CN108946951B - 一种高效净化污染水体的复合生态浮岛装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效净化污染水体的复合生态浮岛装置，该装置由位于水面上方的浮载植物系统、微曝气充氧系统和位于水面下方的生物膜微生物处理系统三部分组成；所述浮载植物系统包括浮岛载体、植物种植篮、水生植物、固定链和锚钩；所述生物膜微生物处理系统由环框、固定扣和阿科蔓生态基组成；所述微曝气充氧系统包括太阳能板、氧气泵、导气管和微孔圆管。本发明复合生态浮岛装置层次清晰明确，提供好氧环境，促进有机污染物降解为无机小分子物质，增强扩大降解微生物群落，从而达到净化污染水体和提高水体生态自净能力的目的。该发明系统结构稳定、环保高效，特别适用于地表污染河道、湖泊水体治理及景观水体的净化等。

Description

一种高效净化污染水体的复合生态浮岛装置

技术领域

本发明属水污染治理及水生态修复工程领域，具体涉及一种高效净化污染水体的复合生态浮岛装置。

背景技术

地表水体污染是全球性的环境问题，随着城市化建设的持续进行，特别是城市河湖水污染问题愈发严重，因此急需高效的水环境治理技术的研究和应用。生态浮岛技术由植物、浮载体、基质等构成，作为一种植物景观效果好、成本低、易维护的水生态治理技术被广泛采用，但传统型的生态浮岛对重富营养化污染水体的治理效果不佳，主要依赖植物根系吸收来去除污染物，效率不高。从而加强生态浮岛技术的净水能力研究成为水污染治理技术和生态修复工程领域的热点和难点。

目前传统生态浮岛在构建时框体多采用PVC管、不锈钢管、木材、毛竹、特殊发泡聚苯乙烯等材料，而将陶粒、蛭石、膨胀珍珠岩、多孔陶瓷、浮石等作为载体或基质，类型组合各异，但局限于简单的松散组合，系统稳定性较差，注重利用水上空间，但对水下系统的构建不多，导致水下空间利用不足，净水能力不强。

部分复合生态浮岛技术也只是给传统生态浮岛配备太阳能板、营养基质、循环系统等等，其系统运行不稳定，构建方式较为复杂，或生产成本较高、净化效率低，且不能有效适应溶解氧含量低的城市黑臭水体，使其应用受到一定的限制。因此，运用复合生态浮岛在传统生态浮岛基础上进行系统重构和功能强化成为发展趋势。

发明内容

本发明目的是克服上述现有生态浮岛技术净化效率低、系统结构松散的问题，将水上系统与水下系统以有机耦合方式，并考虑力学性能要求进行层次递进构建，提供一种高效净化污染水体的复合生态浮岛装置，能有效拓展水下空间布局，保证系统的整体稳定性、净化效率和景观效果。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高效净化污染水体的复合生态浮岛装置，该装置由位于水面上方的浮载植物系统、微曝气充氧系统和位于水面下方的生物膜微生物处理系统三部分组成；

所述浮载植物系统包括浮岛载体、植物种植篮、水生植物、固定链和锚钩；浮岛载体由竖直叠放的不同半径的上、中、下三层圆柱体组成，上、中、下三层圆柱体底面半径依次增大，并由同一条竖直中轴线穿过三层圆柱体底面圆心；下层和中层圆柱体面板上设有上下贯通的圆形孔洞，环绕圆心均匀布置，孔洞中设置网状植物种植篮；所述植物种植篮上面种植水生植物，所述水生植物在生长时根系可达水面以下；所述中层圆柱体的圆形边缘还设有固定链，固定链伸入水面直达水底，固定链底部顶端设有锚钩；所述固定链设有3条，沿浮岛载体中层圆柱体的圆形边缘均匀分布；所述锚钩对应设有3个，以三角点定方式将固定链与浮岛载体的中层圆柱体进行连接。

所述生物膜微生物处理系统由环框、固定扣和阿科蔓生态基组成；环框为圆形框架，分上、下两层，面积与所述浮岛载体的中层圆柱体的底面积相等，环框通过固定扣垂直连接于固定链上；所述环框的上、下层间设有阿科蔓生态基，所述阿科蔓生态基两端固定在环框上，沿环框均匀布置；

所述微曝气充氧系统包括太阳能板、氧气泵、导气管和微孔圆管；太阳能板和氧气泵设于所述浮岛载体上层圆柱体的中央面板上，氧气泵放置于太阳能板组合围成的空间内；氧气泵下端通过导气管与微孔圆管相接，所述微孔圆管固定在下层环框上。

本发明进一步解决的技术方案是，所述浮岛载体的下层圆柱体底面半径不小于1.5m，中层圆柱体底面半径不小于1m，上层圆柱体底面半径不小于0.5m，各层圆柱体高度不小于20cm。本发明的浮岛载体材质为聚苯乙烯，单个圆形孔洞的半径为10cm，植物种植篮中可铺填生态基质，上面种植水生植物，植物在生长时根系可达水面以下，能有效吸收水体中的氮磷等营养物质，快速降低水体污染负荷，固定链和锚钩主要的作用便是使浮岛载体能定点稳定在水面之上，抗击风浪和水流扰动，浮岛植物系统为整个复合生态浮岛提供浮力支撑和植物供养平台。

本发明进一步解决的技术方案是，所述植物种植篮的深度不小于30cm，孔径不小于6mm；所述水生植物的种植密度不小于10株/孔。

本发明进一步解决的技术方案是，所述水生植物为菖蒲、鸢尾、水葱、茭白、花叶芦竹中的任一种。

本发明进一步解决的技术方案是，所述环框为具有弹性的不锈钢材质圆形框架，表面刻有间隔1mm微细螺纹，所述环框上层距水面30-50cm，下层距水面50-100cm。

本发明进一步解决的技术方案是，所述阿科蔓生态基为条带状，并呈下垂状态，宽度为18-25cm。阿科蔓生态基填料为用于生态性水处理的高科技材料，具有高生物附着表面积和孔结构，适合微生物附着成为大面积的微生物群落，通过微生物代谢降解水体中的有机污染物和氮磷等营养物质，有效净化污染水体，极大地增强水体的自净能力。

本发明进一步解决的技术方案是，所述太阳能板由四块相同的梯形面板和一块方形面板组成，梯形面板斜立在四周围成“金字塔式”的开放空间，方形面板覆盖在梯形面板的上方；所述梯形面板和方形面板的面积不小于0.1m²。

本发明进一步解决的技术方案是，所述氧气泵的功率为16-20w，出气量为50 L/分钟。

本发明进一步解决的技术方案是，所述微孔圆管为圆形橡胶环管，外缘通过不锈钢丝固定，微孔圆管表面均匀布置有直径为0.05mm的圆形微孔。微孔圆管作用是可以将氧气泵输入的空气/氧气导流至微孔圆管中逸出，气泡直径为小于50µm的微小气泡，一方面增加水体含氧量，可对水体中的好氧物质进行氧化分解，另一方面增加附着在阿科蔓生态基上的微生物活性及植物根系生长环境，增强微生物和根系降解污染物的能力和效率，提高复合生态浮岛的净水效果。

本发明的有益效果为：

(1) 本发明的一种高效净化污染水体的复合生态浮岛装置，其结构为有机耦合功能模块，层次清晰明确，而又互为不可缺少的统一整体。该发明系统结构稳定、环保高效，特别适用于水深大于0.5m、流速小于0.1m/s受污染的地表水体，如河道、湖泊和景观水体等，且规格、面积大小根据实际场地确定，安装方便灵活。

(2) 本发明复合生态浮岛系统解决了在地表污染水体治理中传统浮岛结构单一、净化效率低的缺陷，同时提供好氧环境，促进有机污染物降解为无机小分子物质，同时增强扩大降解微生物群落，无机物可被微生物和植物吸收同化，从而达到净化污染水体和提高水体生态自净能力的目的。

(3) 本发明的氧气泵用电靠太阳能板维持，节能环保。系统自持性高，能自我可持续发展，后期适当割除死亡腐败的植物残体，维护成本低。植物种植蓝适合大多数水生植物的栽植，不仅植物净化功能较强，且具有很好的景观效果。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的装置俯视图。

图中序号，1-水生植物，2-植物种植篮，3-浮岛载体，4-固定链，5-环框，6-固定扣，7-阿科蔓生态基，8-微孔圆管，9-锚钩，10-太阳能板，11-氧气泵，12-导气管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的发明内容作进一步地说明。

参见图1-2，本发明的一种高效净化污染水体的复合生态浮岛装置，该装置由位于水面上方的浮载植物系统、微曝气充氧系统和位于水面下方的生物膜微生物处理系统三部分组成；

所述浮载植物系统包括浮岛载体3、植物种植篮2、水生植物1、固定链4和锚钩9；浮岛载体3由竖直叠放的不同半径的上、中、下三层圆柱体组成，上、中、下三层圆柱体底面半径依次增大，并由同一条竖直中轴线穿过三层圆柱体底面圆心；下层和中层圆柱体面板上设有上下贯通的圆形孔洞，环绕圆心均匀布置，孔洞中设置网状植物种植篮2；所述植物种植篮2上面种植水生植物1，水生植物1在生长时根系可达水面以下；所述中层圆柱体的圆形边缘还设有固定链4，固定链4伸入水面直达水底，固定链4底部顶端设有锚钩9；

所述生物膜微生物处理系统由环框5、固定扣6和阿科蔓生态基7组成；环框5为圆形框架，分上、下两层，面积与所述浮岛载体3的中层圆柱体的底面积相等，环框5通过固定扣6垂直连接于固定链4上；所述环框5的上、下层间设有阿科蔓生态基7，所述阿科蔓生态基7两端固定在环框5上，沿环框5均匀布置；

所述微曝气充氧系统包括太阳能板10、氧气泵11、导气管12和微孔圆管8；太阳能板10和氧气泵11设于所述浮岛载体3上层圆柱体的中央面板上，氧气泵11放置于太阳能板10组合围成的空间内；氧气泵11下端通过导气管12与微孔圆管8相接，所述微孔圆管8固定在下层环框上。

本实施例中，所述浮岛载体3的下层圆柱体底面半径不小于1.5m，中层圆柱体底面半径不小于1m，上层圆柱体底面半径不小于0.5m，各层圆柱体高度不小于20cm。优选地，下层圆柱体底面半径为2m，中层圆柱体底面半径为1.5m，上层圆柱体底面半径为1m，圆柱体高度为25cm。

本实施例中，所述植物种植篮2的深度不小于30cm，孔径不小于6mm；所述水生植物1的种植密度不小于10株/孔。优选地，植物种植篮2的深度为40cm，孔径为6mm，水生植物1的种植密度为10株/孔。

本实施例中，所述水生植物1为菖蒲、鸢尾、水葱、茭白、花叶芦竹中的任一种。

本实施例中，所述固定链4设有3条，沿浮岛载体3中层圆柱体的圆形边缘均匀分布；所述锚钩9对应设有3个，以三角点定方式将固定链4与浮岛载体3的中层圆柱体进行连接。

本实施例中，所述环框5为具有弹性的不锈钢材质圆形框架，表面刻有间隔1mm微细螺纹，所述环框5上层距水面30-50cm，下层距水面50-100cm。

本实施例中，所述阿科蔓生态基7为条带状，并呈下垂状态，宽度为18-25cm。优选为20cm。

本实施例中，所述太阳能板10由四块相同的梯形面板和一块方形面板组成，梯形面板斜立在四周围成“金字塔式”的开放空间，方形面板覆盖在梯形面板的上方；所述梯形面板和方形面板的面积不小于0.1m²。

本实施例中，所述氧气泵11的功率为16-20 w，出气量为50 L/分钟。优选功率为20w。

本实施例中，所述微孔圆管8为圆形橡胶环管，外缘通过不锈钢丝固定，微孔圆管8表面均匀布置有直径为0.05mm的圆形微孔。

安装方式：首先在浮载植物系统中将浮岛载体3布置在水面上，固定链4竖直放入水体中，锚钩9沉入水底，从而将整个浮岛系统悬浮稳定在水体定点位置中；随后在浮岛面板的植物种植篮2中栽种同种或不同种的水生植物1，从而构建不同的净化植物景观；然后将生物膜微生物处理系统布置在水下空间，即根据水体深度将环框5安装在水下不同深度处，环框5上层距水面30-50cm，下层距水面50-100cm，环框5平面与固定链4垂直衔接，衔接处用固定扣6进行加固，将阿科蔓生态基7布置在环框5的上、下层之间，两端固定在环框上，中间疏松有弹性；最后微曝气充氧系统的太阳能板10安装在浮载系统中央的最上层面板上，并组合成“金字塔式”的空间结构，随后将氧气泵11安置在太阳能板围成的空间内；微孔圆管8附装在环框5的下层上，并将导气管12从氧气泵上连接到微孔圆管，从而输入的氧气/空气可以从微孔圆管的孔洞逸出。

应用例1

首先将外圆直径为2m的复合生态浮岛装置放于小池塘中，平均水深1.5m。按上述安装方式将复合生态浮岛装置进行组装，锚钩在水底以三角定点方式，将整个装置稳定在池塘中央，浮载系统上各部分要受力均匀，不可偏斜或侧翻。

浮载植物系统面板的孔洞放置种植篮，种植篮孔径为6mm，下层种植根茎长度为30cm的黄花鸢尾，中层种植根茎长度为40cm的花叶芦竹，种植密度为10株/孔；确保植物的根系可深入水面以下，汲取水分和养分，分泌有机酸、酶类等化感物质，形成根系微生态系统，有效降解水体有机污染物；另外，通过植物上部茎叶的光合作用，同化二氧化碳和根系吸收的水体大量氮磷物质，转化为绿色植物生物量。每年9-10月份将植物死亡或腐败的残体清除，并收割根上部植物，保留根部以上20cm的茎叶。

微曝气充氧系统中的氧气泵功率为20w，出气量为50L/分钟，将氧气/空气输入水下孔径为0.05mm的微孔圆管中，产生圆形区域的50µm微气泡，覆盖整个复合生态浮岛装置的底部水域，提升氧气含量，且可将高含氧水区扩大至周边水域，增加水体流动性和溶氧量；产生的微气泡以上升方式对正上方的阿科蔓生态基自动进行清洗， 洗除附着在阿科蔓生态基上较大的颗粒性杂质，保持生态基的清洁，提高其有效比表面积和微生物附着密度。

生物膜微生物处理系统中的阿科蔓生态基规格为长0.6m×宽0.2m，总挂设材料面积为20m²，对硝化/反硝化细菌、有机降解微生物等净化水体的微生物群体有很好的吸附作用，形成聚集微生物群落，通过将大分子有机质、氮磷污染物质分解为无机小分子物质，并通过微生物呼吸作用消耗，以气态的方式逸出。

运行3-5天后，实地池塘水体透明度提升0.3m以上，氮磷浓度下降40%以上，长期运行后可促进池塘水体净化，达到长效的自净效果。

应用例2

首先将外圆直径为1.5m的复合生态浮岛装置放于有一定流速的河滨水体中，平均水流速度为0.3m/s，浮岛装置随着水位的涨落可以调整升降高度，按上述安装方式将复合生态浮岛装置进行组装，在河滨一侧安装6个复合生态浮岛装置，呈直线排列，间距8m，锚钩在水底以三角定点方式，将整个装置稳定在池塘中央，浮载系统上各部分要受力均匀，不可偏斜或侧翻。

浮载植物系统面板的孔洞放置种植篮，种植篮孔径为6mm，下层和中层均种植根茎长度30cm的菖蒲，种植密度为10株/孔；确保植物的根系可深入水面以下，汲取水分和养分，分泌有机酸、酶类等化感物质，形成根系微生态系统，有效降解水体有机污染物；另外，通过植物上部茎叶的光合作用，同化二氧化碳和根系吸收的水体大量氮磷物质，转化为绿色植物生物量。每年9-10月份将植物死亡或腐败的残体清除，并收割根上部植物，保留根部以上20cm的茎叶。

微曝气充氧系统中的氧气泵功率为20w，出气量为50L/分钟，将氧气/空气输入水下孔径为0.05 mm的微孔圆管中，产生圆形区域的50µm微气泡，覆盖整个复合生态浮岛装置的底部水域，提升氧气含量，且可将高含氧水区扩大至周边水域，增加水体流动性和溶氧量；产生的微气泡以上升方式对正上方的阿科蔓生态基自动进行清洗， 洗除附着在阿科蔓生态基上较大的颗粒性杂质，保持生态基的清洁，提高其有效比表面积和微生物附着密度。

生物膜微生物处理系统中的阿科蔓生态基规格为长0.6m×宽0.2m，总挂设材料面积为12m²，对硝化/反硝化细菌、有机降解微生物等净化水体的微生物群体有很好的吸附作用，形成聚集微生物群落，通过将大分子有机质、氮磷污染物质分解为无机小分子物质，并通过微生物呼吸作用消耗，以气态的方式逸出。

运行1-3天后，阿科蔓生态基即可挂膜，运行7天后，氧气泵运行稳定，植物根茎分蘖生长，可对过水中的污染物进行吸附、降解、吸收，降低流动水体的污染负荷可达30%，提高透明度0.1m以上，且对颗粒态污染物进行过水拦截、沉降，消减过水中70%的颗粒物，从而促进受污染河水的净化，大大降低下游受纳水体的污染风险。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高效净化污染水体的复合生态浮岛装置，其特征在于：该装置由位于水面上方的浮载植物系统、微曝气充氧系统和位于水面下方的生物膜微生物处理系统三部分组成；

所述浮载植物系统包括浮岛载体(3)、植物种植篮(2)、水生植物(1)、固定链(4)和锚钩(9)；浮岛载体(3)由竖直叠放的不同半径的上、中、下三层圆柱体组成，上、中、下三层圆柱体底面半径依次增大，并由同一条竖直中轴线穿过三层圆柱体底面圆心；下层和中层圆柱体面板上设有上下贯通的圆形孔洞，环绕圆心均匀布置，孔洞中设置网状植物种植篮(2)；所述植物种植篮(2)上面种植水生植物(1)，水生植物(1)在生长时根系可达水面以下；所述中层圆柱体的圆形边缘还设有固定链(4)，固定链(4)伸入水面直达水底，固定链(4)底部顶端设有锚钩(9)；所述固定链(4)设有3条，沿浮岛载体(3)中层圆柱体的圆形边缘均匀分布；所述锚钩(9)对应设有3个，以三角点定方式将固定链(4)与浮岛载体(3)的中层圆柱体进行连接；

所述生物膜微生物处理系统由环框(5)、固定扣(6)和阿科蔓生态基(7)组成；环框(5)为圆形框架，分上、下两层，面积与所述浮岛载体(3)的中层圆柱体的底面积相等，环框(5)通过固定扣(6)垂直连接于固定链(4)上；所述环框(5)的上、下层间设有阿科蔓生态基(7)，所述阿科蔓生态基(7)两端固定在环框(5)上，沿环框(5)均匀布置；

所述微曝气充氧系统包括太阳能板(10)、氧气泵(11)、导气管(12)和微孔圆管(8)；太阳能板(10)和氧气泵(11)设于所述浮岛载体(3)上层圆柱体的中央面板上，氧气泵(11)放置于太阳能板(10)组合围成的空间内；氧气泵(11)下端通过导气管(12)与微孔圆管(8)相接，所述微孔圆管(8)固定在下层环框上。

2.根据权利要求1所述的一种高效净化污染水体的复合生态浮岛装置，其特征在于：所述浮岛载体(3)的下层圆柱体底面半径不小于1.5m，中层圆柱体底面半径不小于1m，上层圆柱体底面半径不小于0.5m，各层圆柱体高度不小于20cm。

3.根据权利要求1所述的一种高效净化污染水体的复合生态浮岛装置，其特征在于：所述植物种植篮(2)的深度不小于30cm，孔径不小于6mm；所述水生植物(1)的种植密度不小于10株/孔。

4.根据权利要求3所述的一种高效净化污染水体的复合生态浮岛装置，其特征在于：所述水生植物(1)为菖蒲、鸢尾、水葱、茭白、花叶芦竹中的任一种。

5.根据权利要求1所述的一种高效净化污染水体的复合生态浮岛装置，其特征在于：所述环框(5)为具有弹性的不锈钢材质圆形框架，表面刻有间隔1mm微细螺纹，所述环框(5)上层距水面30-50cm，下层距水面50-100cm。

6.根据权利要求1所述的一种高效净化污染水体的复合生态浮岛装置，其特征在于：所述阿科蔓生态基(7)为条带状，并呈下垂状态，宽度为18-25cm。

7.根据权利要求1所述的一种高效净化污染水体的复合生态浮岛装置，其特征在于：所述太阳能板(10)由四块相同的梯形面板和一块方形面板组成，梯形面板斜立在四周围成“金字塔式”的开放空间，方形面板覆盖在梯形面板的上方；所述梯形面板和方形面板的面积不小于0.1m²。

8.根据权利要求1所述的一种高效净化污染水体的复合生态浮岛装置，其特征在于：所述氧气泵(11)的功率为16-20w，出气量为50 L/分钟。

9.根据权利要求1所述的一种高效净化污染水体的复合生态浮岛装置，其特征在于：所述微孔圆管(8)为圆形橡胶环管，外缘通过不锈钢丝固定，微孔圆管(8)表面均匀布置有直径为0.05mm的圆形微孔。