人工浮岛在富营养化水体修复中的应用

林雪兵,王培风

(浙江水利水电专科学校,浙江 杭州 310018)

人工浮岛又称生态浮岛,由植物体、植物浮床、浮岛平台和水下固定装置组成[1],是一种将水生植物或改良驯化的陆生植物移栽到浮床中,利用植物及微生物的自身生长规律,可进行水质净化的筏子状的人工漂浮结构.一般按照浮岛植物是否与水体直接接触分为干式与湿式浮岛,目前国内90%以上都是湿式人工浮岛[2].

人工浮岛技术最早应用于生态领域,如作为加拿大燕的水上漂浮式人工巢、鱼类产卵巢等.德国BESTMAN公司在20世纪70年代提出将该技术用于水体治理中.随后,欧美、日本等发达国家开始研究与应用.相比之下,我国起步较晚,在2000年前后开始重视应用该技术[3].

和其他治理富营养化水体的措施相比,如水体深层曝气、化学药剂杀藻等措施,人工浮岛具有工程量小、无化学物质有毒副作用、原位修复、低成本及占地面积小的优势.此外,人工浮岛具有美化水域景观、防浪护岸、为动物提供栖息地、增加水域生态系统的生物多样性的作用[4].

总氮(TN)、总磷(TP)等营养盐是发生富营养化的必要条件,故水体中总氮、总磷是检验水体修复效果的关键指标.而BOD、COD是评价水体污染程度的主要指标[5],其值的波动会影响水中动植物的生长繁殖,间接影响营养盐的浓度水平,对富营养化水平有指导作用,故考察人工浮岛对BOD、COD的去除率是需要的.人工浮岛对BOD、COD的去除主要是通过植物-微生物系统的植物、微生物吸收与代谢等作用完成[6].

1 人工浮岛的应用

针对湖泊、河流等自然水体的不同特征,由于水体动力学和更新周期对富营养化有有密切的关系[7],以下将富营养化水体分为静态水体及动态水体两种情况进行介绍分析.

1.1 人工浮岛的在静态富营养化水体中的修复

张丽萍、梅朋森等[8]人用75 cm×35 cm×2 cm的泡沫塑料制作成植物浮床,按株间距8～10 cm移栽芹菜、番茄、竹叶菜、辣椒、生菜、茄子、苋菜共 7种蔬菜及美人蕉、万寿菊、牵牛花、一串红、石竹、吊兰共6种花卉.各物种均在尺寸为80 cm×40 cm×35 cm的水箱中进行3次单独重复实验.原水主要为三峡大学的生活污水.

实验表明:由所选取的蔬菜及花卉构建的人工浮岛均有一定水体修复效果.其中在植物生长期60 d的条件下,对总氮去除率较高的有吊兰(初始密度57株/m2)、石竹(初始密度76株/m2)、空心菜(初始密度114株/m2)、辣椒(初始密度76株/m2),分别达到91.84%、91.53%、88.04%、87.76%;对总磷去除率较高的有番茄(初始密度76株/m2)、芹菜(初始密度76株/m2)、美人蕉(初始密度15株/m2)、万寿菊(初始密度91株/m2),分别达到81.00%、81.50%、80.80%、63.00%.在植物生长期 45天的条件下,对水体COD去除率较高的有空心菜(初始密度114株/m2)、美人蕉(初始密度15株/m2)、万寿菊(初始密度91株/m2)、苋菜(初始密度152株/m2),分别达到97.45%、81.83%、81.83%、80.86%;对水体中 BOD去除率较高的有茄子(初始密度76株/m2)、芹菜(初始密度76株/m2)、叶用莴苣(初始密度46株/m2)、一串红(初始密度38株/m2),分别达到98.39%、95.17%、91.96%、88.74%[8].

大面积的静态水体通常在河道、湖泊中使用围隔进行试验.围隔主要由网线、防水布和框架组成,围隔外部是正常流动的水体,围隔内部水体相对静止,与外界流通交换小,不受底部淤泥释放的营养盐影响.目前围隔法的使用频率较高.

杜佳沐、张饮江等人采用高密度聚乙烯树脂(HDPE)制成的边长50 cm的正方形人工浮岛对上海市白莲泾河道进行治理.使用PVC防水布围隔,形成与河道分离的一个试验水体.所选植物为株高0.80 m的花叶芦竹.实验表明,在风浪小于5级,强风暴雨暴晒的不利条件下,该人工浮岛系统对白莲泾河道富营养化水体具有较好的净化效果,其中对总氮的平均去除率为81.79%,对总磷的平均去除率为55.88%[9].

1.2 人工浮岛的在动态富营养化水体中的修复

动态水体的修复相对静态水体修复更为复杂,需要考虑到流速、底泥中营养盐释放等因素,对其的修复是一个综合的作用.

李英杰、金相灿等[10]人在太湖五里湖湖滨生态工程区及其附近的河口实施了规模分别达6.6万m2和1400 m2的人工浮岛工程,其中后者位于河口.人工浮岛单元约1.5 m×1 m,移植水芹、美人蕉、黑麦草和水竹,采用绳子柔性连接.河口段工程的实验表明:该人工浮岛工程能有效去除营养物质,其中总氮在浮岛边和开阔水道去除率分别为39.64%、31.53%;总磷在浮岛边和开阔水道去除率分别为51.85%、41.51%.考虑到工程的净化效果是人工浮岛、湖水稀释及河口自净的综合作用,故研究人员在撤除人工浮岛后再次进行水质检测,其中总氮的去除率仅为9.2%,总磷的去除率为18.2%.这进一步证明人工浮岛针对富营养化水体修复效果显著.

自然的动态水体受到复杂的水力环境及其它干扰的限制,不利于进行定量研究,于是一些研究人员使用恒流泵及其他设备模拟一定水体交换时间的动态水体.

李希,铁柏清[11]等人选择美人蕉、灯心草、菖蒲为浮岛植物,聚苯乙烯发泡沫板为浮岛平台,制作成18.5 cm×16.5 cm×2 cm的混合植物型人工浮岛.试验水体为生活污水,使用恒流泵平行连续进入各个试验区域,区域内水体交换时间为3、4、5、6、7 d,试验时间为9～10月中旬.实验表明:在动态试验条件下,人工浮岛工作后2 d内水体透明度提高,改善水体观感效果.从原水样的发黑、发臭、混浊,到开始变清,臭味消除.该人工浮岛对TN和TP去除率随水体交换时间的增加而增加,7 d时TN去除率为59.5%,TP去除率为77.4%.COD的去除率稍差,平均去除率48.4%.

此外,自然的动态水体如河道、湖泊等,其流速较大,水体更新周期短,在设计、制作及运行期间需要注意浮岛单元间的摩擦碰撞引起的破损以及水位潮汐性的变化.针对此不足,建议采用柔性的连接方式.浮岛单元之间的连接绳子适当宽松一些并串上圆形浮,以便于缓解外力对载体的冲击和调节水位[12].

2 人工浮岛的发展趋势

人工浮岛作为重要的水体生态修复技术,在我国仍处于起步和技术探索阶段,虽已有商业化的产品出现,但基本是处于水质改善和景观建设阶段,缺乏传统水利、生态系统栖息地和景观的有机结合[13].

2.1 修复途径多元化

提高修复效率既可以从植物方面考虑,还可以从植物浮床中填充物考虑.例如,采用仿生植物以强化植物-微生物的作用,增加根际微生物的数量,从而进一步巩固去除率,避免因光照、温度等外界不利因素造成去除率产生较大波动的现象.

周小峰、田晖在研究水平吊兰对富营养化污染水的生物修复过程中,使用多孔陶石填充植物浮床以固定吊兰使之直立生长[14].类似多孔陶石的填充物为微生物提供了生长场所,其本身具有较强的吸附性能和离子交换能力[15].

2.2 运营可持续化

通过对不同种类的植物驯化,越来越多的经济作物被应用到人工浮岛工程中.例如,可作为饲料的水花生、牛筋草、香根草等,可作为蔬菜的番茄、芹菜、辣椒等,可作为花卉的紫罗兰、睡莲等.在植物生长成熟后,可将其移除,再换上新一批的经济作物,以便维持较高的去除效率同时产生一定的经济效益.随之产生的经济效益,又可以用于投资下一批人工浮岛的建设,从而形成一个良性循环.但在这个过程中如何保证作物中可能富集的重金属及其它有毒有害物质不会对人及动物造成伤害是一个难点.

此外,利用回收的材料或可降解材料制作人工浮岛也促进了可持续发展.中国科学院南京土壤研究所研发出一种可生物降解的防水人工浮岛材料(ZL 200610038452.4),该材料以麦秸秆、稻草为主要原料,采用马来酸酐作为脱脂剂,桐油或聚氨酯防水涂料作为防水剂,二苯基甲烷二异氰酸酯为胶粘剂,石灰、水泥为增塑剂,经铺装、热压后制成[16].材料的使用减少了由于洪水或其它因素使人工浮岛脱离固定装置而引发的二次污染的可能性.具有安全性好,易于推广的优点.

2.3 整体智能化

随着材料工程及基因工程的发展,人工浮岛的硬件如平台材料、植物的性价比会提高,而作为软件的人力资源费用会进一步提高.为了控制整体成本,制造商势必会提高自动化程度,以减少管理人员数量,提高效率,降低购买者的使用费用.自动化设备可以是无线遥控设备,管理人员可以在控制中心或岸边操作人工浮岛移动与连接,也可以是浮岛的植物可以定期自动收割更换等.

3 结 语

人工浮岛是一项绿色生态、性价比较高、易于实现的新型技术.相信随着人工浮岛技术的逐步成熟完善和市场的推广,其应用前景会更为广阔.

[1]史秀华,梁素娟,杜林根,等.人工浮岛的制作解析及其在湿地中的应用展望[J].广东科技,2006(6):201-202.

[2]唐林森,陈 进,黄 茁.人工生物浮岛在富营养化水体治理中的应用[J].长江科学院院报,2008,25(1):21-24.

[4]李翠芬,熊燕梅,夏汉平.介绍一种新型的园林生态工艺—人工浮岛[J].园林建筑与工程,2007,29(4):29-32.

[5]朱丽芳,陈 静.EM技术及其在水处理中的应用[J].浙江水利水电专科学校学报,2004,16(4):17-20.

[6]赵艳锋,朱 现,李伟玲.人工湿地净化处理废水的机理探讨与效果研究[J].环境科学与管理,2007,32(4):87-91.

[7]付春平,钟成华,邓春光.水体富营养化成因分析[J].重庆建筑大学学报,2005,27(1):128-131.

[8]张丽萍,梅朋森,程加丽.人工浮岛栽培蔬菜及花卉对水质的净化作用研究[J].三峡大学学报:自然科学版,2008,30(1):93-96.

[9]杜佳沐,张饮江,朱文彬,等.人工浮动绿岛对上海白莲泾水体氮、磷去除效果的研究[J].渔业现代化,2008,35(1):23-26.

[10]李英杰,金相灿,年跃刚,等.人工浮岛技术及其应用[J].水处理技术,2007,33(10):49-51.

[11]李 希,铁柏清,杨佘维,等.混合植物型人工浮岛的动态水质净化特性[J].水处理技术,2009,35(8):63-65.

[12]马风有,李 兰,叶亦佐,等.人工浮岛抛锚法定位试验[J].中国农村水利水电,2008(1):89-94.

[13]黎明传.水环境生态修复国内外研究进展[J].中国水利,2007(11):25-27.

[14]周小锋,田 晖.水培吊兰对富营养化污染水的生物修复[J].江苏农业科学,2007(6):330-332.

[15]胡家玮,严子春,谢兆歌.陶粒滤料技术研究[J].能源与环境,2009(2):90-91.

[16]中国科学院南京土壤研究所.一种可生物降解的防水人工浮岛材料[P].中国专利:200610038452.4,2006-08-02.