CN1105809C - 用于水体生物养护的人造结构物 - Google Patents

Abstract

用人造结构同时为许多生物物种提供食物、避护所和繁殖环境。生产的人造水草可以是具有多个带状物的柔性水草栅网。带状物下端被固定在水底。另一端浮于光照区域。带状物可经济地以多个共同延展层的形式生产，其中一层提供浮力而另一层促进生物生长。通过选择表面积结构、带状物间距和密度等参数可使系统适用于所需用途。该系统可用于从水中去除营养物和/或有毒物质。本发明还可用于同时促进需氧和厌氧反应以控制水质。

Description

用于水体生物养护的人造结构物

本发明涉及一种用来促进和/或控制生物物种生长的系统。本发明还涉及给生物物种提供食物、避护所和养育环境的浮力系统。

本发明还涉及一种人造结构，它支持适合于作为软体动物、甲壳类、鱼等动物的食物来源的生物的生长和繁殖。

本发明还涉及用于从水中除去营养物、重金属和其它物质的生物降解和生物累积系统。

美国专利第5,639,657号(马萨米希)涉及用玻璃质材料和其它固体材料来形成供鱼使用的人造栖息场所。马萨米希提到的结构是在相当高能量的水里中使用的，需要坚固的结构。马萨米希提到的结构是静态的并受到冲刷，而鱼必须离开该结构体进行进食，这使鱼暴露可能被捕食。

美国专利第4,374,629号(加勒特)和第3,540,415号(布罗姆利)以及日本专利第54-70989号，提及了支持海洋生物生活或给海洋生物提供生活栖息场所的其他结构。

现有技术中的人造水草床是用于防冲(刷)系统的，以防止区域中沉淀物的移动，同时诱发沉淀物沉积以形成滩沿(berm)。可利用粘性的拖拉(drag)效果，以使沉淀物沉积过程的效率最大化。

美国专利第5,176,469号和第5,575,584号(艾尔索普)，以及第4,437,786号、第4,490,071号和第4,534,675号(莫里斯罗)，描述了现有技术中的用于防冲的人造水草床。

本发明提供了一种具有高表面积结构的人造结构物，如人造水草。可使用浮力材料在光照区域内移动式地支持人造水草带状物。本发明还可用于同时给各种不同的水生生物提供食物、躲避捕食的场所和提高繁殖。本发明还可用作从水中去除重金属、营养成分或其他物质的生物累积系统或生物降解系统。

在本发明的一个方面，高表面积结构是由开放式单元(open cell)的泡沫塑料材料构成的。或者，高表面积结构可由丝状材料构成，如聚酯絮、致密的毛毡、高弹性(high loft)纺粘材料、或针刺材料(needle punch material)。该表面积结构还可在微孔颗粒中形成。

在本发明的另一方面，人造结构是由带状物构成的，每根带状物具有浮力层和同样延伸的第二层。在本发明一个优选例子中，第二层在结构上适应于提高生物的生长。

本发明的另一目的是提供一种使用人造结构物，从而生物控制或改善水的环境质量的方法。

本发明的另一目的是，在各种不同的水环境中，促进和支持天然的、可再生食物资源的生产，以便成功地进行水产养殖生产。

本发明的另一目的是提供一种同时给水生生物提供食物和避护所的耐用而经济的系统。

本发明的另一目的是提供人造水草系统，它可在单一结构区域内同时给水生生物提供食物、避护所和繁殖地。通过在同一结构中提供食物和避护所，便可在集中的区域内维持某一水生生物的活群体。

本发明的另一目的是支持光合作用的生物体(如藻类)在各人造的水草带上生长。在各自的浮动带状物上的这种初级生产，会促进浮游动物如水蚤、剑水蚤(cyclops)和草履虫属纤毛虫等的繁殖和生长。浮游动物的长度可为20微米-600微米。

较大的浮游动物是许多水生生物的主要食物来源。通过增大浮游动物群体，较大的水生生物会被吸引到人造水草处并可在当地被永久性地维持。这样，通过在食物链基础上使生物量的生成增加，可以提高所有当地水生生物潜在的生长和繁殖能力。

同时，人造水草的三维结构可为水生生物提供避护所和栖息场所。各带状物的开放式的表面区域可被用作产卵表面、或作为回收处于自由繁殖阶段的生物体如扇贝的工具。

有利的是，可以通过选择带状物之间的间距来控制带状物范围内所产生的阴影量，并可控制捕食和同类残食情况。

对在具有不同栅网间距的人造水草栅网(mats)上养殖的克氏鲑鱼进行动态研究，结果揭示，鱼类喜欢以稍小于其全长的间隔而隔开的草栅网。因此，三英寸的鱼喜欢间隔二英寸的草栅网，而五英寸的鱼喜欢4英寸的间隔。幼鲑鱼在栅网中花掉超过85％的时间，在带状物表面上游过并享受到连续避护所的好处。当鱼成熟时，它们对栅网的依赖性会下降，到6英寸长时它们仅在浓云密布或夜晚才进人栅网结构中。

根据本发明制造的人造草栅网，可在野生的放养点使用，给鱼类提供熟悉的结构以便提供最初的捕食保护。在一段短时间后，可从这些放养点回收栅网并再次用于不同的放养点。

本发明的另一目的是提供一种可经济地适用于不同用途的系统。例如，通过选择性地改善表面结构和/或通过在表面结构中提供所需的养分，可提高人造带状物上生物体的生长。此外，可以在高表面积的结构物中选择性地植入所需的细菌，从而在水中产生所需的生物效应。

本发明的另一目的是减少在水生养殖环境中对配制饵料的依赖性。这些配制的饵料可能会缺少某些对免疫功能是关键性的主要辅助因子。本发明可被用于给水生生物提供全面的、天然的食物。

本发明的另一目的是提供从水中去除不需要的或过多的养分的经济而方便的系统。在本发明的一个优选例子中，需氧反应和兼性厌氧反应是同时地且相互邻近地进行。本发明可采用高表面积结构物，如开孔泡沫、絮状材料、毛毡材料、针刺材料和其他高表面积结构物。

本发明的另一目的是提供一种经济和方便的系统，该系统用于生物去除铬、锌和其他有毒金属，以及与这些金属进行复合从而防止未来这些金属被生物利用。

从下面的详细描述和阐述本发明较佳实施方案的附图，可更清楚地了解本发明的其它特征、目的和优点。

图1是按照本发明制成的人造水草栅网的透视图；

图2是图1所示的人造水草栅网之一的端视图；

图3是图2所示的水草栅网的一片带状物沿3-3线的局部断面图；

图4和图3一样，是按照本发明制成的另一种人造水草栅网带状物的局部断面图；

图5和图3一样，是局部断面图，显示了按照本发明制成的另一种水草栅网带状物；

图6和图3一样，是局部断面图，显示了按照本发明制成的又一种人造水草栅网带状物；

图7是图6中带状物的一部分的放大视图；

图8和图2一样，是端视图，显示了供按照本发明制成的水草栅网的漂浮结构；

图9是按照本发明构建的一种水产养殖系统的示意平面图；

图10是按照本发明构建的另一水产养殖系统的示意平面图；

图11是按照本发明制成的又一水产养殖系统的示意平面图；

图12与图一样，是按照本发明制成的另一人造水草栅网的带状物的局部断面图；

图13与图3一样，是按照本发明制成的又一人造水草栅网的带状物的局部断面图；

现在参看附图，其中相同的元件用相同的标号表示。图1显示了多个按照本发明制成的人造水草栅网10。水草栅网10可用于海水、淡水和其它水生系统和环境。各水草栅网10具有许多带状物12和一柔性的锚结构14，以便将带状物12固定在水底16(图2)。带状物12的上端在浮力作用下悬浮在光照区18中。

在图示的实施方案中，各水草栅网10是用单片多层材料构成的，其折叠并缝合(针脚20)而形成一中空管22。中空管22位于折叠的片结构的底部。该片结构的长度可为10米，从而形成一沿锚结构测量有10米长的水草栅网10。该片结构沿垂直于其长度的方向、以2.5厘米的间隔被纵向切开，形成各带状物12。

通过在中空管22里充填压载物24而形成锚结构14。压载物24可是沙、碎石或其它可利用的材料。压载物24提供足够的下沉力使水草栅网10下沉。整体的锚结构14的优点是，它不需要深入到水底16中。另一个优点是柔性结构14容许水草栅网10在池塘、储水池或河床里容易移动到要求的间隔距离以便使掩蔽处达到最大，或者将其取出进行清洗。

带状物12的长度，可按照其安装位置处的光照区18的深度加以确定。当光照区18可能有30米深时，典型的带状物长度可以为1到4米。在图示的实施方案中，带状物12各长约1.3米。一些带状物可以比另一些带状物更长，以便控制阴影和捕食情况。如下面更详细讨论的那样，水草栅网10可以约5到15厘米的间隔，成行排列。

带状物12的宽度和刚度会影响在相邻带状物12之间的营养物的质量传递。带状物12的宽度和刚度还可影响水草栅网10给水生生物提供避护所的能力。各带状物12的较佳的高度∶宽度比在20∶1-60∶1的范围内。带状物12的宽度可从1厘米到5厘米，较佳的为2.5厘米。各带状物的刚度按ASTM D5342测量为0.5-3.0克/厘米。在沿带状物12的全长方向提供浮力材料，会增加带状物12的刚度。

实际情况中，带状物12在水中互相独立地按照波动方式运动。这种波动有助于养分物质移向或移开带状物12的表面。尽管为了清楚起见，图2只显示了两个带状物12，但是位于所示带状物后面的其它带状物12事实上也可看见。

现在参看图3，在所示的实施方案中，各带状物12具有第一层30和第二层32。层30和32被合适的挤出粘结剂34整体粘在一起。第一层30提供浮力。第二层32提供高表面积结构，用于增加水生生长。层30和32一般随带状物12共同延伸。换言之，各层30和32基本上沿着带状物12的整个长度和宽度进行延伸。

在所示的实施方案中，第一层30由约2.2毫米厚的闭孔聚乙烯泡沫构成。为了让光透射到第二层32，第一层30可以是透明的。

在另一实施方案中，第一层30的闭孔泡沫材料可由聚氨酯、聚丙烯或其它适当材料制成。泡沫材料的比重可为0.05-0.6克/立方厘米，较佳的是0.15-0.2克/立方厘米，更佳地是约0.19克/立方厘米。较佳的是，整个复合带状结构30、32、34的比重为0.15-0.25克/立方厘米。

第二层32由开孔聚乙烯泡沫材料构成。该开孔泡沫材料具有网状的开孔表面结构，以支持并由此促进生物生长。开孔材料给水生附生生物提供附着场所。为了提高藻类的生长，开孔结构的泡孔尺寸应宜大于约20微米并小于约2000微米。在所示的实施方案中，第二层32的平均孔尺寸约为200微米。

用于第二层32的开孔材料的表面积可为至少约1.9平方米/克，较佳的为大于20.0平方米/克。

较佳的是，第二层32薄得足以容许营养物透过表面结构进行质量传递。在所示实施方案中，第二层32的厚度约为1.0+/-0.2毫米。

较佳的是，人造结构物30、32和34是用能进行蒸汽或氯气消毒而不会损坏的材料制成的。

图4显示了另一种人造水草栅网的带状物40。该带状物40具有两个夹住浮力层30的第二层32。该带状物40给增加生物生长提供了更大的表面积。该带状物40可用于和图1和2所示一样的水草栅网。

通常，给每一带状物只提供一个第二层32(如图3所示的情况)，对于防止第二层遮盖其它层是有利的。然而，在本发明的另一实施方案中，各带状物可以具有3层或更多层，且所有的层都互相共同延伸。

图5显示了另一种人造水草栅网的带状物50。该带状物50具有由纺丝的聚酯絮构成的第二层52。絮状材料给增加生物生长提供了稳固的表面。除了第二层52之外，图5所示的带状物50基本上与图1-3所示的带状物12相同。带状物50可用于和图1和2所示一样的水草栅网，以代替开孔的带状物12或与其一起使用。此外，聚酯絮状材料52还可按图4所示的方式，在浮力层30上形成夹心结构。

在图5所示的实施方案中，聚酯絮较佳的重量范围是每平方米15到100克，并提供1-100平方米/克的表面积，较佳地小于50平方米/克。用来制造复合三维絮结构的连续长丝，其直径为0.05-0.50毫米。在所示的实施例中，絮状材料是由Synthetic Industries，Inc.生产的SYNTECH 250牌纺丝的(spun)聚酯絮状材料，它是70克/平方米的纺丝的聚酯纤维絮，并且表面积为24平方米/克。

在本发明的另一实施方案中，第二层52可由致密的毛毡制成。在本发明的另一实施例中，第二层52可由高膨体的纺粘材料制成。但本发明并不限于这里所示和所述的具体水草结构。

图6显示了又一种人造水草结构的带状物60。该带状物60具有第二层62，而该第二层62具有微孔表面结构。除了第二层62之外，图6所示的带状物60基本上与图1-3所示的带状物12相同。带状物60可用于和图1和2所示一样的水草栅网，以代替开孔的带状物12或与其一起使用。此外，微孔层62还可按图4所示的方式，用于浮力材料30两侧的夹心结构中。

在图6所示的实施方案中，第二层62最好包括小孔64(图7)，它们太小以致不允许一般的水生附生藻类生物生长。因此，在微孔层62的小孔里的占优势的生长将限于微小浮游生物(picoplankton)，而这种微小浮游生物本质上主要是细菌。

对于用于特定用途(例如清洁环境)所需的细菌，通过在小孔64中置入适当的营养物，微小浮游生物的生长可以被选择性地增强。这样，通过预先选择所要求的高表面积结构和/或在高表面积结构的孔64中提供选定的营养物，便可使人造水草栅网适合于一个或多个特定用途。在本发明的另一实施例中，选定的细菌被注入高表面积结构的小孔64里，并在该多孔结构里灌输或不灌输营养物。

在本发明的一个较佳实施方案中，可以使用一排带状物60，其中各带状物具有不同的选定营养物，从而形成人造湿地(wetland)，以便清除和络合掉供水中过多的硝酸盐和含磷化合物。

非常小的孔64可以这样形成：将多层粒状高表面积粒子66(图6)粘合在封闭单元泡沫材料30上。粒状粒子66的表面积可为50-600平方米/克。粒子66的大小可从20到200微米。粒子66可由碳、硅石、聚氨酯、苯乙烯-二乙烯基苯共聚物、或其它材料制成。粒子66的表面积和孔径可在制造粒子66的过程中利用已知技术进行控制。本发明可提供比天然植物大100倍甚至更多倍的可利用表面积，同时可进行水生环境中植物的许多其它所需功能，如提供保护免遭捕食。

图12显示了又一水草结构中的带状物120。带状物120具有由粗糙的开孔泡沫材料或高膨体(high loft)的纺粘材料制成的第二层122。带状物120还具有由开孔泡沫材料或密集毛毡制成的第三层124。由封闭单元泡沫材料制成的浮力层30，被夹在第二层122和第三层124之间。将该三层30、122和124相互粘合并层压在一起。较佳的是，第三层124比第二层122厚。

较佳的是，第三层124的密度至少约为每平方码1.5盎司。轻于每平方码1.5盎司的毛毡材料可允许适当的灌注，以便氧气进入所有的通道，通过第三层124到达浮力层30的表面。这样，即使在建立生物薄膜之后，也可消除在浮力层30表面附近兼性厌氧微生物生长的可能性。

图13显示了又一水草结构的带状物130。带状物130具有第二层132和第三层134。有浮力的、封闭单元泡沫层30位于第二层132和第三层134之间。第二层132和第三层134是用来回穿过浮力层30的针刺线136形成的。较佳的是，第三层134的厚度大于第二层132的厚度。第三层134可以是例如约0.040英寸厚。第二层132的厚度可小于约0.016英寸。此外，第二层132的渗透性和扩散性宜大于第三层134的渗透性和扩散性。

在所示的实施方案中，浮力层30的厚度约为0.095英寸。第二层132和第三层134用的线136约为5旦尼尔并且整体密度约为4盎司/每平方码。在第二层132和第三层134上线136的分布分别约为30％和70％。

第三层134的厚度可约为0.042英寸，载荷为每平方厘米10克。第二层132的厚度较佳地是约0.016英寸。第三层134在泡沫材料层30的表面处的渗透性约为0.23达西(darcy)。第二层132在泡沫材料层30的表面处的渗透性约为31达西。在不限定本发明范围的情况下，水草结构130的总表面积可以为每平方米表面约564平方米，其中考虑了所有孔的下限为40埃。

虽然图13所示的具体实施例提供了良好的效果，但本发明并不限于此处详细描述和图示的具体结构。

图12和13所示的水草结构可在互相非常邻近地同时促进需氧和兼性厌氧反应。具体地说，氨的需氧还原反应可在第二层122和132内，靠近浮力层30的表面处非常迅速地发生，只要结构120和130位于溶解氧含量为2到12毫克/升的水中。氨还原反应的化学式如下：

同时，硝酸盐的厌氧还原反应可在第三层124和134中，靠近浮力层30表面处发生。过氧化物酶表面分析显示，硝酸盐还原反应可仅限制在位于较厚的第三层124和134中较深处的区域里。

这样，例如密度至少约为1.5盎司/平方码的且已建立起生物薄膜和碎屑(detrial)层的针刺毛毡第三层134，便可被用来防止溶解的氧气到达浮力层30的表面，由此形成足够厌氧的环境，以支持硝化杆菌属(Nitrobacter)的生长，硝化杆菌属是在亚硝酸盐/硝酸盐还原反应中涉及的主要属。

此外，用孔测量法(porisimetry)对第三层124和134进行密度特性研究显示，第三层124和134的渗透性或扩散性是其对氧气输送限制作用的另一种描述方式。在第三层124和134中孔的大小和第三层124和134的相对厚度均影响渗透性。

在浮力层30表面处，第三层124和134中水扩散性小于D_AB＝1×10^-6平方厘米/秒，一般会使穿过第三层124和134的氧气质量传递速率足够低，从而允许建立厌氧环境。在第三层124和134的孔结构中增加细菌碎屑层可更进一步降低渗透性，从而也降低了扩散性。

第二层122、132的更加开放的结构，使得氧气的质量传递仅受水中该气体浓度梯度的限制。氧利用仅限于细菌需氧分解溶解物，而这些溶解物是通过在水中扩散而输送过来的。在流体中气体的扩散速度一般比无机溶解物(硝酸盐和亚硝酸盐)的扩散速度高一个数量级。

此外，在第二层122、132最外表面上的紧密相伴的水生附生藻类层，会在阳光下产生氧气，从而增加第二层122、132附近氧饱和的局部梯度。

上述两种由水草结构120、130的渗透性所控制的扩散现象，可以让需氧过程和厌氧过程在仅隔开数微米的情况下同时进行。因此，水草结构120、130具有大为改善的生物过滤器性能。采用本发明，受高浓度硝酸盐、亚硝酸盐和氨污染的水可以用单个过滤器类型，在非常高的质量转传递速率下进行处理。因此，例如，本发明特别适用于在建造的湿地中处理农田径流。

使用薄膜时非常短的质量传递距离，以及可利用水生附生藻类群落在光合作用中所产生的高浓度溶解氧，组合在一起便可以非常快地将溶解的无机营养物(硝酸盐、亚硝酸盐和氨)转变成生物组织。而这些生物组织又可被水生生物如有鳍的水族(Finnish)、甲壳动物和软体动物等作为食物来源。在产生水生附生生物物质的同时，可降低由溶解的无机化合物(尤其氨)所造成的毒性，从而可以增加即使氨在普通浓度下也经受不住的许多物种的放养密度。因去除氨而大为受益的物种的例子有虾、鲈鱼、鳟鱼和鲑鱼。

用于带状物12、40、50、60、120、130的材料宜由不会向环境中释放有害化学物质的聚合物构成。带状物12、40、50、60、120、130的材料在水(包括海水)和阳光下应不降解。因此，水草栅网10可长期使用，并可以被清洁并再用于其他地方。如果需要，带状物12、40、50、60、120、130可含有一个或多个额外的层(未图示)或物质，以便对带状物12、40、50、60、120、130进行增强、防腐或保护。

现在参见图8，人造水草栅网70具有带状物72，它具有固定在上端的浮力结构74。带状物72可以与上述的带状物12、40、50、60、120、130相同，在这些情况下带状物72是有浮力的，而且浮力结构74提供了额外的浮力。或者，带状物72可主要或完全地由一种或多种上述的高表面积结构材料32、52、62、122、124、132、134构成，其中浮力结构74提供支持带状物72所需的所有或大部分的浮力。

浮力结构74可用开孔聚乙烯泡沫或其他合适的浮力材料制成。浮力结构74可粘附于、缝于或用其他合适方式连接于带状物72的上端。与上述其他实施方案相同，水草栅网70可用于提高生物的生长并提供水中避护所。

现参见图9，图1和2中所示的人造水草栅网10，以螺旋或其他基本上闭合方式进行排列，以作为扇贝、蛤贝、牡蛎或其他软体动物的避护所或围栅100。围栅100尤其适用于收集和喂养幼牡蛎。按需要，通过使螺旋稍紧或松，可用同一长度的水草栅网形成不同内径104、106的围栅100。

在操作中，扇贝(未图示)可以被置于围栅100的中央102。当幼牡蛎(幼体)开始长壳时，它们会从中心102沿径向向外迁移。生长中的幼牡蛎附着在水草栅网10的各带状物12上。在生长周期中，水草栅网10会在快速生长的幼扇贝的附近吸引并促进食物的生产。

当幼牡蛎固定之后，可将水草栅网10隔开和分配到成熟过程的位置，在这里，水草栅网10的周边围栅可防止扇贝逃跑。在本发明的一个实施方案中，可将压载物24从柔性的锚结构14中倒出，使锚结构14膨胀，将水草栅网浮上水面。

这样在本发明中，用一种可移动的结构来提供食物来源、防捕食避护所和收获长大的生物的固定器，并可方便地提高幼牡蛎的回收和生长。

如图10所示，根据本发明而制造的人造水草栅网可相互平行排列，或者以交错方式排列，以便在广大范围内适应有鳍的水族的生长。在区域110中，所有的水草栅网10都相互靠近，从而为幼鱼提供了阴影和最大的防捕食保护。在偏置或间隔的区域112中，为较大的鱼提供了更多开放区域(覆盖更少)。此外，间隔区域112提供了更多暴露于光合作用的机会，从而提高了食物的生产。水草栅网10可排成按东-西向(垂直于北方向)，以便在一天中间最大限度地暴露于阳光。在确定水草栅网10所需的间隔距离时，水下地形是一个考虑因素。

图11显示了另一种柔性水草栅网10的平面布局。如图所示，人造水草栅网10的末端118可以重叠以形成防捕食区域128。在没有重叠的区域中，更多的阳光可以被利用，从而提高水生附生生物的生长。水草栅网末端118的线性重叠量可作为阴影量、所需的捕食控制程度、待养殖的水生生物种类以及其他参数的函数而加以确定。

在图9-11中，仅仅是为了清楚起见，用线段来示意表示水草栅网10。在实际中，水中带状物12的波动会使水草栅网10在平面图中具有不均匀不断变化的外形。取决于水中运动的程度，带状物12会相互波动从旁边经过，以及相互滑动从旁边经过，这样会促进水草栅网10与水，以及带状物12与水之间的质量传递。

实施例I

120个人造水草栅网10排列在一系列的平均深度为130厘米的淡水水池中，水草栅网10相互间隔5厘米，而且每行有60个带状物。每公顷有30个水草栅网。在这些池中产生的浮游动物，与没有人造水草栅网的对照水池相比，多7-20倍。在最初生长52天之后，在水草池中养殖的大眼鰤(walleye)比对照池中养殖的大18％。最初52天中，在对照池和具有30个水草栅网/公顷的池之间，成活率在统计学上没有差别，但是，在0-92天期间，鱼不仅体重增31.8％，而且具有水草栅网的池中成活率为80％，而对照池为64％。综合这两个因素(体重和成活率)意味着，在30个水草栅网/公顷的池中，生物物质的总产量比对照池高84％。在产量增加的同时，还使肥料的利用下降78％，从而使生产成本降低了12％。

实施例II

将具有图5所示的复合带状物结构的人造水草床放置在淡水池中。每个床有400条带状物/水草栅网(或带状物行)。水草栅网之间的间隔约为7.5厘米。带状物约2.5厘米宽和100厘米长。在人造结构物中生长的小嘴鲈鱼的成活率为没有该结构物的对照池中鱼的成活率的2.3倍，而且在有人造水草床的池中鱼大43.5％。在有人造结构物的池中产生的浮游动物为对照池的12倍。可在具有人造结构物池中支持的有效鱼群可增加250％。

实施例III

将具有图6所示的复合带状物结构的人造水草床排列成行，其中带状物约2.5厘米宽和45厘米长。每行有24条带状物。每个床有20行。行之间的间隔约为5.0厘米。每条带状物的第二层由多孔的氧化硅颗粒涂层构成，其中颗粒的平均粒径为40微米，表面积为360平方米/克和平均孔径为80埃。床被浸没在45厘米的水中。

以30毫米/分钟的平均线性速度，将模拟的污水排出液泵送通过浸没的床。该水掺有硝酸盐(100毫克硝酸盐/升)和磷酸盐(5毫克/升)。在估计化12天建立起细菌群体之后，发现，在连续情况下，从溶液中去除了92％硝酸盐和76％磷酸盐。与常规海绵生物过滤器的一般水停留时间(Hydraulic Residence Times，HRT)相比，排列并以人工湿地方式使用的人造水草床比具有相同HRT的常规过滤器技术快90倍。

实施例IV-生物累积

将具有图6所示的复合带状物结构的人造水草床排列成行，其中带状物约2.5厘米宽和25厘米长。每行有24条带状物，并且每个床有48行。行之间的间隔约为5厘米。每条带状物的第一层由比重约为0.12的有浮力的聚乙烯泡沫构成。每条带状物的第二层由多孔的氧化硅颗粒涂层构成，其中颗粒的平均粒径为60微米，表面积为280平方米/克和平均孔径为120埃。

床被浸没在25厘米的水中。以50毫米/分钟的平均线性速度，将模拟的电镀浴溶液泵送通过浸没的床。将床置于含有常规营养肉汤(Difco B3+铁)的溶液、100克来自酸性矿产排出液区域的土壤和以足以维持溶解氧浓度高于10毫克/升流速的注射扩散空气中。在10天之后，排干浴液，再以25毫米/分钟的平均线性速度，将模拟的电镀浴废水溶液(pH 3.0)泵送通过床，其中该溶液含有100ppm6+价铬和100ppm2+价锌。在将185升(1床体积)通过床之后，测量排出液，发现铬和锌的残留浓度分别为1.1ppm和2.3ppm。

为了确定系统的负荷量，将模拟的电镀浴溶液以每批50升泵送通过系统，直到排出液中重金属浓度为输入液的5％。铬和锌的负荷分别为17,850和13,670升。以回收的干重回收计，发现在带状物表面上生物生长可含有7.5-11％(重量)重金属，这些重金属被复合，从而防止其在未来被生物利用。这表明了富集能力为1100倍。

与生物累积过程相关的被固定的金属，可以用酸交换法从柔性带状物上除去。或者，可以焚烧纤维性的水草栅网以回收有毒种类的金属。与离子交换技术相比，本发明的负荷量至少为12倍，处理速度为10倍，而且它能够改变金属的化合价态，从而降低其生物毒性。

在pH1.8下用磷酸进行酸萃取之后，将人造水草材料再悬浮于起始肉汤中12天，然后再进行试验。在平衡期以及以10毫米/分钟的流速通过第一个床体积的合成电镀浴混合物之后，发现排出液中浓度为0.08ppm 6+价铬和0.13ppm锌。

因此，观察到对生物积累系统的连续再利用和更调理，可提高其相对效率和负荷量。已确定，在线性速度为15毫米/分钟时，生物积累可发生最佳的物质传递。最大的负荷量与在带状物微孔结构中生物生长质量有关。在这些测试中，对铬所达到的最大浓度比是1,870对1。所达到的最大负荷量可在单个人造水草栅网上从6+价态提取出2.15克铬。在5次运作过程中，在水草栅网的总表面积上生长的生物量是21.47克(干重)，而且铬负荷为2.278克，即10.61％。

实施例V

将与图13所示一样的水草结构物放置在鱼水道(raceway)中熟化2个月，以便在各表面上建立起合适的生物膜。然后将结构物以10平方米/立方米水的比例，置于3立方米的容器中。在容器中掺入氨和硝酸钠，使它们的浓度分别为5毫克/升和200毫克/升。在约6小时内，结构物去除了90％氨，在约10.5小时内去除了约90％硝酸盐。

上述的描述和附图仅仅是能够实现和提供本发明目的、特征和好处的优选实施方案的说明而已。本发明并不限于此处详细描述和显示的实施方案。落在权利要求范围和精神内的改动形式，被认为是本发明的一部分。

Claims (29)

1.一种同时为生物物种提供食物、捕食避护所和繁殖环境的人造水草结构物，其特征在于，该人造水草结构物含有：

多个带状物；和

将该带状物锚定在水底的锚结构；和

其中各带状物包括：(A)用于使带状物向上伸展在光照区域中的浮力层；和(B)构造的提高生物生长的第二层，该第二层包括促进在该带状物上生物生长的高表面积结构，且该第二层的所述高表面结构的表面积大于或等于1平方米/克。

2.如权利要求1所述的人造水草结构物，其特征在于，该带状物被排列成行。

3.如权利要求2所述的人造水草结构物，其特征在于，该带状物相互间隔排列，以提高光合作用。

4.如权利要求2所述的人造水草结构物，其特征在于，该行列以约5-15厘米的间隔隔开。

5.如权利要求1所述的人造水草结构物，其特征在于，该浮力层包括聚合物塑料的封闭单元泡沫。

6.如权利要求5所述的人造水草结构物，其特征在于，该封闭单元泡沫包括聚乙烯。

7.如权利要求5所述的人造水草结构物，其特征在于，该封闭单元泡沫包括聚氨酯。

8.如权利要求5所述的人造水草结构物，其特征在于，该封闭单元泡沫包括聚丙烯。

9.如权利要求5所述的人造水草结构物，其特征在于，该第二层包括开放单元泡沫塑料材料，其中单元大小约为20-200微米。

10.如权利要求5所述的人造水草结构物，其特征在于，该第二层包括粘于浮力层的多孔颗粒材料。

11.如权利要求10所述的人造水草结构物，其特征在于，还含有用于提高藻类生长的营养物，且至少一些该营养物位于该多孔颗粒材料中。

12.如权利要求10所述的人造水草结构物，其特征在于，还含有用于提高细菌生长的营养物，且至少一些该营养物位于该多孔颗粒材料中。

13.如权利要求10所述的人造水草结构物，其特征在于，还含有用于为清洁环境提高微生物生长的营养物，且至少一些该营养物位于该多孔颗粒材料中。

14.如权利要求10所述的人造水草结构物，其特征在于，还包括植入高表面积结构中的微生物。

15.如权利要求14所述的人造水草结构物，其特征在于，该微生物包括细菌。

16.一种同时为生物物种提供食物、捕食避护所和繁殖环境的人造水草结构物，其特征在于，该人造水草结构物含有：

多个带状物；和

将该带状物锚定在水底的锚结构；和

其中各带状物包括：(A)用于使带状物向上伸展在光照区域中的浮力层；和(B)构造的提高生物生长的第二层，该第二层包括促进在该带状物上生物生长的高表面积结构，且该带状物的刚度为0.5-3.0克/厘米。

17.如权利要求16所述的人造水草结构物，其特征在于，该带状物为1-5厘米宽和1-4米长。

18.如权利要求17所述的人造水草结构物，其特征在于，该第二层包括细长丝，它们形成复合的表面积为1-100平方米/克的三维絮结构。

19.如权利要求17所述的人造水草结构物，其特征在于，该锚结构包括多层材料构成的中空管，其中该管中充填有压载物。

20.如权利要求19所述的人造水草结构物，其特征在于，该管与该带状物由单片材料一起形成，且该压载物包括颗粒材料。

21.一种同时为生物物种提供食物、捕食避护所和繁殖环境的人造水草结构物，其特征在于，该人造水草结构物含有：

多个带状物；和

将该带状物锚定在水底的锚结构；和

其中各带状物包括：(A)用于使带状物向上伸展在光照区域中的浮力层；和(B)构造的提高生物生长的第二层，该第二层包括促进在该带状物上生物生长的高表面积结构，且该浮力层和该第二层形成比重小于或等于0.25克/立方厘米的多层结构。

22.如权利要求21所述的人造水草结构物，其特征在于，该浮力层的比重小于或等于0.6克/立方厘米。

23.如权利要求21所述的人造水草结构物，其特征在于，该浮力层的比重约为0.05-0.6克/立方厘米。

24.一种人造结构，其特征在于，它包括：

浮力材料；和

同时促进水中需氧反应和厌氧反应的第一和第二高表面积结构，该浮力材料位于该第一和第二高表面积结构之间，且该第一和第二高表面结构是不同材料构成的，该第二高表面结构与该浮力材料是不同材料构成的，且该第一和第二高表面结构的表面积大于或等于1平方米/克。

25.如权利要求24所述的人造结构，其特征在于，该第一高表面积结构包括粗糙的开放单元泡沫。

26.如权利要求24所述的人造结构，其特征在于，该第一高表面积结构包括高伸缩性的纺粘材料。

27.如权利要求24所述的人造结构，其特征在于，该第二高表面积结构包括开放单元泡沫。

28.如权利要求24所述的人造结构，其特征在于，该第二高表面积结构包括包括致密的毛毡。

29.如权利要求24所述的人造结构，其特征在于，该第一和第二高表面积结构是穿过浮力材料的针刺线形成的，而且该第二高表面积结构的厚度大于第一高表面积结构的厚度。

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