中的一种或几种；所述碳填料选自活性炭、石墨、焦炭或生物炭中的一种或几种。
46.在本发明的一个实施方式中，所述水泵设置有格栅装置，从河道中吸水，泵入输水管道中。
47.在本发明的一个实施方式中，所述驳岸岸坡的水力负荷范围为0.2-1m3/(m2·
d)。
48.在本发明的一个实施方式中，水泵根据实际应用流量和扬程确定(水泵扬程范围为15-25m，流量范围为1-3m3)。
49.在本发明的一个实施方式中，实际应用中，驳岸岸坡大小由具体河道或湖泊河岸尺寸灵活设定。
50.在本发明的一个实施方式中，所述岸坡介质选自当地土壤、沸石、砾石、火山岩或炉渣中的一种或几种；作为植物生长的载体；
51.所述岸坡介质的厚度为200-300mm。
52.在本发明的一个实施方式中，所述挺水植物(对污染物的吸收能力较好)选自美人蕉、香蒲、菖蒲或再力花中的一种或几种；
53.所述挺水植物的种植密度为20-30株每平方米。
54.在本发明的一个实施方式中，布水管道沿驳岸顶端敷设，通过穿孔进行循环布水。
55.在本发明的一个实施方式中，所述布水管道通过管道支架固定，安装固定在驳岸顶部，大小依管径确定，水通过生态驳岸斜面向下流动后进入地表水体。
56.在本发明的一个实施方式中，所述输水管道为聚乙烯管，内径为30-60mm；
57.所述布水管道为穿孔聚乙烯管，内径为25-50mm，穿孔间距为50-100mm；
58.所述管道支架为钢材，相邻管道支架间距为1000-1500mm。
59.在本发明的一个实施方式中，所述填料通过高强度纤维袋包裹固定。
60.在本发明的一个实施方式中，所述高强度纤维袋的材质选自聚丙烯或聚乙烯中的一种；
61.所述高强度纤维袋长为800-1000mm，宽为500-800mm。
62.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
63.下述实施例中，若无特殊说明，所用试剂均为市售试剂；所用检测方法和手段均为本领域常规检测方法和手段。
64.实施例1
65.本实施例提供一种水力循环型生态驳岸耦合铁碳填料的地表水生态修复系统。
66.如图1所示，一种水力循环型生态驳岸耦合铁碳填料的地表水生态修复系统，包括驳岸岸坡1和水力循环系统；其中，驳岸岸坡1斜面设置，包括作为植物生长载体的岸坡介质2、对污染物的吸收能力较好的挺水植物3以及填料；水力循环系统包括提供水源的水泵4、为挺水植物3提供水源的输水管道5以及布水管道6；
67.岸坡介质2选自当地土壤、沸石、砾石、火山岩或炉渣中的一种或几种，厚度为200-300mm；
68.岸坡介质2底部填覆有粒径为6-12mm的填料，并通过高强度纤维袋10(聚丙烯或聚乙烯)包裹固定，填料包括铁填料8和碳填料9，铁填料8和碳填料9的质量比为1：1-3：1，铁填料8选自铁刨花或海绵铁中的一种或几种；碳填料9选自活性炭、石墨、焦炭或生物炭中的一
种或几种；高强度纤维袋10长为800-1000mm，宽为500-800mm。
69.岸坡介质2顶部种植有种植密度为20-30株每平方米的挺水植物3，挺水植物3选自美人蕉、香蒲、菖蒲或再力花中的一种或几种。
70.输水管道5为内径为30-60mm的聚乙烯管，输水管道5沿岸坡介质2高度方向由上往下布设于岸坡介质2上，一端连接布水管道6，一端连接地表水，中间连接水泵4，水泵4设置有格栅装置，从河道中吸水，泵入输水管道5中。
71.布水管道6沿驳岸顶端敷设，通过穿孔进行循环布水，布水管道6通过管道支架7(管道支架7为钢材，相邻管道支架7间距为1000-1500mm)固定，安装固定在驳岸顶部，大小依管径确定，水通过生态驳岸斜面向下流动后进入地表水体；其中，所述布水管道6为穿孔聚乙烯管，内径为25-50mm，穿孔间距为50-100mm。
72.驳岸岸坡1的水力负荷范围为0.2-1m3/(m2·
d)，水泵4根据实际应用流量和扬程确定(水泵4扬程范围为15-25m，流量范围为1-3m3)；实际应用中，驳岸岸坡1大小由具体河道或湖泊河岸尺寸灵活设定。
73.实施例2
74.本实施例的驳岸岸坡1宽度为4.5m，坡度为30
°
，坡长为5m，水力负荷设计为0.6m3/(m2·
d)。
75.如图2所示，于驳岸岸坡1下方安装水泵4，选用流量为2.0m3/h，扬程为15m的小型潜水泵，每日运行16小时。输水管道5下方通过软管、弯头与水泵4相连，上方通过异径三通与布水管道6相连，输水管道5内径为30mm，布水管道6内径为25mm，穿孔间距为50mm。管道支架7采用不锈钢制成，支架高度为100mm，支架设置间距为1m。
76.如图2所示，高强度纤维袋10的长、宽均为500mm，填充后厚度为200mm。选用海绵铁作为铁填料8，选用煤质柱状活性炭作为碳填料9，将质量比为2：1的海绵铁和煤质柱状活性炭装入高强度纤维袋10中，其中，海绵铁直径为8-10mm，；煤质柱状活性炭的直径为6mm，长为20mm左右。
77.如图2所示，将装填好的高强度纤维袋10紧密排布在驳岸岸坡1下方，高强度纤维袋10之间不留存空隙，构成致密的铁碳填料。按照生态驳岸面积，本案例共设置100个高强度纤维袋。
78.如图2所示，岸坡介质2由沸石和炉渣混合构成，质量比为1：1，粒径为10-20mm，混合均匀后覆盖在铁碳填料上方，覆盖厚度为200mm，按照驳岸岸坡1坡度整平为30
°
。在岸坡介质2上交错种植挺水植物3(美人蕉与再力花)，种植比例为1：1，种植密度为25株每平米，本案例共种植约1250株挺水植物3。
79.长期检测结果显示：工作7-14天，本实施例可通过铁碳填料强化生物脱氮或吸附实现对硝氮80％以上的削减，对cod、氨氮及亚硝氮去除率均高于99％，重金属cr
6
可通过化学还原与吸附作用实现100％去除，重金属cd通过吸附固定达到60％以上的去除率。本实施例可实现可有效去除地表水中的各类污染物，实现地表水体的净化。
80.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的
保护范围之内。