人工浮島在富營(yíng)養(yǎng)化水體修復(fù)中的應(yīng)用

林雪兵,王培風(fēng)

(浙江水利水電?？茖W(xué)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(tái)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(zhǎng)規(guī)律,可進(jìn)行水質(zhì)凈化的筏子狀的人工漂浮結(jié)構(gòu).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(guó)內(nèi)90%以上都是濕式人工浮島[2].

人工浮島技術(shù)最早應(yīng)用于生態(tài)領(lǐng)域,如作為加拿大燕的水上漂浮式人工巢、魚(yú)類產(chǎn)卵巢等.德國(guó)BESTMAN公司在20世紀(jì)70年代提出將該技術(shù)用于水體治理中.隨后,歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始研究與應(yīng)用.相比之下,我國(guó)起步較晚,在2000年前后開(kāi)始重視應(yīng)用該技術(shù)[3].

和其他治理富營(yíng)養(yǎng)化水體的措施相比,如水體深層曝氣、化學(xué)藥劑殺藻等措施,人工浮島具有工程量小、無(wú)化學(xué)物質(zhì)有毒副作用、原位修復(fù)、低成本及占地面積小的優(yōu)勢(shì).此外,人工浮島具有美化水域景觀、防浪護(hù)岸、為動(dòng)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(yíng)養(yǎng)鹽是發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的必要條件,故水體中總氮、總磷是檢驗(yàn)水體修復(fù)效果的關(guān)鍵指標(biāo).而B(niǎo)OD、COD是評(píng)價(jià)水體污染程度的主要指標(biāo)[5],其值的波動(dòng)會(huì)影響水中動(dòng)植物的生長(zhǎng)繁殖,間接影響營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度水平,對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水平有指導(dǎo)作用,故考察人工浮島對(duì)BOD、COD的去除率是需要的.人工浮島對(duì)BOD、COD的去除主要是通過(guò)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(yīng)用

針對(duì)湖泊、河流等自然水體的不同特征,由于水體動(dòng)力學(xué)和更新周期對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化有有密切的關(guān)系[7],以下將富營(yíng)養(yǎng)化水體分為靜態(tài)水體及動(dòng)態(tài)水體兩種情況進(jìn)行介紹分析.

1.1 人工浮島的在靜態(tài)富營(yíng)養(yǎng)化水體中的修復(fù)

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(wàn)壽菊、牽?；ā⒁淮t、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(jìn)行3次單獨(dú)重復(fù)實(shí)驗(yàn).原水主要為三峽大學(xué)的生活污水.

實(shí)驗(yàn)表明:由所選取的蔬菜及花卉構(gòu)建的人工浮島均有一定水體修復(fù)效果.其中在植物生長(zhǎng)期60 d的條件下,對(duì)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(dá)到91.84%、91.53%、88.04%、87.76%;對(duì)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(wàn)壽菊(初始密度91株/m2),分別達(dá)到81.00%、81.50%、80.80%、63.00%.在植物生長(zhǎng)期 45天的條件下,對(duì)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(wàn)壽菊(初始密度91株/m2)、莧菜(初始密度152株/m2),分別達(dá)到97.45%、81.83%、81.83%、80.86%;對(duì)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(dá)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(jìn)行試驗(yàn).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(dòng)的水體,圍隔內(nèi)部水體相對(duì)靜止,與外界流通交換小,不受底部淤泥釋放的營(yíng)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(shù)脂(HDPE)制成的邊長(zhǎng)50 cm的正方形人工浮島對(duì)上海市白蓮涇河道進(jìn)行治理.使用PVC防水布圍隔,形成與河道分離的一個(gè)試驗(yàn)水體.所選植物為株高0.80 m的花葉蘆竹.實(shí)驗(yàn)表明,在風(fēng)浪小于5級(jí),強(qiáng)風(fēng)暴雨暴曬的不利條件下,該人工浮島系統(tǒng)對(duì)白蓮涇河道富營(yíng)養(yǎng)化水體具有較好的凈化效果,其中對(duì)總氮的平均去除率為81.79%,對(duì)總磷的平均去除率為55.88%[9].

1.2 人工浮島的在動(dòng)態(tài)富營(yíng)養(yǎng)化水體中的修復(fù)

動(dòng)態(tài)水體的修復(fù)相對(duì)靜態(tài)水體修復(fù)更為復(fù)雜,需要考慮到流速、底泥中營(yíng)養(yǎng)鹽釋放等因素,對(duì)其的修復(fù)是一個(gè)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(shí)施了規(guī)模分別達(dá)6.6萬(wàn)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(shí)驗(yàn)表明:該人工浮島工程能有效去除營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),其中總氮在浮島邊和開(kāi)闊水道去除率分別為39.64%、31.53%;總磷在浮島邊和開(kāi)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(jìn)行水質(zhì)檢測(cè),其中總氮的去除率僅為9.2%,總磷的去除率為18.2%.這進(jìn)一步證明人工浮島針對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體修復(fù)效果顯著.

自然的動(dòng)態(tài)水體受到復(fù)雜的水力環(huán)境及其它干擾的限制,不利于進(jìn)行定量研究,于是一些研究人員使用恒流泵及其他設(shè)備模擬一定水體交換時(shí)間的動(dòng)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(tái),制作成18.5 cm×16.5 cm×2 cm的混合植物型人工浮島.試驗(yàn)水體為生活污水,使用恒流泵平行連續(xù)進(jìn)入各個(gè)試驗(yàn)區(qū)域,區(qū)域內(nèi)水體交換時(shí)間為3、4、5、6、7 d,試驗(yàn)時(shí)間為9～10月中旬.實(shí)驗(yàn)表明:在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)條件下,人工浮島工作后2 d內(nèi)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(kāi)始變清,臭味消除.該人工浮島對(duì)TN和TP去除率隨水體交換時(shí)間的增加而增加,7 d時(shí)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(dòng)態(tài)水體如河道、湖泊等,其流速較大,水體更新周期短,在設(shè)計(jì)、制作及運(yùn)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(duì)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(dāng)寬松一些并串上圓形浮,以便于緩解外力對(duì)載體的沖擊和調(diào)節(jié)水位[12].

2 人工浮島的發(fā)展趨勢(shì)

人工浮島作為重要的水體生態(tài)修復(fù)技術(shù),在我國(guó)仍處于起步和技術(shù)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(zhì)改善和景觀建設(shè)階段,缺乏傳統(tǒng)水利、生態(tài)系統(tǒng)棲息地和景觀的有機(jī)結(jié)合[13].

2.1 修復(fù)途徑多元化

提高修復(fù)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(qiáng)化植物-微生物的作用,增加根際微生物的數(shù)量,從而進(jìn)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(dòng)的現(xiàn)象.

周小峰、田暉在研究水平吊蘭對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化污染水的生物修復(fù)過(guò)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(zhǎng)[14].類似多孔陶石的填充物為微生物提供了生長(zhǎng)場(chǎng)所,其本身具有較強(qiáng)的吸附性能和離子交換能力[15].

2.2 運(yùn)營(yíng)可持續(xù)化

通過(guò)對(duì)不同種類的植物馴化,越來(lái)越多的經(jīng)濟(jì)作物被應(yīng)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(zhǎng)成熟后,可將其移除,再換上新一批的經(jīng)濟(jì)作物,以便維持較高的去除效率同時(shí)產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益.隨之產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益,又可以用于投資下一批人工浮島的建設(shè),從而形成一個(gè)良性循環(huán).但在這個(gè)過(guò)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(zhì)不會(huì)對(duì)人及動(dòng)物造成傷害是一個(gè)難點(diǎn).

此外,利用回收的材料或可降解材料制作人工浮島也促進(jìn)了可持續(xù)發(fā)展.中國(guó)科學(xué)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(lái)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(diǎn).

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(tái)材料、植物的性價(jià)比會(huì)提高,而作為軟件的人力資源費(fèi)用會(huì)進(jìn)一步提高.為了控制整體成本,制造商勢(shì)必會(huì)提高自動(dòng)化程度,以減少管理人員數(shù)量,提高效率,降低購(gòu)買(mǎi)者的使用費(fèi)用.自動(dòng)化設(shè)備可以是無(wú)線遙控設(shè)備,管理人員可以在控制中心或岸邊操作人工浮島移動(dòng)與連接,也可以是浮島的植物可以定期自動(dòng)收割更換等.

3 結(jié) 語(yǔ)

人工浮島是一項(xiàng)綠色生態(tài)、性價(jià)比較高、易于實(shí)現(xiàn)的新型技術(shù).相信隨著人工浮島技術(shù)的逐步成熟完善和市場(chǎng)的推廣,其應(yīng)用前景會(huì)更為廣闊.

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