CN113880243B - 低流速硬化城市河道水环境修复的集成设施 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低流速硬化城市河道水环境修复的集成设施，它包括前置限流挡板、前置溢流挡板、上限过水挡板、悬浮填料、下限过水挡板、鼓风机、曝气管道、曝气头、后置限流挡板、后置溢流挡板、储泥斗、前置竖直过水挡板、植草甸、后置竖直过水挡板、排泥管与排泥泵。本发明结构简单、装拆便捷、成本低且操作简单方便、省时省力、效率高、适于推广应用。在低流速和硬化的城市河道内根据水体污染程度合理多点分布设施，可以实现水环境的高效强化修复。

Description

低流速硬化城市河道水环境修复的集成设施

技术领域

本发明涉及水环境修复设施技术领域，具体地说是一种低流速硬化城市河道水环境修复的集成设施。

背景技术

随着我国城市规模的扩大和污染排放的加剧，城市水环境现状不断恶化。其中城市河道水体污染最为典型，治理难度较高。其原因是随着城市基础设施建设的推进，河道流域人口密度增加，而且河道边坡被改造成硬化陡坡，以自然河道为生境的生物生态位被不断挤占，河道原本的净化能力逐渐丧失。城市河道呈现出边坡硬化、水体流速低、污染负荷高、水体感观恶化等特征。这种低流速硬化的污染的城市河道水环境修复迫在眉睫。

目前已有很多城市河道水环境修复方法被提出，但仍然存在很多问题。例如，河道清淤复位，控制污水排放，初期雨水截留。这类城市河道流域水环境修复的综合技术系统庞杂，糅合多种控制治理手段，实施成本高，综合可行性较差。近些年亦有较多的生态修复方法被提出，例如人工植物浮床，虽然能耗较低，但其修复的效率同样较低，且受季节性影响较大，不能迅速有效的实现城市河道水体的改观。而后，一些人工强化的速效技术也相继被提出，例如曝气充氧，但简单的曝气导致利用率极低，治理能耗较高，同样存在可行性差的问题。

低流速硬化城市河道水环境修复需要解决的根本问题是城市河道水体污染物的快速富集和排除机制的建立。城市河道中污染物负荷高，流速慢，污染物从硬化河道中迁移转化的途径有限，导致污染物富集，水体功能退化，感观恶化。现有的修复技术中除了对河道实行大规模的清淤方法能够实现河道污染物有效的排除机制外，人工植物浮床等生态修复方法中植物的收割可实现河道污染物的排除的机制，但效率较低。另外，即使对低流速的城市河道水体进行人工强化的曝气充氧，能够短时有效的改善水体感观，但该方法也没有有效的水体污染物排除机制，单靠水体微生物的分解和同化作用，最终还是存在内源释放的现象。而且，经过反复生物同化和内源释放后的污染物可最终形成难降解的污染物，促进了水体黑臭现象逐渐形成。

城市硬化河道陡坡是基于为了腾出更多用于城市建设空间，所以硬化的城市河道的改造空间很小，修建生态护坡等治理工程难以实现，所以河道的水环境修复应考虑应用河道原位的修复技术。人工强化并实现城市河道水体污染物有效的富集和排除的方法是一种可持续的水环境修复思路。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种装拆便捷、可以实现水环境的高效强化修复、效率高的低流速硬化城市河道水环境修复的集成设施。

按照本发明提供的技术方案，所述低流速硬化城市河道水环境修复的集成设施，它包括前置限流挡板、前置溢流挡板、上限过水挡板、悬浮填料、下限过水挡板、鼓风机、曝气管道、曝气头、后置限流挡板、后置溢流挡板、储泥斗、前置竖直过水挡板、植草甸、后置竖直过水挡板、排泥管与排泥泵；

所述前置限流挡板为竖直安置于河道上游最前端的平滑预制板，前置限流挡板的两边与河道的两岸陡壁无缝连结，前置限流挡板的下边缘与河床留有空隙，前置限流挡板的上边缘高出河道水面；前置溢流挡板为竖直安置于前置限流挡板下游的平滑预制板，前置溢流挡板的两边与河道两岸陡壁无缝连结，前置溢流挡板的下边缘与河床无缝连结，前置溢流挡板的上边缘低于河道水面；

所述后置限流挡板为竖直安置于前置溢流挡板下游的平滑预制板，后置限流挡板的两侧边缘与河道两岸陡壁无缝连结，后置限流挡板的下边缘与河床留有空隙，后置限流挡板的上边缘高出河道水面；上限过水挡板为水平布置于前置溢流挡板与后置限流挡板之间河道内的多孔板，上限过水挡板的布置高程低于前置溢流挡板的上边缘，上限过水挡板的上游边缘与前置溢流挡板无缝连结，上限过水挡板的两侧边缘与河道两岸陡壁无缝连结，上限过水挡板的下游边缘与后置限流挡板无缝连结；下限过水挡板为水平布置于前置溢流挡板与后置限流挡板之间河道内且布置高程低于上限过水挡板的多孔板，下限过水挡板的上游边缘与前置溢流挡板无缝连结，下限过水挡板的两侧边缘与河道两岸陡壁无缝连结，下限过水挡板的下游边缘与后置限流挡板无缝连结；悬浮填料为多孔粒状填料，悬浮填料布置于上限过水挡板与下限过水挡板之间，悬浮填料的粒径大于上限过水挡板和下限过水挡板的开孔直径；

所述曝气管道布置于前置溢流挡板与后置限流挡板之间的河床上，曝气头固定在曝气管道上，曝气头低于所述下限过水挡板；所述鼓风机布置于一侧河岸，鼓风机通过连接管与曝气管道相连；

所述后置溢流挡板为竖直安置于后置限流挡板下游的平滑预制板，后置溢流挡板的两侧边缘与河道两岸陡壁无缝连结，后置溢流挡板的下边缘与河床无缝连结，后置溢流挡板的上边缘低于河道水面；储泥斗布置位于后置溢流挡板的下游，储泥斗的上游边缘与后置溢流挡板无缝连结，储泥斗的两侧边缘与河道两岸陡壁无缝连结；排泥泵布置于一侧河岸且与排泥管的一端连接，排泥管的另一端延伸至储泥斗的底部；

所述前置竖直过水挡板为竖直布置且位于储泥斗下游的多孔板，前置竖直过水挡板的两侧边缘与河道两岸陡壁无缝连结，前置竖直过水挡板的上边缘高出河道水面，前置竖直过水挡板的下边缘与储泥斗的下游边缘无缝连结；植草甸位于前置竖直过水挡板的下游，后置竖直过水挡板为竖直布置且位于植草甸下游的多孔板，后置竖直过水挡板的两侧边缘与河道两岸陡壁无缝连结，后置竖直过水挡板的上边缘高出河道水面，后置竖直过水挡板的下边缘低于植草甸下部浸没深度。

作为优选，所述前置限流挡板与河岸陡壁采用可拆卸的方式进行连结。

作为优选，所述上限过水挡板和下限过水挡板呈平行设置。

作为优选，所述悬浮填料在上限过水挡板和下限过水挡板之间的空间内且充满度为2/3~4/5。

作为优选，所述鼓风机采用变频鼓风机。

作为优选，所述后置限流挡板与河岸陡壁采用可拆卸的方式进行连结。

作为优选，所述储泥斗为倒四棱锥形。

作为优选，所述排泥管的另一端从河岸沿河道陡壁和储泥斗的内壁延伸至储泥斗的底部。

作为优选，所述排泥泵采用变频泵。

本发明结构简单、装拆便捷、成本低且操作简单方便、省时省力、效率高、适于推广应用。在低流速和硬化的城市河道内根据水体污染程度合理多点分布设施，可以实现水环境的高效强化修复。

附图说明

图1是本发明的主视图。

图2是本发明的俯视图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明的低流速硬化城市河道水环境修复的集成设施，如图1、2所示，它包括前置限流挡板1、前置溢流挡板2、上限过水挡板3、悬浮填料4、下限过水挡板5、鼓风机6、曝气管道7、曝气头8、后置限流挡板9、后置溢流挡板10、储泥斗11、前置竖直过水挡板12、植草甸13、后置竖直过水挡板14、排泥管15与排泥泵16；

所述前置限流挡板1为竖直安置于河道上游最前端的平滑预制板，前置限流挡板1的两边与河道的两岸陡壁无缝连结，前置限流挡板1的下边缘与河床留有空隙，前置限流挡板1的上边缘高出河道水面；前置溢流挡板2为竖直安置于前置限流挡板1下游的平滑预制板，前置溢流挡板2的两边与河道两岸陡壁无缝连结，前置溢流挡板2的下边缘与河床无缝连结，前置溢流挡板2的上边缘低于河道水面；

所述后置限流挡板9为竖直安置于前置溢流挡板2下游的平滑预制板，后置限流挡板9的两侧边缘与河道两岸陡壁无缝连结，后置限流挡板9的下边缘与河床留有空隙，后置限流挡板9的上边缘高出河道水面；上限过水挡板3为水平布置于前置溢流挡板2与后置限流挡板9之间河道内的多孔板，上限过水挡板3的布置高程低于前置溢流挡板2的上边缘，上限过水挡板3的上游边缘与前置溢流挡板2无缝连结，上限过水挡板3的两侧边缘与河道两岸陡壁无缝连结，上限过水挡板3的下游边缘与后置限流挡板9无缝连结；下限过水挡板5为水平布置于前置溢流挡板2与后置限流挡板9之间河道内且布置高程低于上限过水挡板3的多孔板，下限过水挡板5的上游边缘与前置溢流挡板2无缝连结，下限过水挡板5的两侧边缘与河道两岸陡壁无缝连结，下限过水挡板5的下游边缘与后置限流挡板9无缝连结；悬浮填料4为多孔粒状填料，悬浮填料4布置于上限过水挡板3与下限过水挡板5之间，悬浮填料4的粒径大于上限过水挡板3和下限过水挡板5的开孔直径，以保证悬浮填料4被限制在一定空间内，避免发生流失；

所述曝气管道7布置于前置溢流挡板2与后置限流挡板9之间的河床上，曝气头8固定在曝气管道7上，曝气头8低于所述下限过水挡板5；所述鼓风机6布置于一侧河岸，鼓风机6通过连接管与曝气管道7相连；

所述后置溢流挡板10为竖直安置于后置限流挡板9下游的平滑预制板，后置溢流挡板10的两侧边缘与河道两岸陡壁无缝连结，后置溢流挡板10的下边缘与河床无缝连结，后置溢流挡板10的上边缘低于河道水面；储泥斗11布置位于后置溢流挡板10的下游，储泥斗11的上游边缘与后置溢流挡板10无缝连结，储泥斗11的两侧边缘与河道两岸陡壁无缝连结；排泥泵16布置于一侧河岸且与排泥管15的一端连接，排泥管15的另一端延伸至储泥斗11的底部；

所述前置竖直过水挡板12为竖直布置且位于储泥斗11下游的多孔板，前置竖直过水挡板12的两侧边缘与河道两岸陡壁无缝连结，前置竖直过水挡板12的上边缘高出河道水面，前置竖直过水挡板12的下边缘与储泥斗11的下游边缘无缝连结；植草甸13位于前置竖直过水挡板12的下游，后置竖直过水挡板14为竖直布置且位于植草甸13下游的多孔板，后置竖直过水挡板14的两侧边缘与河道两岸陡壁无缝连结，后置竖直过水挡板14的上边缘高出河道水面，后置竖直过水挡板14的下边缘低于植草甸13下部浸没深度。

所述前置限流挡板1与河岸陡壁采用可拆卸的方式进行连结，并可自由调整安装位置，用于调整前置限流挡板1的上边缘高出河道水面的高度，同时用于调整前置限流挡板1与前置溢流挡板2之间的水平距离，从而控制前置限流挡板1与前置溢流挡板2之间的局部水流流速，实现局部水流的携带运输作用。

所述上限过水挡板3和下限过水挡板5呈平行设置。

所述悬浮填料4在上限过水挡板3和下限过水挡板5之间的空间内且充满度为2/3~4/5，且悬浮填料4的密度略大于或等于河水的密度。

所述鼓风机6采用变频鼓风机，工作频率和功率可程序设定。

所述后置限流挡板9与河岸陡壁采用可拆卸的方式进行连结。

所述储泥斗11为倒四棱锥形。

所述排泥管15的另一端从河岸沿河道陡壁和储泥斗11的内壁延伸至储泥斗11的底部。

所述排泥泵16采用变频泵，工作频率和功率可程序设定。

所述后置限流挡板9与河岸陡壁采用可拆卸的连结方式，并可自由调整安装位置，用于调整后置限流挡板9的上边缘高出河道水面的高度，同时用于调整后置限流挡板9与后置溢流挡板10之间的水平距离，从而控制后置限流挡板9与后置溢流挡板10间局部水流流速，实现局部水流的携带运输作用。

在运行前，需要先将本发明的集成设施进行制作安装。首先量取设施拟在低流速硬化城市河道的安装位置的河道断面尺寸和水位，根据该尺寸预制具有相应宽度的前置限流挡板1、前置溢流挡板2、上限过水挡板3、下限过水挡板5、后置限流挡板9、后置溢流挡板10、储泥斗11、前置竖直过水挡板12、植草甸13、后置竖直过水挡板14。将预制的各结构按照图1与图2的集成布置安装与设计河道内。上述为河道原位集成安装方式，利用了河床和河道陡壁作为设施的外壁，节省成本。另一种方式为预制上述低流速硬化城市河道水环境修复集成设施的模块。使用预制材料制作好矩形断面的沟槽，将上述各个结构按照安装沟槽内，形成集成化的设施模块。安装时将上述模块按照河道水流方向直接安置在河道内，并将模块外壁与河道内壁的空隙进行填充，使得河道断面水均通过设施，防止短流发生。这类制作安装方法集成度更高，安装更加便捷。

在运行时，前置限流挡板1的上边缘高度高出河道水面一定高度，前置限流挡板1的下边缘距离河床一定距离，在低流速的河道中，河水流量通常较小，水流通过前置限流挡板1的下边缘向下游流动，过水断面突然减小，水流通过的速度会增加，沉积在孔口附近的沉积物会被水流携带运输。此时，水流遇到前置溢流挡板2会发生向上折流，携带沉积污染物的水流通过前置溢流挡板2的上缘溢流到上限过水挡板3的上方。上限过水挡板3与水面具有一定的距离，水流进入该区域后，通过上限过水挡板3的板孔均匀布水。水流进入到填充有悬浮填料4的空间后，在曝气头8曝气鼓动下，与附着有生物膜的悬浮填料4进行混合接触。水流中的污染物被生物膜吸附、富集并进行一定程度的分解去除，河水水质得到净化。变频鼓风机的变频工作会定期改变曝气头8曝气强度，增加鼓风会增加悬浮填料4颗粒间的摩擦碰撞，悬浮填料4上附着的生物膜会发生一定程度的脱落。净化过后的水流与脱落的生物膜通过下限过水挡板5的板孔继续流动，脱落的生物膜在曝气头8停歇时沉降到河底。水流在后置限流挡板9的阻挡下，从后置限流挡板9的下边缘与河床间的孔口流向下游，由于过水断面面积在此处减小，局部流速增大，水流能够携带运输孔口附近沉降的生物膜。水流遇到后置溢流挡板10后发生向上折流，通过后置溢流挡板10的上边缘溢流进入储泥斗11的上方，水流方向变为水平，携带有脱落生物膜的水流在储泥斗11的上方进行沉淀分离。脱落的生物膜以剩余污泥的形式沉淀到储泥斗11中，实现河道水体中污染物的有效富集。经沉淀分离后的水流通过多孔的前置竖直过水挡板12进入植草甸13中，植草甸13的稠密的根系能够进一步过滤吸附水流中的悬浮物和污染物，进一步净化水质。沉淀在储泥斗11中的剩余污泥达到一定储量后，变频工作的排泥泵16开始工作，污泥通过排泥管15抽排，通过管道输送到附近的绿化带，作为高含水率有机肥进行灌溉。实现河道水体污染物富集后的有效排出和处置。

其中，通过前置限流挡板1和后置限流挡板9安装位置的调节控制过水断面面积，进而控制局部水流流速，实现调整水流的携带和输送能力，以适合各种水利条件河道水力负荷和污染负荷。前置限流挡板1和后置限流挡板9的上边缘高出河道水面适当高程，以保证在短时强降水河流水位迅速上升时，水流能够越过前置限流挡板1和后置限流挡板9的上边缘超越设施，迅速提高过水能力，避免设施增设在河道中对河道行洪的影响。其次，植草甸13能够在前置竖直过水挡板12和后置竖直过水挡板14间自由浮动，在高水位时上浮后不阻碍下部水流通过，以保证设施的抗冲击能力和安装设施河道的排泄能力。

本发明中，鼓风机6采用变频鼓风机，可设定工作周期和功率，根据污染负荷计算的曝气量进行变频曝气，以实现节能。另外，通过下限过水挡板5的布气更加均匀，且低强度曝气时堆积的悬浮填料4能够一定程度上截留气体，提高曝气利用率，减少曝气量，实现节能。

本发明的原理如下：

本发明利用采用嵌入式集成化的设施在低流速硬化城市河道内实现原位的水环境修复，尤其适合河道改造空间受限，水体污染严重的城市河道。设施与低流速硬化的城市河道特点相结合，直接结合河道的过水断面特征构建设施，建造成本能够实现控制。设施的运行技术上是一种人工强化生物处理方法，实现了河道水环境中污染物的富集和排除机制，降低了修复后期内源释放的风险。相比传统植物修复设施，提高了修复速率，季节适应性更强。利用了局部水流流速变化来携带和分离富集的污染物质，无需推流和提升设备；虽然曝气具有一定的能耗，但在修复效果上能够实现很大程度提高，且在曝气区域采用了填料填充和多孔挡板布气，能够提高曝气的利用率；而且采用变频鼓风机曝气，能够按照污染负荷人工设定曝气程度，从综合方面考虑了能耗控制。在应对城市河道短时强降水引起的水位突变方面，设施具有良好的超越排水机制，进而具有抗水力冲击能力和保障安装设施河道的排泄安全的能力。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种低流速硬化城市河道水环境修复的集成设施，其特征是：它包括前置限流挡板（1）、前置溢流挡板（2）、上限过水挡板（3）、悬浮填料（4）、下限过水挡板（5）、鼓风机（6）、曝气管道（7）、曝气头（8）、后置限流挡板（9）、后置溢流挡板（10）、储泥斗（11）、前置竖直过水挡板（12）、植草甸（13）、后置竖直过水挡板（14）、排泥管（15）与排泥泵（16）；

所述前置限流挡板（1）为竖直安置于河道上游最前端的平滑预制板，前置限流挡板（1）的两边与河道的两岸陡壁无缝连结，前置限流挡板（1）的下边缘与河床留有空隙，前置限流挡板（1）的上边缘高出河道水面；前置溢流挡板（2）为竖直安置于前置限流挡板（1）下游的平滑预制板，前置溢流挡板（2）的两边与河道两岸陡壁无缝连结，前置溢流挡板（2）的下边缘与河床无缝连结，前置溢流挡板（2）的上边缘低于河道水面；

所述后置限流挡板（9）为竖直安置于前置溢流挡板（2）下游的平滑预制板，后置限流挡板（9）的两侧边缘与河道两岸陡壁无缝连结，后置限流挡板（9）的下边缘与河床留有空隙，后置限流挡板（9）的上边缘高出河道水面；上限过水挡板（3）为水平布置于前置溢流挡板（2）与后置限流挡板（9）之间河道内的多孔板，上限过水挡板（3）的布置高程低于前置溢流挡板（2）的上边缘，上限过水挡板（3）的上游边缘与前置溢流挡板（2）无缝连结，上限过水挡板（3）的两侧边缘与河道两岸陡壁无缝连结，上限过水挡板（3）的下游边缘与后置限流挡板（9）无缝连结；下限过水挡板（5）为水平布置于前置溢流挡板（2）与后置限流挡板（9）之间河道内且布置高程低于上限过水挡板（3）的多孔板，下限过水挡板（5）的上游边缘与前置溢流挡板（2）无缝连结，下限过水挡板（5）的两侧边缘与河道两岸陡壁无缝连结，下限过水挡板（5）的下游边缘与后置限流挡板（9）无缝连结；悬浮填料（4）为多孔粒状填料，悬浮填料（4）布置于上限过水挡板（3）与下限过水挡板（5）之间，悬浮填料（4）的粒径大于上限过水挡板（3）和下限过水挡板（5）的开孔直径；

所述曝气管道（7）布置于前置溢流挡板（2）与后置限流挡板（9）之间的河床上，曝气头（8）固定在曝气管道（7）上，曝气头（8）低于所述下限过水挡板（5）；所述鼓风机（6）布置于一侧河岸，鼓风机（6）通过连接管与曝气管道（7）相连；

所述后置溢流挡板（10）为竖直安置于后置限流挡板（9）下游的平滑预制板，后置溢流挡板（10）的两侧边缘与河道两岸陡壁无缝连结，后置溢流挡板（10）的下边缘与河床无缝连结，后置溢流挡板（10）的上边缘低于河道水面；储泥斗（11）布置位于后置溢流挡板（10）的下游，储泥斗（11）的上游边缘与后置溢流挡板（10）无缝连结，储泥斗（11）的两侧边缘与河道两岸陡壁无缝连结；排泥泵（16）布置于一侧河岸且与排泥管（15）的一端连接，排泥管（15）的另一端延伸至储泥斗（11）的底部；

所述前置竖直过水挡板（12）为竖直布置且位于储泥斗（11）下游的多孔板，前置竖直过水挡板（12）的两侧边缘与河道两岸陡壁无缝连结，前置竖直过水挡板（12）的上边缘高出河道水面，前置竖直过水挡板（12）的下边缘与储泥斗（11）的下游边缘无缝连结；植草甸（13）位于前置竖直过水挡板（12）的下游，后置竖直过水挡板（14）为竖直布置且位于植草甸（13）下游的多孔板，后置竖直过水挡板（14）的两侧边缘与河道两岸陡壁无缝连结，后置竖直过水挡板（14）的上边缘高出河道水面，后置竖直过水挡板（14）的下边缘低于植草甸（13）下部浸没深度；

所述上限过水挡板（3）和下限过水挡板（5）呈平行设置；所述悬浮填料（4）在上限过水挡板（3）和下限过水挡板（5）之间的空间内且充满度为2/3~4/5；所述排泥管（15）的另一端从河岸沿河道陡壁和储泥斗（11）的内壁延伸至储泥斗（11）的底部。

2.如权利要求1所述的低流速硬化城市河道水环境修复的集成设施，其特征是：所述前置限流挡板（1）与河岸陡壁采用可拆卸的方式进行连结。

3.如权利要求1所述的低流速硬化城市河道水环境修复的集成设施，其特征是：所述鼓风机（6）采用变频鼓风机。

4.如权利要求1所述的低流速硬化城市河道水环境修复的集成设施，其特征是：所述后置限流挡板（9）与河岸陡壁采用可拆卸的方式进行连结。

5.如权利要求1所述的低流速硬化城市河道水环境修复的集成设施，其特征是：所述储泥斗（11）为倒四棱锥形。

6.如权利要求1所述的低流速硬化城市河道水环境修复的集成设施，其特征是：所述排泥泵（16）采用变频泵。