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一种人工构筑湿地根孔的方法
2021-10-25 15:17       来源:《中国给水排水》       作者:       分享:











专利名称一种人工构筑湿地根孔的方法

专利号CN200910244504.7

专利类型发明专利

授权日期2012年7月11日

专利权人中国科学院生态环境研究中心

发明人王为东  尹澄清  赵洪涛  李静

 
【专利证书】人造根孔盖章_00.jpg


(一)发明创新点

在国内外率先提出并实现了人工构筑湿地根孔技术,使人工湿地在构建初期其基质内根孔的形成周期从3-5年缩短为3-15个月;使湿地基质不发生堵塞;本发明方法能够较大幅度提升人工湿地构建初期的基质导水率和过水通量,增强湿地水处理效率,为仿自然人工湿地的设计和推广应用提供一种新思路和新途径。

 

(二)应用领域和范围

本发明涉及一种人工湿地方法,尤其是一种人工构筑湿地根孔的方法。适用于平原河网地区饮用水水源地及与水源性质相似的其他水体保护与生态修复工程,其拓展的应用对象可涉及受污染的河水、湖水,城乡地表径流面源污染,污水处理厂尾水、农村污水,农田退水、养殖废水,部分苦咸水、矿山迹地开发尾水等水体,适合构建旁路离线净化系统的区域,或可作为生态缓冲区进行进一步拦截削减、强化或深度处理的区域,可参照本发明专利的方法,作为其生态湿地处理单元的工程设计、施工、验收及运行与维护的技术依据。

 

(三)实施效果

本发明的有益效果是,在人工湿地构建初期加速土壤生物性大孔隙的发育,使原本需要较长时间通常是三至五年形成的湿地根孔系统在较短时间内(3-15个月)即可完成;人工促成湿地亚表层形成较发达的横/侧向过滤网络,有效改良人工湿地的亚表层过滤结构,促使湿地亚表层区域产生明显的优先流,使处理的水大部分通过根孔区,快速传导至湿地土壤内部并在更宽范围内得到深度净化,从而大幅度提高湿地的处理效率;通过人工埋植秸秆形成人造根孔和湿地植物自然根孔发育之间的过渡,为湿地的健康演替奠定了良好的基础;通过在湿地的演替过程中顺利实现人造根孔和自然根孔的自然更替以及湿地植物活、死根孔的自我更新,从而达到湿地基质填料介质的更新和促使湿地基质永不堵塞的目标。该方法为人工湿地构建提供了一种快速而简便的技术手段,成为把自然湿地根孔净化功能和机制开创性地移植到人工湿地中的有益探索和成功案例。

 

石臼漾等水源根孔生态湿地有效解决了平原河网水系水质普遍较差、地面水厂取水水源单一、水质不稳等问题,使饮用水源水质综合指标提升一个类别,显示出较好水质净化功能和多重生态服务功能,保障了居民饮水安全和身心健康。

 

在嘉兴地区应用水源根孔生态湿地后,近年来实测结果显示:在水力停留时间为3-4天、水力负荷速率为0.4-0.3 m/d、每天处理22-26万吨水源水量的条件下,湿地对微污染地表水源水的浊度去除率为52%-77%,氨氮去除率为29%-64%,铁去除率为49%-77%,锰去除率为18%-46%,高锰酸盐指数去除率为12%-27%,溶解氧提升率为29%-74%,总磷去除率为15%-39%,总氮去除率为8%-33%,粪大肠菌群去除率为88%。

 

(四)产业化及市场应用情况

该技术已历经实验规模尺度试验、现场1:100缩微版湿地中试(4处),以及工程规模的实际应用推广阶段。目前,该技术的工业化开发程度较高,已实施/稳定运行的规模化工程应用示范包括:

1)嘉兴石臼漾水源生态湿地(占地1630亩,折合1.087 km2,供水规模25万吨/日,2008年7月大东区、2009年5月两区联合运行至今),已连续稳定运行超过12年;

2)嘉兴贯泾港水源生态湿地(占地2207.3亩,折合1.47 km2,供水规模45万吨/日,2013年10月运行至今),已连续稳定运行约8年;

3)海宁长水塘水源生态湿地(占地2608亩,折合1.74 km2,供水规模30万吨/日,2013年12月西区、2015年6月东区运行至今),已连续稳定运行约6-7年;

4)海宁泰山港水源生态湿地(占地1521亩,折合1.014 km2,供水规模30万吨/日,2016年6月南区、2017年3月北区运行至今),已连续稳定运行约4-5年;

5)桐乡白荡漾水源生态湿地(占地5385.66亩,折合3.59 km2,供水规模60万吨/日,2019年9月开工建设,2021年6月部分区域建成开始试通水调试运行)。

 

(五)技术优势

有效解决了人工湿地基质易堵塞、饱和、运行初期根孔发育较慢和不发达的技术难题,为仿自然人工湿地的工程建设、长效稳定运行提供便捷的技术手段。本发明的人造根孔技术系中国首创并自有的知识产权技术,已经引起了国内外的关注,根孔湿地业已成了一个比较有特色的湿地样板。后续以人造根孔技术为核心,我们又申报或获授权了若干项专利,组成了以根孔湿地为核心的系列发明专利技术。

 

该发明专利技术使原本需要三至五年形成的湿地根孔系统在3-15个月的较短时间内即可完成,研究结果表明填埋秸秆腐烂后形成的构筑根孔其水分侧向入渗率是基质土壤的20倍左右,在中、低营养盐负荷情况下,填埋秸秆处理单元对溶解性总氮(DTN)去除率平均提高4.5%-27.1%;对溶解性总磷(DTP)去除率平均提高7.0%-20.4%(详见环境科学学报2012年发文)。

 

以人造根孔技术为核心所构筑的植物床-沟壕系统能够成为拦截、捕获、吸附、沉降、生物降解的核心区,通过人造/自然根孔交替,自然根孔新/老更替,湿地不堵塞、永葆基质活性;湿地以土壤为载体,是真正的“海绵体”,存在多种物质、多相生化反应的关键区域。

 

(六)专利运用及保护

该专利的运用及保护目前主要是由我们团队在进行,在上述(四)中所提及的规模化水源生态湿地工程中进行了运用,除受国家专利法保护外,以技术服务合同、技术转让合同等形式在具体工程中予以实施保护,目前本专利及相关系列专利均处于有权状态。

 

此外,近年来,该专利除了在浙江省长三角平原河网地区进行推广应用之外,我们还积极推动和拓展该专利技术在长三角一体化区域面上进行推广应用,如上海市上游河流型水源地的保护和修复、江苏省河湖交界带湿地修复、安徽省巢湖河湖滨岸带湿地生态恢复;在东北辽河河漫滩旁路循环净化系统构建修复、广东佛山等地河涌系统陆域水域双向拦截净化器构建、西北银川黄河河套地区湿地生态保护与修复、山东滨海地区养殖尾废水生态处理处置等方面,亦在不断拓展推广应用中。

 

(七)效益分析

在此,我们以在浙江省建成并稳定运行多年的水源型人造根孔湿地为例,来进行效益分析。多年的生产实践运行效果显示,在自来水厂的前端承接上根孔生态湿地预处理后,其主要的效益体现在:

 

最重要的首先是供水安全性提高,湿地具有很强的缓冲性和稳定性,使得水厂水处理的安全性得以大幅提升。

 

其次是水处理的供水品质得到提升。原先水厂的降浊很困难,现在很容易就达到0.1 NTU以下,而且很稳定;原先高锰酸盐指数的降低亦很困难,现在也很容易就降到2 mg/L以下,而且很稳定。

 

第三是工艺合理和管理运行方便。市政工程应该是工艺合理,尽可能地简化。复杂的工艺,其风险系数要高很多。运行经济亦很重要。湿地可以作为通用产品,降低了管理和运行的风险,且效益成本比巨大。

 

嘉兴、海宁四个湿地年供水量2.34亿吨,累计供水量17.51亿吨,相应直接经济效益预估为3.50亿元。嘉兴、海宁四个湿地近3年累计供水量7.01亿吨,吨水水价为嘉兴第一阶梯水价2.00元/吨,海宁第一阶梯水价1.70元/吨(此处仅考虑了第一阶梯水价),涉及间接经济效益约为12.96亿元。

 

(八)应用前景

饮用水源水质改善是饮用水安全保障的前提与基础,构建“微生物-植物-生态”协同耦合的多梯次生态型水源地,对于复合污染水源水质改善具有重要意义。水源根孔生态湿地开创了我国水源生态湿地先河,结合复合生态湿地、湿地水力调控等专利技术,形成了平原河网地区复合污染水源的系统解决方案。石臼漾湿地的示范样板和辐射效应显著,已在浙江嘉兴、海宁、桐乡等地进行了15000亩左右的推广应用,并向缅甸等“一带一路”沿线国家进行推广应用。本发明可适用于平原河网地区饮用水水源地及与水源性质相似的其他水体保护与生态修复工程,具有十分广阔的应用前景。

 

(九)获奖情况

以本发明专利的人造根孔技术为核心的工程成果获联合国人居署国际人居环境范例奖(2012)、中国人居环境范例奖(2011、2016)、国家城市湿地公园(2013)等殊荣。成为平原河网地区水源水生物-生态修复方面的样板技术。


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