CN117383708A - 一种水体净化和资源化利用的浮床及其制备和使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水体净化和资源化利用的浮床及其制备和使用方法，涉及水体净化技术领域，解决了现有浮床基质为散体材料、吸附性差、水体交换弱、易饱和以及植物因营养缺乏生长受限制的问题。本发明包括浮床基质和浮床结构，浮床结构内设置有浮床基质；浮床基质包括若干基质块和若干过滤垫层；通过对基质材料的改性处理以及烧制，实现基质块对水体营养物质的高吸附，促进植物根系对营养物质的吸收，并且可以对水体碳源进行补充，促进微生物对有机质分解；在基质块上种植水生植物，实现了高价值水生植物产业化开发。本发明将水体净化和资源化利用相结合，浮床基质制备原料来源广泛，同时实现高端水生植物的快速生长，资源化利用率高。
Description
技术领域
本发明涉及水体净化技术领域，具体为一种水体净化和资源化利用的浮床及其制备和使用方法。
背景技术
生态浮床因制备成本低和运行成本低，对水体净化效果好、景观效果显著和可实现资源化利用的特点，被广泛应用于城市地表水体的净化；由于生态浮床对地表水体的净化效果受基质的影响大，因而，基质成为制约生态浮床发展的关键因素，常规基质由散体材料构成，浮床出现局部破损后基质材料易散落；常规材料吸附性差，氮磷利用率低；常规浮床只有部分水生植物可以正常生长，由于基质上吸附的氮磷营养量少而导致植物营养缺乏，植物生物量少，高价值资源化利用的水生植物很难生长；因此，开发新的生态浮床基质，实现水体净化和水生植物高价值利用具有重要意义。
目前地表水体中的氮磷既是水体中的污染物也是水生植物的营养物质，另外水体中也存在微量元素，而水中的重金属主要分布在底泥中；浮床结构分布在水面，生态浮床有利于开发绿色产品，实现生物质高价值利用；但是地表水体中营养物质的浓度对于大多数植物是偏低的，这制约了生态浮床技术的发展；因此，开发新的浮床技术，提高生态浮床基质的吸附性，提高生态浮床基质与水体的交换作用，提高浮床基质对微生物的作用是急需解决的关键技术问题。然而，现有的浮床重点在于基质的净化作用弱，存在浮床基质多为散体材料，吸附性差，易饱和，基质内外水体交换作用弱而导致对水体中的氮磷营养物质吸收作用差，植物因无法完成从基质上吸收获得足够的营养而导致营养缺乏生长受限制等问题。
发明内容
本发明为了解决上述提到的现有浮床基质为散体材料、吸附性差、水体交换弱、易饱和以及植物因营养缺乏生长受限制的问题，特此提出了一种水体净化和资源化利用的浮床及其制备和使用方法。本发明根据地表水的特点，开发低成本、高吸附性的基质块，实现对水体营养物质的高吸附，促进植物根系对营养物质的吸收；制备的基质块为多孔结构，内外水体交换作用强；另外，开发的生物质浮床基质具有补充水体碳源不足、促进微生物对有机质分解的作用；该新型基质实现高端水生植物的快速生长，资源化利用率高；该新型生态浮床将水体净化和资源化利用相结合，实现了高价值水生植物产业化开发；该浮床基质制备原料来源广泛，实现废物利用；该新型浮床对推动水上产业化种植具有重要的科学价值。
本发明提出了一种水体净化和资源化利用的浮床，其具体包括浮床基质和浮床结构，浮床结构内设置有浮床基质；浮床基质包括若干基质块和若干过滤垫层；浮床结构包括若干定植篮、若干横向固定支架和若干纵向固定支架，若干定植篮通过若干横向固定支架和若干纵向固定支架连接到一起；定植篮底部设置有过滤垫层，过滤垫层上方设置有基质块；基质块上均匀设置有若干种植孔和若干通气孔，种植孔内种植有水生植物，种植孔和通气孔为通孔。
更进一步地，所述基质块厚度为100-300mm，种植孔直径为10-30mm，通气孔直径为5-10mm。
更进一步地，所述种植孔每1m2均匀设置50-100个，通气孔每0.01m2设置10-30个。
更进一步地，所述定植篮形状为圆形或方形，深度为150-400mm，直径或边长为200-400mm；定植篮底部和侧面设置有若干网孔，网孔孔径为3-5mm。
更进一步地，所述基质块形状为圆形或方形，直径或边长小于定植篮5-10mm。
更进一步地，所述横向固定支架和纵向固定支架为聚氯乙烯管，横向固定支架直径为15-30mm，布置间距为1.2-1.5m；纵向固定支架直径为30-60mm，布置间距为1.5-3.0m。
一种用于上述的水体净化和资源化利用的浮床的基质制备方法，包括以下步骤：将植物秸秆、生物炭、钙基膨润土、钠基膨润土、铝基膨润土、糯米粉、碎石、粉质粘土、硅藻土和沸石加入自来水进行混合，混合后压制成块并晾干至含水量低于8%，在基质块上开设若干种植孔和若干通气孔；原料压制的基质块在氮气环境条件下550℃-800℃热解1.5-3.0小时，先通氮气将热解炉内的氧气排出后开始热解，降温冷却过程通氮气至温度降低到200℃及以下，完成基质块的热解制备；采用压入的方法将石英砂和陶粒嵌入到岩棉中，完成过滤垫层的制备。
更进一步地，所述基质块采用的植物秸秆、生物炭、钙基膨润土、钠基膨润土、铝基膨润土、糯米粉、碎石、粉质粘土、硅藻土和沸石的质量比例为10:15:5:10:5:5:10:25:10:5~5:35:1:5:2:2:5:40:3:2。
更进一步地，所述基质块采用的植物秸秆粒径为5-15mm，采用玉米秸秆的皮、高粱秸秆的皮、甘蔗秸秆的皮、葵花秸秆、大豆秸秆和棉花秸秆中的一种或几种的混合物。
更进一步地，所述基质块的原材料混合后压制基质块时的含水量为30-40%。
更进一步地，所述基质块的原材料混合后的压制压力为50-100kPa。
更进一步地，所述生物炭为秸秆生物炭和木质生物炭的混合物，两者的混合比例为10:90~30:70；秸秆生物炭粒径为3-10mm，木质生物炭的粒径为5-15mm。
更进一步地，所述钠基膨润土的黏度不小于60mPa·s，75μm筛余量不大于1.5%；钙基膨润土和铝基膨润土，75μm筛余量不大于2.0%；糯米粉过140目筛得到，碎石粒径为3-8mm；粉质粘土中的粘粒含量不低于35%，粘粒粒径不大于0.05mm；硅藻土粒径不大于0.1mm，沸石粒径不大于0.1mm。
更进一步地，所述岩棉厚度为50mm-150mm，石英砂粒径为5-10mm，陶粒粒径为5-15mm；石英砂和陶粒的混合比例为15:85~35:65，岩棉中石英砂和陶粒的混合物的添加量为5-15g/cm2。
更进一步地，所述陶粒的原材料为净水厂污泥和植物秸秆，混合比例为干重量比65:35~85:15，制备陶粒用的植物秸秆粒径为3-10mm。
一种用于上述的基质制备方法的生物炭制备方法，包括以下步骤：所述秸秆生物炭制备原料采用的植物秸秆为玉米秸秆的皮、高粱秸秆的皮、甘蔗秸秆的皮、大豆秸秆、棉花秸秆和葵花秸秆的一种或多种的混合物，在350-550℃热解1.0-3.0小时制备；所述的木质生物炭采用木材在450-650℃热解1.5-3.5小时制备；将秸秆生物炭和木质生物炭混合，先经过0.01-0.1mol/L浓度氢氧化钾改性，后经过0.01-0.1mol/L浓度硝酸改性，最后经过0.005-0.1mol/L浓度高锰酸钾改性制备。
一种用于上述的基质制备方法的陶粒制备方法，包括以下步骤：将净水厂污泥和植物秸秆混合，在缺氧条件下以及900-1200℃温度下热解30-150min制备。
一种采用上述的水体净化和资源化利用的浮床的使用方法，包括以下步骤：组装定植篮，并将若干定植篮采用横向固定支架和纵向固定支架固定，连接成一个浮床单元；在定植篮内依次放置过滤垫层和基质块，最后将植物种植到基质块的种植孔内；
夜间对种植孔内种植的水生植物进行补蓝色光，每根功率为40-120W的灯管照射面积为2.0-6.0m2，照射时间为3-5小时，灯管设置于植物的上方，距离基质块顶面的垂直距离为1.0-2.5m；
在植物每次收割之后，对基质块进行清理，并用水冲洗1-2分钟；若实施地区冬季温度低于-10℃连续超过10天，将基质块打捞至岸上，第二年重新安装；
基质块使用2年以上后进行功能恢复，将基质块烘干后在300-500℃条件下热解30-60分钟，然后在水中浸泡8-16小时后清洗3-5次。
本发明所述的一种水体净化和资源化利用的浮床及其制备和使用方法的有益效果为：
（1）本发明所述的一种水体净化和资源化利用的浮床及其制备和使用方法，通过开发新型生态浮床装置，实现对地表水体净化和资源化利用相结合，特别是实现生态浮床植物的高价值利用；该浮床基质原料来源广泛，成本低，实现植物秸秆的资源化利用；该浮床制备、安装和维护总成本较传统方法降低30%以上；
（2）本发明所述的一种水体净化和资源化利用的浮床及其制备和使用方法，能够实现95%以上水生植物均能生长，特别是绿色水生蔬菜水上种植取得突破；以水芹菜为例，生长量大于3.0kg/（月·m2），按市场批发价10-15元/kg，两个月将实现成本完全回收；由于浮床浮于水面，不接触地表水体的底泥，水生蔬菜完全达到绿色标准；种植黄菖蒲、芦苇、美人蕉等水生植物，较传统基质植物生物量增加30%以上；
（3）本发明所述的一种水体净化和资源化利用的浮床及其制备和使用方法，使用周期长，能够实现多次再生，浮床基质使用周期高达5年以上，较传统基质使用寿命提高40%以上；特殊的原料配置使制备的基质块为均匀的多孔结构，吸附性提高50%以上，结合通气孔的设置，该浮床基质的水体交换作用提高50%以上，进而提高浮床基质对水体中氮磷的去除，该生态浮床系统对地表水体的净化效率高，对氮磷污染物的去除提高均超过20%以上，整体上地表水体设置生态浮床之后氮磷污染物的去除率均达到60%以上；该浮床装置结构简单、安装方便、产业化程度高、水质净化效果好、成本低、资源化利用程度高、应用范围广等优点，推广价值高。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1是本发明所述的一种水体净化和资源化利用的浮床的圆形单个种植孔基质块平面结构图；
图2是本发明所述的一种水体净化和资源化利用的浮床的圆形单个种植孔基质块剖面结构图；
图3是本发明所述的一种水体净化和资源化利用的浮床的圆形4个种植孔基质块平面结构图；
图4是本发明所述的一种水体净化和资源化利用的浮床的圆形4个种植孔基质块剖面结构图；
图5是本发明所述的一种水体净化和资源化利用的浮床的圆形5个种植孔基质块平面结构图；
图6是本发明所述的一种水体净化和资源化利用的浮床的圆形5个种植孔基质块剖面结构图；
图7是本发明所述的一种水体净化和资源化利用的浮床的圆形11个种植孔基质块平面结构图；
图8是本发明所述的一种水体净化和资源化利用的浮床的圆形11个种植孔基质块剖面结构图；
图9是本发明所述的一种水体净化和资源化利用的浮床的方形基质块平面结构图；
图10是本发明所述的一种水体净化和资源化利用的浮床的方形基质块剖面结构图；
图11是本发明所述的一种水体净化和资源化利用的浮床的方形浮床结构剖面图；
图12是本发明所述的一种水体净化和资源化利用的浮床的方形浮床结构平面图；
图13是本发明所述的一种水体净化和资源化利用的浮床的圆形浮床结构剖面图；
图14是本发明所述的一种水体净化和资源化利用的浮床的圆形浮床结构平面图；
其中：1-种植孔；2-通气孔；3-基质块；4-过滤垫层；5-定植篮；6-横向固定支架；7-纵向固定支架。
具体实施方式
本发明实现对河流、湖泊、水源地等地表水体的高效净化，对保证地表水体水质的长期稳定，提高地表水体中氮磷的利用率，实现水上种植的高效资源化利用都具有重要意义，该发明技术经济效益、社会效益和环境效益显著。
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
具体实施方式一：
参见图9-图12具体说明本实施方式。本实施方式所述的一种水体净化和资源化利用的浮床具体包括浮床基质和浮床结构，浮床结构内设置有浮床基质；浮床基质包括若干基质块3和若干过滤垫层4；浮床结构包括若干定植篮5、若干横向固定支架6和若干纵向固定支架7，若干定植篮5通过若干横向固定支架6和若干纵向固定支架7连接到一起；定植篮5底部设置有过滤垫层4，过滤垫层4上方设置有基质块3；基质块3上均匀设置有若干种植孔1和若干通气孔2，种植孔1内种植有水生植物，种植孔1和通气孔2为通孔。
所述基质块3厚度为100mm，种植孔1直径为10mm，通气孔2直径为5mm；所述种植孔1每1m2均匀设置100个，通气孔2每0.01m2均匀设置10个。
所述定植篮5形状为方形，深度为150mm，边长为200mm；定植篮5底部和侧面设置有若干网孔，网孔孔径为3mm；组成定植篮5的塑料板材之间通过绳子绑扎连接。
所述基质块3形状为方形，边长小于定植篮5的边长5mm。
所述横向固定支架6和纵向固定支架7为聚氯乙烯（PVC）管，横向固定支架6直径为15mm，布置间距为1.2m；纵向固定支架7直径为30mm，布置间距为1.5m。
一种用于上述的水体净化和资源化利用的浮床的基质制备方法，包括以下步骤：将植物秸秆、生物炭、钙基膨润土、钠基膨润土、铝基膨润土、糯米粉、碎石、粉质粘土、硅藻土和沸石加入自来水进行混合，混合后压制成块并晾干至含水量低于8%，在基质块3上开设种植孔1和通气孔2；原料压制的基质块3在氮气环境条件下550℃热解3.0小时，先通氮气将热解炉内的氧气排出后开始热解，降温冷却过程通氮气至温度降低到200℃及以下，完成基质块3的热解制备；采用压入的方法将石英砂和陶粒嵌入到岩棉中，完成过滤垫层4的制备。
所述基质块3采用的植物秸秆、生物炭、钙基膨润土、钠基膨润土、铝基膨润土、糯米粉、碎石、粉质粘土、硅藻土和沸石的质量比例为10:15:5:10:5:5:10:25:10:5。
所述基质块3采用的植物秸秆粒径为5-15mm，采用玉米秸秆的皮。
所述基质块3的原材料混合过程中加入自来水后压制基质块时含水量为40%。
所述基质块3的原材料混合后的压制压力为50kPa。
所述生物炭为秸秆生物炭和木质生物炭的混合物，两者的混合比例为10:90；秸秆生物炭粒径为3-10mm，木质生物炭的粒径为5-15mm。
所述钠基膨润土的黏度不小于60mPa·s，75μm筛余量不大于1.5%，钠基膨润土的黏度通过测试仪器在600r/min转动速度下测得；钙基膨润土和铝基膨润土，75μm筛余量不大于2.0%；糯米粉过140目筛得到，碎石粒径为3-8mm；粉质粘土中的粘粒含量不低于35%，粘粒粒径不大于0.05mm；硅藻土粒径不大于0.1mm，沸石粒径不大于0.1mm。
所述岩棉厚度为50mm，石英砂粒径为5-10mm，陶粒粒径为5-15mm；石英砂和陶粒的混合比例为15:85，岩棉中石英砂和陶粒的混合物的添加量为5g/cm2。
所述陶粒的原材料为净水厂污泥和植物秸秆，混合比例为干重量比65:35，制备陶粒用的植物秸秆粒径为3-10mm。
一种用于上述的基质制备方法的生物炭制备方法，包括以下步骤：所述秸秆生物炭制备原料采用的植物秸秆为玉米秸秆的皮，在350℃热解3.0小时制备；所述木质生物炭采用树枝在450℃热解3.5小时制备；将秸秆生物炭和木质生物炭混合，先经过0.01mol/L浓度的氢氧化钾改性，后经过0.01mol/L浓度硝酸改性，最后经过0.1mol/L浓度高锰酸钾改性制备。
一种用于上述的基质制备方法的陶粒制备方法，包括以下步骤：将净水厂污泥和植物秸秆混合，在缺氧条件下以及900℃温度下热解150min制备。
一种采用上述的水体净化和资源化利用的浮床的使用方法，包括以下步骤：组装定植篮5，并将若干定植篮5通过若干横向固定支架6和若干纵向固定支架7连接固定，连接成一个浮床单元；在定植篮5内依次放置过滤垫层4和基质块3，最后将植物种植到基质块3的种植孔1内；每个浮床单元为8个定植篮5构成，本实施方式由50个浮床单元构成；
夜间对种植孔1内种植的水生植物进行补蓝色光，每根功率为40W的灯管照射面积为2.0m2，照射时间为5小时，灯管设置于植物的上方，距离基质块顶面的垂直距离为1.0m，放置灯管的竖向支架固定在横向固定支架6和纵向固定支架7上；
在植物每次收割之后，对基质块3进行清理，清理植物的枯叶，同时用水冲洗1分钟；该实施地区冬季温度低于-10℃连续超过10天，将基质块3打捞至岸上，第二年重新安装；
基质块3使用2年以上后进行功能恢复，将基质块3烘干后在300℃条件下热解60分钟，然后在水中浸泡8小时后清洗5次。
本实施方式所述的新型生态浮床装置，对水质的净化结果如表1所示。该浮床制备、安装和维护总成本较传统方法降低35%，实验结果表明该浮床实现95%以上水生植物均能生长，种植的水芹菜，生长量高达3.57±0.35kg/（月·m2），按市场批发价10-15元/kg，两个月将实现成本回收，水生蔬菜完全达到绿色标准；该浮床使用周期长，能够实现多次再生，较传统基质使用寿命提高40%以上；对地表水体的净化效率高，与传统碎石基质对照组相比，氨氮、总氮、总磷和硝态氮的去除率提高31.82%、30.43%、28.12%和27.14%，对氮磷污染物的去除提高均超过20%以上，整体上地表水体设置生态浮床之后氮（总氮、氨氮、硝态氮）和磷污染物的去除率均达到70%以上。
表1 生态浮床对城市河流净化效果
注：去除率按平均值计算。
具体实施方式二：
参见图1-图8具体说明本实施方式。本实施方式所述的一种水体净化和资源化利用的浮床具体包括浮床基质和浮床结构，浮床结构内设置有浮床基质；浮床基质包括若干基质块3和若干过滤垫层4；浮床结构包括若干定植篮5、若干横向固定支架6和若干纵向固定支架7，若干定植篮5通过若干横向固定支架6和若干纵向固定支架7连接到一起；定植篮5底部设置有过滤垫层4，过滤垫层4上方设置有基质块3；基质块3上均匀设置有若干种植孔1和若干通气孔2，种植孔1内种植有水生植物，种植孔1和通气孔2为通孔。
所述基质块3厚度为300mm，种植孔1直径为30mm，通气孔2直径为10mm；所述种植孔1每1m2均匀设置50个，通气孔2每0.01m2均匀设置30个。
所述定植篮5形状为圆形，深度为400mm，直径为400mm；定植篮5底部和侧面设置有若干网孔，网孔孔径为5mm；组成定植篮5的塑料板材之间通过绳子绑扎连接。
所述基质块3形状为圆形，直径小于定植篮5的直径10mm。
所述横向固定支架6和纵向固定支架7为聚氯乙烯（PVC）管，横向固定支架6直径为30mm，布置间距为1.5m；纵向固定支架7直径为60mm，布置间距为3.0m。
一种用于上述的水体净化和资源化利用的浮床的基质制备方法，包括以下步骤：将植物秸秆、生物炭、钙基膨润土、钠基膨润土、铝基膨润土、糯米粉、碎石、粉质粘土、硅藻土和沸石加入自来水进行混合，混合后压制成块并晾干至含水量低于8%，在基质块3上开设种植孔1和通气孔2；原料压制的基质块3在氮气环境条件下800℃热解1.5小时，先通氮气将热解炉内的氧气排出后开始热解，降温冷却过程通氮气至温度降低到200℃及以下，完成基质块3的热解制备；采用压入的方法将石英砂和陶粒嵌入到岩棉中，完成过滤垫层4的制备。
所述基质块3采用的植物秸秆、生物炭、钙基膨润土、钠基膨润土、铝基膨润土、糯米粉、碎石、粉质粘土、硅藻土和沸石的质量比例为5:35:1:5:2:2:5:40:3:2。
所述基质块3采用的植物秸秆粒径为5-15mm，采用玉米秸秆的皮和甘蔗秸秆的皮混合制备。
所述基质块3的原材料混合过程中加入自来水后压制基质块时含水量为30%。
所述基质块3的原材料混合后的压制压力为100kPa。
所述生物炭为秸秆生物炭和木质生物炭的混合物，两者的混合比例为30:70；秸秆生物炭粒径为3-10mm，木质生物炭的粒径为5-15mm。
所述钠基膨润土的黏度不小于60mPa·s，75μm筛余量不大于1.5%，钠基膨润土的黏度通过测试仪器在600r/min转动速度下测得；钙基膨润土和铝基膨润土，75μm筛余量不大于2.0%；糯米粉过140目筛得到，碎石粒径为3-8mm；粉质粘土中的粘粒含量不低于35%，粘粒粒径不大于0.05mm；硅藻土粒径不大于0.1mm，沸石粒径不大于0.1mm。
所述岩棉厚度为150mm，石英砂粒径为5-10mm，陶粒粒径为5-15mm；石英砂和陶粒的混合比例为35:65，岩棉中石英砂和陶粒的混合物的添加量为15g/cm2。
所述陶粒的原材料为净水厂污泥和植物秸秆，混合比例为干重量比85:15，制备陶粒用的植物秸秆粒径为3-10mm。
一种用于上述的基质制备方法的生物炭制备方法，包括以下步骤：所述秸秆生物炭制备原料采用的植物秸秆为高粱秸秆的皮和葵花秸秆的混合物，在550℃热解1.0小时制备；所述木质生物炭采用废弃木材边角料在650℃热解1.5小时制备；将秸秆生物炭和木质生物炭混合，先经过0.1mol/L浓度的氢氧化钾改性，后经过0.1mol/L浓度硝酸改性，最后经过0.005mol/L浓度高锰酸钾改性制备。
一种用于上述的基质制备方法的陶粒制备方法，包括以下步骤：将净水厂污泥和植物秸秆混合，在缺氧条件下以及1200℃温度下热解30min制备。
一种采用上述的水体净化和资源化利用的浮床的使用方法，包括以下步骤：组装定植篮5，并将若干定植篮5通过若干横向固定支架6和若干纵向固定支架7连接固定，连接成一个浮床单元；在定植篮5内依次放置过滤垫层4和基质块3，最后将植物种植到基质块3的种植孔1内；每个浮床单元为24个定植篮构成，本实施方式由80个浮床单元构成；
夜间对种植孔1内种植的水生植物进行补蓝色光，每根功率为120W的灯管照射面积为6.0m2，照射时间为3小时，灯管设置于植物的上方，距离基质块顶面的垂直距离为1.5m，放置灯管的竖向支架固定在横向固定支架6和纵向固定支架7上。
在植物每次收割之后，对基质块3进行清理，清理植物的枯叶，同时用水冲洗2分钟；该实例实施地区冬季温度低于-10℃连续超过10天，将基质块3打捞至岸上，第二年重新安装；
基质块3使用2年以上后进行功能恢复，将基质块3烘干后在500℃条件下热解30分钟，然后在水中浸泡16小时后清洗3次。
本实施方式所述的新型生态浮床装置，对水质的净化结果如表2所示。该浮床制备、安装和维护总成本较传统方法降低42%，种植的水芹菜，生长量高达3.26±0.31kg/（月·m2），按市场批发价10-15元/kg，两个月将实现成本回收，水生蔬菜完全达到绿色标准；该浮床使用周期长，能够实现多次再生，较传统基质使用寿命提高45%以上；对地表水体的净化效率高，与对照组相比，氨氮、总氮、总磷和硝态氮的去除率提高22.39%、21.30%、26.67%和21.85%，对氮磷污染物的去除提高均超过20%以上，整体上地表水体设置生态浮床之后氮（总氮、氨氮、硝态氮）和磷污染物的去除率均达到60%以上。
表2生态浮床对城市河流净化效果
注：去除率按平均值计算。
具体实施方式三：
参见图2-图5和图13以及图14具体说明本实施方式。本实施方式所述的一种水体净化和资源化利用的浮床具体包括浮床基质和浮床结构，浮床结构内设置有浮床基质；浮床基质包括若干基质块3和若干过滤垫层4；浮床结构包括若干定植篮5、若干横向固定支架6和若干纵向固定支架7，若干定植篮5通过若干横向固定支架6和若干纵向固定支架7连接到一起；定植篮5底部设置有过滤垫层4，过滤垫层4上方设置有基质块3；基质块3上均匀设置有若干种植孔1和若干通气孔2，种植孔1内种植有水生植物，种植孔1和通气孔2为通孔。
所述基质块3厚度为200mm，种植孔1直径为30mm，通气孔2直径为10mm；所述种植孔1每1m2设置70个，通气孔2每0.01m2均匀设置20个。
所述定植篮5形状为圆形，深度为200mm，直径为300mm；定植篮5底部和侧面设置有若干网孔，网孔孔径为5mm；组成定植篮5的塑料板材之间通过绳子绑扎连接。
所述基质块3形状为圆形，直径小于定植篮5的直径8mm。
所述横向固定支架6和纵向固定支架7为聚氯乙烯（PVC）管，横向固定支架6直径为20mm，布置间距为1.5m；纵向固定支架7直径为50mm，布置间距为3.0m。
一种用于上述的水体净化和资源化利用的浮床的基质制备方法，包括以下步骤：将植物秸秆、生物炭、钙基膨润土、钠基膨润土、铝基膨润土、糯米粉、碎石、粉质粘土、硅藻土和沸石加入自来水进行混合，混合后压制成块并晾干至含水量低于8%，在基质块3上开设种植孔1和通气孔2；原料压制的基质块3在氮气环境条件下700℃热解2.0小时，先通氮气将热解炉内的氧气排出后开始热解，降温冷却过程通氮气至温度降低到200℃及以下，完成基质块3的热解制备；采用压入的方法将石英砂和陶粒嵌入到岩棉中，完成过滤垫层4的制备。
所述基质块3采用的植物秸秆、生物炭、钙基膨润土、钠基膨润土、铝基膨润土、糯米粉、碎石、粉质粘土、硅藻土和沸石的质量比例为8:25:3:8:3:3:8:34:5:3。
所述基质块3采用的植物秸秆粒径为5-15mm，采用高粱秸秆的皮和甘蔗秸秆的皮混合制备。
所述基质块3的原材料混合过程中加入自来水后压制基质块时含水量为35%。
所述基质块3的原材料混合后的压制压力为80kPa。
所述生物炭为秸秆生物炭和木质生物炭的混合物，两者的混合比例为20:80；秸秆生物炭粒径为3-10mm，木质生物炭的粒径为5-15mm。
所述钠基膨润土的黏度不小于60mPa·s，75μm筛余量不大于1.5%，钠基膨润土的黏度通过测试仪器在600r/min转动速度下测得；钙基膨润土和铝基膨润土75μm筛余量不大于2.0%；糯米粉过140目筛得到，碎石粒径为3-8mm；粉质粘土中的粘粒含量不低于35%，粘粒粒径不大于0.05mm；硅藻土粒径不大于0.1mm，沸石粒径不大于0.1mm。
所述岩棉厚度为100mm，石英砂粒径为8-10mm，陶粒粒径为10-15mm；石英砂和陶粒的混合比例为25:75，岩棉中石英砂和陶粒的混合物的添加量为10g/cm2。
所述陶粒的原材料为净水厂污泥和植物秸秆，混合比例为干重量比75:25，制备陶粒用的植物秸秆粒径为3-10mm。
一种用于上述的基质制备方法的生物炭制备方法，包括以下步骤：所述秸秆生物炭制备原料采用的植物秸秆为葵花秸秆，在500℃热解1.5小时制备；所述木质生物炭采用废弃木材边角料在600℃热解2.0小时制备；将秸秆生物炭和木质生物炭混合，先经过0.05mol/L浓度的氢氧化钾改性，后经过0.05mol/L浓度硝酸改性，最后经过0.02mol/L浓度高锰酸钾改性制备。
一种用于上述的基质制备方法的陶粒制备方法，包括以下步骤：将净水厂污泥和植物秸秆混合，在缺氧条件下以及1100℃温度下热解50min制备。
一种采用上述的水体净化和资源化利用的浮床的使用方法，包括以下步骤：组装定植篮5，并将若干定植篮5通过若干横向固定支架6和若干纵向固定支架7连接固定，连接成一个浮床单元；在定植篮5内依次放置过滤垫层4和基质块3，最后将植物种植到基质块3的种植孔1内；每个浮床单元为16个定植篮构成，本实施方式由100个浮床单元构成；
夜间对种植孔1内种植的水生植物进行补蓝色光，每根功率为100W的灯管照射面积为4.0m2，照射时间为4小时，灯管设置于植物的上方，距离基质块顶面的垂直距离为2.5m，放置灯管的竖向支架固定在横向固定支架6和纵向固定支架7上。
在植物每次收割之后，对基质块3进行清理，清理植物的枯叶，同时用水冲洗1.5分钟；该实例实施地区冬季温度低于-10℃连续超过10天，将基质块3打捞至岸上，第二年重新安装；
基质块3使用2年以上后进行功能恢复，将基质块3烘干后在400℃条件下热解50分钟，然后在水中浸泡12小时后清洗3次。
本实施方式所述的新型生态浮床装置，对水质的净化结果如表3所示。该浮床制备、安装和维护总成本较传统方法降低35%，种植的芦苇和黄菖蒲，芦苇株高达到1.5-2.2m，黄菖蒲株高达1.2-1.6m，5-7月芦苇和黄菖蒲的生长量平均值高达5.23±0.64kg/（月·m2），生物量较常规基质提高35%；该浮床使用周期长，能够实现多次再生，较传统基质使用寿命提高40%以上；对地表水体的净化效率高，与对照组相比，氨氮、总氮、总磷和硝态氮的去除率提高26.81%、20.88%、26.92%和22.77%，对氮磷污染物的去除提高均超过20%以上，整体上地表水体设置生态浮床之后氮（总氮、氨氮、硝态氮）和磷污染物的去除率均达到60%以上。
表3 生态浮床对城市河流净化效果
注：去除率按平均值计算。
总结上述实施案例，本申请所述的一种水体净化和资源化利用的浮床及其制备和使用方法，通过开发新型生态浮床装置，实现对地表水体净化和资源化利用相结合，特别是实现生态浮床植物的高价值利用；该浮床基质原料来源广泛，成本低，实现植物秸秆的资源化利用；该浮床制备、安装和维护总成本较传统方法降低30%以上；
本发明所述的一种水体净化和资源化利用的浮床及其制备和使用方法，能够实现95%以上水生植物均能生长，特别是绿色水生蔬菜水上种植取得突破；以水芹菜为例，生长量大于3.0kg/（月·m2），按市场批发价10-15元/kg，两个月将实现成本完全回收；由于浮床浮于水面，不接触地表水体的底泥，水生蔬菜完全达到绿色标准；种植黄菖蒲、芦苇、美人蕉等水生植物，较传统基质植物生物量增加30%以上；
本发明所述的一种水体净化和资源化利用的浮床及其制备和使用方法，使用周期长，能够实现多次再生，浮床基质使用周期高达5年以上，较传统基质使用寿命提高40%以上；特殊的原料配置使制备的基质块为均匀的多孔结构，吸附性提高50%以上，结合通气孔2的设置，该浮床基质的水体交换作用提高50%以上，进而提高浮床基质对水体中氮磷的去除；该生态浮床系统对地表水体的净化效率高，对氮磷污染物的去除提高均超过20%以上，整体上地表水体设置生态浮床之后氮磷污染物的去除率均达到60%以上；该浮床装置结构简单、安装方便、产业化程度高、水质净化效果好、成本低、资源化利用程度高、应用范围广等优点，推广价值高。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制发明，还可以是上述实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (18)
1.一种水体净化和资源化利用的浮床，其特征在于：包括浮床基质和浮床结构，浮床结构内设置有浮床基质；浮床基质包括若干基质块（3）和若干过滤垫层（4）；浮床结构包括若干定植篮（5）、若干横向固定支架（6）和若干纵向固定支架（7），若干定植篮（5）通过若干横向固定支架（6）和若干纵向固定支架（7）连接到一起；定植篮（5）底部设置有过滤垫层（4），过滤垫层（4）上方设置有基质块（3）；基质块（3）上均匀设置有若干种植孔（1）和若干通气孔（2），种植孔（1）内种植有水生植物，种植孔（1）和通气孔（2）为通孔。
2.根据权利要求1所述的水体净化和资源化利用的浮床，其特征在于：所述基质块（3）厚度为100-300mm，种植孔（1）直径为10-30mm，通气孔（2）直径为5-10mm。
3.根据权利要求1所述的水体净化和资源化利用的浮床，其特征在于：所述种植孔（1）每1m2均匀设置50-100个，通气孔（2）每0.01m2均匀设置10-30个。
4.根据权利要求1所述的水体净化和资源化利用的浮床，其特征在于：所述定植篮（5）形状为圆形或方形，深度为150-400mm，直径或边长为200-400mm；定植篮（5）底部和侧面设置有若干网孔，网孔孔径为3-5mm。
5.根据权利要求4所述的水体净化和资源化利用的浮床，其特征在于：所述基质块（3）形状为圆形或方形，直径或边长小于定植篮（5）5-10mm。
6.根据权利要求1所述的水体净化和资源化利用的浮床，其特征在于：所述横向固定支架（6）和纵向固定支架（7）为聚氯乙烯管，横向固定支架（6）直径为15-30mm，布置间距为1.2-1.5m；纵向固定支架（7）直径为30-60mm，布置间距为1.5-3.0m。
7.一种用于权利要求1-6所述的水体净化和资源化利用的浮床的基质制备方法，其特征在于：包括以下步骤：将植物秸秆、生物炭、钙基膨润土、钠基膨润土、铝基膨润土、糯米粉、碎石、粉质粘土、硅藻土和沸石加入自来水进行混合，混合后压制成块并晾干至含水量低于8%，在基质块（3）上开设若干种植孔（1）和若干通气孔（2）；原料压制的基质块（3）在氮气环境条件下550℃-800℃热解1.5-3.0小时，先通氮气将热解炉内的氧气排出后开始热解，降温冷却过程通氮气至温度降低到200℃及以下，完成基质块（3）的热解制备；采用压入的方法将石英砂和陶粒嵌入到岩棉中，完成过滤垫层（4）的制备。
8.根据权利要求7所述的基质制备方法，其特征在于：所述基质块（3）采用的植物秸秆、生物炭、钙基膨润土、钠基膨润土、铝基膨润土、糯米粉、碎石、粉质粘土、硅藻土和沸石的质量比例为10:15:5:10:5:5:10:25:10:5~5:35:1:5:2:2:5:40:3:2。
9.根据权利要求8所述的基质制备方法，其特征在于：所述基质块（3）采用的植物秸秆粒径为5-15mm，采用玉米秸秆的皮、高粱秸秆的皮、甘蔗秸秆的皮、葵花秸秆、大豆秸秆和棉花秸秆中的一种或几种的混合物。
10.根据权利要求7所述的基质制备方法，其特征在于：所述基质块（3）的原材料混合后压制基质块（3）时的含水量为30-40%。
11.根据权利要求7所述的基质制备方法，其特征在于：所述基质块（3）的原材料混合后的压制压力为50-100kPa。
12.根据权利要求7所述的基质制备方法，其特征在于：所述生物炭为秸秆生物炭和木质生物炭的混合物，两者的混合比例为10:90~30:70；秸秆生物炭粒径为3-10mm，木质生物炭的粒径为5-15mm。
13.根据权利要求7所述的基质制备方法，其特征在于：所述钠基膨润土的黏度不小于60mPa·s，75μm筛余量不大于1.5%；钙基膨润土和铝基膨润土，75μm筛余量不大于2.0%；糯米粉过140目筛得到，碎石粒径为3-8mm；粉质粘土中的粘粒含量不低于35%，粘粒粒径不大于0.05mm；硅藻土粒径不大于0.1mm，沸石粒径不大于0.1mm。
14.根据权利要求7所述的基质制备方法，其特征在于：所述岩棉厚度为50mm-150mm，石英砂粒径为5-10mm，陶粒粒径为5-15mm；石英砂和陶粒的混合比例为15:85~35:65，岩棉中石英砂和陶粒的混合物的添加量为5-15g/cm2。
15.根据权利要求14所述的基质制备方法，其特征在于：所述陶粒的原材料为净水厂污泥和植物秸秆，混合比例为干重量比65:35~85:15，制备陶粒用的植物秸秆粒径为3-10mm。
16.一种用于权利要求12所述的基质制备方法的生物炭制备方法，其特征在于：包括以下步骤：所述秸秆生物炭制备原料采用的植物秸秆为玉米秸秆的皮、高粱秸秆的皮、甘蔗秸秆的皮、大豆秸秆、棉花秸秆和葵花秸秆的一种或多种的混合物，在350-550℃热解1.0-3.0小时制备；木质生物炭采用木材在450-650℃热解1.5-3.5小时制备；将秸秆生物炭和木质生物炭混合，先经过0.01-0.1mol/L浓度氢氧化钾改性，后经过0.01-0.1mol/L浓度硝酸改性，最后经过0.005-0.1mol/L浓度高锰酸钾改性制备。
17.一种用于权利要求15所述的基质制备方法的陶粒制备方法，其特征在于：包括以下步骤：将净水厂污泥和植物秸秆混合，在缺氧条件下以及900-1200℃温度下热解30-150min制备。
18.一种采用权利要求1-6所述的水体净化和资源化利用的浮床的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：组装定植篮（5），并将若干定植篮（5）采用横向固定支架（6）和纵向固定支架（7）固定，连接成一个浮床单元；在定植篮（5）内依次放置过滤垫层（4）和基质块（3），最后将植物种植到基质块（3）的种植孔（1）内；
夜间对种植孔（1）内种植的水生植物进行补蓝色光，每根功率为40-120W的灯管照射面积为2.0-6.0m2，照射时间为3-5小时，灯管设置于植物的上方，距离基质块（3）顶面的垂直距离为1.0-2.5m；
在植物每次收割之后，对基质块（3）进行清理，并用水冲洗1-2分钟；若实施地区冬季温度低于-10℃连续超过10天，将基质块（3）打捞至岸上，第二年重新安装；
基质块（3）使用2年以上后进行功能恢复，将基质块（3）烘干后在300-500℃条件下热解30-60分钟，然后在水中浸泡8-16小时后清洗3-5次。
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