CN101610985A - 利用各种植物、微生物的水质净化机能，综合改善富营养化污染水域的水质净化系统 - Google Patents

利用各种植物、微生物的水质净化机能，综合改善富营养化污染水域的水质净化系统 Download PDF

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Abstract

一种利用各种植物和微生物的水质净化机能来综合改善富营养化污染水域水质的系统，其特征在于，包括一个浮岛，有植物漂浮在富营养化的(即，富磷、氮等)被污染并有生活废水流入其中的湖泊、泻湖、河流等的水面上，其中种植生长有具有从根部吸收富营养成分从而净化水体功能的植物；一个锚，用于将浮岛同植物固定到底部；一个重物，用于控制植物浮岛的漂浮状态；以及一个连接件，用于连接植物浮岛、锚和重物，其中，以适合其中设置有本系统的水域的环境条件之方式，在植物浮岛的下部、锚、重物和连接件的至少任意一个部分附着具有能够吸收富营养化成分的水生植物或嗜氧/厌氧微生物，从而在水域表面、水体中间、水域底部同时都实现改善水质效果。

Description

利用各种植物、微生物的水质净化机能，综合改善富营养化污染水域的水质净化系统
技术领域
该项发明是组合并且综合利用存在于自然界的各种有用的植物和微生物等，完全无负面环境影响的、对生活废水污染源为主造成氮磷富营养化污染水域进行净化的新型水质净化系统。
技术背景
缅甸、越南、南美等世界各地湖泊，特别是缺少耕地的高原湖泊，周围居民出于栽培蔬菜的目的，利用传统方法在湖上制作独特的浮岛，早已为人所知。那些浮岛以树枝、椰子壳、草、泥等为材料，栽培的植物的根须伸入水中，通过根部吸收水中的氮磷，又将光合作用产生的部分氧气送入水中，由此水质得到净化。由于这样的净化作用，有效地减少了居住在水域周围人们的生活废水和家畜等排泄物对湖泊水域的水质污染。这一现象日益受到各界关注。
即，不以栽培蔬菜为目的，而以利用植物净化水质为目的，在湖泊河川制作浮岛，作为净化水质处理方法的提案。
即，作为用于水质净化的浮岛，制作工业性的浮岛单元与植物配套。浮岛单元以基本浮力构造体和网状构造体组合，目前所用材料大抵有以下2种。
(1)浮力构造部分：装入塑料管、尼龙管、合成树脂等发泡材料。
(2)网状构造体部分：椰子壳纤维、天然或合成橡胶、塑料材料网等。
此外，还有EIN株式会社利用EIN木材作为浮岛单元浮力构造部分的新型浮力材料。EIN木材是由55％木材粉末和45％PP、PE等废材原料合成的新型材料。中空部分填入发泡材料。利用合成树脂材料制作网状构造体。二者结合为浮岛单元。
另一方面，还有不用工业制品制造浮力构造部分，采用具有充分浮力、加工后又无化学材料环境激素污染隐患的成本低廉的废发泡材料和废轮胎以及废内胎制作浮力构造部分，其他部分也采用安全的自然材料，组合构成水质净化的浮岛，实现对适用水域全面改善水质的提案。
更进一步，如以下文献所示的提案。
专利文献1：特开2004-237141号公报
发明内容
发明所要解决的课题
首先，以上述传统手法制作浮岛，树枝和椰子壳纤维、草、泥等材料本身会逐步腐败，形成恶性循环。同时，为对大面积湖泊全面净化必须制作大型浮岛时，也受到技术材料方面的限制。
再者，利用上述工业材料制作浮岛单元时，尼龙管、塑料材料等不仅易老化，而且还有环境激素溶于水中，与椰子壳纤维等腐败一样，容易形成2次污染。另外，成本相对很高，例如2m×1.9m的浮岛制作成本大约10万日元，因此，工程设置面积受到很大限制，无法实现湖泊河流水质净化工程化。
而且，就采用EIN株式会社的EIN木材的浮岛而言，EIN木材的确具有强度而不易腐败，不过，若要将此材料用于带有实效性的水质净化用的浮岛的话，则还需要数亿日元的设备投资。并且，据估算，用来制造1m×1m大小的浮岛基础的成本就大约需要花费10～20万日元。
还有，特开2004-237141号公报所公开的技术虽然具有各种优势，但实际上低成本大规模工程化还存在一些未解决课题。
无论如何，上述2种方法实际施工技术复杂，人力、经济成本相当高，因此，可以认为，难以实现在大面积湖面上以此进行水质净化的现实工程。
上述传统工艺制作的浮岛，从制作成本等现实问题角度，工程设置面积受到很大局限，并由此发生下列问题。
例如，小面积浮岛在大型湖泊上抗风浪性、稳定性都难以保障，即使具有良好水质净化能力但是植株较高的植物在栽培时会因安定性而受到限制。树脂材料强度有限，受到阳光照射老化迅速，导致浮岛自身成为水质2次污染源的原因。
最终工程预算受到高成本的限制，在一定水域内，为净化水质必须达到的浮岛设置面积不能得到保障，至今为止这类技术只能限于池塘等小面积水域或实验性水域，不可能达到净化大面积湖泊等实际效果。
还有，根据各种研究数据，植物水质净化能力各不相同，一般来说至少按照水面总面积的5.6％设置植物浮岛，才能获得显著效果。所以，为了净化大型湖泊，必需要设置大规模的浮岛。
目前，随着全世界经济和人口急速增长，以生活废水造成水域水质恶化的现象日益加深。
特别是，作为居民生活与生产水源的大型湖泊、河川的污染尤其严重，为了防止这种现象进一步恶化，极其有必要将改善水质作为地球规模的重要课题来对待。
此外，以汽车废轮胎作为浮力构造部件等的提案，已被确认为资源再生、废物利用的有效手段，以低成本在相当广泛水域已经得到实证效果。可是同时，即使是在因生活废水为污染源的水域，也会因场所、时期不同而异，另外，综合有效净化水体和水底的污染、恢复污染水域的水体生态也极为必要。
对于由生活排水为起因的水质污染，其污染成分、程度、性质都各不相同，所以，必须认识到实施净化措施一定要根据实施场所、时期等综合条件，活用各种植物、微生物，才能得到最佳效果。
解决课题之手段
本项发明是为解决上述传统技术的各种未能解决的课题，积累了研究、实验、思考等结果创造而成的方案，为达到高效率、低成本，一边活用废旧轮胎等再生资源，一边推敲避免带来实施场所环境负面作用的材料，甚至根据工程实施场所的具体条件，设计与有机组合成最为合适的具有水质净化、经济收益、景观效果等等综合效益的水体水质改善系统。具体内容如下。
(1)由于排入含有大量氮磷等富营养化成分的生活污水导致湖泊、池塘、河流等污染，在这些水面上设置植物浮岛，栽培具有从根部吸收富营养成分、净化水质功能的植物，设置在水底为固定植物浮岛的锚，调整植物浮岛浮力的重锤，以及由连接材料连接植物浮岛、锚、重锤并构成的系统构造，还有在植物浮岛本体下部、锚、重锤、连接部分选择并附着具有吸收富营养化成分能力的水生植物与适合水域环境的嗜氧厌氧微生物、由此在水域表面、水体中间、水域底部同时可进行并且获得改善水质效果，成为一套利用各种植物、微生物的水质净化机能，综合改善富营养化水域水质的具有上述各项特征的系统。
(2)以利用废轮胎和内胎、废弃发泡树脂材料作为植物浮岛的浮力构造部件为特征的、利用上述第1项记载的利用各种植物、微生物的水质净化机能、综合改善富营养化污染水域的水质改善系统。
(3)利用废轮胎中心的中空部分填入废发泡树脂等浮力材料的构造，增大浮岛整体的浮力，以此为特征的利用上述第1项记载的利用各种植物、微生物的水质净化机能、综合改善富营养化污染水域的水质改善系统。
(4)作为利用废轮胎中心的中空部分填入废发泡树脂等浮力材料的构造，以使用不锈钢等金属网材料为特征的上述第3项记载的利用各种植物、微生物的水质净化机能、综合改善富营养化污染水域的水质改善系统。
(5)将不锈钢等金属网材料按照废轮胎中心中空部形状形成凹状为特征的上述第1～第4项的任何一项记载的利用各种植物、微生物的水质净化机能、综合改善富营养化污染水域的水质改善系统。
(6)不锈钢等金属网状材料和废轮胎表面之间用缓冲材料形成2～5cm左右空间配置间隔作为特征的上述第4或第5记载的利用各种植物、微生物的水质净化机能、综合改善富营养化污染水域的水质改善系统。
(7)作为利用废轮胎中心的中空部分填入废发泡树脂等浮力材料的构造，用螺钉和螺帽等固定手段将装在中空部浮力材料上下的金属网材牢固固定，以此为特征的上述第4～第6项的任何一项记载的利用各种植物、微生物的水质净化机能、综合改善富营养化污染水域的水质改善系统。
(8)将废弃发泡树脂等浮力材料装入具有通气性和伸缩性的袋子里之后再用不透水的天然橡胶材料袋包装，然后将其填充于废轮胎内部，以此为特征的上述第1～第7项的任何一项记载的利用各种植物、微生物的水质净化机能、综合改善富营养化污染水域的水质改善系统。
(9)所有的植物浮岛本体下部、锚、重锤、连接材料都由尽可能大面积接触水面材料构成，因此，得以最大限度地发挥各种植物和微生物的水质净化功能，以此为特征的上述第1～第8项的任何一项记载的利用各种植物、微生物的水质净化机能、综合改善富营养化污染水域的水质改善系统。
(10)锚采用表面多孔质石材，为了易于固定于水底，采用钩状或锐角状，以此为特征的上述第1～第9项的任何一项记载的利用各种植物、微生物的水质净化机能、综合改善富营养化污染水域的水质改善系统。
(11)重锤为表面多孔质石材，以此为特征的上述第1～第10项的任何一项记载的利用各种植物、微生物的水质净化机能、综合改善富营养化污染水域的水质改善系统。
(12)截取一部分污水水域或者顶端部分作为多阶段净化水槽，
在污水处理入口处，将处理原水按照各个净化水槽顺序有效进行逐步水质净化，利用净化水槽阶梯落差设计瀑布状接触型增氧曝气设备，
净化水槽底部铺设适合种植植物和附着繁殖微生物的表面多孔质材料，
选择适合处理原水特征的具有水质净化功能的各种植物和微生物，
设置避免原水和处理水混合的水域，而且，
整个水质净化处理过程设计上完全不使用人工能源，
以此为特征的上述第1～第11项的任何一项记载的利用各种植物、微生物的水质净化机能、综合改善富营养化污染水域的水质改善系统。
(13)作为具有水质净化功能的植物，选择适合水培、吸收氮磷能力高、易于管理、具有收获价值以及对周围生态环境不产生负面影响，适合景观与气候风土的植物品种，以此为特征的上述第1～第12项的任何一项记载的利用各种植物、微生物的水质净化机能、综合改善富营养化污染水域的水质改善系统。
(14)作为具有水质净化功能的植物，选择玫瑰类、食用蔬菜的香椿、彩叶草、红麻等，以此为特征的上述第13项记载的利用各种植物、微生物的水质净化机能、综合改善富营养化污染水域的水质改善系统。
(15)作为具有水质净化机能的微生物，选择分解蛋白质和脂肪的菌类、分解植物性纤维的菌类、固化空气和水中氮素的菌类、嗜盐菌类等，根据水域水质情况，以1种或多种组合配方，以此为特征的上述第1～第14项的任何一项记载的利用各种植物、微生物的水质净化机能、综合改善富营养化污染水域的水质改善系统。
(16)作为分解蛋白质和脂肪类的菌类，采用曲霉菌(Aspergillus)、毛霉菌(Mucor)、枯草芽孢杆菌(Bac.subtlis)，作为分解植物性纤维的菌类，采用含有丰富纤维素酶的产甲烷菌(Bac.methanogenes)和热解纤芽孢杆菌(Bac.thermofibrincolus)，作为固化空气和水中氮素的菌类，采用星孢芽孢杆菌(Bac.asterosporus)和巴斯德梭菌(Clostridiumpasteurianum)，作为嗜盐菌采用好盐性酵母类菌Torulaarten和卡尔斯伯酵母(Saccharomyces carlsbergensis)，以此为特征的上述第1～第15项记载的利用各种植物、微生物的水质净化机能、综合改善富营养化污染水域的水质改善系统。
效果
①由于排入含有大量氮磷等富营养化成分的生活污水导致湖泊、池塘、河流等污染，在这些水面上设置植物浮岛，栽培具有从根部吸收富营养成分、净化水质功能的植物，设置在水底为固定植物浮岛的锚，调整植物浮岛浮力的重锤，以及由连接材料连接植物浮岛、锚、重锤并构成的系统构造，还有在植物浮岛本体下部、锚、重锤、连接部分选择并附着具有吸收富营养化成分能力的水生植物与适合水域环境的嗜氧厌氧微生物、由此在水域表面、水体中间、水域底部同时可进行并且获得改善水质效果，并以此在水域上中下部同时改善以生活污水为主污染了的富营养化水域的氮磷和其他环境恶化状态，可以期待迅速产生综合性水质改善效果。
②利用废轮胎和内胎、废弃发泡树脂材料作为植物浮岛的浮力构造部件，能够在适用水域大量利用不产生环境激素等有害化学物质的再生材料并降低成本，以此实现在广泛适用水域迅速得到有效的水质改善效果。
③利用废轮胎中心的中空部分填入废发泡树脂等浮力材料的构造，增大浮岛整体的浮力，在这样结构的浮力构造部件上可以长时间承载相当重量的东西而浮于水面。就是说，也可以安全地承载人。具体地说，例如利用轿车轮胎的情况下，由于在轮胎中心的中空部分填入废发泡树脂等浮力材料，提高浮力30％，若使用数个浮力构造部件完全可以让工作人员承载在上面。
④作为利用废轮胎中心的中空部分填入废发泡树脂等浮力材料的构造，由于使用不锈钢等金属网材料，可以在工厂大量制作规格化的金属网材料，以此高效率并且相对容易地得以实现大规模的工程施工。
⑤将不锈钢等金属网材料按照废轮胎中心中空部形状形成凹状，在凹状部分装入陶粒等颗粒材料，利用设置水域的水分培育植物，其结果，可以通过植物从根部吸收水分的同时有效去除水域的氮磷污等染成分。
⑥不锈钢等金属网状材料和废轮胎表面之间用缓冲材料形成2～5cm左右空间配置间隙，由此，种植在轮胎浮力载体表面上的金属网材上面的植物也可以从间隙部分伸展根须直至水中，可以期待像这样通过根部吸收水分而达到去除污染的目的。
⑦作为利用废轮胎中心的中空部分填入废发泡树脂等浮力材料的构造，用螺钉和螺帽等固定手段将装在中空部浮力材料上下的金属网材牢固固定，由此，得以简单并确实地得到提高构造体浮力效果，容易地实现能够乘载相当重量的浮力构造体。
⑧将废弃发泡树脂等浮力材料装入具有通气性和伸缩性的袋子里之后，再用不透水的天然橡胶材料袋包装，然后将其填充于废轮胎内部，因为用了细碎发泡材料来装填，可以解决废轮胎内部装填过程中容易留下空隙影响浮力的问题。
就是说，由于细碎发泡材料难以装填，操作中难以充分填满，采用类似尼龙丝袜等具有透气性和弹力性的材料袋装后，再用天然橡胶袋密封后填充进废轮胎内。
采用这样的装填法后的浮力部件，长期置于水中也能保持充分浮力，保持安定状态。
⑨所有的植物浮岛本体下部、锚、重锤、连接材料都由尽可能大面积接触水面的材料构成，因此，得以最大限度地发挥各种植物和微生物的水质净化功能，从而实现最高效率活用植物、微生物的自然净化能力，在以生活污水为主的污染水域取得水质改善效果。
⑩锚采用表面多孔质石材，为了易于固定于水底，采用钩状或锐角状，由此得以在有效进行水底水质净化同时，用锚的固定效果在贴切的地点固定植物浮岛，可以在希望改善水质的水域实现水质改善效果。
重锤为表面多孔质石材，可以利用附着的微生物，取得改善重锤所在水域水质的切实效果。
Figure G2006800568884D00091
截取一部分污水水域或者顶端部分作为多级净化水槽，在污水处理入口处将处理原水按照各个净化水槽顺序有效进行逐步水质净化，利用净化水槽阶梯落差设计瀑布状接触型增氧曝气设备，净化水槽底部铺设适合种植植物和附着繁殖微生物的表面多孔质材料，选择适合处理原水特征的具有水质净化功能的各种植物和微生物，设置避免原水和处理水混合的水域，而且，整个水质净化处理过程设计上完全不使用人工能源，最大限度利用地形落差，设置人工瀑布等曝气装置，增加水中氧气浓度，有利于微生物活动繁殖，在几乎不耗能源的情况下，将处理生活污水排水的水质改善系统与提供协调的自然景观有机结合，得以长期有效发挥最佳功能。
作为具有水质净化功能的植物，选择适合水培、吸收氮磷能力高、易于管理、具有收获价值以及对周围生态环境不产生负面影响，适合景观与气候风土的植物品种，在产生胜于或至少不低于物理机械等人工水质净化系统的环境净化效益的同时，把生物水质净化系统作最合适的设计安排，利用自然环境和自然材料，还可以收到具有经济性的生态环境效益。
作为具有水质净化功能的植物，选择玫瑰类、食用蔬菜的香椿、彩叶草、红麻等，不但具有很高的吸收氮磷的能力，还有美化景观作用，同时，培育采收各种观赏、食用和有其他经济价值的植物，可以在水质净化同时获得经济收益。
Figure G2006800568884D00094
作为具有水质净化机能的微生物，选择分解蛋白质和脂肪的菌类、分解植物性纤维的菌类、固化空气和水中氮素的菌类、嗜盐菌类等，根据水域水质情况，以1种或多种组合配方，由此可以根据需要净化的水域污染情况进行适当调整，从而达到最佳效果。即，分别对污染成分中蛋白质、脂肪、纤维质、以及盐分浓度高的各个不同水域使用具有针对性的微生物。
像这样用已知的一部分具有分解特定物质的微生物，根据实际污染水域的环境条件进行选择，并且还可针对复合污染成分水域水质进行相应组合配方，以期达到最佳水质改善效果。
本发明的系统能够分别在水面、水中、水底等希望配置的位置使多种植物、微生物等成长、繁殖，并且在这个过程中实现对多样复杂的环境条件下的污染水域进行最合适的水质净化，甚至达到修复水体生态系统的长久综合环境效益。
Figure G2006800568884D00101
作为分解蛋白质和脂肪类的菌类，采用曲霉菌(Aspergillus)、毛霉菌(Mucor)、枯草芽孢杆菌(Bac.subtlis)，作为分解植物性纤维的菌类，采用含有丰富纤维素酶的产甲烷菌(Bac.methanogenes)和热解纤芽孢杆菌(Bac.thermofibrincolus)，作为固化空气和水中氮素的菌类，采用星孢芽孢杆菌(Bac.asterosporus)和巴斯德梭菌(Clostridiumpasteurianum)，作为嗜盐菌采用好盐性酵母类菌Torulaarten和卡尔斯伯酵母(Saccharomyces carlsbergensis)，这些微生物参与浮岛总体作用，与植物相辅相成，可以收到和植物相乘的更高的水质净化效果。
即，这些菌类和微生物类具有对上述各种特定污染成分的优秀的分解能力，通过发明者的对照试验已经得到明确结论，相对于适用水域污染状况实现迅速有效的水质净化效果也正在得到确认。
附图说明
图1是以模式图说明本发明的植物浮岛基本单位的构造，图2是表示连接若干个基本构造体设置于适用水域的一例示意说明图。在这些图上，1为植物浮岛、2为浮力构造体、3为废轮胎、4为发泡树脂材料碎片、5为具有通气性和伸缩性的袋子、6为天然橡胶密封袋、7为废轮胎中心的中空部分、8为凹入筐部分、9为水面、10为金属网材部分、11为空间、12为缓冲材料、13为连接材料、14为浮路。
实施发明的最佳实施方式
如上所记关于由本项发明实施的水质净化系统具体若干实例，以发明者等实际进行的各种试验作以下说明。
本发明系统以生活污水引起的氮磷富营养化污染水域的水质净化为目的，在大面积污染水域，采用低成本、废物再生利用构造材料，极力避免使用对自然环境会造成副作用的人工合成材料，并且活用具有水质净化机能的植物、微生物等的分解吸收能力。
而且为了使这些植物、微生物能够在大面积污染水域发挥良好的水质净化机能，产生实效，并且以低成本和重视水域整体环境生态为目的，提出了再生利用废轮胎和废弃发泡树脂材料制作植物等生长基盘的浮力构造体，甚至还为了废物再生利用反复研究出简易迅速的加工方法，完成并大大提高了本项发明实现的可能性。
关于本项发明的浮力构造体制作方面，再生利用废轮胎和废发泡树脂材料制作浮力构造体的具体方法是非常重要的一部分，以下简单说明。
废轮胎的大小，以收集得到必须要的数量为前提，从一般汽车到大型车辆的都可使用。轮胎直径从数十cm到1m左右都可，已经得到确认，在这些废轮胎内部空间不留空隙地填满具有与空气相近浮力的发泡树脂材料后，通常一般汽车的一个轮胎可以产生30～40kg左右的浮力。
作为浮力材料，发泡树脂材料是理想的选择，而且只要使用废弃材料便可以了。如上所记为了把轮胎内部空间不留空隙地填满，必须在使用时将大块粉碎到若干cm，最好是在直径1cm以下的颗粒状态。
可是，如此碎颗粒不可能直接放入轮胎内部，漂流在水面上反而会成为破坏环境的因素。因此，需要用天然橡胶制作的袋子进行包装后填充在轮胎内部，这样既能长期安定使用，而且不会产生化学合成物质溶于水中后导致的环境激素二次污染。
可是，要把细碎轻飘的发泡树脂材料不留空隙地充分地填入天然橡胶口袋，实际操作上是非常困难的事情。这里，本发明采用的方法是，先将小颗粒的细碎轻飘的发泡树脂材料装入透气性、伸缩性良好的材料制作而成的袋子，然后，整袋装入天然橡胶袋进行密封，这样，可以在废轮胎内部高效率而且确实填充密封所需要的充分量的发泡树脂材料，这是本发明所采用的加工法之一。
以上是本发明所使用的浮力材料的基本制作方法。
如此由废轮胎和废发泡树脂材料为基本材料制作而成的浮力构造体，几乎具有等同于普通空气填充的轮胎的良好浮力而浮于水面，甚至经历若干年也不会因为泄漏空气而导致浮力下降，也不会因为化学合成物质溶解导致环境激素二次污染水域。
本项发明所使用的培育植物浮岛，以废轮胎和废发泡树脂材料为基本材料的浮力构造体的复数组合，构成筏子般状态，得以形成极其充分的整体浮力。可以根据适用水域状况，相当大范围自由选择适合培植的植物种类，只要按照其高度和重量进行考虑设计便不会发生问题。如前所记因为利用废轮胎制造的本发明的浮力构造体单个能够产生20～30kg左右的浮力，负载一年生植物浮于水面完全没有问题。至于栽培多年生重量大的植物，以供管理人员水上通行的浮路连接若干个由复数浮力构造体组合而成的模块，产生分散负载的作用，可以达到单元承重100kg左右，经过试验已经证实了这一结构构造足以维持安定而且安全的状态。
关于本项发明所开发的提高浮力构造体浮力方法的说明。由于废轮胎中心呈现中空形成面包圈状态，已经知道在中空部分填充发泡树脂材料可以产生浮力，在此，对于承载一定重量以上、特别是作为管理人员行走的浮路，需要进一步提高单位浮力构造体。为此，本发明在以上利用袋装发泡树脂材料填充废轮胎中空部分产生浮力，提出加大浮力的方案。即，同时在完成上述填充工序之后，在废轮胎中心圆的空间两侧用不锈钢等金属网材夹住，中间不留间隙地填满袋装发泡树脂材料，并活用众所周知的固定方法，以螺栓、螺帽固定两侧的金属网。已经通过试验确认到，经过这样加工，本发明的浮力构造体总体浮力可以提高30％以上。
提高浮力加工后的构造体，可以承载更大的重量，在实施本发明过程中被采纳用于浮路构造部分，收到明显效果。
接下去，举例说明本发明植物浮岛的具体构成。对如上所述由废轮胎和废发泡树脂材料为基本材料构成的浮力构造体，在其承载重量范围内，装置栽培植物的构造物。本发明必须栽培植物并通过植物根须吸收水中氮磷，所以结构上也必须提供能够让植物根部伸入水中吸收养分的构造部件。为此，将植物种植在网筐内，植物根须穿过网眼直接伸入水中。如果在网筐内采用土壤固定植物，土壤会从网眼中漏出溶于水中，反而造成污染，失去土壤固定的植物自然也无法栽培。
针对这个问题，本发明采用既能固定植物又能同时向植物根部提供水分与空气的新型土壤代用材料。即，使用颗粒直径大于金属网筐网眼的表面多微孔结构的陶粒。由于该材料大多利用废陶等作为原料，所以，可以廉价大量采用。由于多微孔状态的陶粒同时具有透气保湿的功能，可以给植物提供吸收水分与呼吸空气、几乎与在陆地土壤中相同的生存条件，由此，浮岛上不仅可以栽种通常根部完全浸泡在水中的水生植物，也可以成功地栽种根部既需水分又需呼吸空气的陆生植物。从吸收以生活废水为主要污染源中的氮磷成分观点来看，陆生植物与水生植物相比，吸收氮磷的能力通常在10～20倍以上，本项发明在利用陆生植物进行水质净化方面的优势是非常明显的。
还有，由于陶粒的微孔含有大量空气，与水的比重相对要小许多，甚至轻于水，实际上根据特定环境，也可以不用植物浮岛而直接浸泡在水中用于栽培植物。
甚至根据多微孔陶粒材料比重变化，也可以在水底使用，将各种具有分解污染物质成分的微生物等菌种附着于陶粒微孔，可以在水底降解底泥。本项发明中，综合利用各种微生物等进行水质净化的系统里，多孔质陶粒发挥着很大作用。
上述本发明的植物浮岛1的最基本构造模式图的一例以图1表示。浮力构造体2、废轮胎3和填充在其内部的废发泡树脂材料碎片4被装填在具有伸缩性和透气性的袋子5之后，再用天然橡胶袋6密封，然后，在这样的状态下填充到废轮胎3的内部。这样操作，颗粒状的废发泡树脂材料可以很容易并且充足地在密封状态下长期维持，也不用担心会破碎散出进入水里。
随着废轮胎3的中心中空部分7的形状嵌入不锈钢等材料制作的金属网材筐凹部8。这里装入代替土壤的多孔质陶粒，然后，栽培针对各不同水域水质净化污染物的相应的各种陆生植物。凹入部分8的一半浸在水面9之下，水分还会顺着微孔濡湿上面一半，这样随着植物生长，氮磷等富营养化成分便很快被吸收。此外，用竹编制作凹状筐8也可收到同样效果。
浮力构造体的废轮胎3和上面不锈钢等金属网材10制作的上记凹状筐8成为一体，另外，也可以装载不嵌入圆形中心的其他形状的种植植物的筐，在其中栽培相适宜的植物。凹部上面外沿部分由于植物根须直接通过网眼进入水中吸收氮磷，可以采用与水生植物相近的种类。另外，为了让植物根须顺利无阻地伸展到水中，在废轮胎3的表面和金属网材10之间垫入缓冲材料12，形成若干空间11。这个缓冲材料应选择对废轮胎3和金属材料10都具有缓冲作用的为好。
把复数的植物浮岛1的基本构造体组合成若干筏，适用水域非常广泛，本发明的实际使用情况的复数组合的若干实例如图2所示。即，用连接材料13结合复数的基本构造体，全体形成若干大型植物浮岛1。连接材料选择轻量高强度材料，并且符合本发明精神绝不使用会给适用水域环境带来负面影响的材料。同时，还应该考虑到低成本和尽可能利用再生资源材料。
组合复数基本构成体成为植物浮岛1的全体形状，实际使用时根据污染水域地形等综合考虑自由设计。只是在大面积水域实现有实效的水质改善效果，有必要在相当范围使用植物浮岛1，就这一点而言，因为废物再生利用而实现降低成本的本项发明，已经获得了超出实验室实施内容的具有实效性的效果。浮岛工作用的浮路14如前所述采用组合了提高浮力的基本构造体，照此设计，工作人员可以毫无问题地通行。
本项发明不仅利用在浮岛1上栽培的各种植物改善水质，而且对于为固定浮岛1的锚、重锤等其他部件也有效地活用多孔质陶粒等材料，根据适用条件选择组合各种水草等水生植物、微生物和菌类，由此可以分别收到在水域表面、中部和水底的水质改善效果，其结果得以实现综合水域环境净化的目的。
进而本项发明还提出了在利用植物浮岛的同时，利用适用水域一部分地形条件进一步有效地改善水质的系统方案。即，当污染水域具有若干高低差水流地形时，将该水域区分为2段以上的多阶段，随着由上至下水徐徐流淌而进行水质净化。
也就是说，根据以生活废水污染了的河川湖泊等污水水源流入途径的地形，在这个污水水源入口附近把自然地形作为多阶段净化设备，在污染水源流入湖泊大河之前完成水质净化，阻止污染水域的扩大化。
具体做法是，根据各个阶段污染状态准备好适用的植物群和微生物群，然后，在各个阶段配备适合这些植物群和微生物群生存繁殖的环境条件。即在利用上述植物浮岛的同时，在适用水域底部铺设多孔质陶质等破碎材料，营造成有利于具有水质净化特定机能的植物、微生物成长繁殖的环境，并且确保水流通过阶段落差时进行曝气增加含氧量有利于好氧性微生物成长繁殖。
这种多级污水净化系统，原则上可最大限度地被利用在适用水域的自然地形状态，由此，不用采用因大规模的挖掘工程、或是混凝土施工而对地形的变形工程等环境引起较大影响的装备。尽可能地，通过来源于自然物的材料，在河川向湖泊等流向的流入区域内进行最低限度的加工，明确高低差异，由此做成瀑气设备，在水底铺设多孔的陶瓷材料，根据需要一并使用本发明的植物浮岛，并根据各自的污染状况而繁育适当的植物、微生物、细菌类，从而净化水质。但是，在设计中，要避免经过分阶段净化处理的处理水与处理前的污染水相互混合的情况，还需要充分考虑，而避免由于生活废水的缘故而使受到氮或是磷污染的河川等的水流流入湖泊等之中，从而形成大面积的污染水域。
这个系统不仅不需要过多的人工工程，而且运行中不需要消耗能源，并且在不损害周围自然景观环境的条件下，只以最低限的维护管理便可实现良好的水质改善效果。
以下各实施例，证明了本项发明根据特定污染水域水质使用针对性植物种类取得的水质净化效果。
实施例1
适用植物：月季
适用于中国云南省滇池的水质净化实验。这是只要把茎插入水中很容易地得以繁殖，并且具有很强的吸收氮磷能力的植物。在本项发明的植物浮岛栽培了株高30cm的月季。
其结果，平均单株年平均吸收氮236.5g，磷1.225g。即若1m2栽种4株月季，平均1年可吸收氮0.946kg，磷0.0049kg。3000m2的生活废水污染水域设置总面积的2％，即60m2浮岛，1年可吸收氮56.76kg，磷0.294kg。已经确认到了对整个污染水域的明显水质净化效果。
实施例2
适用植物：香椿(学名Toona sinensis(A.Juss)Roem  英文名ChinaToona落叶乔木)
在中国云南省滇池的水质净化实验中使用。嫩芽可作蔬菜食用。嫩芽100g中含磷120mg，约是西红柿29mg的4倍，黄瓜37mg的3.2倍，芹菜61mg的2倍，胡萝卜30mg的4倍。这一现象明显说明了香椿的吸收磷的量高于一般植物，也就是说，可以理解为，吸收磷而产生的净化效果当然高于一般植物。
实施例3
适用植物：彩叶草(学名Coleus blumei)
在中国云南省滇池的水质净化实验中使用。水质净化栽培时所有根须长度总计2.04m/株，实验开始后第80天达到120.29m/株，成长了约50倍。植株总重量由29g/株成长到206g/株、176g/株不等。总氮(NT)的净化率约70％。
实施例4
适用植物：红麻(学名：Hibiscus cannabinus原产非洲西部锦葵科芙蓉属的一年生草本植物)
在中国云南省滇池的水质净化实验中使用。春播后至秋收期可以成长为株高4～5m高、下部直径可达10cm粗，因为单位面积产量相当于木材，具有造纸原料的利用价值。同时具有非常良好的吸收氮磷效果，可以实现有效的水质净化机能。
实施例5
适用植物：香椿、月季、茉莉、豌豆、芦荟、勋章菊等等
在中国云南省滇池，2004年8月至2005年1月进行了实验。在约3000m2的含有高浓度氮磷的富营养化水域设置2％面积的本项发明的植物浮岛，种植培育了上述植物。实验开始后经过5个月时间，适用水域的水质净化达到以下效果：
            原水   处理水    去除率
总磷        1.815  0.177     90.2％
总氮        12.65  1.45      88.5％
COD         223.8  60.7      72.8％
BOD         28.7   1.2       95.8％
SS          105    19        82％
除了氮磷以外，COD、BOD、SS的去除率也很高，可以看到水质净化效果非常显著。
在工业上利用的可能性
实施根据以上说明的本项发明，在年平均水温0℃以上、具备本项发明采用的各种植物等生存、生长环境条件的、由于生活废水造成富营养化污染的湖泊以及流速缓慢的河川、公园水池、水库等等可以进行有效的水质净化，甚至因为采用废物再生利用制作基本构造部件，有效地达到目前其他水质净化系统几十分之一的实施成本。还有，因为采用陆生植物作为植物群，与水生植物相比净化效果提高了几十倍，而且选择植物的幅度也更加广阔了。就是说，可以选择具有经济效果和收获价值的植物，也可以选择具有吸收重金属等特殊污染成分能力的植物。从而可以期待在水质净化设施上收获经济效益。
另外，本项发明的植物浮岛具有很强的抗风浪性，可以设置在风大浪高的湖面上，还可以铺设浮路便于操作维护管理。
从而，可以在适用水域制作水上农庄、水上公园等，也可制作过滤兼绿化水循环装置，可以充分认识到这是一项具有优越产业利用可能性的发明。

Claims (16)

1.利用各种植物、微生物的水质净化机能，综合改善富营养化污染水域的水质改善系统，其特征在于，该系统包括：在由于排入含有大量氮磷等富营养化成分的生活污水导致湖泊、池塘、河流等污染的水面上设置的植物浮岛，其中栽培和繁殖具有从根部吸收富营养成分、净化水质功能的植物；用于将植物浮岛固定在水底的锚；用于调整植物浮岛在水面上浮力的重锤；以及连接植物浮岛、锚、重锤的连接材料，在植物浮岛本体下部、锚、重锤、和连接材料中选择至少一个并附着具有吸收富营养化成分能力的水生植物与适合水域环境的嗜氧/厌氧微生物，由此在水域表面、水体中间、水域底部同时进行并且获得改善水质效果。
2.如权利要求1所述的利用各种植物、微生物的水质净化机能、综合改善富营养化污染水域的水质改善系统，其特征在于，利用废轮胎和内胎、废弃发泡树脂材料作为植物浮岛的浮力构造部。
3.如权利要求1所述的利用各种植物、微生物的水质净化机能、综合改善富营养化污染水域的水质改善系统，其特征在于，利用废轮胎中心的中空部分填入废发泡树脂等浮力材料的构造，增大浮岛整体的浮力。
4.如权利要求3所述的利用各种植物、微生物的水质净化机能、综合改善富营养化污染水域的水质改善系统，其特征在于，利用废轮胎中心的中空部分填入废发泡树脂等浮力材料的构造，并且使用不锈钢等金属网材料。
5.如权利要求1-4其中之一所述的利用各种植物、微生物的水质净化机能、综合改善富营养化污染水域的水质改善系统，其特征在于，将不锈钢等金属网材料按照废轮胎中心的中空部形状形成凹状。
6.如权利要求4或5所述的利用各种植物、微生物的水质净化机能、综合改善富营养化污染水域的水质改善系统，其特征在于，不锈钢等金属网状材料和废轮胎表面之间用缓冲材料形成2～5cm左右空间配置缓冲材料。
7.如权利要求4-6其中之一所述的利用各种植物、微生物的水质净化机能、综合改善富营养化污染水域的水质改善系统，其特征在于，作为利用废轮胎中心的中空部分填入废发泡树脂等浮力材料的构造，用螺钉和螺帽等固定手段将装在中空部浮力材料上下的金属网材牢固固定。
8.如权利要求1-7其中之一所述的利用各种植物、微生物的水质净化机能、综合改善富营养化污染水域的水质改善系统，其特征在于，将废弃发泡树脂等浮力材料装入具有通气性和伸缩性的袋子里之后，再用不透水的天然橡胶材料袋包装，然后将其填充于废轮胎内部。
9.如权利要求1-8其中之一所述的利用各种植物、微生物的水质净化机能、综合改善富营养化污染水域的水质改善系统，其特征在于，所有的植物浮岛本体下部、锚、重锤、连接材料都由尽可能大面积接触水面的材料构成，因此得以最大限度地发挥各种植物和微生物的水质净化功能。
10.如权利要求1-9其中之一所述的利用各种植物、微生物的水质净化机能、综合改善富营养化污染水域的水质改善系统，其特征在于，锚采用表面多孔质石材，为了易于固定于水底，采用钩状或锐角状。
11.如权利要求1-10其中之一所述的利用各种植物、微生物的水质净化机能、综合改善富营养化污染水域的水质改善系统，其特征在于，重锤为表面多孔质石材。
12.如权利要求1-11其中之一所述的利用各种植物、微生物的水质净化机能、综合改善富营养化污染水域的水质改善系统，其特征在于，
截取一部分污水水域或者顶端部分作为多阶段净化水槽，
在污水处理入口处将处理原水按照各个净化水槽顺序有效进行逐步水质净化，利用净化水槽阶梯落差设计瀑布状接触型增氧曝气设备，
净化水槽底部铺设适合种植植物和附着繁殖微生物的表面多孔质材料，
选择适合处理原水特征的具有水质净化功能的各种植物和微生物，
设置避免原水和处理水混合的水域，以及
整个水质净化处理过程设计上完全不使用人工能源。
13.如权利要求1-12其中之一所述的利用各种植物、微生物的水质净化机能、综合改善富营养化污染水域的水质改善系统，其特征在于，作为具有水质净化功能的植物，选择适合水培、吸收氮磷能力高、易于管理、具有收获价值以及对周围生态环境不产生负面影响，适合景观与气候风土的植物品种。
14.如权利要求13所述的利用各种植物、微生物的水质净化机能、综合改善富营养化污染水域的水质改善系统，其特征在于，作为具有水质净化功能的植物，选择玫瑰类、食用蔬菜的香椿、彩叶草、红麻等。
15.如权利要求1-14其中之一所述的利用各种植物、微生物的水质净化机能、综合改善富营养化污染水域的水质改善系统，其特征在于，作为具有水质净化机能的微生物，选择分解蛋白质和脂肪的菌类、分解植物性纤维的菌类、固化空气和水中氮素的菌类、嗜盐菌类等，根据水域水质情况，以1种或多种组合配方。
16.如权利要求15所述的利用各种植物、微生物的水质净化机能、综合改善富营养化污染水域的水质改善系统，其特征在于，作为分解蛋白质和脂肪类的菌类，采用曲霉菌、毛霉菌、枯草芽孢杆菌；作为分解植物性纤维的菌类，采用含有丰富纤维素酶的产甲烷菌和热解纤芽孢杆菌；作为固化空气和水中氮素的菌类，采用星孢芽孢杆菌和巴斯德梭菌；作为嗜盐菌，采用好盐性酵母类菌Torulaarten和卡尔斯伯酵母。
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