一種用于河道水體氨氮原位處理的水體凈化廊道及工藝的制作方法

本發明涉及河道治理技術領域，具體涉及一種用于河道水體氨氮原位處理的水體凈化廊道及工藝。

背景技術：

隨著我國對河道治理的重視，國內水體排放標準日益提高，氨氮為河道治理一項重要的污染指標。氨氮在水體中主要表現為游離氨(NH₃)和氨離子(NH₄⁺)。氨氮作為水體營養物質，濃度高，水體富營養化嚴重，降低河道內溶解氧；氨氮濃度上升，游離氨(NH₃)和氨離子(NH₄⁺)對于水體的魚類等生物產生毒害作用；氨氮通過亞硝化細菌、硝化細菌的硝化作用產生亞硝酸氮與硝酸氮，形成相應的鹽類物質，進入水源，可對人體造成危害。

目前國內去除氨氮的主要技術有植物修復技術、微生物修復技術、生物膜修復技術。生物膜法被認為是性價比最高的去除氨氮方法，也是河道修復工藝中運用最多的。生物膜技術通過較大比表面積物質作為填料，聚集微生物形成生物膜，類似小型的接觸氧化池，進行河道氨氮等有機污染物的凈化處理。

例如，授權公告號為102219339B的中國發明專利公開了一種污染河道水體凈化模塊化系統及其應用。污染河道水體凈化模塊化主要由生物格柵模塊、彈性填料吸附床模塊、微生物生態分解懸床模塊、以及沉水植物生態凈化懸床模塊組成；生物格柵模塊由框架及沉水植物、浮水植物、挺水植物組成，彈性填料模塊由框架結構與親水型彈性填料、疏水性彈性填料構成，微生物床模塊由框架結構、微孔曝氣裝置、微生物構成，沉水植物凈化床模塊由沉水植物種群及床體構成。

但是現有技術均存在設備占地面積大，前期投資高，后期運行維護繁瑣等問題。

技術實現要素：

針對現有河道修復技術對于氨氮的去除裝置，設備占地面積大，前期投資高，后期運行維護繁瑣等問題，故提出原位氨氮去除效果良好、實用性強的一種具有脫氮功能的水體凈化廊道。

一種用于河道水體氨氮原位處理的水體凈化廊道，包括至少兩級串聯的廊道單體，還包括納米曝氣機和設于一級廊道單體進水端的控速裝置；所述廊道單體包括：

浮框體，該浮框體包括浮于水面的浮管、沿浮管打入河底的若干根固定桿以及對應穿套在固定桿上的塑料管；

網框，所述網框的進水面和出水面為過水網、底面及沿水體流向的兩個側面為掛膜后不透水的細目網，所述網框的頂邊與浮管縫合、側面與對應的塑料管縫合，所述網框內沿水流方向由過水網依次分隔為硝化填料區、過渡區和反硝化填料區；

以及設于硝化填料區內的布水管，該布水管外接所述納米曝氣機。

浮管浮于河道水面，端頭處用堵頭封閉處理，固定桿采用鍍鋅管，沿浮管布置，鍍鋅管下端打入河底40～60cm，鍍鋅管上穿套PE塑料管，網框的頂邊縫合在浮管上，側面與塑料管接觸處均與塑料管縫合，整體浮于河道水體中，可隨水位變化浮動，由鍍鋅管對其進行限位。

河道水體由控速裝置控速后進入廊道內，保證廊道內水體流速在0.01m/s～0.03m/s內，廊道內反復流經硝化區和反硝化區，循環間隔進行消化反應和反硝化反應，通過納米曝氣機及布水管向硝化區內充氧，控制控制硝化填料區溶解氧在3～6mg/L，過渡區溶解氧0.5～3mg/L，反硝化填料區溶解氧0.1～0.5mg/L，對河道水體進行原位凈化，整個處理裝置浮于底泥上方，曝氣與底泥分開，可避免底泥中污染物的二次污染。

優選地，所述控速裝置設于一級廊道單體前端0～20cm處。

對于控速裝置，一種優選的方案，所述控速裝置為推流器，且距離末級廊道單體出水面3～5米處設置使廊道出水形成回流的導流裝置。

進一步優選地，所述導流裝置包括：

打入河底的鍍鋅管；

對應穿套在該鍍鋅管上的PE管；

以及縫合在該PE管上且掛膜后不透水的細目網，該細目網的網面面向末級廊道單體的出水面設置。

更進一步優選地，該細目網的網面包括第一導流面和第二導流面，第一導流面與第二導流面互成120°～150°夾角，且夾角開口朝向末級廊道單體的出水口。

廊道處于不流動水體中時，在廊道裝置前端0～20cm處放置功率為0.3kW/m².h～0.4kW/m².h的推流器，可控制水體流速為0.01m/s～0.03m/s。推流器使用牽引繩綁定，錨固定；廊道末端3～5米處設置導流器，鍍鋅管固定，外套PE管，用100～150目細目網與外套管縫合，導流器角度為120°～150°，與河道駁岸形成回流通道。

作為控速裝置的另一種優選，所述控速裝置為限速裝置，所述限速裝置為擋板門，所述擋板門豎直插入河道水體中、其中一個豎向側邊與一級廊道單體進水面的豎向側邊鉸接、另一個豎向側邊在一級廊道單體前端的進水區域內位置可調。

進一步地，所述擋板門設置為相互對稱的兩扇，分別與一級廊道單體進水面的兩個豎向側邊鉸接。

更進一步地，以一級廊道單體的進水面為基線所述擋板門的旋轉角度為60°～90°。可控制水體流速為0.01m/s～0.03m/s。

進一步優選地，所述擋板門使用100～150目細目網與PE塑料管縫合，PE塑料管穿套在鍍鋅管上，鍍鋅管打入河底，鍍鋅管位置可調。

擋板門的鍍鋅管可根據要求進行移動并固定，為進一步提高擋板門旋轉角度的調節精度，優選地，進水區域內的河底設置與擋板門自由側邊擺動弧度一致的底座，底座上間隔設置與擋板門的鍍鋅管相匹配的插孔。

相鄰插孔之間的間距根據擋板門最小調節角度設置，優選以最小調節角度為10°為宜。

優選地，所述網框頂面為40～50目細目網。

網框頂面的細目網用于防止填料溢出，側面和底面選用100～150目細目網，掛膜后不透水，使廊道內形成封閉處理空間。

所述過水網為漁網，保證水流通透的同時防止填料隨水流流動。

優選地，所述硝化填料區、過渡區與反硝化填料區的容積比為7:(1～1.5)：4。控制硝化填料區、過渡區與反硝化填料區內HRT(水力停留時間)為7:1:4。

優選地，所述硝化填料區內填充比表面積10000～20000m²/m³、密度20～25g/cm³的聚氨酯填料，硝化填料區內填充率為30％～50％；反硝化填料區內填充比表面積60000～90000m²/m³、密度0.3-0.4g/cm³的竹球，反硝化填料區內填充率為10％～30％。

進一步地，所述聚氨酯填料為5×5×5cm聚氨酯填料，均勻分布于硝化區內；所述竹球的直徑為3～4cm；更進一步地，采用淀粉/聚己內酯(PCL)共混物前3d浸出液對竹球進行浸泡預處理，生化性可提高。

竹球與污泥混合后均勻投撒于反硝化區內，所述反硝化區內的填充率包含了混入的污泥，優選地，所述竹球與污泥的混合質量比為2～3:1。

本發明中通過納米氣泡機與特定的布水管向廊道通入氣水混合物，所述納米發泡機所產生的氣泡帶有負電荷，可對水體微粒產生吸附效果，可以使懸浮物分離；氧傳質速率高，溶解氧維持在較高水平，大大加快廊道內硝化填料微生物的繁殖代謝，加快污染物的分解。

本發明選取硝化填料聚氨酯為大孔與納米級孔隙相結合：大孔保持良好的氣液固的接觸條件，納米氣泡可長時間停留在大孔內；微孔中帶有氨基羧基、環氧基等親水性活性基團，可與微生物肽鍵中的活性基團形成離子鍵或共價鍵，適合硝化微生物掛膜。

本發明選取的反硝化填料為竹球填料，搭配淀粉/聚己內酯(PCL)共混物前3d浸出液預處理，用于去除低碳氮比污水中的硝酸鹽，并且具有啟動速度快、反硝化速率高等特點。

進一步地，所述硝化填料區和反硝化填料區內每間隔2～3m均采用過水網隔斷。使填料更好的保持均勻分布。更進一步地，過水網采用漁網。

優選地，所述布水管包括與納米曝氣機連接的布水主管和設于布水主管上且對應伸入硝化填料區內的布水支管，各廊道單體的布水主管之間相互并聯。

硝化填料區內相鄰部布水支管之間的間距為1～2m。

填料區內硝化微生物內部發生硝化反應，消耗一部分溶解氧，經過填料區反應的河水進入過渡區，過渡區內附著在聚氨酯的生物膜進一步消耗剩余溶解氧，使溶解氧濃度達到反硝化條件。從而控制硝化填料區溶解氧在3～6mg/L，過渡區溶解氧0.5～3mg/L，反硝化填料區溶解氧0.1～0.5mg/L。

進一步地，所述布水支管位于硝化填料底部。

納米曝氣機為市售產品，產生的納米氣泡粒徑60％～80％在200nm-400nm之間，實際所測富含該納米氣泡的水體ζ電位高達-20～-40mV，控制氣水比為(3.5～4)：1。

納米曝氣機設置配套的提升泵和進水管，控制聚氨酯填料區溶解氧在3～6mg/L，過渡區溶解氧0.5～3mg/L，竹球填料區溶解氧0.1～0.5mg/L。

優選地，設置3～5級廊道單體串聯，相鄰廊道單體的浮管之間直接、網框之間紐扣連接。

本發明還提供一種利用所述水體凈化廊道進行河道水體氨氮原位處理的工藝，包括如下步驟：

由控速裝置控制進入所述水體凈化廊道內的河道水體流速在0.01m/s～0.03m/s內，進入所述水體凈化廊道內的河道水體反復經過硝化填料區和反硝化填料區，反復進行硝化處理和反硝化處理，原位凈化后的水體從末級廊道單體出水端排出；

處理過程中由納米曝氣機及布水管向廊道單體內曝氣，控制每級廊道單體硝化填料區溶解氧3～6mg/L，過渡區溶解氧0.5～3mg/L，反硝化填料區溶解氧0.1～0.5mg/L。

優選地，納米曝氣機內控制氣水比為(3.5～4)：1，納米氣泡粒徑60％～80％在200nm-400nm之間。

與現有技術相比，本發明就有如下有益效果：

(1)納米氣泡供氧，溶氧效果好，曝氣與底泥分開，可避免底泥中污染物的二次污染；

(2)實施本裝置可快速、高效、低能地降低河流中的總氮；

(3)本發明獨特的細目網、浮管、固定管設計，適應水位變化；

(4)本發明內部填料等均位于水位之下，不影響水面景觀。

(5)本發明在靜水情況下，通過導流器設置，部分水體回流可提高水體去除總氮率。

附圖說明

圖1是本發明俯視結構圖。

圖2是本發明垂直于水流方向的剖視圖。

圖3是導流裝置結構示意圖。

圖4是限速裝置俯視圖。

圖中所示附圖標記如下：

1-納米曝氣機 2-提升泵 3-出水管

4-布水主管 5-導流裝置 6-網框

7-浮管 8-鍍鋅管 9-布水支管

10-進水面 11-推流器 12-塑料管

13-紐扣 14-擋板門 15-水泥底座

51-第一導流面 52-第二導流面

具體實施方式

如圖1～圖4所示，一種水體凈化廊道，由至少兩級廊道單體串聯而成，每個廊道單體的結構包括浮框體、網框、布水管和填料。

浮框體包括沿水流方向布置的兩根浮管7，兩根浮管相互平行布置，沿浮管設置一排打入河底的鍍鋅管8，每根鍍鋅管外套設一段塑料管12，網框6通過浮框體懸浮于河道水體中，網框由進水面10、出水面、底面、頂面以及沿水流方向的兩個側面組成，進水面和出水面為漁網，河道水體由漁網進出廊道，頂面為40～50目細目網，底面及沿水流方向的兩個側面為100～150目細目網，網框頂邊與浮管接觸處與浮管縫合、側面與塑料管接觸處與塑料管縫合。整個網框浮于水體中，且可隨水位變化而上下浮動，鍍鋅管對其進行限位。

100～150目細目網、40～50目細目網和漁網圍成的網框6內由漁網分隔為硝化填料區、過渡區和反硝化填料區，順水流方向依次為硝化填料區、過渡區和反硝化填料區，硝化填料區、過渡區和反硝化填料區的容積比為7:(1～1.5)：4。

硝化填料區填充比表面積10000～20000m²/m³、密度20～25g/cm³的聚氨酯填料，硝化填料區內填充率為30％～50％，聚氨酯填料尺寸為5×5×5cm，均勻投撒于硝化填料區內。反硝化填料區內填充比表面積60000～90000m²/m³、密度0.3-0.4g/cm³的竹球，反硝化填料區內填充率為10％～30％(竹球與污泥以質量比2.5:1混合后投入)，竹球的直徑為3～4cm。當廊道單體較長時，硝化填料區和反硝化填料區內每間隔2～3m均采用漁網隔斷。

布水管包括布水支管9和布水主管4，布水支管沿與水流相垂直方向分布于硝化填料區內，布水支管位于對應區域內底部，硝化填料區內相鄰布水支管之間的間距為1～2m，所有的布水支管的進水端均連接于布水主管4上，布水主管4通過三通與納米曝氣機1的出水管3相連，納米曝氣機1設置在河岸上，并配備提升泵2和進水管。

本實施方式中設置3～5廊道單體串聯，每個廊道單體結構一致，相鄰廊道單體的浮管之間采用管接頭直接，浮管的端頭處采用堵頭封閉處理，相鄰廊道單體的細目網之間采用紐扣13連接，所有廊道單體的布水主管均通過三通并聯在納米氣泡機的出水管3上。

廊道處于不流動水體中時，在廊道裝置前端10～20cm處放置功率為0.3kW/m².h～0.4kW/m².h的推流器11，可控制水體流速為0.01m/s～0.03m/s。推流器使用牽引繩綁定，錨固定于河底；并在廊道末端3～5米處設置使廊道出水形成回流的導流裝置5，導流裝置如圖3所示，包括第一導流面51和第二導流面52，第一導流面51和第二導流面52互成120°～150°，夾角開口朝向末級廊道單體出水面，兩個導流面均采用100～150目細目網，細目網通過打入河底的鍍鋅管及套設在鍍鋅管上的塑料管進行固定，細目網縫合在塑料管上，整個導流面可隨水位變化浮動與廊道進水一側的駁岸之間形成回流通道。

當廊道處于流動水體中，在廊道裝置前端設置旋轉角度為60°～90°的限速裝置，可控制水體流速為0.01m/s～0.03m/s。

限速裝置的俯視圖如圖4所示，由兩扇對稱設置的擋板門14組成，擋板門豎向插入水體中，擋板門使用100～150目細目網，兩個擋板門的其中一個豎向側面分別與廊道的進水面10兩側的豎向側邊鉸接，即縫合于連接處的塑料管上，另一個豎向側邊通過打入河底的鍍鋅管及套設在鍍鋅管上的塑料管固定于水體中，且該處鍍鋅管的位置可調，通過調節該處鍍鋅管的位置從而調節兩擋板門之間的開度，為方便擋板門開度調節即擋板門擺動角度的精確控制，在河道底部沿擋板門擺動路線設置水泥底座15，水泥底座上均勻開設與鍍鋅管尺寸匹配的插孔，相鄰兩孔之間的間距以使擋板門的最小擺動角度為10°為最佳，擋板門擺動側的鍍鋅管插入水泥底座的孔中。

根據需求移動并固定擺動側的鍍鋅管，當兩擋板門與進水方向平行時，進水量最大，當兩擋板門覆蓋至進水面上時，關閉廊道進水，以進水面為基線，擋板門在60°～90°內擺動，以調節廊道進水量，從而調節河道水體在廊道內的流速。

本發明工作方式如下：

由控速裝置控制進入所述水體凈化廊道內的河道水體流速在0.01m/s～0.03m/s內，進入所述水體凈化廊道內的河道水體反復經過硝化填料區和反硝化填料區，反復進行硝化處理和反硝化處理，原位凈化后的水體從末級廊道單體出水端排出；

處理過程中由納米曝氣機及布水管向廊道單體內曝氣，控制每級廊道單體硝化填料區溶解氧3～6mg/L，過渡區溶解氧0.5～3mg/L，反硝化填料區溶解氧0.1～0.5mg/L。

實施例1

在杭州市余杭區赭山港選取長100米的實驗河段。赭山港河道全長7.08公里，河面寬15-30米，現狀水位2.4米，水質為劣Ⅴ類水體。

在赭山港寬闊水域內安裝本發明的水體凈化廊道，整體為5級廊道串聯，將掛膜成功的聚氨酯與竹球填料放入廊道內。廊道整體懸浮于污染河體的底泥上方，廊道底部最低處為水下1米。

赭山港為流動水體，操作流速控制閥限定流速為0.01m/s。打開納米氣泡機，產生孔徑為300mm的富氧水由出水管送入布水管，然后分配至其他布水支管中，控制氣水比＝4:1。河水與納米氣泡出水混合液進入廊道內，通過聚氨酯好氧區、聚氨酯過渡區、竹球缺氧區，多級硝化-反硝化反應進行河道水體修復。

從本發明裝置運行穩定開始，每五天測定一次赭山港實驗河段污染指標數據。本發明裝置運行30天后。前后治理現狀：

表1

表2

由表1可知，赭山港氨氮、總氮等超標，屬劣Ⅴ類水質。表2為該河采用上述實施例治理后1個月的各指標數據，總氮削減43.3％，氨氮削減44.8％；氨氮指標已經達到Ⅴ類標準。具有良好的脫氮效果。

實施例2

在杭州市余杭區仁和街道計家壩港選取長60米的試驗河段。計家壩港全長940m，寬約10-15m，平均水深1m，河道水面面積約10000平方米，水質為劣Ⅴ類水體。

在計家壩港寬闊水域內安裝本發明的水體凈化廊道，整體廊道為3級串聯，將掛膜成功的聚氨酯與竹球填料放入廊道內。廊道整體懸浮于污染河體的底泥上方，廊道底部最低處為水下0.8米。導流器設置為120°，距離最后一級廊道3米。

計家壩港為斷頭河，配備一臺0.9kW.h推流器。打開納米氣泡機，產生孔徑為300mm的富氧水由出水管送入布水管，然后分配至其他布水支管中，控制氣水比＝3.5：1。河水與納米氣泡出水混合液進入廊道內，通過聚氨酯好氧區、聚氨酯過渡區、竹球缺氧區，多級硝化-反硝化反應進行河道水體修復。

從本發明裝置運行穩定開始，每五天測定一次計家壩港實驗河段污染指標數據。本發明裝置運行2個月。前后治理現狀：

表3

表4

由表3可知，計家壩港屬劣Ⅴ類水質。表4為該河采用上述實施例治理后2個月的各指標數據，總氮削減35.3％，氨氮削減34.5％。由于計家壩沿岸截污井破裂，每天有大量污水進入河體，水體氨氮總體維持在8～8.5mg/L。

實施例3

在杭州市余杭區仁和街道穆家壩港選取長80米的試驗河段。穆家壩港東西向長約759m，寬約5-10m(平均寬約7m)，平均水深1m，在河段中間段有一節“7”字型支流，長約430m，寬約15m，平均水深1m，河道總水面面積約12000m²。

在穆家壩港“7”字型支流內安裝水體凈化廊道，整體廊道為4級串聯，將掛膜成功的聚氨酯與竹球填料放入廊道內。廊道整體懸浮于污染河體的底泥上方，廊道底部最低處為水下1米。導流器設置150°，距離最后一級廊道3.5米。

穆家壩港為斷頭河，配備一臺1.2kW.h推流器。打開納米氣泡機，產生孔徑為300mm的富氧水由出水管送入布水管，然后分配至其他布水支管中，控制氣水比＝3.5:1。河水與納米氣泡出水混合液進入廊道內，通過聚氨酯好氧區、聚氨酯過渡區、竹球缺氧區，多級硝化-反硝化反應進行河道水體修復。

從本發明裝置運行穩定開始，每五天測定一次穆家壩港實驗河段污染指標數據。本發明裝置運行45天。前后治理現狀：

表5

表6

由表5可知，計家壩港屬劣Ⅴ類水質。表6為該河采用上述實施例治理后45天各指標數據，總氮削減53.8％，氨氮削減56.25％。具有明顯的脫氮效果。

以上所述僅為本發明專利的具體實施案例，但本發明專利的技術特征并不局限于此，任何相關領域的技術人員在本發明的領域內，所作的變化或修飾皆涵蓋在本發明的專利范圍之中。