CN101397167A - 一种淤泥基质生态浮岛及构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种淤泥基质生态浮岛及构建方法，它由下列原料制成：淤泥、轻质材料ESP泡沫颗粒、固化剂按一定比例配制，其步骤是：将湖泊淤泥、泡沫颗粒和无机粘合剂(固化剂、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

一种淤泥基质生态浮岛及构建方法

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，更具体涉及一种淤泥基质生态浮岛的构建方法，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，探索和研制新型淤泥基质生态浮岛非常必要。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了一种淤泥基质生态浮岛，配方合理，绿色环保，使用寿命长，可重复使用，废弃后可回收再利用，改善水体景观，效果稳定。

本发明的目的另一个目的在于提供了一种淤泥基质生态浮岛的构建方法，工艺简单，无能耗，成本低廉，适宜广泛推广。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。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术措施是：以湖泊清淤产生的大量沉积物为原料，以轻质材料(如泡沫)为浮体，适度混入无机粘合剂和水，通过改变配方和制作工艺，适应不同需求，构建轻质、高效的生态浮岛。

本发明的具体措施是：

一种淤泥基质生态浮岛，它由下列原料质量百分比制成：

一种淤泥基质生态浮岛，它由下列原料质量百分比制成：

一种淤泥基质生态浮岛，它由下列原料质量百分比制成(优选范围)：

一种淤泥基质生态浮岛，它由下列原料质量百分比制成(最好范围)：

一种淤泥基质生态浮岛，它由下列原料质量百分比制成(高强度型)：

一种淤泥基质生态浮岛，它由下列原料质量百分比制成(经济型)：

一种淤泥基质生态浮岛的构建方法，其步骤是：

(1)原料准备：将湖泊清淤出的沉积物晾干或脱水至含水量50％以下，筛选出不含石块和含杂质(水生植物根茎残体)较少的淤泥，轻质材料为ESP泡沫颗粒。

(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，使淤泥与ESP泡沫颗粒轻质材料、高硫型HAS土壤固化剂加水搅拌混合，并将得到的混合物倒入模具成型。模具形状和厚度根据景观需要而定。

(3)混料搅拌：将淤泥、轻质材料ESP泡沫颗粒和高硫型HAS土壤固化剂按一定配比混合，加入适量水(水不占比重，普通技术人员根据配方比例均能会操作)，搅拌均匀，以无机粘合剂在3～8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3～12cm时，室内干燥成型为2～5天时间)，成型后得到浮岛单元成品。所述的无机粘合剂为高硫型HAS土壤固化剂、硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐类、水泥或粘土其中的任意一种。

(5)放入水体：将轻质浮岛单独或种植净水水生植物后放入污染水体中，可种植的具有净水功能的常见水生植物如禾本科植物：芦苇、荻、黑麦草、香根草、牛筋草、水稻中的一种或任意组合；或天南星科植物：菖蒲、石菖蒲、海芋；或沙草科：旱伞草、灯芯草中的一种或任意组合；或以及其他科属植物：黄花鸳尾、香蒲、美人蕉、土大黄、慈菇、马蹄莲中的一种或任意组合，或净水植物栽种于浮床上种植孔，用柔性材料如海绵、聚苯乙烯泡沫固定，并使植株根部浸没于水体。该浮岛漂浮于水面，可通过微生物和植物的生长净化水体。

A.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，每个浮岛单元面积为1m2，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。投放浮岛单元数目视待处理水体面积而定。

B.可将浮岛单独放入水体，或将水生或陆生植物如黑麦草、孔雀草、空心菜、香根草、彩叶草、一串红、鸡冠花、矮牵牛、蕹菜等栽入浮岛的孔穴中，必要时可用海绵或其他柔性材料如聚苯乙烯泡沫加以固定。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。

C.微生物可在粗糙，多孔隙的淤泥基质生态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、本发明的主要原料为湖泊淤泥，与轻质材料混合构建生态浮岛，实现了废物利用，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

无机人工生态浮岛制作原料配方表

实施例1：

一种淤泥基质生态浮岛的构建方法，其步骤是：

1.前期准备：

(1)现场调查：试验地点为武汉大学内一人工景观湖，现已受富营养化污染；

(2)原料制备：以武汉市内一天然湖泊清淤出的沉积物为原料，选取不含石粒和含杂质(如植物根茎残体)较少的淤泥，脱水晾干；轻质材料选用ESP泡沫颗粒；

(3)模具制作：用木材制成100cm×100cm×5cm大小的无盖正方形盒，盒底用钉固定36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)按无机人工生态浮岛制作原料配方表中所述定量称取筛选出的干燥淤泥、轻质材料ESP泡沫颗粒、高硫型HAS土壤固化剂；

(2)混料搅拌：将上述淤泥、轻质材料ESP泡沫颗粒和高硫型HAS土壤固化剂混合，边加水边搅拌(水不占比重)，至混合物呈粘稠状即可停止加水。然后继续搅拌，搅拌时间约为25或28或30分钟；

(3)固化成型：将上述搅拌好的混合物倒入模具中。在室内，通风，气温为15～25℃条件下，放置4或5天即干燥固化。然后移去木材模具和聚苯乙烯泡沫块，即得大小为100cm×100cm×5cm，具有36个孔穴的浮岛单元；

3.放入水体：

(1)将10块上述100cm×100cm×5cm规格的浮岛单元分成两行，一行5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，使在水体波动时浮岛单元相互之间的碰撞得到缓冲，以保护浮岛单元避免碰撞受损；

(2)在浮岛孔穴中栽种净水植物菖蒲、芦苇、美人蕉，菖蒲植株高15～30cm、芦苇植株高100～120cm、美人蕉植株高120～180cm，确保植株根部没入水中，并用海绵加以固定；

(3)浮岛在水体中放置15天，期间气温13～27℃。并间隔有2次中等规模降雨。浮岛单元上菖蒲、芦苇、美人蕉植株，生长正常，存活率依次为100％、98.3％、96.7％，各植株株高和根系生物量增加明显，浮岛单元底部出现大面积黄绿色菌斑，表明微生物已附着生长并形成覆膜。

实施例-2

一种淤泥基质生态浮岛的构建方法，其步骤是：

1.前期准备：

(1)现场调查：试验地点为武汉市某工厂废旧蓄水池(1000cm×800cm×200cm)，向池内灌输自来水和生活污水以模拟富营养化水体，池水深150cm；

(2)材料筛选：以武汉市内一生活污水处理厂的活性污泥饼为原料，脱水除臭晾干粉碎；轻质材料选用ESP泡沫颗粒；

(3)模具制作：用直径2cm、高5cm的聚苯乙烯泡沫块固定在直径10cm、沿高5cm的塑料盖子中央；

2.浮岛单元制作阶段：

(1)按无机人工生态浮岛制作原料配方表中所述定量称取活性污泥饼粉末、ESP泡沫颗粒、高硫型HAS土壤固化剂；

(2)混料搅拌：将上述污泥粉末、ESP泡沫颗粒和固化剂混合，边加水边搅拌，至混合物呈粘稠状即可停止加水。然后继续搅拌，搅拌时间约为25分钟；

(3)固化成型：将上述搅拌好的混合物倒入模具中。室外放置3天进行干燥固化，期间天气晴好，气温为13～28℃，风力最大不超过4级，移去塑料盖和聚苯乙烯泡沫块，即可得到直径为10cm，高5cm的中空圆盘状浮岛单元；

3.放入水体：

(1).将21块上述中空圆盘状浮岛单元分用铁丝和尼龙绳进行连接，在水池中摆放成共端点5射线辐射型浮岛；

(2).在浮岛孔穴中栽种净水植物芦苇、黑麦草、香根草，芦苇植株高20～35cm、黑麦草植株高35～48cm、香根草植株高100～170cm，确保植株根部没入水中，并用海绵加以固定；

(3).浮岛在水池中放置30天，期间天气晴好，气温13～28℃，风力最大不超过3级。浮岛单元上芦苇、黑麦草、香根草植株长势良好，存活率依次为99.5％，88.7％、92.4％，各植株根茎生物量增加明显，叶色正常，每个浮岛单元底部覆有一层黄绿色微生物膜。对投放浮岛前后池水的实验分析结果表明池水中TN、TP的去除率分别高达87.3％和75.8％；

Claims (9)

1、一种淤泥基质生态浮岛，它由下列原料质量百分比制成：

2、根据权利要求1所述的一种淤泥基质生态浮岛，其特征在于，它由下列原料质量百分比制成：

3、根据权利要求1所述的一种淤泥基质生态浮岛，其特征在于，它由下列原料质量百分比制成：

4、根据权利要求1所述的一种淤泥基质生态浮岛，其特征在于，它由下列原料质量百分比制成：

5、根据权利要求1所述的一种淤泥基质生态浮岛，其特征在于，它由下列原料质量百分比制成：

6、根据权利要求1所述的一种淤泥基质生态浮岛，其特征在于，它由下列原料质量百分比制成：

7、一种构建权利要求1所述的淤泥基质生态浮岛的方法，其步骤是：

(1)原料准备：将湖泊清淤出的沉积物晾干或脱水至含水量50％以下，筛选出不含石块和含杂质的淤泥，轻质材料为ESP泡沫颗粒；

(2)制作模具：以刚性材质制作模具，使淤泥与ESP泡沫颗粒轻质材料、高硫型HAS土壤固化剂加水搅拌混合，将得到的混合物倒入模具成型；

(3)混料搅拌：将淤泥、轻质材料ESP泡沫颗粒和高硫型HAS土壤固化剂混合，加入水，搅拌均匀，以无机粘合剂在3～8分钟内不呈滴状落下，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，成型时间气温温度控制在15～35℃，浮岛厚度为3～12cm，室内干燥成型为2～5天时间，成型后得到浮岛单元成品；

(5)放入水体：将轻质浮岛单独或种植净水水生植物或陆生净水植物后放入污染水体中，净水植物栽种于浮床上种植孔，用海绵、聚苯乙烯泡沫固定，使植株根部浸没于水体，浮岛漂浮于水面，通过微生物和植物的生长净化水体。

8、根据权利要求7所述的一种淤泥生态浮岛的构建方法，其特征在于：所述的无机粘合剂为高硫型HAS土壤固化剂、硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐类、水泥\粘土其中的任意一种。

9、根据权利要求7所述的一种淤泥生态浮岛的构建方法，其特征在于：所述的净水水生植物为禾本科植物：芦苇、荻、黑麦草、香根草、牛筋草、水稻中的一种或任意组合；或天南星科植物：菖蒲、石菖蒲、海芋；或沙草科：旱伞草、灯芯草中的一种或任意组合；或以及其他科属植物：黄花鸳尾、香蒲、美人蕉、土大黄、慈菇、马蹄莲中的一种或任意组合；或陆生净水植物：黑麦草、孔雀草、空心菜、香根草、彩叶草、一串红、鸡冠花、矮牵牛、蕹菜中的一种或任意组合。