一种硬质护岸壁挂式沉水植物净水模块及其应用
阅读说明：本技术 一种硬质护岸壁挂式沉水植物净水模块及其应用 (Hard revetment wall-mounted submerged plant water purification module and application thereof ) 是由 王炜 于 2021-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及水环境生态修复和水质净化技术领域,尤其是涉及一种壁挂式沉水植物净水模块及其应用,该模块由过滤模块和种植模块组成,种植模块内部种植沉水植物,过滤模块内部均匀分布有营养盐富集吸附材料并设置集水槽,将壁挂式沉水植物净水模块固定在河道硬质护岸,利用对氮、磷等营养盐富集吸附材料作为过滤介质,以过滤运行作为连续富集营养盐,供植物吸收的方式,保证沉水植物持续稳定生长繁殖,在维持河道生态系统和河道景观同时,实现对污染水质的净化。(The invention relates to the technical field of water environment ecological restoration and water quality purification, in particular to a wall-mounted submerged plant water purification module and application thereof.)
技术领域
本发明涉及水环境生物修复和水质净化技术领域，尤其是涉及一种硬质护岸壁挂式沉水植物净水模块及其应用。
背景技术
沉水植物是河道生态系统重要初级生产力，是生态系统重要组成部分，在河道中，沉水植物可通过光合作用产氧，增加水体溶氧，防止水体黑臭；沉水植物分泌絮凝剂、对水体悬浮物进行絮凝沉淀，保持河水清澈；沉水植物通过化感作用，抑制藻类生长，控制水体富营养化；沉水植物也为水体中微型动物和鱼类产卵提供良好生境，有利于营造复杂的水生生态系统，具有较大的生态功能和水质净化功能。
但是，沉水植物群落的形成对水质和河水流态要求较高，需要一定透明度和种植条件，但河道是一个开放系统，即使完成截污，河道内源污染和地表径流引发的面源污染长期存在，河道日常排水的需要，保持一定的水流动，导致河水浊度较高，不能满足沉水植物种植的光补偿强度，特别是河底种植沉水植物很易受到浊度影响；河道底泥条件复杂，许多河道底泥污染严重，存在大量石块、垃圾等硬物，种植条件恶劣；河底直接种植沉水植物，需要将河水放干，工程量大，养护困难；城市河道承担城市排洪泄洪功能，当高强度暴雨时，水流速快，洪水对底泥冲刷很易将沉水植物连根拔起，因此，利用现有河道硬质护岸，在河道两边种植沉水植被比河底种植更具有可操作性。
专利CN110012815A采用无纺布袋内填充沉水植物基质种植沉水植物，并采用橡皮筋扎住袋口，沉入河道底部进行种植的方法。这种方法取材方便，操作简单，节约人力物力，绿色环保，能为河道底部沉水植物恢复创造良好生长条件，在种植袋基质中，适量的加入过氧化钙、沸石颗粒、陶粒和河道底泥充分搅拌，还有一定中和酸性底泥，提升河道底泥的矿化速度，修复底泥的作用。但由于沉水植物种植河底，对浊度较高，污染物较严重的河道难以种植成活；而高强度洪水也可能将植物冲走，植物冲走后，种植袋的清理更加麻烦。专利CN211832031U的一种硬质河道底泥沉水植物种植毯也是在河底种植；专利CN211712744U的沉水植物沉床虽然可以升降，有利于沉水植物定植，但沉床结构复杂，包括沉床、种植篮、基质、沉水植物等多个单元，调节方式复杂，难以操作。专利CN107926671 B公开了一种悬挂式生态种植沉水植物的方法，采用无纺布或纱绢制作网床，填充石英砂或陶粒作为沉水植物种植基质，将培植好的易成活的沉水植物种植在具有基质的网床上，将网床悬挂在硬质河道堤岸上，在河道两岸形成沉水植物生长区。该方法虽然将沉水植物种植在浅水区，有利于沉水植物生长，存活率较高，但只适合城市缓流河道，如果暴雨洪流大，很易将网床冲走；沉水植物种植的基质材料和水体交换少，一方面水质净化功能受影响，另一方面基质不能连续吸附河水营养盐供沉水植物吸收，也不利于沉水植物生长。
发明内容
城市河道面临河水浊度高，季节性暴雨冲刷等不利因素，沉水植物种植困难，现有技术大多以河道底泥种植为基础，或采用复杂的升降床、种植挂网等，难以种植成活。针对上述问题，本发明提供了一种硬质护岸壁挂式沉水植物净水模块及其应用，该模块固定在河道硬质护岸，能吸附水体中氮、磷等营养盐供沉水植物生长，即该净水模块使得沉水植物可以在硬质河道堤岸上生长；与此同时，通过过滤介质循环过滤，实现水质净化，维持河道内的生态系统和河道景观，提升河水水质。
利用对氮、磷等营养盐富集吸附材料作为过滤介质，以过滤运行作为连续富集营养盐，供植物吸收的方式，保证沉水植物持续稳定生长繁殖；壁挂式沉水植物净水模块由过滤模块和种植模块组成；壁挂式沉水植物净水模块中过滤模块固定在河道硬质护岸上，离河道底泥200mm以上，避免洪水爆发、底泥再悬浮等不利因素对沉水植物生长影响；过滤模块固定在常水位200mm以下，每隔300-500mm固定一排，随河道水位深浅，可平行固定多排，以保证沉水植物生长必需的光补偿强度；壁挂式沉水植物净水模块可以拆卸，可预先在良好种植条件下培养，成活后再植入河道中固定好的过滤模块上，河道现场沉水植物死亡后，也可及时将植物死亡的种植模块拆出，补充新的已培植成活沉水植物的种植模块，拆装简单，运行灵活；壁挂式沉水植物净水模块在迎水面和底部采用斜面设计，保证洪水对模块的影响降到最低，沉水植物也能有足够生长空间；
壁挂式沉水植物净水模块中过滤模块由过滤槽、种植孔、过滤介质、集水槽等组成，过滤模块为梯形斜面向上，下小上大，底部为集水槽，其上为过滤槽，过滤槽内部填充有吸氮颗粒、聚磷颗粒、促生颗粒的介质材料，种植孔均匀分布在过滤模块上端第一盖板上，斜面向下，通过过滤模块格栅将其和过滤模块其他部分隔开，种植模块上种植杯螺纹卡口和过滤模块种植孔螺纹卡口连接；过滤模块之间可通过集水槽管道连接，最终连接至过滤水泵，通过过滤水泵驱动过滤模块运行，使河水从上部均匀进入，通过介质和沉水植物根系，进入集水管，通过过滤水泵排出河道，壁挂式沉水植物净水模块通过营养盐吸附、生物膜过滤等方式净化水质，同时持续富集营养盐供沉水植物生长。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的第一个目的是提供一种硬质护岸壁挂式沉水植物净水模块，其特征在于，包括固定的过滤模块和可拆卸的种植模块，
所述过滤模块包括集水槽、过滤槽、过滤介质、种植孔；所述过滤模块底部为集水槽，过滤槽与集水槽连接并位于集水槽正上方；所述过滤介质均匀分布于过滤槽中；所述过滤槽顶端设置有均匀分布的种植孔；
所述种植模块包括种植杯、沉水植物，所述沉水植物固定于种植杯中；
所述过滤模块纵截面为梯形结构，下小上大；
所述种植模块置于种植孔内，种植模块与种植孔形状大小吻合。
在本发明的一个实施方式中，所述壁挂式沉水植物净水模块迎水面采用斜面设计。
在本发明的一个实施方式中，所述过滤介质为包埋有吸氮颗粒、聚磷颗粒、促生颗粒的介质。
本发明的第二个目的是提供一种硬质护岸壁挂式沉水植物净水模块的应用，包括以下步骤：
(1)沉水植物培养完成后将种植模块安装于过滤模块种植孔中；
(2)将壁挂式沉水植物净水模块各模块之间连接过滤水泵，得到壁挂式沉水植物净水模块组件；
(3)将壁挂式沉水植物净水模块组件固定于河道硬质护岸两边。
在本发明的一个实施方式中，步骤(1)中，所述沉水植物安装于种植杯中，预先在培养基地生产，长大成活后直接固定在过滤模块种植孔中。
在本发明的一个实施方式中，步骤(2)中，所述过滤水泵进行循环生物过滤，然后将过滤杂质排出河道。
在本发明的一个实施方式中，步骤(3)中，所述硬质护岸包括U型硬质护岸和V型硬质护岸。
在本发明的一个实施方式中，步骤(3)中，将壁挂式沉水植物净水模块固定于河道常水位以下200mm或底泥以上200mm，每隔300-500mm固定一排。
在本发明的一个实施方式中，步骤(3)中，所述壁挂式沉水植物净水模块中沉水植物死亡后直接进行更换。
在本发明的一个实施方式中，步骤(3)中，所述壁挂式沉水植物净水模块固定于河道硬质护岸后还与河道曝气、底泥氧化处理配合。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明壁挂式沉水植物净水模块采用固定的过滤模块和可拆卸的种植模块组合而成，过滤模块固定在河道硬质护岸上，位于常水位以下200mm，底泥以上200mm，每隔300-500mm固定一排，可根据水位和河水浊度设计过滤模块固定位置，保证沉水植物光补偿强度，种植模块可预先在培养基地生产，长大成活后，直接固定在过滤模块上，沉水植物死亡后，也可直接更换，保证了修复和到沉水植物成活或受损后恢复，避免河底种植沉水植物受浊度影响无法成活，可用于浊度较高河道沉水植被修复。
(2)本发明壁挂式沉水植物净水模块在迎水面采用斜面布置，减缓洪水对模块和沉水植物冲击，有利于河道沉水植在恶劣环境下生存，同时，河道护岸沉水植被营造两岸独特景观效果。
(3)本发明壁挂式沉水植物净水模块利用对氮、磷等营养盐富集吸附材料作为过滤介质，以过滤运行作为连续富集营养盐，供植物吸收利用，保证沉水植物持续稳定生长繁殖。
(4)各过滤模块之间可通过集水槽管道连接过滤水泵，进行循环生物过滤，壁挂式沉水植物净水模块通过营养盐吸附、生物过滤等方式净化水质，同时持续富集营养盐供沉水植物生长。
(5)利用河道两边硬质护岸空间种植沉水植物，进行河道生态系统的修复，其生态功能的修复效果与传统底泥水草种植方式形成的沉水植被一样，可应用于由于浊度较高不宜在河底种植沉水植物的城市河道。
附图说明
图1为本发明应用于硬质护岸的壁挂式沉水植物净水模块中过滤模块示意图；
图2为本发明应用于硬质护岸的壁挂式沉水植物净水模块中种植模块示意图；
图3为本发明应用于硬质护岸的壁挂式沉水植物净水模块中集水槽局部示意图；
图4为本发明应用于硬质护岸的壁挂式沉水植物净水模块中过滤模块安装局部示意图；
图5为本发明应用于硬质护岸的壁挂式沉水植物净水模块中沉水植物种植示意图；
图6为本发明应用于U型硬质护岸的壁挂式沉水植物净水模块安装示意图；
图7为本发明应用于V型硬质护岸的壁挂式沉水植物净水模块安装示意图；
图中标号：1、过滤模块；2、种植模块；3、种植孔；4、种植孔螺纹卡口；5、集水槽；6、吸氮滤料；7、聚磷滤料；8、促生滤料；9、种植孔格栅；10、过滤槽；11、盖板；1101、第一盖板；1102、第二盖板；12、集水孔；13、集水槽斜面；14、种植杯螺纹卡口；15、种植杯；16、种植杯格栅；17、土工布；18、卡口；19、U型硬质护岸；20、V型硬质护岸；21、集水槽管道；22、过滤水泵；23、沉水植物。
具体实施方式
本发明提供一种硬质护岸壁挂式沉水植物净水模块，其特征在于，包括固定的过滤模块和可拆卸的种植模块，
所述过滤模块包括集水槽、过滤槽、过滤介质、种植孔；所述过滤模块底部为集水槽，过滤槽与集水槽连接并位于集水槽正上方；所述过滤介质均匀分布于过滤槽中；所述过滤槽顶端设置有均匀分布的种植孔；
所述种植模块包括种植杯、沉水植物，所述沉水植物固定于种植杯中；
所述过滤模块纵截面为梯形结构，下小上大；
所述种植模块置于种植孔内，种植模块与种植孔形状大小吻合。
在本发明的一个实施方式中，所述壁挂式沉水植物净水模块迎水面采用斜面设计。
在本发明的一个实施方式中，所述过滤介质为包埋有吸氮颗粒、聚磷颗粒、促生颗粒的介质。
本发明的第二个目的是提供一种硬质护岸壁挂式沉水植物净水模块的应用，包括以下步骤：
(1)沉水植物培养完成后将种植模块安装于过滤模块种植孔中；
(2)将壁挂式沉水植物净水模块各模块之间连接过滤水泵，得到壁挂式沉水植物净水模块组件；
(3)将壁挂式沉水植物净水模块组件固定于河道硬质护岸两边。
在本发明的一个实施方式中，步骤(1)中，所述沉水植物安装于种植杯中，预先在培养基地生产，长大成活后直接固定在过滤模块种植孔中。
在本发明的一个实施方式中，步骤(2)中，所述过滤水泵进行循环生物过滤，然后将过滤杂质排出河道。
在本发明的一个实施方式中，步骤(3)中，所述硬质护岸包括U型硬质护岸和V型硬质护岸。
在本发明的一个实施方式中，步骤(3)中，将壁挂式沉水植物净水模块固定于河道常水位以下200mm或底泥以上200mm，每隔300-500mm固定一排。
在本发明的一个实施方式中，步骤(3)中，所述壁挂式沉水植物净水模块中沉水植物死亡后直接进行更换。
在本发明的一个实施方式中，步骤(3)中，所述壁挂式沉水植物净水模块固定于河道硬质护岸后还与河道曝气、底泥氧化处理配合。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例提供一种壁挂式沉水植物净水模块。
壁挂式沉水植物净水模块由过滤模块1(图1)和种植模块2组成(图2)，过滤模块1和种植模块2可以通过螺纹拆卸；过滤模块由种植模块螺纹卡口4、种植孔3、过滤介质(吸氮颗粒6、聚磷颗粒7、促生颗粒8)、集水槽5组成，过滤模块1为梯形斜面向上，下小上大，底部为集水槽5，内部均匀填充吸氮颗粒6、聚磷颗粒7、促生颗粒8的过滤介质，种植孔3均匀分布在过滤模块上，垂直斜向下，通过过滤模块格栅9将种植孔3与过滤模块2其他部分隔开，种植孔螺纹卡口4和过滤模块格栅9连接(图1)。过滤模块1中过滤槽10上端设置一第一盖板1101，过滤槽10与第一盖板1101通过螺丝固定，第一盖板1101上均匀分布种植孔3，其他部位均为多孔格栅(图1)；集水槽5上端设置一第二盖板1102，集水槽5和第二盖板1102通过螺丝固定，集水槽5上部均匀分布5mm集水孔12，集水槽5迎水面采用斜面13设计，同时底部采用斜面设计，非迎水面采用垂直设计，非迎水面集水槽中间开螺纹，便于过滤槽单元之间连接(图3)。种植模块2由种植杯15、沉水植物23组成，种植杯15为梯形，和过滤模块种植孔3匹配，种植杯壁为种植模块格栅16，种植模块格栅16上还设置有种植杯螺纹卡口14(图2)，便于植物根系进入介质中吸取营养，沉水植物23通过土工布17包裹后，塞进种植杯15固定(图5)，种植杯15上部直径和杯底直径与种植孔3上部直径和杯底直径相同，种植杯15上部设置有卡口18，以便固定沉水植物23(图2)。壁挂式沉水植物净水模块可直接固定在U型硬质护岸19上(图6)，也可固定在V型硬质护岸20上(图7)，但固定在V型河道硬质护岸的过滤模块为三角形，其结构和U型河道过滤模块基本一致。过滤模块之间可通过集水槽管道21连接，最终接过滤水泵22，通过过滤水泵22驱动过滤模块1运行(图4)。
实施例2
本实施例提供一种硬质护岸壁挂式沉水植物净水模块的应用。
广州某河道，为半封闭潮汐河道，治理河段为河道最尾端，长1200m，宽15m，涨潮时水位上升，潮落时水位下降，最低水位时水深0.8m，最高水位时水深1.6m，水位差0.8m。河道为典型U型河道，两岸为浆砌石硬质护岸。河道截污工程和清淤工程已完成，为了尽快恢复河道生态，在离河道尾端100m处，两岸硬质护岸均设置6m沉水植物模块。
(1)壁挂式沉水植物净水模块由过滤模块和种植模块组成。
(2)过滤模块长3m，截面为梯形，垂直挂在U型硬质护岸壁上，底板宽0.2m，第一盖板宽0.38m，高0.4m，离底板8cm焊接一第二盖板，形成集水槽；第一盖板为格栅板，每隔0.2m开一个直径50的种植孔。
(3)过滤模块中填充20mm沸石滤料，20mm钢渣，10mm生物陶粒，三种组分体积比1：1：1。
(4)采用直径50pvc管，四周和底部开直径6mm孔，制作沉水植物种植模块，将苦草根系用土工布包裹，塞入种植模块，并卡在过滤模块种植孔中。
(5)将两组壁挂式沉水植物净水模块固定在水下，两组沉水植物种植模块通过集水槽的管道连接，组成一排壁挂式沉水植物净水模块(图4)，模块最上端聚最低水位以下200mm，在第一排沉水植物种植模块底板下400mm，再布置一排壁挂式沉水植物净水模块，二排壁挂式沉水植物净水模块通过三通，接入潜水泵进水口(图6)，通过潜水水泵排出。使河水从上部均匀进入，通过介质和沉水植物根系，进入集水管，通过过滤水泵排出河道，壁挂式沉水植物净水模块通过营养盐吸附、生物膜过滤等方式净化水质，同时持续富集营养盐供沉水植物生长。
(6)连续运行1个月，种植的苦草生长正常，在河道曝气，底泥氧化工程基础上，河水水质变化如下：
表1水质变化表
COD
NH<sub>4</sub>-N
TP
治理前
46.3
3.4
1.2
治理1个月后
28.5
1.3
0.28
试验表明，挺水植物模块上菖蒲能正常生长，很快形成景观，同时在河道曝气、底泥氧化等措施配合虾，河道水质明显改善，运行30d，河道水体COD、氨氮、TP分别由46.3mg/l、3.4mg/l、1.2mg/l降至28.5mg/l、1.3mg/l、0.28mg/l，达到地表Ⅳ标准。
实施例3
本实施例提供一种硬质护岸壁挂式沉水植物净水模块的应用。
(1)制作1.2*0.9*1.2m3玻璃水箱，用污水处理厂尾水和原水混合，加一部分氯化铵和磷酸盐人工配置污水。
(2)用PVC板制作0.5*0.3*0.3过滤模块，底部铺设直径50集水管，集水管每隔10cm均匀打6mm孔，第一盖板为多空格栅板，每隔0.2m开一个直径50的种植孔。
(3)过滤模块中填充20mm沸石滤料，20mm钢渣，10mm生物陶粒，三种组分体积比1：1：1。
(4)采用直径50pvc管，四周和底部开直径6mm孔，制作沉水植物种植模块，将苦草根系用土工布包裹，塞入种植模块，并卡在过滤模块种植孔中。
(5)将定植好苦草的沉水植物模块置于配好水的水箱，潜水水泵进水口连接模块集水管，水泵运行时水体从上部均匀进入，通过介质和沉水植物根系，进入集水管，通过过滤水泵排出，沉水植物种植模块通过营养盐吸附、生物膜过滤等方式净化水质，同时持续富集营养盐供沉水植物生长。
(6)采用气石和风机对水箱进行曝气，使其溶氧保持4mg/l以上。
(7)连续运行3天，种植的苦草生长正常，水质变化如下：
表2水质变化表
COD
NH<sub>4</sub>-N
TP
治理前
47.4
3.5
1.7
运行3d后
23.1
0.25
0.3
试验表明，挺水植物模块能显著净化水质，运行3d，玻璃水箱水体COD、氨氮、TP分别由47.4mg/l、3.5mg/l、1.7mg/l降至23.1mg/l、0.25mg/l、0.3mg/l。
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。
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