應(yīng)用生物浮島技術(shù)修復(fù)下沙地區(qū)富營養(yǎng)化水體的研究

摘 要：針對下沙地區(qū)富營養(yǎng)化水體修復(fù)不完善的現(xiàn)狀，基于水體原位修復(fù)的理念，設(shè)計了太陽能、風(fēng)能生物浮島成套設(shè)備，以太陽能、風(fēng)能等為能源，利用空氣泵對水體進(jìn)行造流充氧，結(jié)合復(fù)合生態(tài)浮島進(jìn)行水質(zhì)凈化，實現(xiàn)原位采能供電、原位供氧和原位高效生物降解。

關(guān)鍵詞：下沙地區(qū) 富營養(yǎng)化 生物浮島技術(shù) 水體修復(fù)

中圖分類號：X171.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）05（b）-0008-02

富營養(yǎng)化是由于人類活動的生活污水、工業(yè)廢水、以及含氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的水，進(jìn)入緩流水域后，促使水體中許多大型綠色植物和微型藻類旺盛生長、繁殖，使水體向生產(chǎn)力水平較高的營養(yǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程。水體富營養(yǎng)化是自養(yǎng)生物（浮游藻類）在水體中建立優(yōu)勢的過程，包含著一系列生物、化學(xué)和物理的變化，與水體的化學(xué)性質(zhì)、物理性狀，底質(zhì)，以及氣候、地理等眾多因素有關(guān)。從上個世紀(jì)中葉，全球出現(xiàn)海洋和淡水水體富營養(yǎng)化不斷加劇之勢，水體富營養(yǎng)化已成為人類普遍關(guān)注的水質(zhì)污染問題。水體富營養(yǎng)化使許多湖泊、水庫成為主要環(huán)境問題，嚴(yán)重的妨礙了水體利用，造成了環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的重大損失。目前富營養(yǎng)化水污染處理技術(shù)的研究認(rèn)為人工濕地、生物浮島等生物等處理技術(shù)，通過原位構(gòu)建水生植物體系，利用植物根系的吸附、吸收作用，削減水中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，從而達(dá)到凈水效果，具有無二次污染，且兼具景觀美化作用的特點，是目前富營養(yǎng)化水體主流修復(fù)措施[1]。

下沙高教園區(qū)地處杭州的東北，是近十年發(fā)展起來的新城區(qū)。杭州的平均降雨量約在1100～1600 mm之間。全年有兩個雨季和一個多雨時段。3～4月為一多雨時段，稱春雨期；5月初至6月上底為一個雨季；8月底到9月底為第二個雨季。占全年降雨總量的65%左右。杭州的年平均蒸發(fā)量為1150～1400 mm，全年以6～8月為最大，約占總蒸發(fā)量的50%。從整體來看，區(qū)內(nèi)水域基本上是自成平衡體系。區(qū)內(nèi)的幾條小河流均為四、五級河道，主要功能為排洪。區(qū)域內(nèi)部和四周有人工修建的河道，道路敷設(shè)雨水管道，收集路面雨水就近排入河道。外界污染物的大量輸入與底泥營養(yǎng)物的內(nèi)源釋放所共同引起的生態(tài)退化，水質(zhì)變差，面臨的嚴(yán)重的水環(huán)境問題。由于水體位置分散、水質(zhì)復(fù)雜、源頭多，不能采用收集集中處理的方法，同時也不可能投入巨大的水體處理資金。利用生物浮島技術(shù)修復(fù)具有投入少、運(yùn)行費(fèi)用低、應(yīng)用規(guī)?？伸`活變動、無二次污染等優(yōu)點，非常適合這類小型開發(fā)區(qū)富營養(yǎng)化水體的處理[2]。

1 生物浮島技術(shù)的基本原理

生物浮島技術(shù)是一種快速發(fā)展的原位水處理方法。主要的思路是通過提高微生物降解功能，加強(qiáng)水生植物吸收作用，促進(jìn)二者之間的協(xié)同作用，實現(xiàn)水體原位高效生物降解[3]。

生物浮島系統(tǒng)的工作原理是先通過投加填料，加大微生物附著面積，以便微生物富集成膜；然后添加可富集在填料表面的特效功能菌，加強(qiáng)多菌種協(xié)同作用，高效降解氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)；進(jìn)一步構(gòu)建植物與微生物的復(fù)合生物體系；從而改善微生物生長環(huán)境，一方面人工曝氣提高水體溶氧量，增強(qiáng)微生物代謝；另一方面利用人工造流，加快水體傳質(zhì)，從而實現(xiàn)高效的原位生物降解。

具體實現(xiàn)是由浮床單元拼接、組合而成。浮床單元內(nèi)部種植水生植物，水下增加填料并接種特效氮、磷處理菌，整體環(huán)繞于曝氣造流系統(tǒng)外圍。在植物和微生物的共同作用下，實現(xiàn)水體修復(fù)目的。

對水體進(jìn)行曝氣是改善微生物生長環(huán)境、提高降解效率的必不可缺的步驟。由于常用的機(jī)械曝氣存在設(shè)備能耗高、充氧效率低、運(yùn)行存在安全隱患等不足，可考慮在充分利用水體自身藻類光合作用復(fù)氧和大氣復(fù)氧前提下，改變曝氣充氧模式，提高充氧效率，控制充氧時間，實現(xiàn)低能耗供氧。同時改變單一曝氣充氧方式，利用直接曝氣制造循環(huán)流，在直接曝氣的基礎(chǔ)上，攪動水流，提高液面更新速率，提高充氧效率。根據(jù)水體中溶解氧自然變化規(guī)律，控制人工充氧時間，從而實現(xiàn)原位低能耗高效供氧[4]。

2 原位能源供給

能源消耗是影響水體處理工程成本的重要因素。能耗高，成本和運(yùn)行費(fèi)用制約了水污染治理體系不能長期工作。開發(fā)無污染，少投入的能源是解決治污的關(guān)鍵。近年來太陽能等綠色能源應(yīng)用快速發(fā)展，利用太陽能光伏發(fā)電供給能源是非常適合下沙高教園區(qū)的水體處理。杭州市年平均太陽總輻射量在420～460 kJ/cm2之間，日照時數(shù)1800～2100 h。大部分自然水體表面光照條件充分，水域開闊，陽光照射條件良好，通過懸浮載體將太陽能發(fā)電系統(tǒng)利用于設(shè)備當(dāng)中，無需外界能源輸入，在能源自給的同時實現(xiàn)水體修復(fù)的目標(biāo)，節(jié)能降耗，消除污染[5]。

在富營養(yǎng)化水體中，藻類含量較高，其光合作用釋放出氧氣，供菌種降解有機(jī)物，是一種太陽能的自然生物利用方式。如果能充分利用水體原位生態(tài)修復(fù)功能和藻類的充氧功能，構(gòu)建以原位太陽能發(fā)電與原位生物修復(fù)相結(jié)合的一體化水體修復(fù)設(shè)備，將突破現(xiàn)有富營養(yǎng)化水體處理技術(shù)屏障，為淺層水體修復(fù)和日常維護(hù)提供新型有效的技術(shù)手段，具有廣泛的市場應(yīng)用前景。

另外風(fēng)力發(fā)電作為一種重要的可再生能源形式，越來越受到人們的廣泛關(guān)注。由于風(fēng)電設(shè)備制造技術(shù)的日益成熟和風(fēng)電價格的逐步降低，近些年來，無論是在發(fā)達(dá)國家還是在發(fā)展中國家都在大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電。近30年來風(fēng)電場并網(wǎng)容量發(fā)展最為迅猛，對常規(guī)電力系統(tǒng)的運(yùn)行造成的影響明顯增大。杭州市大部分地區(qū)年平均風(fēng)速在1.3～2.4 m/s，下沙地處杭州東北部平原，位于錢塘江兩岸的濱海平原，年平均風(fēng)速超過3 m/s。這種風(fēng)速適宜小型風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)能，很好解決了地區(qū)無電、缺電的困難，特別是彌補(bǔ)了陰雨、無陽光時太陽能發(fā)電不能工作的不足[6]。

3 修復(fù)體系設(shè)計方案

以下簡介利用太陽能、風(fēng)能進(jìn)行生物浮島技術(shù)修復(fù)富營養(yǎng)化水體整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。根據(jù)太陽的花形狀，曝氣造流系統(tǒng)的浮床為結(jié)構(gòu)主體，浮床采用雙曲面球體構(gòu)型，上承太陽能電池板，內(nèi)置蓄電池和空氣泵等所有配套設(shè)備，下方以絲桿連接懸掛導(dǎo)流裝置，周圍環(huán)繞生物浮島單元，曝氣盤通過管道連接固定在導(dǎo)流裝置內(nèi)部[6]。

生物浮島系統(tǒng)由浮床單元拼接、組合而成，浮床單元內(nèi)部種植水生植物，水下增加填料并接種特效氮、磷處理菌，整體環(huán)繞于曝氣造流系統(tǒng)外圍，通過植物和微生物的共同作用，實現(xiàn)水體修復(fù)目的。

曝氣造流系統(tǒng)由空氣泵、曝氣盤、懸浮載體和導(dǎo)流裝置四部分組成?？諝獗脡嚎s的空氣通過導(dǎo)氣管進(jìn)入曝氣盤，再以微小氣泡的形式釋放到深層水體中，并與其混合，增加水體溶氧；水氣混合后的液體因密度減小而在導(dǎo)流筒內(nèi)垂直上升到達(dá)淺層水體，同時，深層水體因?qū)Я魍矁?nèi)的壓力較小而被不斷吸入到導(dǎo)流筒內(nèi)，形成一個以壓力差為動力的循環(huán)流，實現(xiàn)水體最大效率供氧。

光照充足的白天，太陽能電池板通過控制器向蓄電池供電，夜間蓄電池放電帶動空氣泵工作；利用時間控制開關(guān)控制空氣泵的工作狀態(tài)；空氣泵的工作時間初步可考慮安排在午夜至凌晨連續(xù)6小時。陰雨天氣，太陽能控制器直接控制蓄電池充放電，保證蓄電池提供空氣泵18小時工作能力。同時小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生輔助作用，保證修復(fù)體系的正常用電[7]。

4 水體修復(fù)效果實驗分析

在實驗區(qū)域采用太陽能、風(fēng)能生物浮島修復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行（白天充電，夜間供氧6小時），測定實驗區(qū)域的溶解氧平均值A(chǔ)與對照區(qū)域溶解氧平均值B的變化連續(xù)，溶解氧采用在線溶解氧儀及碘量法]測定。試驗數(shù)據(jù)表明，在富營養(yǎng)化水體中存在著水體溶解氧晝夜變化幅度大的特點，晝間溶解氧變化并不完全符合富營養(yǎng)化水體溶氧規(guī)律變化，晝間溶氧會達(dá)到高點，但是夜間溶氧并不會降低到預(yù)計低點。各項水質(zhì)指標(biāo)均已經(jīng)達(dá)到富營養(yǎng)化的狀況，水體夜間的耗氧量低，可能是由于底泥含量低、懸浮微生物少、水體微生物活動較弱的原因[8]。

通過相同條件下對水溶氧變化與微生物量的關(guān)系的實驗，可知夜間水中溶解氧持續(xù)下降，日出前達(dá)到最低值5.8 mg/L。開始曝氣后，溶解氧濃度上升，能在日出前補(bǔ)充到最低值7.4 mg/L。

生物浮島的水體修復(fù)主要通過以下幾個方面實現(xiàn)：設(shè)備直接曝氣充氧促進(jìn)好氧微生物代謝，加快水體有機(jī)污染物降解速率；設(shè)備曝氣形成環(huán)流，加快水體液面更新速率，提高大氣復(fù)氧效率；浮島植物根系吸收水體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)，攔截固體顆粒、沉降膠體物質(zhì)，提高凈化效果；浮島中的生物填料，通過富集微生物，提高水體中的微生物數(shù)量和降解能力；曝氣形成的環(huán)流，有利于凈化后水體與污染水體的交換，擴(kuò)大設(shè)備有效的凈化面積。

如此構(gòu)建立體式的生物體系，使富營養(yǎng)化水體在植物、微生物的協(xié)同作用下，通過太陽能、風(fēng)能供電強(qiáng)化曝氣和水體循環(huán)，實現(xiàn)富營養(yǎng)化水體的快速修復(fù)[9]。

5 結(jié)論

基于水體原位修復(fù)的理念，通過組合太陽能、風(fēng)能等低能耗充氧和高效生物降解措施，構(gòu)建了一體化的立體式生物處理設(shè)備。對于改善水環(huán)境課題，本文提出使用太陽能、風(fēng)能等綠色能源取代其他能源；應(yīng)用植物、微生物反應(yīng)代替化學(xué)方法的大量化學(xué)藥劑，實現(xiàn)零成本運(yùn)行、無二次污染，與水體和諧共處，有著明顯經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢和社會效益。

參考文獻(xiàn)

[1]金相燦，屠清瑛.湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范[M].2版.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1987.

[2]國家環(huán)境保護(hù)總局.水和廢水監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)方法[M].4版.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

[3]李英杰，金相燦，年躍剛，等.人工浮島技術(shù)及其應(yīng)用[J].水處理技術(shù)，2007，33（10）：49-51.

[4]馬風(fēng)有，李強(qiáng)，鄧輔商.人工浮島載體設(shè)計研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2007（5）：85-87.

[5]趙祥華，田軍.人工浮島技術(shù)在云南湖泊治理中的意義及技術(shù)研究[J].云南環(huán)境科學(xué)，2005，24（A1）：130-132.

[6]馬蕊，林英，牛翠娟.淡水水域富營養(yǎng)化及其治理[J].生物學(xué)通報，2003，38（11）：22-26.

[7]李家就，錢望新.富營養(yǎng)化湖泊水源生物預(yù)處理研究[J].中國給水排水，1992，8（2）：4-7.

[8]唐林森.湖北農(nóng)村地區(qū)富營養(yǎng)化水體的人上生態(tài)浮島技術(shù)修復(fù)研究[D].長江科學(xué)院碩士學(xué)位論文，2008.

[9]唐林森，陳進(jìn)，黃茁.人工生物浮島在富營養(yǎng)化水體治理中的應(yīng)用[J].長江科學(xué)學(xué)院院報，2008，25（1）：19-24.