CN104628151A - 一种河道水质净化人工水草 - Google Patents

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Abstract

一种河道水质净化人工水草，包括网箱和本体，本体连接在网箱上；本体由外侧多孔纤维素载体和中间充气泡膜组成，外侧多孔纤维素载体分为上层多孔纤维素载体和下层多孔纤维素载体，上层多孔纤维素载体的孔径大于下层多孔纤维素载体的孔径；网箱中装有水生植物生长填料。该人工水草结构设计合理，安装简易，制作成本低，无需人工曝气，运行成本低，比表面积大，采用改性天然纤维，生物挂膜理想，菌-藻-水生植物复合净化水质，净化效能高，是一种方便、经济、环保、节能的人工水草。

Description

一种河道水质净化人工水草
技术领域
本发明涉及一种用于河道水质净化的人工仿真水草，对河流、湖泊等具有良好的水质净化效果，属于人工水草技术领域。
背景技术
原位生态修复技术法用于改善污染河流、湖泊水质具有处理效果好、运行成本低等优点，近年来得到迅猛发展。目前主要采用的原位生态处理技术主要有曝气法、投菌法、人工湿地等方法，但曝气法电耗较高，投菌法的特种细菌获得及是否能成长为优势菌目前还是待解决的问题，人工湿地法的应用也受到河道地形及水利特点的限制。生物接触氧化法是在天然河道上设置填料床，依靠填料上附着的生物膜微生物的新陈代谢机制来净化水体水质，适宜于河流、湖泊等水体自净。人工水草技术是生物接触氧化法应用的拓展，该技术将仿真水草应用河道、湖泊等水体，使水体净化过程更具生态性。
现有人工水草技术在应用于水污染控制工程领域时还存在一些问题和不足。中国专利文献CN2820849Y公布了一种人工净水草，但该人工净水草需人工曝气、跌水工艺进行水体充氧，且水草生态系统单一，仅靠菌类完成污水的净化，系统净化效率低；专利CN202046932U公布了一种水质净化用人工水草，该水草包括上段生物填料和下段生物填料及固定装置组成，但该水草在水体安装采用垂挂状态，安装不方便，且对通航和行洪造成不利影响；CN101254975A公布了一种人工仿真水草的制造方法及应用，该水草采样三层复合结构，中间为轻质泡沫，两侧为混合纤维层，上设浮球，下设沙袋，结构复杂，对水体行洪及通航不利，且实际应用时仿真水草的生态系统单一，影响处理效果。总之，现有人工水草选用的载体多为有机合成材料，其生物亲和性和亲水性较差，应用时载体挂膜缓慢，运行稳定性能较差；一些人工水草直接用条块状预制混凝土固定，与河道底质的生态相容性差；人工水草的微孔设计未考虑细菌、藻类微生物的生长特点，也未考虑细菌、藻类、天然水草及水生生物复合生态系统的净化功能，实际运行时净水效能低下。
发明内容
本发明针对现有人工水草技术存在的不足，提出一种使用方便、成本低、易于安装固定、比表面积大、挂膜理想、净水效能高的河道水质净化人工水草。
本发明的河道水质净化人工水草，采用以下技术方案：
该人工水草，包括网箱和本体，本体连接在网箱上；本体由外侧多孔纤维素载体和中间充气泡膜组成，外侧多孔纤维素载体分为上层多孔纤维素载体和下层多孔纤维素载体，上层多孔纤维素载体的孔径大于下层多孔纤维素载体的孔径；网箱中装有水生植物生长填料（陶粒、粘土等）和水草种子。
本体的底部设置有无纺布，无纺布的两端设有套环。
网箱的上表面设置有挂钩。网箱的空隙直径为0.5-2cm。
所述多孔纤维素载体采用以下方法制备的改性多孔纤维素载体：
将干燥的芦苇杆切成长10-20cm杆段，除砂后进入蒸球，在蒸球中加入芦苇质量15%的亚硫酸钠、1.0%的甲醛和0.06%的蒽醌，在蒸球内混合后加热至160℃-180℃，反应2小时后，用清水漂洗，将漂洗后所得纤维素烘干至含水率10-20%后，加入质量分数80-90%的氯化锌溶液，在50-100转/分钟的转速下搅拌至纤维素溶解，加入聚酯纤维作为增强骨架，再加入成孔剂，搅拌均匀后，注入模具成型；最后在温水中水洗固化1-2天，使纤维素溶剂溶出，同时使成孔剂溶出形成微孔；然后，经冷冻干燥制得纤维素材料，再将纤维素制品浸入阳离子淀粉改性剂溶液中，升温至60℃，并保持30分钟，加入氢氧化钠，形成质量浓度为1-2%碱液，反应30分钟，然后取出水洗，晾干得到改性多孔纤维素载体。
上述人工水草通过本体漂浮于水体中，通过网箱加以固定。放入河床以后，网箱中的水草种子萌发，水草根穿透网箱底部，水草生长，依靠天然水草的根部和网箱的双重作用，水草固定在岸边或河床中。本体中的多孔纤维素载体的上部微孔孔隙大适宜附着微藻生长，下部微孔孔隙小，适宜细菌附着生长，另外，针对不同的水质特点，下部微孔大孔隙与小孔隙按一定比例进行布置，分别为生物膜上的氨化菌、硝化菌等自养型细菌和反硝化菌等异养型菌创造适生环境，有效去除水体中的氮、磷、有机物等污染物。水草种子的主要作用是利用水草的根部将沙袋牢牢的固定在河床上，网箱就不会因为水力冲刷而移动，影响人工水草对水质的净化效果。
本发明结构设计合理，安装简易，制作成本低，无需人工曝气，运行成本低，比表面积大，采用改性天然纤维，生物挂膜理想，利用菌-藻-水生植物复合生态系统净化水质，净化效能高，是一种方便、经济、环保、节能的人工水草。
附图说明
图1是本发明河道水质净化人工水草的结构示意图。
其中：1、网箱，2、本体，3、无纺布，4、套环，5、挂钩，6、水草，7、水草根，8、填料，9、天然水草种子。
具体实施方式
如图1所示，本发明的河道水质净化人工水草，包括网箱1和本体2，本体2连接在网箱1上。本体2的底部设置有无纺布3，无纺布1的两端设有套环4，网箱1的上表面设置有挂钩5，套环4与挂钩5搭扣在一起，将本体2与网箱1连接在一起。网箱1的上表面至少连接一列本体2。
本体2呈长方形，长80-160cm，宽3-10cm，厚约1-3cm，呈条带状漂浮于水体中。本体2由外侧改性多孔纤维素载体和中间充气泡膜组成，中间充气泡膜夹两侧为改性多孔纤维素载体。充气泡膜由轻质抗老化的改性聚氨酯塑料制成，由多个椭圆形充气袋组成的，确保人工水草本体漂浮于水体中。多孔纤维素载体巨大的比表面积和极低的材料密度，另外在充气膜作用下，整个本体2放置在水中时会产生较大的浮力。
本体2外侧的多孔纤维素载体分为上层多孔纤维素载体和下层多孔纤维素载体，上层多孔纤维素载体的孔径大于下层多孔纤维素载体的孔径。多孔纤维素载体由芦苇杆经蒸煮获得纤维素、纤维素溶解制孔、冷冻干燥及阳离子改性制备而成，生物兼容性好，易于挂膜，能有效去除水体中的氮、磷、有机质等污染物，克服了现有人工水草成本过高、生物膜量不足等问题。多孔纤维素载体采用改性多孔纤维素载体，其制备具体方法为：将干燥的芦苇杆切成10-20cm杆段，风力除砂进入蒸球，在蒸球中加入15%的亚硫酸钠、1.0%的甲醛和0.06%的蒽醌，在蒸球内混合后加热至160℃-180℃，反应2小时后，用清水反复漂洗后，将漂洗后所得纤维素烘干至含水率10-20%后，加入质量分数80-90%的氯化锌溶液，在50-100转/分钟的转速下搅拌至纤维素溶解，加入一定长度的成品聚酯纤维作为增强骨架，再加入成孔剂，搅拌均匀后，注入磨具成型；最后在温水中水洗固化1-2天，使纤维素溶剂溶出，同时使成孔剂溶出形成微孔。然后，经冷冻干燥制得纤维素材料，再将纤维素制品浸入含有一定量的阳离子淀粉改性剂溶液中，升温至60℃，并保持30分钟，加入氢氧化钠，形成质量浓度为1-2%碱液，反应30分钟，然后取出水洗，晾干即可完成载体的阳离子改性。通过改变增强骨架纤维长度、成孔剂加入量及搅拌强度，可控制生成多孔纤维素载体的微孔孔径大小。
改性多孔纤维素载体为多孔的网状结构，厚度为1-3mm，结构松散，载体的密度小于水的密度，载体的孔隙率约为85%，比表面积较大。由顶部向下约30cm-50cm位置为上层多孔纤维素载体。上层多孔纤维素载体的微生物附着面积可达200-300m2.m-2，平均孔径500-800μm之间，暴露于水体上方，上方阳光充足，温度、溶氧等条件适宜生长微藻，藻膜冲刷量在10%以下。载体的孔径较大、抗冲刷能力强等特性解决了河流上层水体流量大、藻类易流失的问题，为微藻提供适宜、稳定的生长空间，形成微藻层，微藻层对氮、磷具有较好的去除效果，尤其是对磷的去除。在去除水体氮、磷等污染物的同时，增加了本体局部环境溶解氧含量，有利于硝化细菌及其他异养细菌的生长，有利于BOD的去除及氨氮的硝化。
由30-50cm处到人工水草底部为下层多孔纤维素载体，下层多孔纤维素载体的微生物附着面积在300-500m2.m-2，该纤维层主要分布大、小类孔径，分别适宜自养微生物和异养微生物的生长，大孔径尺寸为100-400μm，小孔径尺寸为5-50μm，大孔径和小孔径均匀布置，大孔径与小孔径所占比例可根据水体氨氮、COD浓度进行调节。针对氨氮浓度在10-25mg/L、COD浓度60-100mg/L的因生活污水排放而污染的水体，大、小孔径所占面积比为3：1-4:1，增加适宜自养微生物生长的附着面积，强化氨氮的去除；针对氨氮含量10mg/L以下，COD浓度30-100mg/L的河道水体，大、小孔径所占面积比为1：1-2:1，增加适宜异养微生物生长的附着面积，增强有机物的去除。另外，微生物膜本身形成的由外到内的溶解氧逐渐递减，也形成了生物膜好氧至缺氧、再到厌氧的微环境，在去除水体有机物的同时，强化了对水体氮、磷的去除。下层载体的孔径变小，比表面积增大，生物膜量较大，膜厚达到0.5-3mm左右，下层水流流速小、污染物含量高，需要大量的微生物，下层空间的构造正好迎合了这一特点。来自上层的微藻和底部网箱1中生长的天然水草提供的氧气，使表层生物膜保持较高的生物活性，提高了载体比表面积的有效利用率。
本体2的设计能够营造平缓的水流环境，加速悬浮物沉淀；其次悬浮物在与本体表面的碰撞促使其充分沉降，再通过本体表面的生物絮凝作用，使悬浮物被吸附最终随生物膜脱落降至网箱1，再通过网箱1内砂粒、水生植物构建的丰富生态系统进一步降解。
连接在本体2下方的网箱1为50cm*25cm*25cm的长方体，采用加入抗氧化剂的苯乙烯类聚合物制成，具有抗老化、耐腐蚀的优良特性，网箱1表面镂空，空隙直径约0.5-2cm。网箱1内装有天然水草的种子9，以及沙砾、种植粘土、陶粒、活性炭等填料8，平均密度大于2.0×103 kg/m3。在网箱1放入河床以后，网箱1中的天然水草种子萌发，水草6生长，水草根7穿透网箱1底部，并根置于河道水体底泥。整个人工水草系统即依靠天然水草的根部和网箱1的双重作用加以固定。
在具体净化河道水质应用上，可根据河道水质特点，灵活设置人工水草的放置密度及长度，确保达到良好的水质。
本发明的人工水草具有以下优点：
1、人工水草投入使用时，在较短的时间内，天然水草种子生长发育，根部发达，根系会深深植入河床，当河流发生洪水或严重的水力冲刷时，人工水草既不会被冲散、堆积，也不会影响泄洪，还能起到固定河床的作用，与混凝土固定方式相比造价低、操作方便、具有良好的生物兼容性。
2、水草的生长，为人工水草本体上附着的生物膜提供了氧气，节省了曝气装置，更有利于河流水质净化生态系统的恢复。
3、人工水草载体与沙袋以对应搭扣的方式连接，方便运输、携带。

Claims (5)

1.一种河道水质净化人工水草，包括网箱和本体，其特征是，本体由外侧多孔纤维素载体和中间充气泡膜组成，外侧多孔纤维素载体分为上层多孔纤维素载体和下层多孔纤维素载体，上层多孔纤维素载体的孔径大于下层多孔纤维素载体的孔径；网箱中装有水生植物生长填料和水草种子。
2.根据权利要求1所述的河道水质净化人工水草，其特征是，所述本体的底部设置有无纺布，无纺布的两端设有套环。
3.根据权利要求1所述的河道水质净化人工水草，其特征是，所述网箱的上表面设置有挂钩。
4.根据权利要求1所述的河道水质净化人工水草，其特征是，所述网箱的空隙直径为0.5-2cm。
5.根据权利要求1所述的河道水质净化人工水草，其特征是，所述多孔纤维素载体采用以下方法制备的改性多孔纤维素载体：
将干燥芦苇杆切成长10-20cm杆段，除砂后进入蒸球，在蒸球中加入芦苇质量15%的亚硫酸钠、1.0%的甲醛和0.06%的蒽醌，在蒸球内混合后加热至160℃-180℃，反应2小时后，用清水漂洗，将漂洗后所得纤维素烘干至含水率10-20%后，加入质量分数80-90%的氯化锌溶液，在50-100转/分钟的转速下搅拌至纤维素溶解，加入聚酯纤维作为增强骨架，再加入成孔剂，搅拌均匀后，注入模具成型；最后在温水中水洗固化1-2天，使纤维素溶剂溶出，同时使成孔剂溶出形成微孔；然后，经冷冻干燥制得纤维素材料，再将纤维素制品浸入阳离子淀粉改性剂溶液中，升温至60℃，并保持30分钟，加入氢氧化钠，形成质量浓度为1-2%碱液，反应30分钟，然后取出水洗，晾干得到改性多孔纤维素载体。
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