一種生態(tài)型人工浮島的設(shè)計

李敏達 等

摘 要：在養(yǎng)殖池塘水域中設(shè)置一種生態(tài)環(huán)保型人工浮島，浮島布置設(shè)計成圓形，由多個浮島單體組裝而成，每個浮島單體又由多個多個懸掛式單體構(gòu)成。浮島單體選用木材、毛竹或PVC管作為浮島框架，取材易得，結(jié)構(gòu)簡潔，方便操作和推廣。選用吸附羥基鐵高效陶粒和多空陶瓷作為浮床床體兼基質(zhì)，比表面積大，吸附高效，能有效去除水中氨氮。同時可在浮島表面栽培具有一定經(jīng)濟價值的植物以增加農(nóng)民收入，如水雍菜。浮島設(shè)計遵循資源利用、經(jīng)濟價值和高效處理的設(shè)計原則，設(shè)計內(nèi)容包括浮島的整體布置、床體和單體。該設(shè)計突破了傳統(tǒng)浮島設(shè)計中浮床局限于水域表面，水處理效率低下，靜態(tài)凈水的局限，同時還能將養(yǎng)殖水域中的殘餌糞便和大顆粒污物向浮島中心集中，方便集中處理。

關(guān)鍵詞：生態(tài)浮島；陶粒-羥基鐵；生態(tài)環(huán)保；應用

1 概述

人工浮島技術(shù)是一種原位水體生態(tài)修復技術(shù)，自1987年德國BESTMAN公司提出以來，在不到30年的時間里就已經(jīng)在中國、日本和歐洲許多國家和地區(qū)成功應用于水體富營養(yǎng)化的污染控制和生態(tài)修復方面。人工浮島具有構(gòu)建靈活、運行費用低、易維護等特點，受到了越來越廣泛的研究，其形態(tài)也由最初單純植物浮床發(fā)展為加入組合填料的立體浮島。其工作原理主要是通過植物攝取、微生物的代謝轉(zhuǎn)化以及填料的吸附共沉淀作用去除水中的、引入人工浮島技術(shù)進入水產(chǎn)養(yǎng)殖的水體，能有效的幫助吸收養(yǎng)殖水體中的富營養(yǎng)元素，減緩養(yǎng)殖水體的污染，改善養(yǎng)殖水體環(huán)境，同時能有效地推進水產(chǎn)養(yǎng)殖的生態(tài)發(fā)展。正是在此背景下，本課題根據(jù)養(yǎng)殖池塘的具體情況，開展生態(tài)環(huán)保型人工浮島設(shè)計。

1.1 設(shè)計目的

水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一，發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)可以提高農(nóng)民收入， 改善人民群眾生活水平和提高人民生活質(zhì)量。但由于人類對水體的不合理的開發(fā)利用，產(chǎn)生了一系列環(huán)境污染問題，其中養(yǎng)殖水體水污染問題尤為突出。成為制約水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一。人工浮島技術(shù)是當前廣泛采用的一項水體處理修復技術(shù)，與傳統(tǒng)污水處理方法相比，該技術(shù)是一種生態(tài)技術(shù)，效果良好，具有無二次污染，造價低廉且易于組裝等特性，故擬開展生態(tài)環(huán)保型人工浮島設(shè)計，幫助解決養(yǎng)殖環(huán)境污染問題和提高農(nóng)民收入。

1.2 設(shè)計要求

浮島設(shè)計要求具有創(chuàng)新性，浮島主體取材易得、制作工藝簡潔、凈水效果高效和能增加經(jīng)濟收入。

2 設(shè)計原則與內(nèi)容

2.1 設(shè)計原則

浮島整體設(shè)計需要考慮設(shè)計的社會性、生態(tài)性和經(jīng)濟性，考慮浮島和環(huán)境、生態(tài)效益與經(jīng)濟效益、去污效果與養(yǎng)殖功能等的平衡關(guān)系。所以設(shè)計遵循資源經(jīng)濟原則、處理高效原則和簡潔易行原則。

①資源經(jīng)濟原則。以資源的節(jié)約為出發(fā)點選材，考慮原材料的資源再利用和盡量不造成二次污染，充分發(fā)揮資源的價值。立足在農(nóng)民可承受的經(jīng)濟投入是有限度的角度思考，設(shè)計中盡力減少如選材、資源易得等成本投入，降低經(jīng)濟要求，同時考慮在浮島上種植經(jīng)濟作物以增加收入。

②處理高效原則。設(shè)計中根據(jù)硝化細菌去氨氮的高效性選擇生物去污去氨氮的處理方法，在設(shè)計中選擇羥基鐵陶粒和多空陶瓷作為浮島床體兼基質(zhì)，依據(jù)硝化細菌的附著性特點，為硝化細菌提供充分的比表面積。同時輔以種植浮島植物輔助吸收富營養(yǎng)元素。

③簡潔易行原則。浮島在設(shè)計時充分考慮組裝、運用和維護中會產(chǎn)生的困難，力求在設(shè)計和生產(chǎn)中就將之解決，減少運營和維護中不必要的工作。

2.2 設(shè)計內(nèi)容

①浮島床體的設(shè)計。浮島床體設(shè)置為圓形，由多浮島單體組成，每個浮島單體呈四邊形，浮島安放在養(yǎng)殖水域中，通過連接固定的方式將浮島的單體連接起來，形成圓形的浮島，浮島單體間保持適宜距離，建議在0.3-0.5m之間為宜，為了方便浮島整體的鏈接，同時留夠足夠的空間方便養(yǎng)殖主體的洄游。

②浮島單體的設(shè)計。浮島單體設(shè)計呈四邊形，每個浮島單體又由多個懸掛式單體構(gòu)成。懸掛式單體是整個浮島中最為核心的部分，懸掛式單體設(shè)計的好壞影響著浮島的凈水效率和決定了浮島設(shè)計的成功或是失敗。懸掛式單體選取羥基鐵高效陶粒和多空陶瓷作為浮島單體兼基質(zhì)材料，其比表面積大，能有效提升硝化細菌的附著，吸附效率好，原材料獲取容易。同時在人工浮島表面可種植水雍菜等經(jīng)濟植物，提高農(nóng)民收益。

③浮島安置位置的選擇。浮島安裝位置選擇在池塘中間偏出水口位置，其位置設(shè)置的原因是考慮進水口的水流力和池塘中魚類洄游的動力，使得浮島周邊的力形成均衡，利于污物向浮島中心集中，以方便集中去污。

3 設(shè)計成果

3.1 工藝選擇

①外觀。浮島整體設(shè)計組裝成圓形，每個單體設(shè)計為四邊形，每個單體面積設(shè)計為1-1.5m2，一個浮島由8-10個單體組裝而成，浮島上面種植經(jīng)濟作物，整體呈現(xiàn)綠色，即生態(tài)經(jīng)濟又具有觀賞價值。

②框架。選用木材、毛竹或PVC管作為浮島的框架。框架需要考慮強度和耐受力度，木材、毛竹和PVC管都有較強的耐受力度和強度，池塘養(yǎng)殖的風浪較小于大水面養(yǎng)殖且池塘水多為靜水，不需要高能力的抗風浪能力，同時設(shè)計的浮島單體呈四邊形，單體間通過連接呈圓形，具有很強的平穩(wěn)性?？蚣茉谡麄€設(shè)計中除了具有固定的作用，還需要能夠承擔浮島的重力，使浮島浮于水面可隨水位的漲落上下移動。

③填料。填料選擇高效吸附羥基鐵陶粒和多空陶瓷，將多孔陶瓷穿插固著在浮床上面，做成懸掛式單體，同時在浮床表面將羥基鐵陶粒作為浮島基質(zhì)，水域表面和水域中的同時吸收工作，保證了設(shè)計的高效性原則。

④植物。浮島的高效去污區(qū)域主要是浮島的基質(zhì)，浮島上種植植物起到了輔助去除表面污物，吸收水中氮磷的作用，如果考慮高效性當選擇根系發(fā)達生長快速的，考慮到經(jīng)濟效率等因素，所以側(cè)重選擇經(jīng)濟植物，既能吸收部分水中的氮磷，又能增加經(jīng)濟收入，如水雍菜。

3.2 主體設(shè)計

①浮島床體的布置設(shè)計。浮島由多浮島單體組成，整個浮島布置設(shè)置為圓形，每個浮島單體組裝成四邊形，浮島的上面安排種植經(jīng)濟作物，通過基質(zhì)和浮島植物來共同完成凈水。浮島安放在養(yǎng)殖水域中，通過連接固定的方式將浮島的單體連接起來，形成圓形的浮島，浮島單體間保持一定的適宜距離，建議在0.3-0.5m之間為宜，為方便浮島整體的鏈接，同時留夠足夠的空間方便養(yǎng)殖主體的洄游。浮島平面布置占水域面積的10%-20%（除去設(shè)計中的圓形面積）為宜，使得設(shè)計美觀，便于養(yǎng)殖操作。

②浮島單體的設(shè)計。浮島單體設(shè)計呈四邊形，每個浮島單體又由多個懸掛式單體構(gòu)成。懸掛式單體選取羥基鐵高效陶粒和多空陶瓷作為浮島單體兼基質(zhì)材料，其比表面積大，能有效提升硝化細菌的附著，吸附效率好。床體用PVC管材或竹子直徑約12厘米搭建，采用21股以上聚乙烯繩的網(wǎng)片上下覆蓋，下網(wǎng)片網(wǎng)眼為3-5cm，上網(wǎng)片網(wǎng)眼為10cm，目的是防止浮水浮島植物漂移。

3.3 成本估算

以竹木結(jié)構(gòu)為載體的人工浮島工程造價（見下表1），以每平方米為單位計算：

3.4 設(shè)計說明

①床體范圍的管理。浮床范圍是浮島設(shè)計的核心地帶，也是規(guī)劃和設(shè)計的重點，它關(guān)系到水域的安全、功能合理和凈水效率，具體管理涉及池塘水域、浮島床體、基質(zhì)和植物等各個方面。

②外圍銜接管理。浮島設(shè)計不僅要考慮設(shè)計紅線內(nèi)的相關(guān)情況，還必須兼顧周邊設(shè)施及日常管理的兼容性。日常管理和管理落實才是真正決定能否實現(xiàn)生態(tài)養(yǎng)殖的關(guān)鍵。因此，浮島設(shè)計布置的外圍水域空間應控制整體使用強度，并區(qū)別對待池塘水域的外圍、池塘主要養(yǎng)殖區(qū)和設(shè)計控制區(qū)，尤其注意控制危害水體的補水和水體凈化區(qū)域。

③浮島控制范圍在池塘養(yǎng)殖中，更應當做的是控制外來補充水的進水，有針對性的進行保護。實現(xiàn)外源水的保證，才能夠有效的發(fā)揮浮島設(shè)計的功能。

此外，在該設(shè)計中利用高效吸附羥基鐵陶粒和多空陶瓷是保證凈水效率的重點，充分利用了硝化細菌的附著性特點，有效的除去水中的氨氮，達到高效處理的目的。

4 展望

當今，養(yǎng)殖水體污染情況十分嚴重，已經(jīng)嚴重威脅到了人類的健康。人工浮島作為一種新型的處理水污染的方法，具有凈化水質(zhì)、改善環(huán)境、增加經(jīng)濟收益等一系列綜合作用，它的作用價值可以運用到很多方面，對于改善環(huán)境具有很大的作用。通過人工浮島的治理，能夠有效地解決水體有機污染物和水體富營養(yǎng)化問題，提高養(yǎng)殖水環(huán)境質(zhì)量。并且人工浮島為水生生物提供適宜的生長環(huán)境，能夠輔助凈化水質(zhì)，不需要占用土地，具有治理成本低、能耗低、處理效果好、工藝簡單等優(yōu)點。結(jié)合其優(yōu)點，相信人工浮島技術(shù)會得到很好的發(fā)展，其應用也會越來越廣泛。

參考文獻：

[1]HoegerS.Germanys artificial floating island[J].Journal of Soil and Water Conservation，1988， 43（4）：25-27.

[2]阿連帥，李佳佳，沈思，等.2種水蕹菜植生型人工浮島對克氏原螯蝦高密度養(yǎng)殖水體的凈化作用[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學，2011，39（4）：287-289.

[3]白少元，王明玉.新型人工浮島流場數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析[J].環(huán)境工程學報，2009，3（12）：2208-2214.

[4]白少元，張華，解慶林.復合留人工浮島系統(tǒng)植物與基質(zhì)在污染水體修復中的作用[J].凈水技術(shù)，2010，29（1）：9-15.

[5]李志鴻，王明玉.復合介質(zhì)人工浮島對含銅廢水凈化效果試驗研究[J].環(huán)境科學與技術(shù)，2011，34（2）：129-135.

作者簡介：

李敏達（1992-），男，湖南長沙人，從事水族科學與技術(shù)研究；黃正瀾懿（1994-），女，四川德陽人，從事水族科學與技術(shù)研究；王丹（1996-），女，湖南衡陽人，從事水族科學與技術(shù)研究；李楊（1997-），男，湖南衡陽人，從事水族科學與技術(shù)研究；