基于生物炭的生態(tài)浮床設(shè)計

范玉超+楊濤+潘瑩等

摘 要：根據(jù)生物炭的強(qiáng)吸附特性，對傳統(tǒng)生態(tài)浮床進(jìn)行改進(jìn)，構(gòu)建了由浮床框體、床體、內(nèi)外雙環(huán)圓柱結(jié)構(gòu)種植單元、沉水植物生長袋4個部分組成的新型組合生態(tài)浮床，結(jié)合水下空間和水面景觀重點(diǎn)描述了浮床的構(gòu)建過程，為生態(tài)浮床的發(fā)展提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：生態(tài)浮床；生物炭；吸附；凈化

中圖分類號 X52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2015）15-95-04

The Design of Ecological Floating Bed Based on Biochar

Fan Yuchao et al.

（School of Earth and Environment，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China）

Abstract：According to the strong adsorption properties of biochar，a new kind of floating bed named combined ecological floating bed was constructed，which included the floating bed frame body，the bed body，inside and outside double cylindrical structure with planting unit，submerged plants grow bags of four parts.Combination with under-water space and water landscape were used to mainly describe the process of the construction of the floating bed，providing a way for the development of ecological floating bed.

Key words：Ecological floating bed；Biochar；Absorption；Purification

隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，污染物進(jìn)入環(huán)境的途徑增多，從而引發(fā)了一系列的環(huán)境問題，其中水體富營養(yǎng)化已成為水污染問題的重中之重。水體富營養(yǎng)化是指湖泊、水庫、河流等水體受納過量的氮、磷（N、P）等營養(yǎng)物，促使藻類暴發(fā)進(jìn)而導(dǎo)致水體水質(zhì)惡化并加速水體老化，從而使水體生態(tài)系統(tǒng)和水功能受到阻礙和破壞的過程[1～3]。水體富營養(yǎng)化造成魚類等水生動植物死亡，引起水質(zhì)下降，威脅安全用水。

國家環(huán)境保護(hù)“十二五”規(guī)劃指出，深化重點(diǎn)流域水污染防治，遏制湖體富營養(yǎng)化趨勢，主要入湖支流基本消除劣Ⅴ類水質(zhì)。鑒于湖泊、河流、水庫等水體富營養(yǎng)化問題形勢嚴(yán)峻，廣大科技工作者進(jìn)行了大量的研究，生態(tài)浮床技術(shù)正是在此背景下發(fā)展起來的一種水體原位修復(fù)技術(shù)，具有無需占地、低成本、材料來源廣泛、操作方便、修復(fù)效果好、運(yùn)行管理簡單的特點(diǎn)[4]。為此，本文介紹了生態(tài)浮床的研究現(xiàn)狀，并對傳統(tǒng)生態(tài)浮床結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以期對富營養(yǎng)化水體的生態(tài)修復(fù)技術(shù)有所幫助。

1 生態(tài)浮床技術(shù)

1.1 生態(tài)浮床的凈化機(jī)理 作為一種新型水體富營養(yǎng)化修復(fù)技術(shù)，生態(tài)浮床被廣泛研究及應(yīng)用。它主要是將高等水生植物或改良后的陸生植物運(yùn)用無土栽培技術(shù)種植到浮于水面的床體上，通過植物根系的吸收、吸附作用和根系附著微生物的降解作用，削減水體中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，并以收獲植物體的形式將其搬離水體，達(dá)到凈化水質(zhì)的作用并兼具環(huán)境美學(xué)功能[5-8]。生態(tài)浮床的主要凈化機(jī)理是利用植物根系形成生物膜，通過氨氧化、反硝化作用等途徑，將污染物吸收或轉(zhuǎn)化，同時利用浮床植物在營養(yǎng)物質(zhì)、光照等方面的競爭優(yōu)勢，抑制藻類生長[9-11]。

1.2 生態(tài)浮床的結(jié)構(gòu)和功能 生態(tài)浮床的主要結(jié)構(gòu)有：浮床框體、床體、基質(zhì)和植物，如圖1所示。其按框體材料的不同主要分為：竹竿浮床、泡沫浮床、竹筐浮床、椰絲浮床、輪胎浮床、塑料管浮床、塑料片浮床、混凝土浮床、塑料盤浮床。按構(gòu)造結(jié)構(gòu)又可分為干式生態(tài)浮床和濕式生態(tài)浮床，其中植物和水接觸的為濕式，不接觸的為干式[12]。

圖1 生態(tài)浮床結(jié)構(gòu)

浮床結(jié)構(gòu)單元的研究主要集中在床體、基質(zhì)和植物方面：

1.2.1 床體 床體的主要作用是為生態(tài)浮床提供浮力，保證能夠支撐基質(zhì)和植物。常用的床體材料有：（1）有機(jī)高分子材料：具有加工特性好，強(qiáng)度大，化學(xué)穩(wěn)定性好，材質(zhì)輕等優(yōu)點(diǎn)，如聚苯乙烯泡沫板，聚丙板等[13-14]；（2）無機(jī)材料：多孔結(jié)構(gòu)，比表面積大，適合于微生物附著掛膜，可高效吸附污染物質(zhì)，但加工難度大、成本高，實(shí)際中應(yīng)用較少，如陶粒、蛭石和珍珠巖等[15-17]。

1.2.2 浮床 浮床基質(zhì)用來固定植物，并保證植物能夠充分吸收水分、氧氣和養(yǎng)料，兼具耐腐、彈性足、固定力強(qiáng)、蓄肥、保肥、無污染的特性。常用海綿、椰子纖維等天然材料作為浮床基質(zhì)的材料。

1.2.3 植物 植物是浮床凈化水體的主體，需要其能夠適應(yīng)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，具有較高的成活率、抗污能力強(qiáng)、能夠快速生長、生物量大，根系發(fā)達(dá)、根莖繁殖力強(qiáng)，并具備一定的觀賞性和經(jīng)濟(jì)價值。目前應(yīng)用較多的浮床植物有美人蕉、水浮蓮、香根草、菖蒲、石菖蒲、鳳眼蓮、水芹菜、水雍菜等[18-20]。

1.3 生態(tài)浮床的研究進(jìn)展 目前，對于富營養(yǎng)化水體的治理與修復(fù)，人們越來越多的采用生態(tài)浮床技術(shù)，特別是歐美發(fā)達(dá)國家。該技術(shù)既改善了湖泊、水庫及飲用水水源地的水質(zhì)，同時避免了物理、化學(xué)方法帶來的投資大、操作難和易引起二次污染等問題。

美國生態(tài)學(xué)家Gurney最早開展浮床技術(shù)的研究[21]。20世紀(jì)70年代起，為了改善水質(zhì)、消除水體污染，日本、歐美等發(fā)達(dá)國家率先采用生態(tài)浮床技術(shù)治理水域，達(dá)到了凈化水質(zhì)的目的[22]。如日本在琵琶湖、霞浦、諏訪湖等著名湖泊、水庫以及公園的池塘等水域設(shè)置生物浮床，不僅有效的凈化了水質(zhì)，而且改善了湖濱景觀[23]。1995年Tomas等[24]以污水作為培養(yǎng)基來研究季節(jié)和水力停留時間對浮游水生植物吸收磷的影響，篩選出對P吸收較強(qiáng)的十大水生植物，其中以美人蕉和魚腥草的吸收率最高。同年，第六屆世界湖泊大會在日本召開，人工浮床技術(shù)進(jìn)一步被人們認(rèn)可[25]。

Komer等[26]研究了浮萍對生活污水中氮/磷的去除，結(jié)果表明，30%～52%的氮/磷去除都直接或間接來自植物的貢獻(xiàn)。Chang[27]在佛羅里達(dá)州利用浮床植物在構(gòu)造的隔圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，綜合經(jīng)濟(jì)和處理效果后得出，5%的覆蓋面積效果好于10%。Lloyd等[28]在新加坡的克蘭芝水庫利用香蒲、香根草和毛蓼構(gòu)造浮床，結(jié)果表明，3種植物浮床對TN和TP的去除負(fù)荷較高。

國內(nèi)生態(tài)浮床的研究大致始于20世紀(jì)90年代，起初浮床中栽培的植物多是水生植物，后來環(huán)境學(xué)者將陸地上種植的草本陸生植物種植在浮床上，取得了較好的凈化效果及更高的收獲量與景觀效果[29]。

王國祥等[30]利用鑲嵌組合植物群落控制湖泊飲用水源區(qū)藻類及氮污染，結(jié)果表明，凈化后藻類生物量、數(shù)量，總氮均顯著下降，水質(zhì)得到明顯改善。邴旭文等[31]采用浮床無土栽培技術(shù)，在池塘水面種植美人蕉控制富營養(yǎng)化，結(jié)果顯示，在富營養(yǎng)化池塘中，美人蕉的覆蓋率與水體中N、P的去除率呈正相關(guān)。黃廷林等[32]將綠蘿、美人蕉和龜背竹3種植物用于人工浮床，試驗(yàn)期間，植物對水中N、P的去除效果較好且長勢良好。孫連鵬等[33]研究了不同季節(jié)美人蕉浮床去除水體中氮素等營養(yǎng)物質(zhì)的凈化效果，結(jié)果表明，春季美人蕉浮床對水中氮素的去除效果較好，秋季去除效果有所下降。

司友斌等[34]以巢湖湖水、合肥環(huán)城河水及安農(nóng)大池塘水作為供試水樣，研究浮床香根草對富營養(yǎng)化水體的凈化效果，試驗(yàn)表明，香根草生長良好，在56d生長期內(nèi)對總氮去除率均達(dá)85%以上，對氨氮去除率可達(dá)100%，對總磷也有較高去除率；同時，香根草是一種集原料、飼料、燃料于一體的經(jīng)濟(jì)植物，此技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。童昌華等[35]利用水生植物凈化和底泥遮蔽的方法對養(yǎng)魚池的富營養(yǎng)化水體進(jìn)行研究，結(jié)果表明，狐尾藻和微齒眼子菜對水中TN、TP和NO3-N的去除效果最好，1個月后對TN、TP的去除率均可達(dá)80%以上。盧進(jìn)登等[7]利用人工生物浮床栽培植物20余種，成活率大都在70%以上，研究認(rèn)為蘆葦對水質(zhì)的凈化效果最好，其次分別為荻、水稻、蕹菜、牛筋草、香蒲和美人蕉。其中對蕹菜和水稻植株的檢測完全符合國家有關(guān)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，可作為蔬菜和青飼料。

鄭劍峰等[36]研究了美人蕉和風(fēng)車草浮床在冬季低溫條件下對氮、磷的遷移能力，結(jié)果顯示，2種植物都能在低溫條件下正常生長，并對氮、磷有一定的吸收且生物量明顯增加。Zhao等[37]利用河道周圍的植物構(gòu)建浮床凈化河水，結(jié)果表明，夏季浮床對各項(xiàng)指標(biāo)的去除率都明顯高于春冬季，同時，浮床植物對Ca、Mg、Fe、Mn等重金屬有一定的去除效果。

2 基于生物炭的生態(tài)浮床設(shè)計

在傳統(tǒng)生態(tài)浮床技術(shù)中，植物體系物理吸附和生物吸收除去氮、磷所需要的時間往往都是幾十個小時或者幾十天，且貢獻(xiàn)較小，凈化功能主要是通過附著在浮床系統(tǒng)上微生物的硝化、反硝化作用來實(shí)現(xiàn)。因此，提高微生物在浮床系統(tǒng)上的附著、增殖能力，提高脫氮除磷效果是當(dāng)前生態(tài)浮床技術(shù)存在的問題和研究的工作重點(diǎn)。

2.1 設(shè)計思路 針對當(dāng)前生態(tài)浮床技術(shù)存在的問題，結(jié)合生物炭的強(qiáng)吸附性和植物對污染物吸收的共同作用，將兩者利用起來達(dá)到對水體的高效凈化。生物炭環(huán)境友好，本身可作為一種超強(qiáng)吸附劑對水體起到一定程度的凈化，且水體中的微生物可吸附在生物炭表面[38]。

2.2 浮床設(shè)計 基于生物炭的生態(tài)浮床設(shè)計以生物炭作為基質(zhì)，單元結(jié)構(gòu)上采用內(nèi)外雙環(huán)組合方式，方便植物收獲及季節(jié)性更換。

2.2.1 浮床框體 采用浮管作為框體，PVC浮管耐腐蝕、經(jīng)久耐用、成本低、易于回收，不產(chǎn)生二次污染；另外，浮管可以提供浮力，增加整個浮床的穩(wěn)定性，且便于和床體進(jìn)行安裝。

2.2.2 床體 選擇應(yīng)用較廣泛的高密度聚乙烯（HPDE）制成的薄板，該材料密度為0.94～0.97g/cm3[39]，堅(jiān)固耐用，具有良好的抗腐蝕性和穩(wěn)定性，不入水下沉。目前已有該材料制成的具有特殊邊角設(shè)計的模塊，可以用U型扣或螺絲進(jìn)行連接，組裝拆卸更便捷。此次設(shè)計我們選擇了矩形形狀的床體，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)地形和湖泊特點(diǎn)，設(shè)計成六邊形或菱形等結(jié)構(gòu)。

2.2.3 基質(zhì) 生物炭是難溶、穩(wěn)定、高度芳香化，且富含碳素的黑色蓬松狀固態(tài)物質(zhì)，屬于黑炭范疇，其碳、氫、氧、氮等含碳量在70%以上[40]。生物炭具有致密的微孔結(jié)構(gòu)，比表面積巨大，吸附能力強(qiáng)，且生產(chǎn)成本低、生態(tài)安全、無污染、適合大面積推廣，在治理水體和土壤重金屬及有機(jī)污染方面得到了廣泛的應(yīng)用?；辔詮?qiáng)、易塑形，能夠固定植物并為植物生長提供良好環(huán)境。

每個種植單元由大口徑PVC管構(gòu)建內(nèi)外雙環(huán)結(jié)構(gòu)，外環(huán)填充生物炭，內(nèi)環(huán)填充花泥并種植植物。內(nèi)環(huán)底部封有多孔尼龍網(wǎng)，既可防治植物掉落，又可保持內(nèi)環(huán)的獨(dú)立性，方便取出更換或收割植物，如圖2所示。

圖2 基于生物炭的生態(tài)浮床種植單元俯視、剖面圖

2.2.4 植物 植物適宜生長的溫度、氣候、降水等因素差異較大，因此，必須因地制宜、因時制宜的選擇浮床植物。例如：安徽北部地區(qū)適合選擇西伯利亞鶯尾、千屈菜、花葉美人蕉等，這幾種植物量大、根系發(fā)達(dá)、根莖繁殖能力強(qiáng)、植株優(yōu)美，具有一定的觀賞價值。

2.2.5 組合物 在浮床主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，每個床體單元的拐角設(shè)計一個沉水植物生長袋（大網(wǎng)孔），內(nèi)置陶粒和植物種，并用塑料繩將其固定于床體。優(yōu)先選擇菹草、狐尾藻等適應(yīng)能力強(qiáng)的沉水植物。沉水植物生長袋的應(yīng)用在穩(wěn)定床體的同時，還可以進(jìn)一步吸收水體中的氮磷等物質(zhì)，并可以充分提高對水體的分層利用率，加速對污染物的去除。浮床結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖3所示。

圖3 基于生物炭的生態(tài)浮床設(shè)計

2.3 設(shè)計優(yōu)點(diǎn) （1）設(shè)計采用生物炭作為生態(tài)浮床的基質(zhì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①生物炭能夠吸附水中的重金屬、有機(jī)物及氮磷等物質(zhì)，提高污染物與植物根部的接觸濃度；②生物炭疏松多孔，為微生物提供巨大的附著空間，增加浮床結(jié)構(gòu)單元中微生物的數(shù)量和種類，提高對污染物的去除能力；③生物炭含有一定的微量元素和有機(jī)物質(zhì)，具有保肥、保水的能力，能夠促進(jìn)植物的生長。（2）生長后期植物根系穿出花泥接觸到生物炭，此時植物根系既能從水體中吸收有機(jī)物和離子，又能從生物炭中吸收有機(jī)物，通過根系形成生物膜將污染物吸收、轉(zhuǎn)化。（3）沉水植物以生長袋為根基向水體中層生長，其枝葉和根系在水中形成濃密的“生物網(wǎng)”，吸附水體中大量的懸浮物。發(fā)達(dá)的植物根系表面也可附著微生物降解污染物。

3 展望

目前，我國城市湖泊大部分處于重度富營養(yǎng)化階段，既影響城市景觀又威脅用水安全。生態(tài)浮床技術(shù)集凈化水質(zhì)、減少污染、改善環(huán)境等綜合效益為一體，并且制作成本低、操作簡便、易于推廣。基于生物炭的生態(tài)浮床設(shè)計，采用內(nèi)外雙環(huán)結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)方便取出，可種植水芹、生菜等經(jīng)濟(jì)作物，在凈化水質(zhì)、增加城市湖泊景觀效果的同時，還可以獲得一定的經(jīng)濟(jì)收益；床體拐角設(shè)沉水植物生長袋，拓展下層水體利用空間，沉水植物形成的“生物網(wǎng)”又可吸附水中懸浮物，增加微生物量，提高污染物處理效果。因此，基于生物炭的生態(tài)浮床設(shè)計具有廣闊的應(yīng)用前景。

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