浅水水体中污染物的仿生植物祛除方法技术

一种浅水水体中污染物的仿生植物祛除方法，通过在水体中设置仿生水生植物阵列对水动力的干扰和引导改变底床淤积的和悬浮颗粒污染物的分布的同时，利用其纳米仿生材料吸附细颗粒污染物；仿生水生植物冠层阵列由若干高度不同、顶部具有凹坑的仿生水生植物组成，该仿生水生植物为圆柱体结构的纳米吸附材料制成。本发明专利技术能够将水流底床面上的细颗粒污染物祛除，实现水流的高效生态修复。

【技术实现步骤摘要】
浅水水体中污染物的仿生植物祛除方法
本专利技术涉及的是一种水环境修复领域的技术，具体是一种浅水水流中污染物的仿生植物祛除方法。
技术介绍
目前我国水环境修复任务艰巨，国内众多的湖泊、河流和灌溉沟渠等大型浅水水体中含有过量的工业和生活污染物，这些污染物的离子在水流中相互聚合或与细颗粒泥沙和有机物等聚合在一起，沉积于底床面上或悬浮于水体中，常常导致劣IV或劣V类黑臭水体的出现。这些含有污染物的水体进入水库、土壤和农作物，严重影响了人民的健康和生态环境。因此，如何采用生态的方法高效祛除大型浅水水体中的污染物已经成为我国经济高速发展过程中所亟待解决的问题。由于水生植物对污染物具有良好的吸收作用，同时也能通过其对水动力的影响引导水流中物质的分布模式和传输过程。因此利用具有高吸附性的纳米仿生水生植物，通过合理的植物布局以干扰水动力特性，改变水流中细颗粒污染物的分布和传输模式，最终使其吸附于仿生植物体是实现湖泊、河流和沟渠水环境生态修复的一种可行方法。
技术实现思路
本专利技术针对现有的天然水生植物生态修复效果缓慢，以及各种人工生态修复技术实施程序复杂的问题，提出了一种浅水水体中污染物的仿生植物祛除方法，实现水体中细颗粒污染物的高效祛除，具有去污高效、实施简易、成本低廉的特点。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术涉及一种浅水水体中污染物的仿生植物祛除方法，通过在水体中设置仿生水生植物阵列对水动力的干扰和引导改变底床淤积的和悬浮颗粒污染物的分布的同时，利用其纳米仿生材料吸附细颗粒污染物。所述的仿生水生植物冠层阵列，由若干高度不同、顶部具有凹坑的仿生水生植物组成，该仿生水生植物为圆柱体结构的纳米吸附材料制成。所述的仿生水生植物采用竹炭或活性炭并以胶水粘结形成仿生植物柱状。所述的凹坑，其水平尺度L＝[1hp,5hp]，垂向尺度与水生植物冠层的高度的比值d/hp＝[0.3,0.9]，在其迎水侧的上游端顶部水平的植物冠层段的长度Lup>5hp，其中：hp为水生植物冠层在顶部水平段的高度。所述的仿生水生植物的外直径dp＝[1cm,3cm]，可以是中空或实心，比表面积大于300m2/g。所述的仿生水生植物冠层阵列满足：①hp/H＝[1/5,1/3]，其中：H为应用水域的水深；②单位水体体积内植物体的迎水面积与植物高度的乘积与水体体积的比值α＝[0.25,0.76]；③同一水生植物冠层内植物体的密度均匀。所述的对水动力的干扰和引导是指：通过顶部水平的淹没水生植物冠层段使浅水水体中的水流在冠层内和冠层上的流速产生差异，通过动量混合在冠层顶部附近形成混合层紊动大涡(Mixinglayersandcoherentstructuresinvegetatedaquaticflows.MarcoGhisalberti&HeidiM.Nepf.Journalofphysicalresearch,2002,107(C2))，使冠层顶部附近的水流紊动强度在垂向方向上达到最大值(比如：Nezu,I.,andSanjou,M.(2008).“Turbulencestructureandcoherentmotioninvegetatedcanopyopen-channelflows.”JournalofHydro-EnvironmentalResearch,2(2),62-90.和H.M.Nepf&E.R.Vivoni.(2000).“Flowstructureindepth-limited,vegetatedflow.”Journalofgeophysicalresearch,2000,105(C12),28547-28557)。所述的改变底床淤积的和悬浮颗粒污染物的分布是指：由顶部水平的淹没水生植物冠层段将水流导向冠层以上区域并将水流底床面上淤积的细颗粒污染物携带至冠层顶部区域，因冠层顶部附近水流的紊动强度在垂向方向上达到最大，使被携带上来的细颗粒污染物在该高度处维持悬浮状态，并随水流向下游方向输移。所述的吸附细颗粒污染物是指：当细颗粒污染物运移至水生植物冠层顶部的凹坑位置，由于在凹坑的下游段(即上坡段)水流的紊动大涡破碎，因而使细颗粒污染物被凹坑上坡段的水生植物捕捉和吸附。技术效果本专利技术通过淹没水生植物冠层将水流底床面上的细颗粒污染物导向冠层顶部区域，再进行吸附，与利用吸附网技术相比，可以吸附更多的细颗粒污染物，因而效率更高；与种植和培育天然水生植物冠层的方法相比，其吸附污染物的速度更快。经室内水槽试验证明本专利技术公开的仿生植物方法对底床面上的细颗粒污染物祛除效果可以达到82％。附图说明图1为本专利技术的立面图；图2为本专利技术中仿生水生植物的水平平面布置图；图3为本专利技术中仿生水生植物冠层的工作原理图；图4为实施例1中上游顶部水平段水流的紊动强度垂向分布图；图5为实施例1中细颗粒污染物的垂向分布发展图；图6为实施例1中植物冠层顶部凹坑处的流线图和涡量场图。具体实施方式实施例1本实施例在室内矩形断面单向水流水槽内进行。如图1和图2所示，本实施例包括一段仿生水生植物冠层，包括：上游顶部水平段1和中间顶部凹坑段2。所述的上游顶部水平段1长度Lup为2.15m。所述的顶部凹坑段2，其中凹坑的长度L为43cm，凹坑的深度d为3.7cm。所述的仿生水生植物冠层，植物的分布密度α＝0.45。所述的仿生水生植物冠层，冠层高度hp＝8.9cm，单根植物的直径dp＝1cm。所述的仿生水生植物冠层，植物的材料采用活性炭棒，其比表面积为600m2/g。本实施例优选在0.8m，长12m的室内水槽内进行，实施水深H＝40cm，水流流速为0.36m/s。所述的仿生水生植物冠在水槽中以满水槽宽度布置，从距离水槽上游入口2m处开始铺设。实施开始前，水流底床面上在植物冠层上游段2m长度上均匀铺设受铅、镉重金属污染的细颗粒泥沙，其中值粒径为0.025mm(采用但不限于三峡库区重庆皇华城水域中的泥沙)。如图4为在上游顶部水平段水流的紊动强度垂向分布(u’，w’分别为水流脉动流速的纵向和垂向分量，TKE为水流的紊动动能，u*为水流在植物冠层顶部的剪切流速，本实施例结果与Nezu&Sanjou,2008；Nepf&Vivoni,2000的研究结果进行对比。)。如图5所示的实测悬沙垂向分布(图中Cs为细颗粒物质浓度)，当水流进入水生植物冠层以后，底部泥沙迅速向植物冠层顶部聚集。如图6所示的流线和涡量场，在顶部凹坑的下游段(即上坡段)，大涡破碎。实施进行8小时后水流停止，水流中悬浮的细颗粒泥沙落淤后测量，水槽中水流全部底床上的细颗粒受污染泥沙减少82％。实施例2本实施例在自然灌溉沟渠内进行。如图1和图2所示，本实施例包括一段仿生水生植物冠层，包括：上游顶部水平段1和中间顶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种浅水水体中污染物的仿生植物祛除方法，其特征在于，通过在水体中设置仿生水生植物阵列对水动力的干扰和引导改变底床淤积的和悬浮颗粒污染物的分布的同时，利用其纳米仿生材料吸附细颗粒污染物；/n所述的仿生水生植物冠层阵列，由若干高度不同、顶部具有凹坑的仿生水生植物组成，该仿生水生植物为圆柱体结构的纳米吸附材料制成。/n

【技术特征摘要】
1.一种浅水水体中污染物的仿生植物祛除方法，其特征在于，通过在水体中设置仿生水生植物阵列对水动力的干扰和引导改变底床淤积的和悬浮颗粒污染物的分布的同时，利用其纳米仿生材料吸附细颗粒污染物；
所述的仿生水生植物冠层阵列，由若干高度不同、顶部具有凹坑的仿生水生植物组成，该仿生水生植物为圆柱体结构的纳米吸附材料制成。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的对水动力的干扰和引导是指：通过顶部水平的淹没水生植物冠层段使浅水水体中的水流在冠层内和冠层上的流速产生差异，通过动量混合在冠层顶部附近形成混合层紊动大涡，使冠层顶部附近的水流紊动强度在垂向方向上达到最大值。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的改变底床淤积的和悬浮颗粒污染物的分布是指：由顶部水平的淹没水生植物冠层段将水流导向冠层以上区域并将水流底床面上淤积的细颗粒污染物携带至冠层顶部区域，因冠层顶部附近水流的紊动强度在垂向方向上达到最大，使被携带上来的细颗粒污染物在该高度处维持悬浮状态，并随水流向下游方向输移。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的吸附细颗粒污染物是指：当细颗粒污染物运移至水生植物冠层顶部的凹坑位置，由于在凹坑的下游段(即上坡段)水流的紊动大涡破碎，因而使细颗粒污染物被凹坑上坡...

【专利技术属性】
技术研发人员：李艳红，谢立全，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31