一种基于纳米耦合材料水体生态净化系统

摘要

本发明公开了一种基于纳米耦合材料水体生态净化系统，包括：外源截留单元、内源控制单元、人工净化单元和生态恢复单元；外源截流单元包括分别位于河道两侧的生态截流沟和护坡生态截留带；生态截流沟包括若干截留沟和与截留沟相连通的截留池，截流沟底壁铺设砂石和水处理缓释剂，截留池底壁铺设多孔陶瓷颗粒；护坡生态截留带包括若干沿坡面层层堆叠的吸湿生态袋，吸湿生态袋中装有吸湿材料；人工净化单元包括供气装置和曝气装置，供气装置包括风机和管道；曝气装置包括膜架和固定在膜架上的中空纤维膜组件，膜架为中空结构，一端与管道连接，用于向中空纤维膜组件输送气体。本发明系统构建完整的生态链增强河水自净能力，稳定净水效果。

权利要求

1.一种基于纳米耦合材料水体生态净化系统，其特征在于，包括：外源截留单元、用于消减控制内源污染的内源控制单元、人工净化单元和用于河道生态功能恢复的生态恢复单元；

所述的外源截留 单元包括分别位于河道两侧的生态截流沟和护坡生态截留带；所述的生态截流沟包括若干重复单元，所述的重复单元包括截留沟和与截留沟相连通的截留池，所述的截流沟的底壁上铺设有砂石和水处理缓释剂，所述的截留池的底壁上铺设多孔陶瓷颗粒；所述的截流沟呈倒等腰梯形，沿河道延伸方向分布；所述的护坡生态截留带包括若干沿坡面层层堆叠且相互锁定的吸湿生态袋，所述的吸湿生态袋中装有吸湿材料；

所述的人工净化单元包括供气装置和曝气装置，所述的供气装置包括风机和管道；所述的曝气装置包括膜架和固定在所述的膜架上的中空纤维膜组件，所述的膜架为中空结构，一端与所述的管道连接，用于向所述的中空纤维膜组件输送气体，所述的人工净化单元还包括仿生水草和陶瓷颗粒袋，固定在所述的膜架上，所述的膜架呈U型设计，与管道连接的一端设有开关，另一端呈封闭状态；

所述的多孔陶瓷颗粒包括空心陶瓷球，所述的空心陶瓷球上开设有多个贯通其内表面的通孔，所述的空心陶瓷球的表面设有二氧化钛涂覆层。

2.根据权利要求1所述的一种基于纳米耦合材料水体生态净化系统，其特征在于，所述的中空纤维膜组件为纤维管增强型中空纤维复合生物膜。

3.根据权利要求1所述的一种基于纳米耦合材料水体生态净化系统，其特征在于，所述的内源控制单元包括清淤组件和底泥消除剂添加装置，分别用于河道清淤和添加底泥消除剂，所述的清淤组件为泥浆泵，所述的底泥消除剂为微生物和/或生物修复酶。

4.根据权利要求1所述的一种基于纳米耦合材料水体生态净化系统，其特征在于，所述的吸湿材料为多孔陶瓷颗粒和/或超高吸湿纤维N-38。

5.根据权利要求1所述的一种基于纳米耦合材料水体生态净化系统，其特征在于，所述的生态恢复单元包括挺水植物、沉水植物和水生动物；所述的挺水植物沿生态截流沟和护坡生态截留带种植，用于辅助外源污染物去除。

说明书

一种基于纳米耦合材料水体生态净化系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于纳米耦合材料水体生态净化系统，属于环保技术领域。

背景技术

[0002] 随着经济社会的飞速发展，城市的不断扩张，在城市建设过程中，我国城市水环境污染日益严重，城市河道中的水体多被有机污染物和氮、磷等污染物污染，黑臭水体已是我
国各城市河道普遍存在的现象，城市黑臭河道的治理将是今后一段时间内重点解决的环境
问题。

[0003] 目前，已经开发了许多用于河道净化的技术，根据治理污染河道的不同原理，可将河道污染治理技术分为物理法、化学法、微生物强化法和自然生态修复法四大类。物理法主
要通过物理的手段针对水中的悬浮物，使用隔离物、过滤设备或者大型沉淀、过滤池、等方
法将污染物从水体中去除，达到净化的目的，目前常用的物理法包括引水清淤、底泥疏浚、
过滤法传统曝气等。物理法的特点是工艺设备简单，操作简便，具有良好的处理效果，但该
方法治标不治本，未能从根本上解决水污染的问题。化学法是针对水中的无机或有机溶解
物质或胶体物质，通过复杂的化学作用，将污染物从水相转移到另一相从而将其去除的过
程，化学法主要包括混凝-沉淀法和化学药剂灭藻法，近年来还出现了一些新技术，例如用
于降低COD和色度的光催化技术等。虽然化学法行之有效，但其不能彻底解决水体污染问
题，并且由于投加化学药剂，所以治理费用较高，而且容易造成二次污染，长期使用会导致
水生态失衡。微生物可以对水体中的污染物进行吸收或氧化降解，通过创造适于微生物生
长和繁殖的条件，使受污染水体中微生物迅速增殖，驯化大量具有净化能力的微生物来降
解水体中有机污染物，从而减少或最终消除水环境污染。该方法处理效果好，修复过程可自
然、原位地进行，不需能耗或低能耗，投资少，工程投资仅为物理法、化学法的30％-50％，最
重要的是能逐渐恢复污染水体的自净能力。微生物技术由于具备以上诸多优点而成为当前
河道治理的研究开发热点与主要技术手段。自然生态净化技术是通过建立完善的生态系统
(包括微生物、植物、动物)，来恢复水域的自净能力。自然生态净化技术应用的重要前提是
水体污染程度不是很高，并且适于水生生物生长和繁殖的自然河流，因此，通常此项技术作
为水体水质已经得到改善后的完善修复措施。

[0004] 但是河道污染具有污染途径多、污染程度严重、污染物种类多，数量大、污染区域广、分布范围宽、自然生态系统破坏严重、非点源污染越来越严重等特点。单一的河道治理
方式已经无法有效保障河道水环境得到彻底修复。

发明内容

[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供一种基于纳米耦合材料水体生态净化系统，以MABR技术为基础，通过纳米耦合曝气系统与多种水处理技术集成，进行水环境综合治理，最
终构建具有自我修复功能的河道生态系统，从根本上彻底根除河水黑臭问题。

[0006] 本发明的第一个目的是提供一种基于纳米耦合材料水体生态净化系统，包括：外源截留单元、用于消减控制内源污染的内源控制单元、人工净化单元和用于河道生态功能
恢复的生态恢复单元；

[0007] 所述的外源截流单元包括分别位于河道两侧的生态截流沟和护坡生态截留带；所述的生态截流沟包括若干重复单元，所述的重复单元包括截留沟和与截留沟相连通的截留
池，所述的截流沟的底壁上铺设有砂石和水处理缓释剂，所述的截留池的底壁上铺设多孔
陶瓷颗粒；所述的护坡生态截留带包括若干沿坡面层层堆叠的吸湿生态袋，所述的吸湿生
态袋中装有吸湿材料；

[0008] 所述的人工净化单元包括供气装置和曝气装置，所述的供气装置包括风机和管道；所述的曝气装置包括膜架和固定在所述的膜架上的中空纤维膜组件，所述的膜架为中
空结构，一端与所述的管道连接，用于向所述的中空纤维膜组件输送气体。

[0009] 进一步地，所述的中空纤维膜组件为纤维管增强型中空纤维复合生物膜。具体的制备方法可参照专利CN201910362462.0。

[0010] 进一步地，所述的膜架设置在可升降钢筋架上，所述的可升降钢筋架通过智能控制终端调控高度；所述的曝气装置还包括溶氧传感器，用于检测中空纤维膜组件一侧的溶
氧；所述的智能控制终端分别与可升降钢筋架和溶氧传感器信号连接。

[0011] 进一步地，所述的智能控制终端包括工业物联网关、云平台和用户终端，所述的云平台与可升降钢筋架、工业物联网关和用户终端信号连接，所述的工业物联网关与溶氧传
感器信号连接，工业物联网关将溶氧传感器的数据信息采集传输到云平台，用户终端可查
询云平台的数据信息并对云平台进行操作调控可升降钢筋架。

[0012] 进一步地，所述的内源控制单元包括清淤组件和底泥消除剂添加装置，分别用于河道清淤和添加底泥消除剂，所述的清淤组件为泥浆泵，所述的底泥消除剂为微生物和/或
生物修复酶。本发明采用泥浆泵将河底的底泥抽出，装袋控水，送到垃圾焚烧，底泥消除剂
可以有效分解底泥中积累的大量氮磷和重金属等污染物。

[0013] 进一步地，所述的多孔陶瓷颗粒包括空心陶瓷球，所述的空心陶瓷球上开设有多个贯通其内表面的通孔，所述的空心陶瓷球的表面设有二氧化钛涂覆层。

[0014] 进一步地，所述的多孔陶瓷颗粒的粒径为500-800μm。

[0015] 进一步地，所述的截流沟呈倒等腰梯形，沿河道延伸方向分布。

[0016] 进一步地，所述的吸湿材料为多孔陶瓷颗粒和/或超高吸湿纤维N-38。

[0017] 进一步地，所述的人工净化单元还包括仿生水草和陶瓷颗粒袋，固定在所述的膜架上，所述的膜架呈U型设计，与管道连接的一端设有开关，另一端呈封闭状态。河道内可设
置若干的膜架，通过设置开关，便于膜架的单独控制。

[0018] 进一步地，所述的生态恢复单元包括挺水植物、沉水植物和水生动物；所述的挺水植物沿生态截流沟和护坡生态截留带种植，用于辅助外源污染物去除。

[0019] 进一步地，所述的挺水植物包括菖蒲、千屈菜和黄鸢尾花中的一种或几种；所述的沉水植物包括矮型苦草和伊乐藻中的一种或两种；所述的水生动物包括河蚬、螺、虾和鱼中
的一种或多种。

[0020] 本发明的有益效果：

[0021] 本发明从外源截留、内源控制、人工净化和生态恢复等四个方面对河道黑臭问题进行全方位、多层次、立体化的整治，最终构建具有自我修复功能的河道生态系统，从根本
上彻底根除河水黑臭问题。该系统将外源污染在输入河道前进行消解处理，缓解河道自净
压力；该系统将底泥清除或通过底泥消除剂减少淤泥中有机物的含量，限制底泥营养物的
释放；该系统直接将膜组件置于河内，无需土建池体施工，可根据水质条件灵活调整；该系
统构建完整的生态链增强河水的自净能力，稳定净化水质的效果，且可美化河道景观。

[0022] 本发明的基于纳米耦合材料水体生态净化系统是一项综合的水环境治理体系，涵盖了外来污染物的拦截和初步净化、河道内部长期累积的内源污染物的分解和去除、河道
水体自身净化能力的提高以及突发事件情况下快速有效的降低水体污染负荷量等。

附图说明

[0023] 图1是基于纳米耦合材料水体生态净化系统结构图；

[0024] 图2是基于纳米耦合材料水体生态净化系统示意图；

[0025] 图3是单个膜架示意图；

[0026] 图4是生态截流沟结构示意图；

[0027] 图5是护坡生态截留带结构示意图；

[0028] 图6是多个膜架在河道中排布示意图；

[0029] 图7是实施例2中曝气装置的结构示意图；

[0030] 图8是智能控制终端的关系结构图。

[0031] 图中标号说明：1、外源截留单元，11、生态截流沟，111、截留沟，112、截留池，12、护坡生态截留带，3、人工净化单元，31、供气装置，311、风机，312、管道，32、曝气装置，321、膜
架，322、中空纤维膜组件，323、仿生水草，324、陶瓷颗粒袋，325、可升降钢筋架，326、溶氧传
感器，327、工业物联网关，328、云平台，329、用户终端，4、生态恢复单元。

具体实施方式

[0032] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

[0033] 实施例1：

[0034] 如图1～8所示，本发明的一种基于纳米耦合材料水体生态净化系统，包括：外源截留单元1、用于消减控制内源污染的内源控制单元2(图中未示出，主要通过人工进行操作)、
人工净化单元3和用于河道生态功能恢复的生态恢复单元4：

[0035] 外源截流单元1包括分别位于河道两侧的生态截流沟11和护坡生态截留带12；生态截流沟11开挖设置在河岸坡度较小的一侧，护坡生态截留带12设置在河岸坡度较大的一
侧；

[0036] 生态截流沟11包括若干重复单元，重复单元包括截留沟111和与截留沟111相连通的截留池112；截流沟111呈倒等腰梯形，沿河道延伸方向分布，上底为20cm，下底为30cm，高
为30cm；截留池设置在截流沟111的一侧，为30×30×40cm的长方形池体；截流沟的底壁上
铺设有约4cm的砂石和水处理缓释剂，水处理缓释剂为氨氮降解剂、控磷组合剂和COD降解
剂的组合；截留池112的底壁上铺设多孔陶瓷颗粒；本发明的多孔陶瓷颗粒包括空心陶瓷
球，空心陶瓷球上开设有多个贯通其内表面的通孔，空心陶瓷球的表面设有二氧化钛涂覆
层，多孔陶瓷颗粒的粒径为500-800μm。

[0037] 护坡生态截留带12包括若干沿坡面层层堆叠且相互锁定的吸湿生态袋，吸湿生态袋中装有吸湿材料；吸湿材料为多孔陶瓷颗粒和/或超高吸湿纤维N-38。

[0038] 本发明通过设置生态截流沟和护坡生态截留带，建立了一套完善的雨污分流或合流系统，当水流经过时，通过多孔陶瓷颗粒对水中的杂质和污染物进行过滤吸附，并通过水
处理缓释剂对污染物进行一定的处理，从而减少污染物的输入。

[0039] 内源控制单元包括清淤组件和底泥消除剂添加装置(图中未示出，为人工进行清淤或添加底泥消除剂时使用的工具)，用于河道清淤和添加底泥消除剂，两种方法可单独使
用或结合使用；清淤组件为泥浆泵，选择水流流速较缓的河段，利用拦挡坝对水流进行阻
挡，然后利用泥浆泵将河底的底泥抽出，装袋控水，送到垃圾焚烧厂；在不方便清淤施工时，
可直接使用底泥消除剂，本发明的底泥消除剂为微生物和/或生物修复酶，可以有效分解底
泥中积累的大量氮磷和重金属等污染物，避免河道底泥中积累的大量氮磷和重金属等污染
物在一定条件下将会重新释放进人水体，从而影响上覆水体水质，造成二次污染。本发明采
用泥浆泵将河底的底泥抽出，装袋控水，送到垃圾焚烧，底泥消除剂可以有效分解底泥中积
累的大量氮磷和重金属等污染物。

[0040] 人工净化单元3包括供气装置31和曝气装置32，供气装置31包括风机311和管道312；供气装置尽量选取在施工的中心位置处，避免管道过长造成供气压力的衰减；位置尽
量开阔，便于设备的投放安装，远离居民区，避免对居民的正常生活造成影响。供气设备为
两台风机，轮流、间隔供气。其中单风机的供气压力为0.1Mpa，时长为一小时，间隔半小时，
然后两风机交替循环供气。

[0041] 曝气装置32包括膜架321和固定在膜架321上的中空纤维膜组件322以及仿生水草323和陶瓷颗粒袋324，膜架321为中空结构并且呈U型设计，避免单侧曝气造成膜组件各处
的分压不匀，一端与管道312连接，用于向中空纤维膜组件322输送气体，与管道312连接的
一端设有开关，另一端呈封闭状态。河道内可设置若干的膜架321，通过设置开关，便于膜架
321的单独控制，中空纤维膜组件为20×160cm，根据河道宽度选择自行选择膜架长度，膜组
件间隔一米排列，之间绑有仿生水草和陶瓷颗粒袋。膜架固定在焊接的钢筋架上置于河中，
避免膜组件与河床接触；膜架与膜架之间间隔6m，各膜架通过三通接口与主管道相连。

[0042] 本发明的中空纤维膜组件为纤维管增强型中空纤维复合生物膜，具体的制备方法可参照专利CN201910362462.0，其原理主要通过纳米耦合曝气生物膜反应技术，利用中空
纤维膜比表面积较大这一特性优势，使其在膜表面营造了相对稳定的微环境，为水体中微
生物的附着生长。另外，仿生水草也提供了优越的附着场所，从而促进了水体微生物的快速
聚集和大量繁殖，通过微生物的作用对污染水体进行快速有效净化。

[0043] 生态恢复单元4包括挺水植物、沉水植物和水生动物；挺水植物沿生态截流沟和护坡生态截留带种植，用于辅助外源污染物去除，挺水植物包括菖蒲、千屈菜和黄鸢尾花中的
一种或几种。设备运行三周后，向水体投放沉水植物与水生动物，沉水植物包括矮型苦草和
伊乐藻中的一种或两种，水生动物包括河蚬、螺、虾和鱼中的一种或多种。

[0044] 实施例2：

[0045] 不同于实施例1中膜架固定在焊接的钢筋架上置于河中，实施例2中，膜架是固定在支撑杆可升降的可升降钢筋架325上，然后置于河中，并且在中空纤维膜组件一侧设有溶
氧传感器326，用于检测中空纤维膜组件周围的溶氧；可升降钢筋架325的四个支撑杆为电
动伸缩杆，通过智能控制终端进行高度调节，电动伸缩杆通过电机(防水电机)驱动伸缩杆
进行伸缩运动；

[0046] 智能控制终端包括工业物联网关327、云平台328和用户终端329，云平台328与可升降钢筋架325信号连接(其中，可升降钢筋架的信号连接是指与电机信号连接)，工业物联
网关327与溶氧传感器326信号连接，工业物联网关327将溶氧传感器326的数据信息采集传
输到云平台328，用户通过用户终端329查询数据信息并进行操作，调整中空纤维膜组件的
高度。

[0047] 本实施例的方案主要能够解决的问题是：在膜架投放初期，中空纤维膜组件上附着的生物膜较少，曝气程度较高，适合放置在较深的位置(主要是由于污染物沉积在较深的
位置，而较深位置的溶氧含量较低，微生物处理较为缓慢)，增加处理速度和处理效果；当附
着的生物膜越来越厚，加上深水区水压较高，导致曝气缓慢，溶氧不足，降低微生物处理效
果，此时调整膜架距离水面的高度，能够有效增强曝气效果，进而增强中空纤维膜组件的处
理效果。

[0048] 实施例3：海宁市长安镇西石港河道生态治理项目

[0049] 西石港河道全长360m，宽度为9-10米，长360m，河道深度为1.1m-1.6m，河道未进行过清淤工程，根据河道水质检测报告为劣五类水，其中氨氮、总瞬、总氮情况严重。河道两边
有养殖场一座和果林一片，其中养殖场排污量大，无隔离，雨天河道面源污染不可控。全河
道没有水生植物分布，水体浊度较高。

[0050] 针对项目中河道的情况，我们采用基于纳米耦合材料水体生态净化系统进行治理。

[0051] 1.使用拦挡坝和泥浆泵对全河段进行清淤，清理出的淤泥送往垃圾焚烧厂；投底泥消除剂对残留淤泥进行更细致的处理。

[0052] 2.选址安装风机机房，排布供气管道；

[0053] 3.安装膜架，膜架长度为8m，宽1.6m，一组膜架安装6片中空纤维膜组件，仿生水草与陶瓷颗粒袋均匀散布，下水连接主管道；膜架固定在焊接的钢筋架上，保持中空纤维膜组
件与水面平行设置(能够降低水阻)，距离水面高度为20～30公分(过深会由于水压导致无
法曝气)；

[0054] 4.对果林和近路河岸修建生态截流沟，铺洒多孔陶瓷颗粒与水处理缓释剂；

[0055] 5.对坡度较大的鸽厂河岸，高吸湿生态袋堆砌出牢固稳定护坡生态截留带。

[0056] 6.对生态截流沟和护坡生态滞留带进行挺水植物的种植，人工净化系统运行3周，水质检测达标，向水体投放沉水植物和水生动物来构建完整的生态链。

[0057] 河道共使用240片膜组件，40个膜架，修建生态截流沟约220m，生态滞留带约130m。整套系统建成到运行一月后，水质对比情况见表1。

[0058] 经过基于纳米耦合材料水体生态净化系统的治理，西石港水至从劣五类水提升至四类水，除COD指标外，其他指标均达到了三类水指标及以上。

[0059] 实施例4：芜湖市三山区上游主沟龙塘支渠河道生态修复项目

[0060] 龙塘支渠河道总长度约600米，宽度约5-6米，水深约2米。龙塘支渠西面为工厂聚集区，东侧树林密集，来自地表径流以及补水携带的污染物经雨水冲刷两岸地面，地表污染
物等随雨水进入河中成为河道的污染源，河道未进行过清淤工程，根据河道水质检测报告
为劣五类水，其中氨氮、总瞬、总氮情况严重。

[0061] 针对项目中河道的情况以及我们试验需求，将河道隔断为两段，一段长度约为300米，第一段我们采用实施例1中的水体生态净化系统进行治理，第二段采用实施例2中的水
体生态净化系统进行治理。前期在进行内源控制单元操作时(即全河段清淤和投底泥消除
剂过程)，不进行间隔，主要针对安装膜架进行区分：

[0062] 1.使用拦挡坝和泥浆泵对全河段进行清淤，清理出的淤泥送往垃圾焚烧厂；投底泥消除剂对残留淤泥进行更细致的处理。

[0063] 2.选址安装风机机房，排布供气管道；

[0064] 3.第一段：安装膜架，膜架长度为4m，宽1.6m，一组膜架安装4片中空纤维膜组件，仿生水草与陶瓷颗粒袋均匀散布，下水连接主管道，固定在焊接的钢筋架上置于第一段河
中，膜组件距离河面20-30公分；

[0065] 第二段：安装膜架，膜架长度为4m，宽1.6m，一组膜架安装4片中空纤维膜组件，仿生水草与陶瓷颗粒袋均匀散布，下水连接主管道，将膜架固定安装在可升降钢筋架上置于
第二段河中，初始膜组件距离河面60-80公分，中空纤维膜一侧溶解氧小于5mg/L，适当向上
调整膜架高度；

[0066] 4.对树林和河岸修建生态截流沟，铺洒多孔陶瓷颗粒与水处理缓释剂；

[0067] 5.对有坡度的河岸，高吸湿生态袋堆砌出牢固稳定护坡生态截留带；

[0068] 6.对生态截流沟和护坡生态滞留带进行挺水植物的种植，人工净化系统运行3周，水质检测达标，向水体投放沉水植物和水生动物来构建完整的生态链。

[0069] 河道共使用280片膜组件，70个膜架(第一段和第二段分别35个膜架)，修建生态截流沟约500m，生态滞留带约100m。整套系统建成到运行一月后，水质对比情况见表1。

[0070] 表1

[0071]

[0072] 经过第一段和第二段的比较，采用可升降的钢筋架调节膜架的深度，能够增强处理效果。

[0073] 以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明
的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。