CN1850659A - 一种无机人工生物浮岛的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无机人工生物浮岛的构建方法，其步骤是：将轻质无机材料和无机粘合剂(硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐类或其复合物，如水泥或粘土等)、水混合搅拌；将混合物填入模具中；待混合物固化、干燥和成型后取出；单独或栽种植物后放入污染水体中；通过微生物、植物在该浮岛上的生长而净化污染水体。本发明的原料均采用无机材料，化学性质稳定，环境友好，无二次污染，利用植物和微生物膜的共同作用净化水体，改善景观，效果稳定。

Description

一种无机人工生物浮岛的构建方法

                            技术领域

本发明涉及水环境治理及生态修复领域，具体地说，涉及一种无机人工生物浮岛的构建方法，适用于各种富营养化水域和城市景观水体的水质改善。

                            背景技术

水体富营养化是当前世界水环境的普遍性问题。经济的快速增长给各种天然水体带来沉重的负荷，在外来物质和内源污染的综合作用下，水体中营养盐过剩，引起浮游植物过量繁殖，结果导致水质恶化。江河湖水富营养化实质上是生态系统退化问题，应该以生态的理念、思路、方法来探索治理水域污染的新途径。

人工生物浮岛技术是富营养化水体修复治理的一种生物手段。该技术是按照自然界自身规律，人工把高等水生植物或改良的陆生植物，以浮岛作为载体，种植到富营养化水体的水面，通过植物根部的吸收、吸附作用和物种竞争相克机理，削减富营养化水体中的氮、磷及有机物质，从而达到净化水质的效果，同时又可营造水上景观。实践证明，在污染水体中种植一些耐污能力特别强，能在原位生态条件下正常生长，并容易收获的高等植物，会对水体起到很好的净化作用。

人工生物浮岛的一般构建原则有以下几点：①材质比重小，来源充足，绿色环保，防腐蚀，耐老化，可反复多次使用；②具有较好的强度，能抵抗较大风浪冲击；③采用柔性连接，使浮岛整体能随水体上下浮动；④拥有植物栽种孔穴，能满足植物长期生长种植密度。⑤具有可移动式运行，无动力、无维护，使用寿命长等特点；⑥为满足景观要求，可以将浮岛制成不同的形状。

人工生物浮岛技术在国内外早有研究。早期在中美洲如墨西哥，当地农民利用芦苇编成筏子，上铺泥土种植玉米、雍菜等。在缅甸，农民利用湖泊中天然生长的植物根茎聚集起来的浮垫，在上面种植蔬菜等农作物。20世纪七十年代，德国首先提出了“人工浮岛”的概念，随后日本开始应用以聚苯乙烯、、等制成的人工浮岛为鱼虾等提供产卵场所。由于水环境问题的日益突出，人们环保意识的逐渐增强，人工浮岛又被广泛的应用到水环境治理领域。在这一范畴，“人工浮岛”、“生物浮岛”、“生物浮床”、“浮床无土栽培”与人工生物浮岛实质上是同一概念。

20世纪80年代，中科院南京湖泊与地理研究所，福建省农科院等单位，以聚苯乙烯发泡板作为浮载体，铺上泥后进行种植。或以聚苯乙烯作为浮体主材料，铺以竹条，丙烯袋，塑料薄膜等构成浮体栽培床种植各种植物，为自然水域植物栽培作了有益的尝试。聚苯乙烯发泡板以其成本低廉、浮力强大、性能稳定等特性，受到人们的青睐。因此该载体得到非常广泛的应用，并取得了巨大的成效，目前在国内利用浮岛进行内陆水体治理和修复中占主导地位。但与此同时，也产生了令人担忧的“白色污染”问题。

1998年刘淑嫒等人采用蛭石无土栽培水芹、水雍菜和多花黑麦草，研究其净化富营养水体的效果。蛭石填充于用窗纱缝制的袋子中，封口后全袋可漂浮于水面上，每袋厚5cm左右，水雍菜和多花黑麦草的种子就点在蛭石中。蛭石是一种轻质多孔云母类硅质矿物，孔隙度达95％，吸水率0.1-0.65m³/m³，经长时间浸泡后会部分下沉。此外，由于窗纱在室外长期露置后容易老化破损，致使散装的蛭石易漏出来，故在设备的高效、耐用和规范，以及栽培植物物种的选择、种植和采收方面还需要进一步的研究。

美国郎泰克环保科技公司研制开发了一种生物坝。该生物坝由若干生物箱连接组成，生物箱内装附着有微生物的球形填料。填料采用美国LANTEC针状球形填料，该填料材质为改性聚丙烯，具有耐光、耐水、耐腐蚀、耐寒的性质。经下部曝气管连续充气，能在填料表面产生一层生物膜，降解水中的有机污染物。生物坝安装方便，可根据水面宽度进行现场组装，部分箱体损坏时还可单独替换。该生物坝可固定于水中，也可漂浮于水面。然而，该生物坝主要应用于污水处理，使用这种生物坝时水需要先通过隔板或格栅以及沉砂等一级处理，而且无法在其中种植植物以形成美丽景观。所以该技术在内陆景观水体治理中也没有得到广泛采用。

从上述研究和实际应用情况看，到目前为止，构建人工生物浮岛的材料主要是有机高分子材料，如聚苯乙烯发泡板，丙烯袋，窗纱袋，球形填料等。众所周知，这些人工合成的有机高分子材料是自然界所不具有的，容易损坏，在一般条件下难以降解，难以回收利用，有二次污染风险。大量地使用这些材料，必然会造成严重的固废污染。这样一来，水污染转变成为固废污染，即所谓的“污染转移”，这种治理环境的方式是不经济的，也不符合环境可持续发展的要求。此外，当前采用无机材料制作浮岛的研究尚少见，虽然个别研究能够取得较好的效果，但是其制作方法、成本和使用维护方面还存在难以克服的弊端，因而至今未能形成大规模应用。因此，探索和研制新型无机人工生物浮岛非常必要。本发明正是基于以上问题而产生的。

                            发明内容

本发明的目的是在于：提供一种无机人工生物浮岛的构建方法，通过其漂浮或悬浮能力，依赖其易于微生物附着挂膜，有利于植物生长，无二次污染，来去除水中营养盐(TN、TP去除率可达70～95％)，消除污染，改善水质，增强水体景观。

本发明的主要技术方案是：以现有的水源生物预处理填料(包括陶粒，蛭石，石英砂，沸石，多孔陶瓷等)和污水生物处理填料的生产工艺(污水处理用陶粒滤料的工艺研究和应用.西南给排水，2005，1)为基础，以轻质无机材料(如陶粒，蛭石，浮石，多孔陶瓷等)为原料，适度混入无机粘合剂(硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐类或其复合物，如水泥或粘土等)，通过改变配方和制作工艺，适应不同需求，构建轻质、高效的人工生物浮岛。

本发明的具体实现方法是：

1.浮岛单元制作(浮岛单元是体积相对较小的浮岛)：

(1)筛选材料：将轻质无机材料(如陶粒，蛭石，浮石，多孔陶瓷等)放入水中，选取体积较小的(≤8cm³)、能浮于水面的轻质无机材料作为制作无机人工生物浮岛的原材料。

(2)制作模具：以刚性材质(木材、塑料、聚苯乙烯泡沫板)制作模具，使轻质无机材料和无机粘合剂(硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐类或其复合物，如水泥或粘土等)的混合物成型。模具形状和厚度根据景观需要而定。

(3)混料搅拌：将所筛选出的轻质无机材料(50％～75％)与无机粘合剂(硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐类或其复合物，如水泥或粘土等)(25％～50％)按一定配比混合，加入适量水(使无机粘合剂呈粘稠状即可)，搅拌均匀，以无机粘合剂在1分钟内不呈滴状落下为宜。搅拌时间为5～30分钟。

(4)固化成型：将搅拌均匀后的轻质无机材料和无机粘合剂的混合物填入模具中，压紧压实，然后等待固化、干燥和成型。成型时间视气温，通风情况和浮岛厚度等差异而有所不同(在通风，温度控制在15～35℃，浮岛厚度为5cm时，室内干燥成型为2～4天时间)。

2.放入水体：(将轻质浮岛单独或种植植物后放入污染水体中，该浮岛漂浮于水面，可通过微生物和植物的生长净化水体。)

(1)将成型后的浮岛放入富营养化水体中，根据水域面积大小确定浮岛覆盖面积。大型浮岛可由浮岛单元连接组成，各浮岛单元之间可用海绵或聚苯乙烯泡沫材料进行柔性连接。

(2)可将浮岛单独放入水体，或将水生或改良陆生植物栽入浮岛的孔穴中，必要时可用海绵或其他柔性材料加以固定。植物利用水体中的营养盐维持自身生长，长出发达的根系，能吸附大量微生物，通过根系分泌物间接达到净化水体的目的。

(3)微生物可在粗糙，多孔隙的无机人工生物浮岛表面生长并形成生物膜，生物膜老化脱落后可被附近根系分泌物分解。

本发明与现有技术相比，有以下优点和效果：

1、本发明的原材料均为无机材料，化学性质稳定，无二次污染。原材料来源广泛，可采用废弃物制成，绿色环保，经济效益和社会效益可观。

2、使用寿命长(2～4年)，可重复使用，废弃后可回收再利用。

3、本发明无需外部维护设备或其他附加装置，各浮岛单元是一个单独体，运输和安装非常方便。

4、不需要预处理，不存在堵塞问题。

5、承载能力和抗冲击负荷能力视水域具体情况而定，通过适度改变配比可增大或减小承载力和抗冲击负荷力大小。

6、本发明不仅利用植物生长吸收营养盐，也利用浮岛表面附着生长的微生物去除营养盐。两者的共同作用，更有助于提高水质，改善水体景观，效果稳定。

7、表面粗糙，孔隙多，吸附微生物能力强。

8、制作工艺简单，无能耗，成本低廉，适宜广泛推广。

综上所述，本发明的方法绿色环保，制作简单，经济实用，可以有效的改善富营养化水体的水质状况，提高景观价值，对于环境、经济和社会的可持续发展具有重要的意义。

                            具体实施方式

实例1

1.前期准备

(1)现场调查：试验地点为武汉一人工湖，现受到富营养化污染；

(2)材料筛选：以圆球型陶粒为原料，将其放入水中，选取可浮于水面的陶粒；

(3)模具制作：用木材制成40cm×30cm×5cm大小的无盖长方体盒，盒底用钉固定12个聚苯乙烯泡沫块(高5cm，截面直径2.5cm)以留栽种孔穴；

2.浮岛单元制作阶段

(1)定量称取上述筛选出的干燥圆球型陶粒(质量百分比为61.8％)和水泥(质量百分比为38.2％)；

(2)混料搅拌；将上述陶粒和水泥混合，边加水边搅拌，至水泥呈粘稠状即可停止加水。然后继续搅拌均匀，搅拌时间约20分钟；

(3)固化成型：将上述搅拌好的陶粒水泥混合物填入模具中。在室内，通风，气温16～23℃条件下，放置4天即干燥固化。然后移去木制模具和泡沫块，即得大小为40cm×30cm×5cm，有12孔穴的浮岛单元；

3.放入水体

(1)将20块上述40cm×30cm×5cm规格的浮岛单元分两行，一行10块首尾连接，行间并行连接。用铁丝或尼龙绳进行连接，在浮岛单元连接缝隙中夹入海绵或泡沫，以减小有浪时浮岛单元间的相互撞击力；

(2)在浮岛孔穴中栽入菖蒲植株(株高15～30cm)，根部没入水中，用海绵加以固定；

(3)在气温15～26℃，间隔有过四次降雨的情况下连续投放15天，观察到菖蒲长势良好，存活率达100％，株高和根系明显增加，浮岛底表面可见淡绿色斑块，表明已有微生物附着生长。

实例2

1.前期准备

(1)现场调查：试验地点为一人工渠(600cm×300cm×150cm)，渠中水(深100cm)是用自来水和生活污水混合而成的模拟富营养化水体；

(2)材料筛选：以蛭石为原料，将其投入水中，选取可浮于水面的蛭石；

(3)模具制作：将一高6cm，截面直径为2.5cm的圆柱体聚苯乙烯泡沫块固定于口径为10cm，底径为5cm的日用塑料方便碗底部；

2.浮岛单元制作阶段

(1)定量称取上述筛选出的干燥的蛭石(质量百分比为70％)和水泥(质量百分比为30％)；

(2)混料搅拌：将上述蛭石和水泥混合，边加水边搅拌，至水泥呈粘稠状即可停止加水。然后继续搅拌均匀，搅拌时间约15分钟；

(3)固化成型：将上述搅拌好的蛭石水泥混合物填入模具中。在室外，晴好微风(＜3级)，气温18～26℃条件下，放置3天即干燥固化。移去塑料碗和泡沫块，即得中空、上底直径为10cm的碗形浮岛单元；

3.放入水体

(1)将15个上述碗形浮岛单元用铁丝和尼龙绳连接组合成花形浮岛。按此方式安装三组相同花形浮岛投放于渠水中；

(2)在浮岛孔穴中栽入菖蒲植株(株高15～30cm)，根部没入水中，用海绵加以固定；

(3)在气温18～26℃无降雨的情况下，连续投放30天，菖蒲存活率达100％，植株和根系都明显增多，浮岛底部表面附有一层微生物膜。渠水总氮和总磷的去除率高达89％。

实例3

1.前期准备

(1)现场调查：试验地点为武汉一人工湖，现受到富营养化污染；

(2)材料筛选：以浮石为原料，将其投入水中，选取可浮于水面的浮石；

(3)模具制作：用木材制成30cm×20cm×4cm大小的无盖长方体盒，盒底用钉固定6个聚苯乙烯泡沫块(高4cm，截面直径2.5cm)以留栽种孔穴。

2.浮岛单元制作阶段

(1)定量称取上述筛选出的干燥浮石(质量百分比为68％)和粘土水泥复合物(质量百分比为32％)。其中粘土水泥复合物中粘土的质量百分比为30％，水泥为70％；

(2)混料搅拌：将上述浮石，粘土水泥复合物混合，边加水边搅拌，至粘土水泥复合物呈粘稠状即可停止加水。然后继续搅拌均匀，搅拌时间约25分钟；

(3)固化成型：将上述搅拌均匀后的浮石和粘土水泥复合物的混合物填入模具中。在室外，晴好微风(＜3级)，气温18～26℃条件下，放置3天即干燥固化。移去木制模具和泡沫块，即得大小为30cm×20cm×4cm，有6孔穴的浮岛单元；

3.放入水体

(1)用铁丝或尼龙绳将10块上述浮岛单元排列连接成100cm×60cm×4cm的长方体浮岛。按此方式连接两块100cm×60cm×4cm规格的浮岛投放入湖水中；

(2)在浮岛孔穴中栽入鸢尾植株(株高15～40cm)，根部没入水中，用海绵加以固定；

(3)在气温18～26℃无降雨的情况下，连续投放20天，鸢尾存活率达100％，植株变粗壮，根系增多，浮岛底部表面上附有一层微生物膜。

Claims (2)

1、一种人工无机生物浮岛的构建方法，它包括下列步骤：

A、筛选材料：将轻质无机材料放入水中，轻质无机材料为陶粒，蛭石，浮石，多孔陶瓷；

B、制作模具：以刚性材质制作模具，使轻质无机材料和无机粘合剂的混合物成型；

C、混料搅拌：将所筛选出的轻质无机材料50％～75％与无机粘合剂25％～50％混合，加入水，搅拌均匀，搅拌时间为5～30分钟；

D、固化成型：将搅拌均匀后的轻质无机材料和无机粘合剂的混合物填入模具中，然后等待固化、干燥和成型，温度控制在15～35℃，浮岛厚度为5cm时，室内干燥成型为2～4天时间；

E、放入水体：将轻质浮岛单独或种植植物后放入污染水体中，该浮岛漂浮于水面，通过微生物和植物的生长净化水体。

2、根据权利要求1所述的一种无机人工生物浮岛的构建方法，其特征在于：无机粘合剂为硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐类或其复合物。