林雪兵,王培風

(浙江水利水電?？茖W校,浙江 杭州 310018)

人工浮島又稱生態(tài)浮島,由植物體、植物浮床、浮島平臺和水下固定裝置組成[1],是一種將水生植物或改良馴化的陸生植物移栽到浮床中,利用植物及微生物的自身生長規(guī)律,可進行水質凈化的筏子狀的人工漂浮結構.一般按照浮島植物是否與水體直接接觸分為干式與濕式浮島,目前國內90%以上都是濕式人工浮島[2].

人工浮島技術最早應用于生態(tài)領域,如作為加拿大燕的水上漂浮式人工巢、魚類產(chǎn)卵巢等.德國BESTMAN公司在20世紀70年代提出將該技術用于水體治理中.隨后,歐美、日本等發(fā)達國家開始研究與應用.相比之下,我國起步較晚,在2000年前后開始重視應用該技術[3].

和其他治理富營養(yǎng)化水體的措施相比,如水體深層曝氣、化學藥劑殺藻等措施,人工浮島具有工程量小、無化學物質有毒副作用、原位修復、低成本及占地面積小的優(yōu)勢.此外,人工浮島具有美化水域景觀、防浪護岸、為動物提供棲息地、增加水域生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性的作用[4].

總氮(TN)、總磷(TP)等營養(yǎng)鹽是發(fā)生富營養(yǎng)化的必要條件,故水體中總氮、總磷是檢驗水體修復效果的關鍵指標.而BOD、COD是評價水體污染程度的主要指標[5],其值的波動會影響水中動植物的生長繁殖,間接影響營養(yǎng)鹽的濃度水平,對富營養(yǎng)化水平有指導作用,故考察人工浮島對BOD、COD的去除率是需要的.人工浮島對BOD、COD的去除主要是通過植物-微生物系統(tǒng)的植物、微生物吸收與代謝等作用完成[6].

1 人工浮島的應用

針對湖泊、河流等自然水體的不同特征,由于水體動力學和更新周期對富營養(yǎng)化有有密切的關系[7],以下將富營養(yǎng)化水體分為靜態(tài)水體及動態(tài)水體兩種情況進行介紹分析.

1.1 人工浮島的在靜態(tài)富營養(yǎng)化水體中的修復

張麗萍、梅朋森等[8]人用75 cm×35 cm×2 cm的泡沫塑料制作成植物浮床,按株間距8～10 cm移栽芹菜、番茄、竹葉菜、辣椒、生菜、茄子、莧菜共 7種蔬菜及美人蕉、萬壽菊、牽?；?、一串紅、石竹、吊蘭共6種花卉.各物種均在尺寸為80 cm×40 cm×35 cm的水箱中進行3次單獨重復實驗.原水主要為三峽大學的生活污水.

實驗表明:由所選取的蔬菜及花卉構建的人工浮島均有一定水體修復效果.其中在植物生長期60 d的條件下,對總氮去除率較高的有吊蘭(初始密度57株/m2)、石竹(初始密度76株/m2)、空心菜(初始密度114株/m2)、辣椒(初始密度76株/m2),分別達到91.84%、91.53%、88.04%、87.76%;對總磷去除率較高的有番茄(初始密度76株/m2)、芹菜(初始密度76株/m2)、美人蕉(初始密度15株/m2)、萬壽菊(初始密度91株/m2),分別達到81.00%、81.50%、80.80%、63.00%.在植物生長期 45天的條件下,對水體COD去除率較高的有空心菜(初始密度114株/m2)、美人蕉(初始密度15株/m2)、萬壽菊(初始密度91株/m2)、莧菜(初始密度152株/m2),分別達到97.45%、81.83%、81.83%、80.86%;對水體中 BOD去除率較高的有茄子(初始密度76株/m2)、芹菜(初始密度76株/m2)、葉用萵苣(初始密度46株/m2)、一串紅(初始密度38株/m2),分別達到98.39%、95.17%、91.96%、88.74%[8].

大面積的靜態(tài)水體通常在河道、湖泊中使用圍隔進行試驗.圍隔主要由網(wǎng)線、防水布和框架組成,圍隔外部是正常流動的水體,圍隔內部水體相對靜止,與外界流通交換小,不受底部淤泥釋放的營養(yǎng)鹽影響.目前圍隔法的使用頻率較高.

杜佳沐、張飲江等人采用高密度聚乙烯樹脂(HDPE)制成的邊長50 cm的正方形人工浮島對上海市白蓮涇河道進行治理.使用PVC防水布圍隔,形成與河道分離的一個試驗水體.所選植物為株高0.80 m的花葉蘆竹.實驗表明,在風浪小于5級,強風暴雨暴曬的不利條件下,該人工浮島系統(tǒng)對白蓮涇河道富營養(yǎng)化水體具有較好的凈化效果,其中對總氮的平均去除率為81.79%,對總磷的平均去除率為55.88%[9].

1.2 人工浮島的在動態(tài)富營養(yǎng)化水體中的修復

動態(tài)水體的修復相對靜態(tài)水體修復更為復雜,需要考慮到流速、底泥中營養(yǎng)鹽釋放等因素,對其的修復是一個綜合的作用.

李英杰、金相燦等[10]人在太湖五里湖湖濱生態(tài)工程區(qū)及其附近的河口實施了規(guī)模分別達6.6萬m2和1400 m2的人工浮島工程,其中后者位于河口.人工浮島單元約1.5 m×1 m,移植水芹、美人蕉、黑麥草和水竹,采用繩子柔性連接.河口段工程的實驗表明:該人工浮島工程能有效去除營養(yǎng)物質,其中總氮在浮島邊和開闊水道去除率分別為39.64%、31.53%;總磷在浮島邊和開闊水道去除率分別為51.85%、41.51%.考慮到工程的凈化效果是人工浮島、湖水稀釋及河口自凈的綜合作用,故研究人員在撤除人工浮島后再次進行水質檢測,其中總氮的去除率僅為9.2%,總磷的去除率為18.2%.這進一步證明人工浮島針對富營養(yǎng)化水體修復效果顯著.

自然的動態(tài)水體受到復雜的水力環(huán)境及其它干擾的限制,不利于進行定量研究,于是一些研究人員使用恒流泵及其他設備模擬一定水體交換時間的動態(tài)水體.

李希,鐵柏清[11]等人選擇美人蕉、燈心草、菖蒲為浮島植物,聚苯乙烯發(fā)泡沫板為浮島平臺,制作成18.5 cm×16.5 cm×2 cm的混合植物型人工浮島.試驗水體為生活污水,使用恒流泵平行連續(xù)進入各個試驗區(qū)域,區(qū)域內水體交換時間為3、4、5、6、7 d,試驗時間為9～10月中旬.實驗表明:在動態(tài)試驗條件下,人工浮島工作后2 d內水體透明度提高,改善水體觀感效果.從原水樣的發(fā)黑、發(fā)臭、混濁,到開始變清,臭味消除.該人工浮島對TN和TP去除率隨水體交換時間的增加而增加,7 d時TN去除率為59.5%,TP去除率為77.4%.COD的去除率稍差,平均去除率48.4%.

此外,自然的動態(tài)水體如河道、湖泊等,其流速較大,水體更新周期短,在設計、制作及運行期間需要注意浮島單元間的摩擦碰撞引起的破損以及水位潮汐性的變化.針對此不足,建議采用柔性的連接方式.浮島單元之間的連接繩子適當寬松一些并串上圓形浮,以便于緩解外力對載體的沖擊和調節(jié)水位[12].

2 人工浮島的發(fā)展趨勢

人工浮島作為重要的水體生態(tài)修復技術,在我國仍處于起步和技術探索階段,雖已有商業(yè)化的產(chǎn)品出現(xiàn),但基本是處于水質改善和景觀建設階段,缺乏傳統(tǒng)水利、生態(tài)系統(tǒng)棲息地和景觀的有機結合[13].

2.1 修復途徑多元化

提高修復效率既可以從植物方面考慮,還可以從植物浮床中填充物考慮.例如,采用仿生植物以強化植物-微生物的作用,增加根際微生物的數(shù)量,從而進一步鞏固去除率,避免因光照、溫度等外界不利因素造成去除率產(chǎn)生較大波動的現(xiàn)象.

周小峰、田暉在研究水平吊蘭對富營養(yǎng)化污染水的生物修復過程中,使用多孔陶石填充植物浮床以固定吊蘭使之直立生長[14].類似多孔陶石的填充物為微生物提供了生長場所,其本身具有較強的吸附性能和離子交換能力[15].

2.2 運營可持續(xù)化

通過對不同種類的植物馴化,越來越多的經(jīng)濟作物被應用到人工浮島工程中.例如,可作為飼料的水花生、牛筋草、香根草等,可作為蔬菜的番茄、芹菜、辣椒等,可作為花卉的紫羅蘭、睡蓮等.在植物生長成熟后,可將其移除,再換上新一批的經(jīng)濟作物,以便維持較高的去除效率同時產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益.隨之產(chǎn)生的經(jīng)濟效益,又可以用于投資下一批人工浮島的建設,從而形成一個良性循環(huán).但在這個過程中如何保證作物中可能富集的重金屬及其它有毒有害物質不會對人及動物造成傷害是一個難點.

此外,利用回收的材料或可降解材料制作人工浮島也促進了可持續(xù)發(fā)展.中國科學院南京土壤研究所研發(fā)出一種可生物降解的防水人工浮島材料(ZL 200610038452.4),該材料以麥秸稈、稻草為主要原料,采用馬來酸酐作為脫脂劑,桐油或聚氨酯防水涂料作為防水劑,二苯基甲烷二異氰酸酯為膠粘劑,石灰、水泥為增塑劑,經(jīng)鋪裝、熱壓后制成[16].材料的使用減少了由于洪水或其它因素使人工浮島脫離固定裝置而引發(fā)的二次污染的可能性.具有安全性好,易于推廣的優(yōu)點.

2.3 整體智能化

隨著材料工程及基因工程的發(fā)展,人工浮島的硬件如平臺材料、植物的性價比會提高,而作為軟件的人力資源費用會進一步提高.為了控制整體成本,制造商勢必會提高自動化程度,以減少管理人員數(shù)量,提高效率,降低購買者的使用費用.自動化設備可以是無線遙控設備,管理人員可以在控制中心或岸邊操作人工浮島移動與連接,也可以是浮島的植物可以定期自動收割更換等.

3 結 語

人工浮島是一項綠色生態(tài)、性價比較高、易于實現(xiàn)的新型技術.相信隨著人工浮島技術的逐步成熟完善和市場的推廣,其應用前景會更為廣闊.

[1]史秀華,梁素娟,杜林根,等.人工浮島的制作解析及其在濕地中的應用展望[J].廣東科技,2006(6):201-202.

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[15]胡家瑋,嚴子春,謝兆歌.陶粒濾料技術研究[J].能源與環(huán)境,2009(2):90-91.

[16]中國科學院南京土壤研究所.一種可生物降解的防水人工浮島材料[P].中國專利:200610038452.4,2006-08-02.