CN100372787C - 一种无机人工生物浮岛的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无机人工生物浮岛的构建方法，其步骤是：将轻质无机材料和无机粘合剂(硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐类或其复合物，如水泥或粘土等)、水混合搅拌；将混合物填入模具中；待混合物固化、干燥和成型后取出；单独或栽种植物后放入污染水体中；通过微生物、植物在该浮岛上的生长而净化污染水体。本发明的原料均采用无机材料，化学性质稳定，环境友好，无二次污染，利用植物和微生物膜的共同作用净化水体，改善景观，效果稳定。

Description

一种无机人工生物浮岛的构建方法

技术领域

本发明涉及水环境治理及生态修复领域，具体地说，涉及一种无机人工生物浮岛的构建方法，适用于各种富营养化水域和城市景观水体的水质改善。

背景技术

水体富营养化是当前世界水环境的普遍性问题。经济的快速增长给各种天然水体带来沉重的负荷，在外来物质和内源污染的综合作用下，水体中营养盐过剩，引起浮游植物过量繁殖，结果导致水质恶化。江河湖水富营养化实质上是生态系统退化问题，应该以生态的理念、思路、方法来探索治理水域污染的新途径。

人工生物浮岛技术是富营养化水体修复治理的一种生物手段。该技术是按照自然界自身规律，人工把高等水生植物或改良的陆生植物，以浮岛作为载体，种植到富营养化水体的水面，通过植物根部的吸收、吸附作用和物种竞争相克机理，削减富营养化水体中的氮、磷及有机物质，从而达到净化水质的效果，同时又可营造水上景观。实践证明，在污染水体中种植一些耐污能力特别强，能在原位生态条件下正常生长，并容易收获的高等植物，会对水体起到很好的净化作用。

人工生物浮岛的一般构建原则有以下几点：①材质比重小，来源充足，绿色环保，防腐蚀，耐老化，可反复多次使用；②具有较好的强度，能抵抗较大风浪冲击；③采用柔性连接，使浮岛整体能随水体上下浮动；④拥有植物栽种孔穴，能满足植物长期生长种植密度。⑤具有可移动式运行，无动力、无维护，使用寿命长等特点；⑥为满足景观要求，可以将浮岛制成不同的形状。

人工生物浮岛技术在国内外早有研究。早期在中美洲如墨西哥，当地农民利用芦苇编成筏子，上铺泥土种植玉米、雍菜等。在缅甸，农民利用湖泊中天然生长的植物根茎聚集起来的浮垫，在上面种植蔬菜等农作物。20世纪七十年代，德国首先提出了“人工浮岛”的概念，随后日本开始应用以聚苯乙烯等制成的人工浮岛为鱼虾等提供产卵场所。由于水环境问题的日益突出，人们环保意识的逐渐增强，人工浮岛又被广泛的应用到水环境治理领域。在这一范畴，“人工浮岛”、“生物浮岛”、“生物浮床”、“浮床无土栽培”与人工生物浮岛实质上是同一概念。

20世纪80年代，中科院南京湖泊与地理研究所，福建省农科院等单位，以聚苯乙烯发泡板作为浮载体，铺上泥后进行种植。或以聚苯乙烯作为浮体主材料，铺以竹条，丙烯袋，塑料薄膜等构成浮体栽培床种植各种植物，为自然水域植物栽培作了有益的尝试。聚苯乙烯发泡板以其成本低廉、浮力强大、性能稳定等特性，受到人们的青睐。因此该载体得到非常广泛的应用，并取得了巨大的成效，目前在国内利用浮岛进行内陆水体治理和修复中占主导地位。但与此同时，也产生了令人担忧的“白色污染”问题。

1998年刘淑媛等人采用蛭石无土栽培水芹、水雍菜和多花黑麦草，研究其净化富营养水体的效果。蛭石填充于用窗纱缝制的袋子中，封口后全袋可漂浮于水面上，每袋厚5cm左右，水雍菜和多花黑麦草的种子就点在蛭石中。蛭石是一种轻质多孔云母类硅质矿物，孔隙度达95％，吸水率0.1-0.65m³/m³，经长时间浸泡后会部分下沉。此外，由于窗纱在室外长期露置后容易老化破损，致使散装的蛭石易漏出来，故在设备的高效、耐用和规范，以及栽培植物物种的选择、种植和采收方面还需要进一步的研究。

美国郎泰克环保科技公司研制开发了一种生物坝。该生物坝由若干生物箱连接组成，生物箱内装附着有微生物的球形填料。填料采用美国LANTEC针状球形填料，该填料材质为改性聚丙烯，具有耐光、耐水、耐腐蚀、耐寒的性质。经下部曝气管连续充气，能在填料表面产生一层生物膜，降解水中的有机污染物。生物坝安装方便，可根据水面宽度进行现场组装，部分箱体损坏时还可单独替换。该生物坝可固定于水中，也可漂浮于水面。然而，该生物坝主要应用于污水处理，使用这种生物坝时水需要先通过隔板或格栅以及沉砂等一级处理，而且无法在其中种植植物以形成美丽景观。所以该技术在内陆景观水体治理中也没有得到广泛采用。

从上述研究和实际应用情况看，到目前为止，构建人工生物浮岛的材料主要是有机高分子材料，如聚苯乙烯发泡板，丙烯袋，窗纱袋，球形填料等。众所周知，这些人工合成的有机高分子材料是自然界所不具有的，容易损坏，在一般条件下难以降解，难以回收利用，有二次污染风险。大量地使用这些材料，必然会造成严重的固废污染。这样一来，水污染转变成为固废污染，即所谓的“污染转移”，这种治理环境的方式是不经济的，也不符合环境可持续发展的要求。此外，当前采用无机材料制作浮岛的研究尚少见，虽然个别研究能够取得较好的效果，但是其制作方法、成本和使用维护方面还存在难以克服的弊端，因而至今未能形成大规模应用。因此，探索和研制新型无机人工生物浮岛非常必要。本发明正是基于以上问题而产生的。

发明内容

本发明的目的是在于：提供一种无机人工生物浮岛的构建方法，通过其漂浮或悬浮能力，依赖其易于微生物附着挂膜，有利于植物生长，无二次污染，来去除水中营养盐(TN、TP去除率可达70～95％)，消除污染，改善水质，增强水体景观。

本发明的主要技术方案是：以现有的水源生物预处理填料(包括陶粒，蛭石，石英砂，沸石，多孔陶瓷等)和污水生物处理填料的生产工艺(污水处理用陶粒滤料的工艺研究和应用.西南给排水，2005，1)为基础，以轻质无机材料(如陶粒，蛭石，浮石，多孔陶瓷等)为原料，适度混入无机粘合剂(硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐类或其复合物，如水泥或粘土等)，通过改变配方和制作工艺，适应不同需求，构建轻质、高效的人工生物浮岛。

本发明的具体实现方法是：

1.浮岛单元制作(浮岛单元是体积相对较小的浮岛)：

(1)筛选材料：将轻质无机材料(如陶粒，蛭石，浮石，多孔陶瓷等)放入水中，选取体积较小的(≤8cm³)、能浮于水面的轻质无机材料作为制作无机人工生物浮岛的原材料。

(2)制作模具：以刚性材质(木材、塑料、聚苯乙烯泡沫板)制作模具，使轻质无机材料和无机粘合剂(硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐类或其复合物，如水泥或粘土等)的混合物成型。模具形状和厚度根据景观需要而定。

(3)混料搅拌：将所筛选出的轻质无机材料(50％～75％)与无机粘合剂(硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐类或其复合物，如水泥或粘土等)(25％～50％)按一定配比混合，加入适量水(使无机粘合剂呈粘稠状即可)，搅拌均匀，以无机粘合剂在1分钟内不呈滴状落下为宜。搅拌时间为5～30分钟。

(4)固化成型：将搅拌均匀后的轻质无机材料和无机粘合剂的混合物填入模具中，压紧压实，然后等待固化、干燥和成型。成型时间视气温，通风情况和浮岛厚度等差异而有所不同(在通风，温度控制在15～35℃，浮岛厚度为5cm时，室内干燥成型为2～4天时间)。

2.放入水体：(将轻质浮岛单独或种植植物后放入污染水体中，该浮岛漂浮于水面，可通过微生物和植物的生长净化水体。)

(1)将成型后的浮岛放入富营养化水体中，根据水域面积大小确定浮岛覆盖面积。大型浮岛可由浮岛单元连接组成，各浮岛单元之间可用海绵或聚苯乙烯泡沫材料进行柔性连接。

(2)可将浮岛单独放入水体，或将水生或改良陆生植物栽入浮岛的孔穴中，必要时可用海绵或其他柔性材料加以固定。植物利用水体中的营养盐维持自身生长，长出发达的根系，能吸附大量微生物，通过根系分泌物间接达到净化水体的目的。

(3)微生物可在粗糙，多孔隙的无机人工生物浮岛表面生长并形成生物膜，生物膜老化脱落后可被附近根系分泌物分解。

本发明与现有技术相比，有以下优点和效果：

1、本发明的原材料均为无机材料，化学性质稳定，无二次污染。原材料来源广泛，可采用废弃物制成，绿色环保，经济效益和社会效益可观。

2、使用寿命长(2～4年)，可重复使用，废弃后可回收再利用。

3、本发明无需外部维护设备或其他附加装置，各浮岛单元是一个单独体，运输和安装非常方便。

4、不需要预处理，不存在堵塞问题。

5、承载能力和抗冲击负荷能力视水域具体情况而定，通过适度改变配比可增大或减小承载力和抗冲击负荷力大小。

6、本发明不仅利用植物生长吸收营养盐，也利用浮岛表面附着生长的微生物去除营养盐。两者的共同作用，更有助于提高水质，改善水体景观，效果稳定。

7、表面粗糙，孔隙多，吸附微生物能力强。

8、制作工艺简单，无能耗，成本低廉，适宜广泛推广。

综上所述，本发明的方法绿色环保，制作简单，经济实用，可以有效的改善富营养化水体的水质状况，提高景观价值，对于环境、经济和社会的可持续发展具有重要的意义。

具体实施方式

实例1

1.前期准备

(1)现场调查：试验地点为武汉一人工湖，现受到富营养化污染；

(2)材料筛选：以圆球型陶粒为原料，将其放入水中，选取可浮于水面的陶粒；

(3)模具制作：用木材制成40cm×30cm×5cm大小的无盖长方体盒，盒底用钉固定12个聚苯乙烯泡沫块(高5cm，截面直径2.5cm)以留栽种孔穴；

2.浮岛单元制作阶段

(1)定量称取上述筛选出的干燥圆球型陶粒(质量百分比为61.8％)和水泥(质量百分比为38.2％)；

(2)混料搅拌；将上述陶粒和水泥混合，边加水边搅拌，至水泥呈粘稠状即可停止加水。然后继续搅拌均匀，搅拌时间约20分钟；

(3)固化成型：将上述搅拌好的陶粒水泥混合物填入模具中。在室内，通风，气温16～23℃条件下，放置4天即干燥固化。然后移去木制模具和泡沫块，即得大小为40cm×30cm×5cm，有12孔穴的浮岛单元；

3.放入水体

(1)将20块上述40cm×30cm×5cm规格的浮岛单元分两行，一行10块首尾连接，行间并行连接。用铁丝或尼龙绳进行连接，在浮岛单元连接缝隙中夹入海绵或泡沫，以减小有浪时浮岛单元间的相互撞击力；

(2)在浮岛孔穴中栽入菖蒲植株(株高15～30cm)，根部没入水中，用海绵加以固定；

(3)在气温15～26℃，间隔有过四次降雨的情况下连续投放15天，观察到菖蒲长势良好，存活率达100％，株高和根系明显增加，浮岛底表面可见淡绿色斑块，表明已有微生物附着生长。

实例2

1.前期准备

(1)现场调查：试验地点为一人工渠(600cm×300cm×150cm)，渠中水(深100cm)是用自来水和生活污水混合而成的模拟富营养化水体；

(2)材料筛选：以蛭石为原料，将其投入水中，选取可浮于水面的蛭石；

(3)模具制作：将一高6cm，截面直径为2.5cm的圆柱体聚苯乙烯泡沫块固定于口径为10cm，底径为5cm的日用塑料方便碗底部；

2.浮岛单元制作阶段

(1)定量称取上述筛选出的干燥的蛭石(质量百分比为70％)和水泥(质量百分比为30％)；

(2)混料搅拌：将上述蛭石和水泥混合，边加水边搅拌，至水泥呈粘稠状即可停止加水。然后继续搅拌均匀，搅拌时间约15分钟；

(3)固化成型：将上述搅拌好的蛭石水泥混合物填入模具中。在室外，晴好微风(<3级)，气温18～26℃条件下，放置3天即干燥固化。移去塑料碗和泡沫块，即得中空、上底直径为10cm的碗形浮岛单元；

3.放入水体

(1)将15个上述碗形浮岛单元用铁丝和尼龙绳连接组合成花形浮岛。按此方式安装三组相同花形浮岛投放于渠水中；

(2)在浮岛孔穴中栽入菖蒲植株(株高15～30cm)，根部没入水中，用海绵加以固定；

(3)在气温18～26℃无降雨的情况下，连续投放30天，菖蒲存活率达100％，植株和根系都明显增多，浮岛底部表面附有一层微生物膜。渠水总氮和总磷的去除率高达89％。

实例3

1.前期准备

(1)现场调查：试验地点为武汉一人工湖，现受到富营养化污染；

(2)材料筛选：以浮石为原料，将其投入水中，选取可浮于水面的浮石；

(3)模具制作：用木材制成30cm×20cm×4cm大小的无盖长方体盒，盒底用钉固定6个聚苯乙烯泡沫块(高4cm，截面直径2.5cm)以留栽种孔穴。

2.浮岛单元制作阶段

(1)定量称取上述筛选出的干燥浮石(质量百分比为68％)和粘土水泥复合物(质量百分比为32％)。其中粘土水泥复合物中粘土的质量百分比为30％，水泥为70％；

(2)混料搅拌：将上述浮石，粘土水泥复合物混合，边加水边搅拌，至粘土水泥复合物呈粘稠状即可停止加水。然后继续搅拌均匀，搅拌时间约25分钟；

(3)固化成型：将上述搅拌均匀后的浮石和粘土水泥复合物的混合物填入模具中。在室外，晴好微风(<3级)，气温18～26℃条件下，放置3天即干燥固化。移去木制模具和泡沫块，即得大小为30cm×20cm×4cm，有6孔穴的浮岛单元；

3.放入水体

(1)用铁丝或尼龙绳将10块上述浮岛单元排列连接成100cm×60cm×4cm的长方体浮岛。按此方式连接两块100cm×60cm×4cm规格的浮岛投放入湖水中；

(2)在浮岛孔穴中栽入鸢尾植株(株高15～40cm)，根部没入水中，用海绵加以固定；

(3)在气温18～26℃无降雨的情况下，连续投放20天，鸢尾存活率达100％,植株变粗壮，根系增多，浮岛底部表面上附有一层微生物膜。

Claims (2)

1.一种人工无机生物浮岛的构建方法，它包括下列步骤：

A、筛选材料：将轻质无机材料放入水中，轻质无机材料为陶粒，蛭石，浮石，多孔陶瓷；

B、制作模具：以刚性材质制作模具，使轻质无机材料和无机粘合剂的混合物成型；

C、混料搅拌：将所筛选出的轻质无机材料50％～75％与无机粘合剂25％～50％混合，加入水，搅拌均匀，搅拌时间为5～30分钟；

D、固化成型：将搅拌均匀后的轻质无机材料和无机粘合剂的混合物填入模具中，然后等待固化、干燥和成型，温度控制在15～35℃，成型后，浮岛厚度为5cm，室内干燥成型为2～4天时间；

E、放入水体：将轻质浮岛单独或种植植物后放入污染水体中，该浮岛漂浮于水面，通过微生物和植物的生长净化水体。

2.根据权利要求1所述的一种无机人工生物浮岛的构建方法，其特征在于：无机粘合剂为硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐类或其复合物。