專(zhuān)利名稱(chēng)：一種無(wú)機(jī)人工生物浮島的構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水環(huán)境治理及生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及一種無(wú)機(jī)人工生物浮島的構(gòu)建方法，適用于各種富營(yíng)養(yǎng)化水域和城市景觀水體的水質(zhì)改善。
背景技術(shù)：
水體富營(yíng)養(yǎng)化是當(dāng)前世界水環(huán)境的普遍性問(wèn)題。經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)給各種天然水體帶來(lái)沉重的負(fù)荷，在外來(lái)物質(zhì)和內(nèi)源污染的綜合作用下，水體中營(yíng)養(yǎng)鹽過(guò)剩，引起浮游植物過(guò)量繁殖，結(jié)果導(dǎo)致水質(zhì)惡化。江河湖水富營(yíng)養(yǎng)化實(shí)質(zhì)上是生態(tài)系統(tǒng)退化問(wèn)題，應(yīng)該以生態(tài)的理念、思路、方法來(lái)探索治理水域污染的新途徑。
人工生物浮島技術(shù)是富營(yíng)養(yǎng)化水體修復(fù)治理的一種生物手段。該技術(shù)是按照自然界自身規(guī)律，人工把高等水生植物或改良的陸生植物，以浮島作為載體，種植到富營(yíng)養(yǎng)化水體的水面，通過(guò)植物根部的吸收、吸附作用和物種競(jìng)爭(zhēng)相克機(jī)理，削減富營(yíng)養(yǎng)化水體中的氮、磷及有機(jī)物質(zhì)，從而達(dá)到凈化水質(zhì)的效果，同時(shí)又可營(yíng)造水上景觀。實(shí)踐證明，在污染水體中種植一些耐污能力特別強(qiáng)，能在原位生態(tài)條件下正常生長(zhǎng)，并容易收獲的高等植物，會(huì)對(duì)水體起到很好的凈化作用。
人工生物浮島的一般構(gòu)建原則有以下幾點(diǎn)①材質(zhì)比重小，來(lái)源充足，綠色環(huán)保，防腐蝕，耐老化，可反復(fù)多次使用；②具有較好的強(qiáng)度，能抵抗較大風(fēng)浪沖擊；③采用柔性連接，使浮島整體能隨水體上下浮動(dòng)；④擁有植物栽種孔穴，能滿(mǎn)足植物長(zhǎng)期生長(zhǎng)種植密度。⑤具有可移動(dòng)式運(yùn)行，無(wú)動(dòng)力、無(wú)維護(hù)，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)；⑥為滿(mǎn)足景觀要求，可以將浮島制成不同的形狀。
人工生物浮島技術(shù)在國(guó)內(nèi)外早有研究。早期在中美洲如墨西哥，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民利用蘆葦編成筏子，上鋪泥土種植玉米、雍菜等。在緬甸，農(nóng)民利用湖泊中天然生長(zhǎng)的植物根莖聚集起來(lái)的浮墊，在上面種植蔬菜等農(nóng)作物。20世紀(jì)七十年代，德國(guó)首先提出了“人工浮島”的概念，隨后日本開(kāi)始應(yīng)用以聚苯乙烯、、等制成的人工浮島為魚(yú)蝦等提供產(chǎn)卵場(chǎng)所。由于水環(huán)境問(wèn)題的日益突出，人們環(huán)保意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，人工浮島又被廣泛的應(yīng)用到水環(huán)境治理領(lǐng)域。在這一范疇，“人工浮島”、“生物浮島”、“生物浮床”、“浮床無(wú)土栽培”與人工生物浮島實(shí)質(zhì)上是同一概念。
20世紀(jì)80年代，中科院南京湖泊與地理研究所，福建省農(nóng)科院等單位，以聚苯乙烯發(fā)泡板作為浮載體，鋪上泥后進(jìn)行種植?；蛞跃郾揭蚁┳鳛楦◇w主材料，鋪以竹條，丙烯袋，塑料薄膜等構(gòu)成浮體栽培床種植各種植物，為自然水域植物栽培作了有益的嘗試。聚苯乙烯發(fā)泡板以其成本低廉、浮力強(qiáng)大、性能穩(wěn)定等特性，受到人們的青睞。因此該載體得到非常廣泛的應(yīng)用，并取得了巨大的成效，目前在國(guó)內(nèi)利用浮島進(jìn)行內(nèi)陸水體治理和修復(fù)中占主導(dǎo)地位。但與此同時(shí)，也產(chǎn)生了令人擔(dān)憂(yōu)的“白色污染”問(wèn)題。
1998年劉淑嬡等人采用蛭石無(wú)土栽培水芹、水雍菜和多花黑麥草，研究其凈化富營(yíng)養(yǎng)水體的效果。蛭石填充于用窗紗縫制的袋子中，封口后全袋可漂浮于水面上，每袋厚5cm左右，水雍菜和多花黑麥草的種子就點(diǎn)在蛭石中。蛭石是一種輕質(zhì)多孔云母類(lèi)硅質(zhì)礦物，孔隙度達(dá)95％，吸水率0.1-0.65m3/m3，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間浸泡后會(huì)部分下沉。此外，由于窗紗在室外長(zhǎng)期露置后容易老化破損，致使散裝的蛭石易漏出來(lái)，故在設(shè)備的高效、耐用和規(guī)范，以及栽培植物物種的選擇、種植和采收方面還需要進(jìn)一步的研究。
美國(guó)郎泰克環(huán)?？萍脊狙兄崎_(kāi)發(fā)了一種生物壩。該生物壩由若干生物箱連接組成，生物箱內(nèi)裝附著有微生物的球形填料。填料采用美國(guó)LANTEC針狀球形填料，該填料材質(zhì)為改性聚丙烯，具有耐光、耐水、耐腐蝕、耐寒的性質(zhì)。經(jīng)下部曝氣管連續(xù)充氣，能在填料表面產(chǎn)生一層生物膜，降解水中的有機(jī)污染物。生物壩安裝方便，可根據(jù)水面寬度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組裝，部分箱體損壞時(shí)還可單獨(dú)替換。該生物壩可固定于水中，也可漂浮于水面。然而，該生物壩主要應(yīng)用于污水處理，使用這種生物壩時(shí)水需要先通過(guò)隔板或格柵以及沉砂等一級(jí)處理，而且無(wú)法在其中種植植物以形成美麗景觀。所以該技術(shù)在內(nèi)陸景觀水體治理中也沒(méi)有得到廣泛采用。
從上述研究和實(shí)際應(yīng)用情況看，到目前為止，構(gòu)建人工生物浮島的材料主要是有機(jī)高分子材料，如聚苯乙烯發(fā)泡板，丙烯袋，窗紗袋，球形填料等。眾所周知，這些人工合成的有機(jī)高分子材料是自然界所不具有的，容易損壞，在一般條件下難以降解，難以回收利用，有二次污染風(fēng)險(xiǎn)。大量地使用這些材料，必然會(huì)造成嚴(yán)重的固廢污染。這樣一來(lái)，水污染轉(zhuǎn)變成為固廢污染，即所謂的“污染轉(zhuǎn)移”，這種治理環(huán)境的方式是不經(jīng)濟(jì)的，也不符合環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的要求。此外，當(dāng)前采用無(wú)機(jī)材料制作浮島的研究尚少見(jiàn)，雖然個(gè)別研究能夠取得較好的效果，但是其制作方法、成本和使用維護(hù)方面還存在難以克服的弊端，因而至今未能形成大規(guī)模應(yīng)用。因此，探索和研制新型無(wú)機(jī)人工生物浮島非常必要。本發(fā)明正是基于以上問(wèn)題而產(chǎn)生的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在于提供一種無(wú)機(jī)人工生物浮島的構(gòu)建方法，通過(guò)其漂浮或懸浮能力，依賴(lài)其易于微生物附著掛膜，有利于植物生長(zhǎng)，無(wú)二次污染，來(lái)去除水中營(yíng)養(yǎng)鹽(TN、TP去除率可達(dá)70～95％)，消除污染，改善水質(zhì)，增強(qiáng)水體景觀。
本發(fā)明的主要技術(shù)方案是以現(xiàn)有的水源生物預(yù)處理填料(包括陶粒，蛭石，石英砂，沸石，多孔陶瓷等)和污水生物處理填料的生產(chǎn)工藝(污水處理用陶粒濾料的工藝研究和應(yīng)用.西南給排水，2005，1)為基礎(chǔ)，以輕質(zhì)無(wú)機(jī)材料(如陶粒，蛭石，浮石，多孔陶瓷等)為原料，適度混入無(wú)機(jī)粘合劑(硅酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽類(lèi)或其復(fù)合物，如水泥或粘土等)，通過(guò)改變配方和制作工藝，適應(yīng)不同需求，構(gòu)建輕質(zhì)、高效的人工生物浮島。
本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)方法是1.浮島單元制作(浮島單元是體積相對(duì)較小的浮島)(1)篩選材料將輕質(zhì)無(wú)機(jī)材料(如陶粒，蛭石，浮石，多孔陶瓷等)放入水中，選取體積較小的(≤8cm3)、能浮于水面的輕質(zhì)無(wú)機(jī)材料作為制作無(wú)機(jī)人工生物浮島的原材料。
(2)制作模具以剛性材質(zhì)(木材、塑料、聚苯乙烯泡沫板)制作模具，使輕質(zhì)無(wú)機(jī)材料和無(wú)機(jī)粘合劑(硅酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽類(lèi)或其復(fù)合物，如水泥或粘土等)的混合物成型。模具形狀和厚度根據(jù)景觀需要而定。
(3)混料攪拌將所篩選出的輕質(zhì)無(wú)機(jī)材料(50％～75％)與無(wú)機(jī)粘合劑(硅酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽類(lèi)或其復(fù)合物，如水泥或粘土等)(25％～50％)按一定配比混合，加入適量水(使無(wú)機(jī)粘合劑呈粘稠狀即可)，攪拌均勻，以無(wú)機(jī)粘合劑在1分鐘內(nèi)不呈滴狀落下為宜。攪拌時(shí)間為5～30分鐘。
(4)固化成型將攪拌均勻后的輕質(zhì)無(wú)機(jī)材料和無(wú)機(jī)粘合劑的混合物填入模具中，壓緊壓實(shí)，然后等待固化、干燥和成型。成型時(shí)間視氣溫，通風(fēng)情況和浮島厚度等差異而有所不同(在通風(fēng)，溫度控制在15～35℃，浮島厚度為5cm時(shí)，室內(nèi)干燥成型為2～4天時(shí)間)。
2.放入水體(將輕質(zhì)浮島單獨(dú)或種植植物后放入污染水體中，該浮島漂浮于水面，可通過(guò)微生物和植物的生長(zhǎng)凈化水體。)(1)將成型后的浮島放入富營(yíng)養(yǎng)化水體中，根據(jù)水域面積大小確定浮島覆蓋面積。大型浮島可由浮島單元連接組成，各浮島單元之間可用海綿或聚苯乙烯泡沫材料進(jìn)行柔性連接。
(2)可將浮島單獨(dú)放入水體，或?qū)⑺蚋牧缄懮参镌匀敫u的孔穴中，必要時(shí)可用海綿或其他柔性材料加以固定。植物利用水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽維持自身生長(zhǎng)，長(zhǎng)出發(fā)達(dá)的根系，能吸附大量微生物，通過(guò)根系分泌物間接達(dá)到凈化水體的目的。
(3)微生物可在粗糙，多孔隙的無(wú)機(jī)人工生物浮島表面生長(zhǎng)并形成生物膜，生物膜老化脫落后可被附近根系分泌物分解。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有以下優(yōu)點(diǎn)和效果1、本發(fā)明的原材料均為無(wú)機(jī)材料，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無(wú)二次污染。原材料來(lái)源廣泛，可采用廢棄物制成，綠色環(huán)保，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益可觀。
2、使用壽命長(zhǎng)(2～4年)，可重復(fù)使用，廢棄后可回收再利用。
3、本發(fā)明無(wú)需外部維護(hù)設(shè)備或其他附加裝置，各浮島單元是一個(gè)單獨(dú)體，運(yùn)輸和安裝非常方便。
4、不需要預(yù)處理，不存在堵塞問(wèn)題。
5、承載能力和抗沖擊負(fù)荷能力視水域具體情況而定，通過(guò)適度改變配比可增大或減小承載力和抗沖擊負(fù)荷力大小。
6、本發(fā)明不僅利用植物生長(zhǎng)吸收營(yíng)養(yǎng)鹽，也利用浮島表面附著生長(zhǎng)的微生物去除營(yíng)養(yǎng)鹽。兩者的共同作用，更有助于提高水質(zhì)，改善水體景觀，效果穩(wěn)定。
7、表面粗糙，孔隙多，吸附微生物能力強(qiáng)。
8、制作工藝簡(jiǎn)單，無(wú)能耗，成本低廉，適宜廣泛推廣。
綜上所述，本發(fā)明的方法綠色環(huán)保，制作簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，可以有效的改善富營(yíng)養(yǎng)化水體的水質(zhì)狀況，提高景觀價(jià)值，對(duì)于環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。
具體實(shí)施例方式
實(shí)例11.前期準(zhǔn)備(1)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查試驗(yàn)地點(diǎn)為武漢一人工湖，現(xiàn)受到富營(yíng)養(yǎng)化污染；(2)材料篩選以圓球型陶粒為原料，將其放入水中，選取可浮于水面的陶粒；(3)模具制作用木材制成40cm×30cm×5cm大小的無(wú)蓋長(zhǎng)方體盒，盒底用釘固定12個(gè)聚苯乙烯泡沫塊(高5cm，截面直徑2.5cm)以留栽種孔穴；2.浮島單元制作階段(1)定量稱(chēng)取上述篩選出的干燥圓球型陶粒(質(zhì)量百分比為61.8％)和水泥(質(zhì)量百分比為38.2％)；(2)混料攪拌；將上述陶粒和水泥混合，邊加水邊攪拌，至水泥呈粘稠狀即可停止加水。然后繼續(xù)攪拌均勻，攪拌時(shí)間約20分鐘；(3)固化成型將上述攪拌好的陶粒水泥混合物填入模具中。在室內(nèi)，通風(fēng)，氣溫16～23℃條件下，放置4天即干燥固化。然后移去木制模具和泡沫塊，即得大小為40cm×30cm×5cm，有12孔穴的浮島單元；3.放入水體(1)將20塊上述40cm×30cm×5cm規(guī)格的浮島單元分兩行，一行10塊首尾連接，行間并行連接。用鐵絲或尼龍繩進(jìn)行連接，在浮島單元連接縫隙中夾入海綿或泡沫，以減小有浪時(shí)浮島單元間的相互撞擊力；(2)在浮島孔穴中栽入菖蒲植株(株高15～30cm)，根部沒(méi)入水中，用海綿加以固定；(3)在氣溫15～26℃，間隔有過(guò)四次降雨的情況下連續(xù)投放15天，觀察到菖蒲長(zhǎng)勢(shì)良好，存活率達(dá)100％，株高和根系明顯增加，浮島底表面可見(jiàn)淡綠色斑塊，表明已有微生物附著生長(zhǎng)。
實(shí)例21.前期準(zhǔn)備(1)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查試驗(yàn)地點(diǎn)為一人工渠(600cm×300cm×150cm)，渠中水(深100cm)是用自來(lái)水和生活污水混合而成的模擬富營(yíng)養(yǎng)化水體；(2)材料篩選以蛭石為原料，將其投入水中，選取可浮于水面的蛭石；(3)模具制作將一高6cm，截面直徑為2.5cm的圓柱體聚苯乙烯泡沫塊固定于口徑為10cm，底徑為5cm的日用塑料方便碗底部；2.浮島單元制作階段(1)定量稱(chēng)取上述篩選出的干燥的蛭石(質(zhì)量百分比為70％)和水泥(質(zhì)量百分比為30％)；(2)混料攪拌將上述蛭石和水泥混合，邊加水邊攪拌，至水泥呈粘稠狀即可停止加水。然后繼續(xù)攪拌均勻，攪拌時(shí)間約15分鐘；(3)固化成型將上述攪拌好的蛭石水泥混合物填入模具中。在室外，晴好微風(fēng)(＜3級(jí))，氣溫18～26℃條件下，放置3天即干燥固化。移去塑料碗和泡沫塊，即得中空、上底直徑為10cm的碗形浮島單元；3.放入水體(1)將15個(gè)上述碗形浮島單元用鐵絲和尼龍繩連接組合成花形浮島。按此方式安裝三組相同花形浮島投放于渠水中；(2)在浮島孔穴中栽入菖蒲植株(株高15～30cm)，根部沒(méi)入水中，用海綿加以固定；(3)在氣溫18～26℃無(wú)降雨的情況下，連續(xù)投放30天，菖蒲存活率達(dá)100％，植株和根系都明顯增多，浮島底部表面附有一層微生物膜。渠水總氮和總磷的去除率高達(dá)89％。
實(shí)例31.前期準(zhǔn)備(1)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查試驗(yàn)地點(diǎn)為武漢一人工湖，現(xiàn)受到富營(yíng)養(yǎng)化污染；
(2)材料篩選以浮石為原料，將其投入水中，選取可浮于水面的浮石；(3)模具制作用木材制成30cm×20cm×4cm大小的無(wú)蓋長(zhǎng)方體盒，盒底用釘固定6個(gè)聚苯乙烯泡沫塊(高4cm，截面直徑2.5cm)以留栽種孔穴。
2.浮島單元制作階段(1)定量稱(chēng)取上述篩選出的干燥浮石(質(zhì)量百分比為68％)和粘土水泥復(fù)合物(質(zhì)量百分比為32％)。其中粘土水泥復(fù)合物中粘土的質(zhì)量百分比為30％，水泥為70％；(2)混料攪拌將上述浮石，粘土水泥復(fù)合物混合，邊加水邊攪拌，至粘土水泥復(fù)合物呈粘稠狀即可停止加水。然后繼續(xù)攪拌均勻，攪拌時(shí)間約25分鐘；(3)固化成型將上述攪拌均勻后的浮石和粘土水泥復(fù)合物的混合物填入模具中。在室外，晴好微風(fēng)(＜3級(jí))，氣溫18～26℃條件下，放置3天即干燥固化。移去木制模具和泡沫塊，即得大小為30cm×20cm×4cm，有6孔穴的浮島單元；3.放入水體(1)用鐵絲或尼龍繩將10塊上述浮島單元排列連接成100cm×60cm×4cm的長(zhǎng)方體浮島。按此方式連接兩塊100cm×60cm×4cm規(guī)格的浮島投放入湖水中；(2)在浮島孔穴中栽入鳶尾植株(株高15～40cm)，根部沒(méi)入水中，用海綿加以固定；(3)在氣溫18～26℃無(wú)降雨的情況下，連續(xù)投放20天，鳶尾存活率達(dá)100％，植株變粗壯，根系增多，浮島底部表面上附有一層微生物膜。
權(quán)利要求
1.一種人工無(wú)機(jī)生物浮島的構(gòu)建方法，它包括下列步驟A、篩選材料將輕質(zhì)無(wú)機(jī)材料放入水中，輕質(zhì)無(wú)機(jī)材料為陶粒，蛭石，浮石，多孔陶瓷；B、制作模具以剛性材質(zhì)制作模具，使輕質(zhì)無(wú)機(jī)材料和無(wú)機(jī)粘合劑的混合物成型；C、混料攪拌將所篩選出的輕質(zhì)無(wú)機(jī)材料50％～75％與無(wú)機(jī)粘合劑25％～50％混合，加入水，攪拌均勻，攪拌時(shí)間為5～30分鐘；D、固化成型將攪拌均勻后的輕質(zhì)無(wú)機(jī)材料和無(wú)機(jī)粘合劑的混合物填入模具中，然后等待固化、干燥和成型，溫度控制在15～35℃，浮島厚度為5cm時(shí)，室內(nèi)干燥成型為2～4天時(shí)間；E、放入水體將輕質(zhì)浮島單獨(dú)或種植植物后放入污染水體中，該浮島漂浮于水面，通過(guò)微生物和植物的生長(zhǎng)凈化水體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)機(jī)人工生物浮島的構(gòu)建方法，其特征在于無(wú)機(jī)粘合劑為硅酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽類(lèi)或其復(fù)合物。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種無(wú)機(jī)人工生物浮島的構(gòu)建方法，其步驟是將輕質(zhì)無(wú)機(jī)材料和無(wú)機(jī)粘合劑(硅酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽類(lèi)或其復(fù)合物，如水泥或粘土等)、水混合攪拌；將混合物填入模具中；待混合物固化、干燥和成型后取出；單獨(dú)或栽種植物后放入污染水體中；通過(guò)微生物、植物在該浮島上的生長(zhǎng)而凈化污染水體。本發(fā)明的原料均采用無(wú)機(jī)材料，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，環(huán)境友好，無(wú)二次污染，利用植物和微生物膜的共同作用凈化水體，改善景觀，效果穩(wěn)定。
文檔編號(hào)C04B14/04GK1850659SQ20061001903
公開(kāi)日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2006年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月11日
發(fā)明者張維昊, 代培, 吳小剛, 方濤 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)