無紡布人工浮島在改善富營養(yǎng)化水體水質(zhì)中的應用

張玲玲，李 昆，李兆華

（湖北大學資源環(huán)境學院，武漢 430062）

無紡布人工浮島在改善富營養(yǎng)化水體水質(zhì)中的應用

張玲玲，李 昆，李兆華

（湖北大學資源環(huán)境學院，武漢 430062）

無紡布人工浮島是一種無紡布與PVC管組合式植物水上栽培浮床，具有經(jīng)濟、易操作、穩(wěn)定等優(yōu)點。分析了3種不同固定方式的無紡布人工浮島在應用中的優(yōu)缺點，以及無紡布作為浮床材料的可行性和無紡布人工浮島對水體的凈化能力。結果表明：3種無紡布浮床結構中，條狀無紡布框架結構操作最簡單且經(jīng)濟；由于無紡布人工浮島成本低、易操作，如果今后能為廢棄無紡布的處置問題找到出路，無紡布人工浮島在改善富營養(yǎng)化水體水質(zhì)領域?qū)竺娣e推廣使用。

無紡布；人工浮島；富營養(yǎng)化；凈化

1 研究背景

1.1 人工浮島研究進展

人工浮島技術就是把水生植物或改良馴化的陸生植物移栽到水面浮島上，植物在浮島上生長，通過植物的吸收、根部釋氧和微生物降解等復雜的物理、化學和生物過程，從而達到凈化水質(zhì)的目的［1－2］，同時收獲的蔬菜能帶來一定的經(jīng)濟收益，花卉能營造一定的景觀效果。

20世紀80年代末以來，西方發(fā)達國家采用人工生態(tài)浮床技術來改善湖泊、水庫、飲用水源地的水質(zhì)，取得了一定治理效果。后來，人工浮島技術被引進國內(nèi)，并得到一系列相關研究，并在一定范圍內(nèi)推廣利用。研究多集中在栽培植物的篩選、浮島材料的選擇、水質(zhì)的凈化效果等方面，并取得了一定成果。

1.2 人工浮島材料的選擇困境

人工浮島的設計要遵循以下原則：浮島材料的穩(wěn)定性、耐久性、環(huán)保性、經(jīng)濟性以及浮島結構的易操作性。穩(wěn)定性要求浮床材料具有一定的抵抗風浪和水流沖擊的能力，不會因框架與框架的碰撞而破損；耐久性要求浮床材料能夠重復使用；環(huán)保性要求浮島材料在使用過程中不會對水體釋放污染物質(zhì)，以及使用后廢棄的浮島材料不對環(huán)境造成威脅，能較好地處理或利用；經(jīng)濟性要求單位面積浮床材料的一次性投入和后期維護管理費用較低；易操作性要求浮床材料的制作和維護簡單，能被廣大農(nóng)民群眾輕松掌握。

當前人工浮島材料主要有竹子、泡沫板、木頭、廢舊輪胎等［3］，其中泡沫板和竹子使用較多。泡沫板在制作浮島材料時簡單易操作，但易碎、穩(wěn)定性差，會對環(huán)境產(chǎn)生白色污染，且視覺效果也不好；用竹子做浮島材料具有耐久性、可重復利用性，但操作復雜、人工成本高。隨著人工浮島技術日益成熟和農(nóng)村水環(huán)境日益惡化，該技術在中國農(nóng)村地區(qū)具有廣泛的應用前景，因此，選擇一種理想的浮床材料勢在必行。

1.3 無紡布的特性

無紡布又稱不織布、豐收布，由定向的或隨機的纖維構成，是一種有較好透氣性、吸濕性和一定透光性的新型覆蓋材料，具有質(zhì)輕、不助燃、容易分解、無毒無刺激性、色彩豐富、價格低廉、可循環(huán)再用等特點。無紡布的主要原材料是聚丙烯，聚丙烯的化學結構不對稱，分子鏈易斷裂，易老化降解。據(jù)報道，一個無紡布購物袋在90 d內(nèi)就可以分解［4］。

近年來無紡布在衛(wèi)生吸收材料、醫(yī)藥、交通工具、制鞋紡織材料上的應用量明顯增長，用于蔬菜、花卉、水稻等育苗，也用于茶葉、花卉防凍害，代替和彌補塑料薄膜覆蓋保溫上的不足。聚丙烯無紡布以成本低、重量輕、耐腐蝕、化學穩(wěn)定性好、比表面積大、表面粗糙、微生物易于附著等優(yōu)點，在膜生物反應器工藝中作為一種分離材料，已得到了廣泛的應用［5－7］。在污水處理中無紡布對微生物具有良好的吸附能力，作為填料可大大增加附著生物量，是厭氧氨氧化菌很好的載體［8－9］。除了用于生物膜之外，也有研究將無紡布作為一種生物填料，該裝置將無紡布編織成網(wǎng)狀，在網(wǎng)孔中放植株，對無紡布填料在污水自凈過程中的作用進行了研究［10－11］。

2 材料與方法

2.1 無紡布選擇

市場上有30，40，50，80 g／m2等不同規(guī)格無紡布，考慮本次需要無紡布具有一定的支撐能力，選擇購買50 g／m2的無紡布。本次試驗使用了寬1.5 m的塊狀無紡布和寬0.12 m的條狀無紡布，比較不同結構的無紡布人工浮島在使用過程中的優(yōu)缺點。

2.2 栽培植物選擇

目前試驗較成功的人工浮島栽培植物有美人蕉、蘆葦、荻、菖蒲、水芹菜、竹葉菜、鳳眼蓮等。本次試驗選擇的栽培植物是竹葉菜，主要考慮以下幾點：竹葉菜的易成活性；竹葉菜對栽培水體的水質(zhì)凈化效果較好；竹葉菜的生長速度較快，能帶來較大的經(jīng)濟效益；無紡布的柔軟性質(zhì)和較低的承受能力較適合栽培能漂浮的草本植物；竹葉菜易得，使該技術在農(nóng)村地區(qū)易推廣。

2.3 無紡布人工浮床制作

本試驗使用的框架結構是將直徑為75 cm的PVC管用彎頭連接成長2 m寬1 m的長方形結構，將無紡布用3種不同的方式固定在PVC管框架結構上。第1組將50 g／m2的單層無紡布縫制在框架結構上；第2組用雙層無紡布縫制；第3組是分別將10條寬12 cm的條狀無紡布纏繞PVC管框架一周，然后打結。分別在第1組無紡布和第2組無紡布的上面一層均勻挖50個孔，第3組在每條無紡布的上層挖5個孔。

2.4 試驗地水質(zhì)狀況

本次試驗地點選擇沙湖旁隔離池塘，受試水體的COD為134.5 mg／L，TN為13 mg／L，TP為1.19 mg／L，pH為7.31。根據(jù)我國地表水環(huán)境質(zhì)量標準（GB3838—2002）規(guī)定，Ⅴ類水體中COD≤40mg／L，TP≤0.4 mg／L，TN≤2.0 mg／L，由此可知，該池塘水體屬于劣Ⅴ類。

根據(jù)國家水利部發(fā)布的《地表水資源質(zhì)量評價技術規(guī)程》（SL395—2007）中的規(guī)定，按照相關公式計算，該池塘營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為100，該池塘水體屬于重度富營養(yǎng)化。

2.5 檢測方法

通過稱重法稱取3組無紡布人工浮島栽培竹葉菜的重量。水體中COD的測定方法為重鉻酸鉀滴定法，TN的測定方法為堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，TP的測定方法為鉬酸銨分光光度法，pH的測定方法為pH計測定法，無紡布的力學性能的測定方法為材料拉伸機測定法。

3 結果與討論

3.1 3種浮床結構優(yōu)缺點分析

在試驗過程中，發(fā)現(xiàn)這3組無紡布框架結構作為人工浮島材料都很成功，但是也各有不足之處，如遇到暴雨天氣，前2組框架結構的無紡布上都會有積水，且排不出去，既增加了無紡布的承受負荷，還可能影響植物的生長；而第3組條狀無紡布框架結構就避免了積水狀況。比較3組人工浮島框架的無紡布使用量，發(fā)現(xiàn)第1組和第3組用的無紡布是第2組的一半，這樣就會節(jié)約原材料成本；但是第2組無紡布框架結構用于人工浮島與漁業(yè)養(yǎng)殖相結合的情況下更有優(yōu)勢，雙層無紡布可以防止魚類破壞蔬菜的根系，不會影響蔬菜的生長，而另2組框架結構均沒有此功能。比較3組人工浮島框架的制作過程，第3組無紡布人工浮島的操作最簡單且經(jīng)濟。

3.2 無紡布作為浮床材料的可行性

3.2.1 無紡布人工浮島的經(jīng)濟性分析

據(jù)市場調(diào)查，無紡布的價格為13.3元／kg，如果采用50 g／m2的無紡布，無紡布的價格是0.67元／m2，PVC框架材料的一次性投入20元，按5年的使用壽命計，每年材料平均投入為4.67元，而之前國內(nèi)外研究使用的浮床材料每平方米的投入高達幾十甚至上百元。因此，如果用無紡布取代傳統(tǒng)的人工浮島材料，成本將會大大降低，更容易被廣大農(nóng)民接受。

3.2.2 無紡布人工浮島的易操作性分析

在本次試驗的3組無紡布人工浮島中，第3組人工浮島的成本最低，也避免了下雨天氣無紡布上積水的情況，其操作也非常簡單。PVC管用彎頭連接成長方形結構，將從市場購買的寬12 cm的條狀無紡布纏繞PVC管框架一周，然后打結，每個浮島單體上系10個無紡布條，無紡布人工浮島單體制作完成，用繩子將多個浮島單體連接起來，構成無紡布人工浮島。

3.2.3 無紡布人工浮島的穩(wěn)定性分析

為了了解無紡布在用于人工浮島材料期間的穩(wěn)定性，筆者設計了一組試驗，研究無紡布在污水浸泡期間一些力學性能隨浸泡時間的變化情況。

2011年3月31日，取沙湖水于有塞的大玻璃瓶里，將無紡布剪成1 cm寬，10 cm長的條狀，浸泡于沙湖水中，每隔3 d取出3個無紡布條，在拉伸速度為20 mm／min的條件下，測試其最大力量、屈服點力量、抗拉強度、斷后伸長率和彈性模量，并求平均值（表1），繪出抗拉強度和斷后伸長率隨浸泡時間的變化情況，如圖1、圖2。

表1 無紡布的力學性能隨浸泡時間的變化Table1 Variations ofmechanical properties of non-woven fabric against immersion time

圖1 無紡布抗拉強度隨浸泡時間變化Fig.1 Tensile strength of non-woven fabric vs.immersion time

圖2 無紡布斷后伸長率隨浸泡時間變化Fig.2 The elongation rate of non-woven fabric after fracture vs.immersion time

在無紡布人工浮島種植試驗中，發(fā)現(xiàn)種植60 d時無紡布依然能較好地承載竹葉菜，沒有撕破的跡象，此時無紡布的抗拉強度應該在3 MPa以上，由表1可以看出，150 d時無紡布的抗拉強度為4.109 MPa，理論推斷，無紡布作為載體水培竹葉菜可以維持5個月以上，但還需實際操作驗證。

3.2.4 無紡布人工浮島的耐久性和環(huán)保性分析

通過人工浮島技術達到凈化水質(zhì)和收獲蔬菜的目的。竹葉菜適宜在溫暖多水的條件下生長，11月份之后，由于氣溫降低，為了防止枯萎的竹葉菜向水體中釋放營養(yǎng)物質(zhì)，將人工浮島材料及竹葉菜完全打撈。竹葉菜收獲后將殘余的根和莖用于堆肥，廢棄的無紡布將不能用于下次種植，因此無紡布作為人工浮島材料只能使用一個種植周期，但考慮到其成本低廉，仍然可以在人工浮島技術中使用。如果用無紡布作材料的人工浮島技術大面積推廣，由于無紡布不能重復使用，將產(chǎn)生大量廢棄的無紡布，如何合理地處置這些廢棄無紡布將是很重要的問題。

無紡布的主要原材料是聚丙烯，聚丙烯只發(fā)生氧化降解，其降解特征是力學性能惡化：斷裂應力和相對伸長率下降［12］。由表1和圖2可以看出，無紡布在前半個月的斷后伸長率隨浸泡時間一直在300%波動，5個月時的斷后伸長率與浸泡前相差不大。浸泡5個月時無紡布的抗拉強度是浸泡前的45.7%，說明隨著浸泡時間的延長，聚丙烯分子鏈間的距離增大，分子鏈間的吸引力下降，但此時無紡布仍然能支撐竹葉菜的生長。然而，無紡布在使用過程中是否會發(fā)生緩慢降解，其降解產(chǎn)物是否會對水體造成污染，大量無紡布廢棄物如何合理處置等問題尚需要進一步的研究。

3.3 無紡布人工浮島的凈化能力

試驗期間，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，單層無紡布的竹葉菜莖粗壯、長，但數(shù)量較少，根細且呈絨毛狀，平均每平方米竹葉菜的產(chǎn)量為3.2 kg；雙層無紡布和條狀無紡布的竹葉菜莖多、產(chǎn)量高，竹葉菜的平均產(chǎn)量分別為4.8，5.3 kg／m2，通過檢測，竹葉菜中的氮磷含量分別為1.93，0.54 g／kg。

如果要把該池塘劣Ⅴ類水凈化為Ⅲ類水，需要從水體中去除12 mg／L的氮和1 mg／L的磷，根據(jù)栽培竹葉菜面積和植物通過根系吸收氮磷量，來估算無紡布人工浮島對水體的凈化量。本次竹葉菜根系對氮磷的吸收占水體氮磷去除總量的貢獻率按8%計，每年按收割10次計，竹葉菜產(chǎn)量按5.3 kg／m2計。以總氮計，1 m2竹葉菜1 a可以凈化該池塘水量106.6 m3；以總磷計，竹葉菜1 a可以凈化該池塘水量357.8 m3。

4 展 望

無紡布人工浮島在改善富營養(yǎng)化水體水質(zhì)試驗中，具有經(jīng)濟、易操作、穩(wěn)定等優(yōu)點，如果今后能對無紡布在水培過程中是否會發(fā)生降解以及無紡布廢棄物的合理處置等問題進行研究，并找到好的出路，無紡布人工浮島材料將會在改善富營養(yǎng)化水體水質(zhì)領域中得到大面積推廣使用。

［1］ 唐林森，陳 進，黃 茁.人工生物浮島在富營養(yǎng)化水體治理中的應用［J］.長江科學院院報，2008，25（1）：21－24.（TANG Lin-sen，CHEN Jin，HUANG Zhuo.The Application of Artificial Floating Island on the Controlling of Eutrophic Water［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2008，25（1）：21－24.（in Chinese））

［2］ 李金中，李學菊，劉學功.人工沉床對TN的去除效果及其影響因素［J］.水資源保護，2011，27（2）：49－53.（LI Jin-zhong，LIXue-ju，LIU Xue-gong.Study on Removal Efficiency and Influence Factors of TN for Constructed Submerged Hydrophyte Bed［J］.Water Resources Protection，2011，27（2）：49－53.（in Chinese））

［3］ 馬風有，李 蘭，葉奕佐，等.人工浮島拋錨法定位試驗［J］.中國農(nóng)村水利水電，2008，（1）：89－90.（MA Feng-you，LILan，YE Yi-zuo，etal.Experimentof Artificial Floating-Island Anchoring Fixation［J］.China Rural Water and Hydropower，2008，（1）：89－90.（in Chinese））

［4］ 閆承花.無紡布環(huán)保袋的性能研究［J］.輕紡工業(yè)與技術，2010，39（4）：14－16.（YAN Cheng-hua.Study on the Property of Non-woven Bags［J］.Textile Industry and Technology，2010，39（4）：14－16.（in Chinese））

［5］ 仉春華，許英梅，曾令金，等.生物制劑對MBR中無紡布膜組件過濾性能的影響［J］.環(huán)境工程學報，2010，4（2）：293－296.（ZHANG Chun-hua，XU Ying-mei，ZENG Ling-jin，et al.Effect of Biologics on Filtration of Non-woven Fabric Module in Membrane Bio-reactor［J］.Chinese Journal of Environmental Engineering，2010，4（2）：293－296.（in Chinese））

［6］ 劉艷鵬，楊鳳林，柳麗芬，等.膜生物反應器中新型無紡布膜過濾特性及膜污染特征［J］.環(huán)境工程學報，2009，3（5）：844－848.（LIU Yan-peng，YANG Feng-lin， LIU Li-fen，et al.The Filtration Characteristics and Polluted Characteristics of Non-woven in Membrane Bioreactor［J］.Chinese Journal of Environmental Engineering，2009，3（5）：844－848.（in Chinese））

［7］ 高孟春，佘宗蓮，楊 敏.生物無紡布反應器預處理黃河水的試驗研究［J］.工業(yè)水處理，2005，25（12）：37－39.（GAOMeng-chun，SHE Zong-lian，YANGMin.Study on the Pretreatment of Water in Yellow River by Bio-non-woven Fabric Reactor［J］.Industrial Water Treatment，2005，25（12）：37－39.（in Chinese））

［8］ 李 祥，黃 勇，袁 怡.厭氧氨氧化菌活性恢復及富集培養(yǎng)研究［J］.環(huán)境污染與防治，2010，32（1）：61－66.（LIXiang，HUANG Yong，YUAN Yi.The Reactivation and Enrichment of Anammox Bacteria［J］.Environmental Pollution and Control，2010，32（1）：61－66.（in Chinese））

［9］ 張俊新，劉長發(fā)，魏海峰，等.水力負荷對處理海水和養(yǎng)殖廢水的無紡布濾器性能的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2008，27（1）：323－326.（ZHANG Jun-xin，LIU chang-fa，WEI Hai-feng，et al.Influence of Hydraulic Loading Rate on the Non-woven Fabric Filter Performance Treating Marine and Aquaculture Wastewater［J］.Journal of Agro-Environment Science，2008，27（1）：323－326.（in Chinese））

［10］袁少雄，陳文音，陳章和.一種富營養(yǎng)化水體凈化裝置對污水處理效果的研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學，2010，38（24）：13362－13366.（YUAN Shao-xiong，CHEN Wenyin，CHEN Zhang-he.Study on the Sewage Treatment Effect of a Kind of Eutrophic Water Purification Device［J］.Journal of Anhui Agricultural Sciences，2010，38（24）：13362－13366.（in Chinese））

［11］袁少雄，陳文音，陳章和.無紡布填料影響生活污水自凈作用的基礎研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學，2010，38（25）：13986－13988.（YUAN Shao-xiong，CHEN Wenyin，CHEN Zhang-he.Basic Research on the Influence of Non-woven Packing on Domestic Sewage Self-purification［J］.Journal of Anhui Agricultural Sciences，2010，38（25）：13986－13988.（in Chinese））

［12］CORNELIA VASILE.聚烯烴手冊（第二版）［M］.李楊，喬金梁，陳 偉，等譯.北京：中國石化出版社，2005.（CORNELIA VASILE.Handbook of Polyolefins（Second Edition）［M］.Translated by LI Yang，QIAO Jin-liang，CHENWei，et al.Beijing：China Petrochemical Press，2005.（in Chinese） ）

（編輯：趙衛(wèi)兵）

App lication of Artificial Floating Island w ith Non-woven Fabric to Eutrophic Water Quality Improvement

ZHANG Ling-ling，LIKun，LIZhao-hua
（School of Resources and Environmental Science，Hubei University，Wuhan 430062，China）

The artificial floating island discussed in this paper ismade of non-woven fabric and PVC pipes.It is economical，operation-friendly，and stable.The authors analyze the strengths and defects of three different artificial floating islandswith non-woven fabric，and discuss the feasibility of non-woven fabric used as artificial floating bed material and itswater purification ability.Results show that the floating bed made of strip non-woven fabric is the most convenient and economical structure.If thewaste non-woven fabrics can be disposed effectively in the future，

artificial floating island with non-woven fabric will be used in wide areas to improve the eutrophic water quality.

non-woven fabric；artificial floating island；eutrophication；purification

X52

A

1001－5485（2012）09－0018－04

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.09.005

2011－10－09；

2011－11－03

國家民生科技計劃資助項目（2011MSB05007）

張玲玲（1985－），女，湖北武漢人，碩士研究生，主要從事污水資源化利用方面的研究，（電話）027－88661699（電子信箱）569631931＠qq.com。

李兆華（1964－），男，湖北天門人，教授，主要從事環(huán)境生態(tài)學、污水資源化利用方面的研究，（電話）027－88661699（電子信箱）zli＠hubu.edu.cn。