CN102531192A - 一种自持式景观修复生态浮岛装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及环境工程和水处理技术，旨在提供一种自持式景观修复生态浮岛装置。该装置包括由浮床和种植于浮床之间的水生植物组成的浮岛，还包括光催化飘带和以太阳能系统实现供电的曝气装置；光催化飘带包括沉入水面以下的水平装载主体，其底部布设若干用于水体流通的孔，负载光催化剂的载体材料固定于表面，四周设溢流堰。曝气装置包括曝气管道和电机。本发明结合光催化技术、生态浮岛技术和太阳能技术优势去除富营养化水体中的有机物和氮磷，同时通过光催化技术将水体中硝酸盐氮和氨氮转化为氮气，减少氮素污染物积累及阻断硝酸盐转化为亚硝酸盐或铵，并采用曝气装置增加水体中的溶解氧，增强水体自净能力，达到较好的修复富营养化水体。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于修复富营养化水体的自持式景观修复生态浮岛装置，属于环境工程和水处理技术领域。
背景技术
随着我国经济的快速发展，大量工业废水、生活污水中的有机污染物排放，导致湖泊等水体中氮磷营养物盐含量过高，引起水体富营养化，进而导致水生生态系统紊乱、藻类爆发，水生生物种类减少，生物多样性受到破坏。
目前主要采用物理法、化学法和生物法处理富营养化水体。物理法包括机械过滤、底泥疏浚、高压放电、水位调节、超声波、吸附法、曝气等。物理方法见效快，但大多耗时，费用高，操作困难，不易大规模实施，且只能暂时解决富营养化问题，因此应用不多。化学法即通过投加CuSO4、高锰酸盐、液氯、C1O2和H2O2等化学药剂修复富营养化水体，该方法操作简单，可在短时间内取得明显的处理效果，提高水体透明度，但加入的化学药剂本身具有二次污染，对其他水生生物产生毒性。因此该法仅用于应急处理。生物法主要包括水生植物修复技术、水生动物修复技术、微生物抑藻技术和光合细菌技术等，生物法投资低、能持续发挥和强化水体污染净化作用、副作用小等优点，但需要控制水生植物的种植密度及修复工程的生态安全性，而光合细菌属光能自养菌，不含有硝化及反硝化菌种、去除率低。
光催化技术反应条件温和、选择性好，不受污染物浓度限值，可通过一系列氧化还原去除含氮污染物。利用半导体光催化技术修复富营养化水体是近年来水体治理的新领域。
光催化氧化-生物浮床除藻技术装置(CN101723555A)叙述了一种包括光催化氧化装置、浮体和生物浮床等的装置，其在除藻、杀死细菌、降解有机物等方面效果较好，但不能将水体中的硝酸盐氮、氨氮污染物转化为氮气，不能有效地降低水中的总氮量。太阳能生物浮床净化富营养化水体装置(CN102107948A)叙述了一种包括太阳能装置、太阳能电板和生物浮床的装置，其太阳能只是增加了水体中溶解氧，但不能有效去除富营养化水体中的难降解有机物及氮素污染物。
然而，仅仅利用半导体作为光催化剂时，因其产物大多是硝酸根、亚硝酸根、氨等之间的转换，难以转换为氮气，不能很好地脱除水体中的总氮污染物。柳丽芬等(Ag/TiO2光催化氧化还原反应脱除水体中无机氮，感光科学与光化学，2006，24(4)：291-300；以ACF为模板制备掺氮TiO2及其光催化脱氨氮研究，感光科学与光化学，2005，23(5)：374-381；纳米TiO2薄膜耦合光催化氧化还原反应脱除水体中无机氮，感光科学与光化学，2006，(1)：17-27)对光催化脱除水体中的无机氮进行了系统研究，研究表明可以利用活性碳纤维做模板制备的高活性氮掺杂TiO2实现氨氮的日光光催化脱除，氨氮脱除率可达47％，其中总氮去除率达38％，在紫外光条件下氨氮和总氮的去除率进一步增大；而金属掺杂催化剂可以实现紫外光照射下高效的氧化和还原反应的耦合，同时脱除水体中氧化态氮和还原态氮。陈晓慧(硫化镉/二氧化钛光催化去除水体无机氮的研究，硕士学位论文，大连理工大学，2006)通过对TiO2进行改性制备复合纳米颗粒催化剂，并用其进行了紫外光、日光灯和太阳光全波长光催化去除水中氨氮和其他形式无机氮的对比实验研究，成功地将氧化态和还原态的无机氮耦合去除，产物以氮气等气态产物为主，达到去除污染物而不产生二次污染的目的。
因此，生物法与改性TiO2光催化剂结合修复富营养化水体前景广阔。
发明内容
本发明要解决的主要问题是，克服现有技术中的不足，提供一种用于修复富营养化水体的自持式景观修复生态浮岛装置，形成一套集水体修复效率高、适用性广、节约能源、景观效果好为一体化的装置。
本发明中的自持式景观修复生态浮岛装置修复富营养化水体思路为：(1)在生态浮岛上种植水生植物，利用其根系增加水体与氧的接触面积，加强水体氧化能力，净化水质，同时根系释放出能降解有机物的分泌物，可加速有机污染物的分解，且根系能吸收、吸附水体中的氮磷等营养物，并采用人工土壤作为水生植物填料，吸收并降解水体中的总氮、总磷等污染物；(2)利用负载到载体上的新型光催化剂将水体中硝酸盐氮及氨氮转化为氮气，减少氮素污染物的积累及阻断硝酸盐转化为亚硝酸盐或铵；(3)利用太阳能装置为曝气装置提供绿色能源，增加水体中的溶解氧，增强水体自净能力；(4)利用太阳能发电系统为生态浮岛主体上安装的景观灯提供绿色电力，同时又能营造视觉美感。
本发明解决其技术问题的方案如下：
提供一种自持式景观修复生态浮岛装置，包括由浮床和种植于浮床之间的水生植物组成的浮岛，其特征在于，该生态浮岛装置还包括光催化飘带和以太阳能系统实现供电的曝气装置；
所述光催化飘带包括沉入水面以下2～6cm的水平装载主体，其一端与浮岛外沿通过绳索连接；水平装载主体的底部布设若干用于水体流通的孔，负载光催化剂的载体材料固定于水平装载主体表面；水平装载主体的四周设溢流堰，溢流堰顶端高出水面2～10cm；
所述曝气装置包括曝气管道和电机，电机位于浮岛上，曝气管道围绕浮岛外沿安装于水面以下；所述太阳能系统包括太阳能电池组、太阳能控制器和蓄电池。
本发明中，还包括若干直流LED景观灯，LED景观灯布设于浮岛外沿的水面以下或浮岛之上。
本发明中，所述光催化飘带均匀间隔布置，且距离浮岛的外沿5～20cm。
本发明中，所述水平装载主体底部的通孔，其孔径为0.5～2cm，孔间距为5～20cm。
本发明中，所述光催化飘带装载的可见光催化剂选择采用金属Cu、Fe、Pd、Ag、Pt或非金属C、N、S修饰过的颗粒状或管状的TiO2催化剂。比如选用硝酸盐降解过程中氮气选择性高的Cu-TiO2、Pd-TiO2、Ag-TiO2、Fe-TiO2、C-TiO2和能将氨氮氧化成氮气的Pt-TiO2和Pt-TNTs(钛纳米管)中的一种或几种。
本发明中，所述太阳能系统中的蓄电池是磷酸铁锂蓄电池、硅能蓄电池或全钒液流储能电池。
本发明中，所述曝气装置的曝气量换算成DO应在2～5mg/L，曝气装置的气水比为0.5～10m3/m3，曝气装置采用间歇曝气，3～5h曝气一次，每次曝气1～2h。
本发明中，所述浮床之间布设若干镂空的种植篮，在镂空篮中装有人工土壤系统填料，所述水生植物的根系包裹于人工土壤系统填料之中；所述人工土壤系统填料为：生物质碳、硅藻土、石英砂、生物陶粒、煤渣中的一种或几种，其中所述的生物质碳为桑枝、稻壳、秸秆碳化产品中的一种或几种；填料层上部为生物质碳或硅藻土，厚度为5～10cm；中间为石英砂，厚度为5～15cm；底部为生物陶粒或煤渣，厚度为4～15cm，人工土壤总的厚度在15～25cm。
本发明中，所述水生植物在夏季时选择西伯利亚鸢尾、常绿水生鸢尾、黑麦草与薏苡或黄菖蒲、水芹搭配；在秋冬季时选择西伯利亚鸢尾、高羊茅、常绿水生鸢尾与黄菖蒲、红梗叶甜菜、埃及莎草搭配或种植禾本科植物花叶芦竹、斑茅。
本发明技术方案的突出特点和显著进步体现在：
(1)结合光催化技术、生态浮岛技术和太阳能技术优势，即利用生态浮岛技术去除富营养化水体中的有机物和氮磷，同时通过光催化技术将水体中硝酸盐氮和氨氮转化为氮气，减少氮素污染物积累及阻断硝酸盐转化为亚硝酸盐或铵，并采用曝气装置增加水体中的溶解氧，增强水体自净能力，达到较好的修复富营养化水体。
(2)利用太阳能电池板将太阳能转化成直流电，同时采用太阳能控制器控制蓄电池过充电和过放电，延长其使用寿命；富余的电力储存于蓄电池，以备阴雨天时使用。
(3)利用太阳能发电系统为生态浮岛主体上安装的景观灯提供绿色电力，景观灯不仅营造美感，又节约能源。
(4)人工土壤系统采用生物质碳、硅藻土、石英砂、生物陶粒、煤渣作为填料，可有效降解水体中氮磷污染物及COD。
(5)节约能源，充分利用太阳能技术为景观灯照明提供电力，增加视觉美感；本发明是具有创新性、实用性的技术。
附图说明
图1为本发明的俯视图；
图2为本发明的纵剖面示意图。
附图标记为：1光催化飘带、2太阳能系统、3浮床、4曝气装置、5水生植物、6人工土壤系统填料、7LED景观灯、8溢流堰、9绳索、10负载光催化剂、11镂空篮。
具体实施方式
本发明中的自持式景观修复生态浮岛装置的特点是：
(1)光催化飘带包括溢流堰、负载光催化剂，分别连接在浮岛主体水面下约2～6cm处，四周均设置溢流堰，催化剂负载后固定于光催化飘带表面从而光催化降解水中污染物。
(2)浮岛上布置有太阳能系统、水生植物、人工土壤和景观灯；景观灯安装在生态浮岛上，采用LED景观灯，利用绿色能源，并增加美感。
(3)太阳能系统安装在浮岛上部空间外围，包括太阳能电池组、太阳能控制器和蓄电池；曝气装置包括电机和曝气管道，其中管道通过浮岛外沿安装在浮岛底部，电机安置在浮岛上，增加水体中的溶解氧、增强水体自净能力。太阳能系统为曝气装置提供绿色电力，增加水体中的溶解氧，增强水体自净能力。
本发明技术方案进一步叙述如下：
①光催化飘带位于生态浮岛主体周围水面下2～6cm处，通过绳索将其与浮岛主体连接，其四周均设置溢流堰防止光催化剂流出，溢流堰高出水面2～10cm；光催化飘带底部打孔，孔径为0.5～2cm，孔间距为5～20cm；光催化剂负载到载体上，固定于光催化飘带中。
光催化飘带中的可见光催化剂选择采用金属Cu、Fe、Pd、Ag、Pt或非金属C、N、S修饰过的颗粒状或管状的TiO2催化剂。比如选用硝酸盐降解过程中氮气选择性高的Cu-TiO2、Pd-TiO2、Ag-TiO2、Fe-TiO2、C-TiO2和能将氨氮氧化成氮气的Pt-TiO2和Pt-TNTs(钛纳米管)中的一种或几种；光催化剂负载为玻璃纤维网；负载方式为浸渍-干燥-烧结联合法。
②浮岛主体分为内、中、外三部分，内、中部约占浮岛面积的2/3～4/5，内层种植吸附氮磷等有机污染物性能较强的观花水生植物，中间种植吸附氮磷等有机污染物性能较强的观叶水生植物；浮岛主体上部空间外围均匀布置太阳能系统和曝气装置，其余部分种植水生植物；水生植物根部包裹后放于镂空的种植篮中，并在种植篮中填入人工土壤系统填料。
可以选择去污能力强、观赏价值高、四季常绿的水生植物并合理搭配植物。夏季可选择西伯利亚鸢尾、常绿水生鸢尾、黑麦草与薏苡或黄菖蒲、水芹搭配；秋冬季可选择西伯利亚鸢尾、高羊茅、常绿水生鸢尾与黄菖蒲、红梗叶甜菜、埃及莎草搭配或种植禾本科植物如花叶芦竹、斑茅等；种植密度为9～20株/m2；栽植西伯利亚鸢尾、常绿水生鸢尾、薏苡或红梗叶甜菜时孔径为10～20cm，孔距9～15cm；栽植埃及莎草、芦竹、高羊茅、斑茅或黄菖蒲等时孔径为8～15cm，孔距6～12cm；观花植物与观叶植物搭配时孔距6～20cm。
人工土壤系统填料为生物质碳、硅藻土、石英砂、生物陶粒、煤渣中的一种或几种，人工土壤系统填料中生物质碳吸附剂为桑枝、稻壳、秸秆碳化产品中的一种或几种。填料层上部为生物质碳或硅藻土，厚度为5～10cm；中间为石英砂，厚度为5～15cm；底部为生物陶粒或煤渣，厚度为4～15cm，人工土壤总的厚度在15～25cm。
选用直流LED景观灯，其安装在浮岛主体四周与水面接触位置，LED景观灯选用灯面直径为12cm或18cm，每盏灯间距10～20cm。
③太阳能系统中蓄电池采用磷酸铁锂蓄电池、硅能蓄电池或全钒液流储能电池。太阳能电池功率必须比负载功率高出4倍以上系统才能正常工作；蓄电池容量必须比负载日耗电量高出3倍以上(西部地区)，南方地区要高出5倍以上。
④曝气装置包括曝气管道和电机，电机采用直流、小功率、低压电机，其一端连接太阳能系统，另一端连接曝气管道，曝气管道深入水体部分连接有曝气喷头；电机位于生态浮岛主体上，曝气量换算成DO应在2～5mg/L；曝气设备的气水比在0.5～10m3/m3。管道布设在浮岛下方，采用间歇曝气。
下面结合附图与具体实施例对本发明进一步详细说明，但不作为对本发明涉及的技术方案的限制。
本发明将光催化技术和生态浮岛技术进行组合，并利用太阳能系统提供绿色能源，设计一种自持式景观修复生态浮岛装置，充分利用三者的优点对富营养化水体进行修复，该系统具有效率高、净化彻底、无二次污染、操作灵活、适用范围广、低碳、景观效果好等特点。
如图1、2所示。光催化飘带1分别均匀分布于浮床3四周水面下约2～6cm处，通过绳索将其与浮岛主体连接，距离大约5～20cm，光催化飘带1周围设置溢流堰8，溢流堰高出水面2～10cm，以防止光催化剂流出光催化飘带1，光催化飘带1底部打孔，孔径为0.5～2cm，孔间距为5～20cm。选择可以将无机氮污染物转化为氮气的Cu-TiO2、Pd-TiO2、Ag-TiO2、Fe-TiO2、C-TiO2、Pt-TiO2、Pt-TNTs等作为光催化剂，将其负载到玻璃纤维网10上，投放并固定于光催化飘带1中。因地制宜的选择水生植物5，通过植物根部的吸收吸附以及根系微生物的生物作用，削减富营养化水体中的氮磷及有害污染物，改善水质，减轻水体富营养化程度；观叶植物与观花植物合理搭配，同时，根据季节变化合理搭配水生植物。水生植物5的高度为16～30cm，根部用海绵包裹起来，然后固定到浮岛镂空篮11中，种植密度为9～20株/m2，间距为6～15cm，观花植物与观叶植物搭配时孔距6～20cm；并填充人工土壤6，各填料层厚度不一致，均在4～15cm，总填充深度为15～25cm。
太阳能系统2均匀分布于浮床3上，包括太阳能电池板、控制器和蓄电池，太阳能系统2为曝气装置4和景观灯7提供绿色能源，曝气装置4能增加水体中的溶解氧，增强水体自净能力，同时，景观灯7能增加整个生态浮岛的美感。人工土壤系统填料6是水生植物5的填料，可以因地制宜选择吸附性能好、价格便宜的填料，富营养化水体经人工土壤系统填料6去除总氮、总磷及有机物等污染物。水生植物、人工土壤、太阳能系统、曝气装置要合理布置，防止以上系统的重量大于浮岛载体的浮力。
在实践基地进行小试，实践基地为玻璃温室，其通风效果良好。取某一富营养化水体放于面积为5m2的长方形水槽中，将4m2的浮岛装置放置于其中，并采用曝气量为3.5mg/L的曝气机进行水体充氧，水生植物选择西伯利亚鸢尾、芦竹、黄香蒲，其间距为12cm，选择Pd-TiO2、Ag-TiO2、Pt-TiO2、Pt-TNTs等作为光催化剂，以及自上而下分别填充5cm厚桑枝、9cm厚硅藻土、6cm厚生物陶粒作为人工土壤。
小试自持式景观修复生态浮岛装置的出水水质如表1所示，数据为装置运行24h后，处理效率稳定时的数据平均值。
表1小试水质监测数据
实施例1：
在某一富营养化的城市公园水域，用帆布围成面积约800m2水域，浮岛规模160m2，浮岛覆盖工程区水面20％。先将高度为16～30cm的西伯利亚鸢尾、斑茅、薏苡的根部用海绵包裹起来，然后固定到浮岛镂空篮中，其间距为15cm，并填充桑枝、硅藻土和陶粒，各填料层厚度分别5、8、5cm，总填充深度为18cm，植物种植密度为15株/m2；光催化飘带位于水面下2cm，溢流堰高度为3cm，用绳索将光催化飘带与浮岛主体连接，间距为10cm，其底部打直径为1cm的小孔，孔间距为10cm，然后将负载到玻璃纤维网的Cu-TiO2、Fe-TiO2、Pt-TiO2、C-TiO2光催化剂固定于光催化飘带中降解无机氮污染物；将太阳能电池板制成伞状，安装在生态浮岛的外围，用磷酸铁锂蓄电池储存电量；太阳能发电量为50～100kWh/d，每天耗电量10～25kWh。曝气装置安置在浮岛外围，用曝气量为3.5mg/L的曝气机进行水体充氧；并在浮岛上部空间外围一侧安装LED灯，间距为20cm。浮岛工程建成后，植物迅速生长，形成一道美丽的城市景观。
本装置运行一周后，水质数据如表2。
表2水质监测数据
实施例2：
在某一富营养化的城市河道，用帆布围成长100m、宽约10m的水域，浮岛规模240m2，浮岛覆盖工程区水面24％。先将高度为16～30cm的西伯利亚鸢尾、埃及莎草、芦竹、黄香蒲的根部用海绵包裹起来，然后固定到浮岛镂空篮中，镂空篮间距为10cm，其填充稻壳、石英砂和煤渣，各填料层厚度分别6、7、6cm，总填充深度为19cm，植物种植密度为13株/m2；光催化飘带位于水面下2cm，溢流堰高度为3cm，用绳索将光催化飘带与浮岛主体连接，间距为15cm，其底部打直径为1cm的小孔，孔间距为15cm，然后将负载到玻璃纤维网的Ag-TiO2、Pd-TiO2、Pt-TNTs、N-TiO2光催化剂固定于光催化飘带中还原去除无机氮污染物；将太阳能电池板制成蘑菇形状，安装在生态浮岛的外围，用全钒液流储能电池储存电量；太阳能发电量为60～110kWh/d，每天耗电量20～30kWh；曝气装置安置在浮岛外围，用植物加以掩盖，用曝气量为4mg/L的曝气机进行水体充氧；并在浮岛上部空间外围一侧安装LED灯，间距为15cm。本装置建成后，其植物生长迅速，植物与本装置其他系统相互映衬，形成一道亮丽的城市风景。
本装置运行一周后，水质数据如表3。
表3水质监测数据
综上所述，自持式景观修复生态浮岛装置能高效去除富营养水体中的污染物。该装置充分利用浮床的灵活性，可应用于不同污染程度、不同位置的水域，安装和操作简单，污染水体得到原位修复，节约占地；光催化系统利用负载到载体上的光催化剂将水中硝酸盐氮和氨氮转化成氮气；利用太阳能装置提供绿色能源为曝气装置提供绿色能源，增加水体中的溶解氧，增强水体自净能力；太阳能发电系统为景观灯提供绿色电力，既节约能源，又营造美感；此外，本装置在富营养化水体修复过程中无二次污染产生，构建了一个健康的水体生态系统，是一种具有普遍实用性的高效处理技术。
需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种自持式景观修复生态浮岛装置，包括由浮床和种植于浮床之间的水生植物组成的浮岛，其特征在于，该生态浮岛装置还包括光催化飘带和以太阳能系统实现供电的曝气装置；
所述光催化飘带包括沉入水面以下2～6cm的水平装载主体，其一端与浮岛外沿通过绳索连接；水平装载主体的底部布设若干用于水体流通的孔，负载光催化剂的载体材料固定于水平装载主体表面；水平装载主体的四周设溢流堰，溢流堰顶端高出水面2～10cm；
所述曝气装置包括曝气管道和电机，电机位于浮岛上，曝气管道围绕浮岛外沿安装于水面以下；所述太阳能系统包括太阳能电池组、太阳能控制器和蓄电池。
2.根据权利要求1所述的生态浮岛装置，其特征在于，还包括若干直流LED景观灯，LED景观灯布设于浮岛外沿的水面以下或浮岛之上。
3.根据权利要求1或2中所述的生态浮岛装置，其特征在于，所述光催化飘带均匀间隔布置，且距离浮岛的外沿5～20cm。
4.根据权利要求1或2中所述的生态浮岛装置，其特征在于，所述水平装载主体底部的通孔，其孔径为0.5～2cm，孔间距为5～20cm。
5.根据权利要求1或2中所述的生态浮岛装置，其特征在于，所述光催化飘带装载的可见光催化剂是：采用金属Cu、Fe、Pd、Ag、Pt或非金属C、N、S修饰过的颗粒状或管状的TiO2催化剂中的至少一种。
6.根据权利要求1或2中所述的生态浮岛装置，其特征在于，所述太阳能系统中的蓄电池是磷酸铁锂蓄电池、硅能蓄电池或全钒液流储能电池。
7.根据权利要求1或2中所述的生态浮岛装置，其特征在于，所述曝气装置的曝气量换算成DO应为2～5mg/L，曝气装置的气水比为0.5～10m3/m3，曝气装置采用间歇曝气，3～5h曝气一次，每次曝气1～2h。
8.根据权利要求1或2中所述的生态浮岛装置，其特征在于，所述浮床之间布设若干镂空的种植篮，在镂空篮中装有人工土壤系统填料，所述水生植物的根系包裹于人工土壤系统填料之中；所述人工土壤系统填料为：生物质碳、硅藻土、石英砂、生物陶粒、煤渣中的一种或几种，其中所述的生物质碳为桑枝、稻壳、秸秆碳化产品中的一种或几种；填料层上部为生物质碳或硅藻土，厚度为5～10cm；中间为石英砂，厚度为5～15cm；底部为生物陶粒或煤渣，厚度为4～15cm，人工土壤总厚度在15～25cm。
9.根据权利要求1或2中所述的生态浮岛装置，其特征在于，所述水生植物在夏季时选择西伯利亚鸢尾、常绿水生鸢尾、黑麦草与薏苡或黄菖蒲、水芹搭配；在秋冬季时选择西伯利亚鸢尾、高羊茅、常绿水生鸢尾与黄菖蒲、红梗叶甜菜、埃及莎草搭配或种植禾本科植物花叶芦竹、斑茅。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120704 |