人工浮岛载体材料选择使用研究

陈战利，肖安明，刘 盛，王俊宇，刘奕明，王润一，何宇康，刘振中

(南昌大学 资源环境与化工学院，江西 南昌 330031)

1 引言

近年来，我国快速发展的工业农业以及不断扩张的城市化活动，严重污染水资源，严重威胁水环境质量安全和居民饮用水安全[1]。人工浮岛技术因其具有适应性强、景观性好、安装简单、运行成本较低等优点，在水污染的治理中得到了较为广泛的应用。一个完整的人工浮岛主要包括3个部分：浮岛载体、浮岛植物和浮岛固定装置[2]。其中浮岛载体作为人工浮岛的主体对其运行工作有着重要影响，因而合理选择载体材料显得尤为重要和突出。

2 人工浮岛载体材料设计要求

马风有等[3]认为浮岛载体的选料原则有：无害性，耐久性和经济性，其中植物载体材料要求耐水浸泡、抗老化性好、对环境无污染，关键是栽种在浮岛上的植物可以良好地生长。王超等[4]认为浮床材料选择和制作技术决定了人工浮岛是否具有良好的耐久性、成本低等特点，还需要考虑浮力大小、对环境的敏感性、稳定及灵活性等方面。井艳文等[5]认为人工浮岛载体材料比重要小，防腐蚀，耐老化，对环境要绿色环保，可循环使用；具有能抵抗较大风浪冲击的强度；采用柔性连接，使浮床整体可以随水体上下波动而上下浮动；拥有合理密度的植物栽种孔穴，使之不影响植物长势。此外人工浮岛材料还应该有着良好的涉水性能，比如：抗渗性、耐水性、吸水性等等，并且要求其比表面积要大，易于挂膜，有利于微生物的生存。

3 人工浮岛载体材料分类

人工浮岛技术从最初19世纪60年代用于渔业开始，已经有了160多年的历史。其载体材料也在这段时间内从开始第一代的竹木材料，到第二代的泡沫材料及其加工的产品，再到第三代的PE材料，以及现在的第四代材料，即可以使植物根系与其融为一体[4]。对于这些种类繁多的人工浮岛载体材料，按照其来源可以简单分成两大类：天然的植物根茎和人工合成材料，而后者又可以分为有机高分子材料和无机材料[6]。

4 人工浮岛各种载体材料

4.1 天然的植物根茎载体

这一类材料主要以竹子，木头，椰壳纤维为主。本文以椰壳纤维，竹子为例，来探究其主要特点。

椰壳纤维的主要成分包括纤维素，半纤维素，木质素等[7]，与其它天然纤维的主要成分类似。它是采用取走果肉和椰汁后废弃的椰壳经过一系列物理机械加工而成[8]，其加工过程可分为浸泡、脱脂、打松、除杂、成纤。椰壳纤维材料的比表面积大，易于挂膜，并具有良好的力学性能。此外目前无框架浮岛一般是用椰子纤维编织而成，对周边的景观环境来说较为柔和，抗撞击能力优良[9]。

原竹材料是—种生产周期短，加工便捷，力学性能优良的天然材料，属于非均质材料，主要由纤维素、半纤维素和木素组成，并含有少量的蛋白质、脂肪等物质[10]。现代竹材的运用范围十分广泛，但材料其本身涉水性能并不好，易开裂，且不易防腐防蛀，并不能很好地满足作为浮岛材料的要求。随着科技的发展，现在出现了一种利用先进的复合重组技术将原竹材料加工成具有不同性能的新型竹材[11]。利用新型竹材制作的浮岛具有结构牢固、抗腐蚀、抗老化、浮力大、加工性能好[12]等一系列优势，但其加工较为复杂。

4.2 人工合成材料

4.2.1 有机高分子材料

有机高分子材料是一类由一种或几种分子或分子团(结构单元或单体)以共价键结合成具有多个重复单体单元的大分子。目前用于人工浮岛载体材料主要有：聚苯乙烯发泡板，聚氯乙烯等。

聚苯乙烯发泡板(EPS)是由含有挥发性液体发泡剂的可发性聚苯乙烯珠粒，经过加热预发泡后，再在模具中进行加热成型的有机材料。EPS 工艺流程包括预发泡、加热熟化和模压成型三个阶段，其中预发泡和模压成型为主要过程[13]。EPS属于低密度泡沫塑料，发泡倍率约为20，并且具有可模性好，化学成分稳定，制作成本低廉等优点。这些独特的优点使得这种在1949年就被发明的珠状泡沫制品[14]目前在利用人工浮岛进行内陆水资源治理及修复领域中占主导地位[15]。但是由于其化学成分很稳定，其废弃后也带来了难以处理的“白色污染”问题。此外还存在“微塑料”问题。

又如“艾因木”[16]，它是一种由日本艾因公司发明生产的塑木复合材料，其原料的55%采用废木材、植物茎干等，45%采用废弃塑料。由于其原料大多采用废弃材料，故可起到废物再利用的作用，此外还具有可模性好、不易老化、强度高等优点，但是其制作工艺较为复杂且制作成本非常高。

4.2.2 无机材料

无机材料是指由无机物单独或混合其它物质制成的材料。目前实际应用于人工浮岛载体的无机材料较少，其中主要的因素是其制作工艺和成本[15]，但应用于人工浮岛载体的无机材料的性能优于前两类材料。

以陶粒为例: 陶粒是由陶粒粘土岩经加热膨胀制成的人工轻骨料[17]。陶粒具有BET比表面积大、密度低、空隙率高、质量轻、微孔结构发达[18]、来源广泛、生产技术成熟等特点，并且相较于有机高分子材料不存在“白色污染”等问题。这些特点使得陶粒非常合适应用于人工浮岛载体上。但是应该注意到其是颗粒状，使用时必须要考虑其颗粒与颗粒之间的连接问题。

4.3 新材料的开发与应用

新材料的发明与转化都能够推动相关行业的革新，水处理行业也不例外。近些年来，纳米材料、光催化氧化材料、石墨烯等越来越多地应用在水处理的各个环节，带动了水处理新技术的进步。

随着我国经济发展和城镇化速度的加快，因新建和拆除大量建筑物而产生数目巨大的建筑垃圾，给堆积地周边水和土地资源带来了严重的压力。利用建筑垃圾制备再生混凝土可以减少垃圾堆积对环境不利的影响，亦可以实现建筑垃圾资源化，是当今节能减排的重要方向。并且再生混凝土以其各种优点越来越受到各界的青睐。其广泛应用于社会建设的各个行业和环节，在水处理领域也有应用。但其一般用于水处理构筑物，如北京昌平亭子庄污水处理池的墙和顶板便为再生混凝土制成[19]。但在生态浮岛的载体中应用鲜有报道。

5 展望

植物根茎类加工简单，材料来源广泛，对环境友好，但是因其耐久性不好，故在实际人工浮岛载体制作中不能大规模使用；有机高分子材料较于其它的材料具有良好的耐久性，化学性质稳定、可模性优良，故其在实际使用中占到了主导地位，但它存在与之相伴的“白色污染”和“微塑料”问题；而无机材料虽然也具有良好的耐久性，化学性质稳定等优点，但是由于其制作工艺和成本的因素，在实际的人工浮岛载体中使用得少。随着海绵城市建设以及农村环境整治工作的推进，越来越多的生态处理工艺(包括浮岛技术)以其高效、低成本，关键是可以与生态环境有机融合，得到了更多推广和应用。因此，亟需改进或开发出一种新型浮岛载体材料，使其具有良好的涉水性能、耐久性、可模性等，并且不会产生新的污染问题，使其在水环境治理中发挥更大的作用。