煤礦塌陷區(qū)深水域漂浮系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

吳培藝,丁文清,許媛媛,張云彬

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與園林學(xué)院,安徽 合肥 230036）

0 引言

煤炭資源在中國的能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)十分重要的地位。[1]采煤作業(yè)后留下的采空區(qū)，長時間不回填將造成地面塌陷。目前全國塌陷區(qū)域已超過80萬公頃[2]，其中塌陷積水區(qū)域約占70%[3]。煤礦塌陷區(qū)水域的水循環(huán)系統(tǒng)通常相對封閉[4]，與外界流通少，其水源、水質(zhì)、水溫等均利于魚類的繁殖、生長和越冬，[5]因此常用于發(fā)展?jié)O業(yè)養(yǎng)殖。對于塌陷區(qū)淺水域，通常采用以圍網(wǎng)為主的養(yǎng)殖模式，[6]對于塌陷深水區(qū)，部分學(xué)者[7，8]認(rèn)為網(wǎng)箱養(yǎng)殖是最合適的治理模式。但是隨著養(yǎng)殖范圍的逐漸擴(kuò)大，其帶來的水體富營養(yǎng)化程度日益加重，破壞了塌陷區(qū)水體生態(tài)系統(tǒng)的自凈能力與穩(wěn)定性。[9，10]因此對該區(qū)水質(zhì)的保護(hù)和治理以及養(yǎng)殖模式的優(yōu)化十分有必要。目前，國內(nèi)外廣泛運(yùn)用的是人工濕地和生態(tài)浮床兩種生態(tài)修復(fù)技術(shù)。[11]人工濕地是由人工建造和控制運(yùn)行的與沼澤地類似的地面，通過植物、動物、微生物、基質(zhì)填料等共同作用，凈化出水水質(zhì)。[12，13]但對于塌陷區(qū)深水域，游憩是非穩(wěn)沉區(qū)域，固定的人工濕地會隨著地表的沉陷而逐漸被破壞。此外，塌陷區(qū)域由于地形地質(zhì)的特殊性，可利用的土地面積不斷減少，人工濕地占地面積龐大，所以并不適合在此地運(yùn)行。生態(tài)浮床又稱生態(tài)浮島，將植物種植于浮床載體中，通過植物根系對污染物的吸收，以及根系周圍富集的生物膜和細(xì)胞外酶對水體中污染物質(zhì)的降解，來達(dá)到凈化水質(zhì)的目的，[14，15]但其存在魚類啃噬植物根系、產(chǎn)生二次污染、結(jié)構(gòu)較不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。[16]

本文針對煤礦塌陷區(qū)特殊的地形地質(zhì)及現(xiàn)有兩種生態(tài)修復(fù)技術(shù)的不足，設(shè)計一種漂浮系統(tǒng)，能夠自由、靈活地緩解養(yǎng)殖污染問題，同時促進(jìn)水體微循環(huán)，改善傳統(tǒng)浮床凈化效率不高、魚類啃噬植物根系、產(chǎn)生二次污染等問題。旨在通過對該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析和應(yīng)用探討，更好地服務(wù)于塌陷區(qū)深水域綜合治理，為塌陷區(qū)的生態(tài)修復(fù)提供新的解決方案。

1 漂浮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

漂浮系統(tǒng)相較于人工濕地和生態(tài)浮床，雖然在操作和后期維護(hù)方面的任務(wù)較重，但是具有凈化效率高、增強(qiáng)水體流動性、自由靈活、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、病蟲害少等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用在塌陷區(qū)深水域具有一定的優(yōu)勢，如表1所示。

表1 人工濕地、生態(tài)浮床和漂浮系統(tǒng)的比較

漂浮系統(tǒng)由復(fù)合型生態(tài)浮床、太陽能水泵系統(tǒng)、凈水池和網(wǎng)箱組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。一系列模塊化的復(fù)合型生態(tài)浮床排列固定在凈水池上方，基于生物凈化原理，對養(yǎng)殖廢水進(jìn)行凈化處理；太陽能水泵系統(tǒng)分別固定在系統(tǒng)的4個角落，基于太陽能發(fā)電原理，提供漂浮系統(tǒng)所需動力；凈水池和網(wǎng)箱構(gòu)成系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，基于虹吸原理，讓水在凈水池內(nèi)部的流動中得到凈化。

1.1 復(fù)合型生態(tài)浮床

一個復(fù)合型生態(tài)浮床模塊的框架由4塊PVC板組合而成。浮床框架上固定的彈性繩索垂直排列。在彈性繩索的交叉處懸掛水處理組合填料，植物固定于由繩索形成的方格中（圖2）。浮床框架、彈性繩索和水處理組合填料均由耐腐蝕、耐水浸的輕質(zhì)綠色環(huán)保材料組成，以免造成二次污染。浮床植物選用根系強(qiáng)大、凈化能力強(qiáng)，且具有觀賞價值的水生植物（美人蕉、菖蒲、風(fēng)車草、水蔥、空心菜等[17，18]）。

圖1 漂浮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖2 復(fù)合型生態(tài)浮床的結(jié)構(gòu)

此復(fù)合型生態(tài)浮床的優(yōu)點(diǎn)：

1）結(jié)構(gòu)簡單易操作，材料綠色環(huán)保。可以根據(jù)植物的大小自由改變網(wǎng)格間距，同時彈性繩索的伸縮性可以很好地適應(yīng)植物的生長需求。

2）彈性繩索代替了傳統(tǒng)浮島泡沫板，可以減少水體覆蓋面積，增加空氣中的氧氣與水面直接接觸，從而提高水中溶解氧含量。[19]水中溶解氧不足會導(dǎo)致好氧微生物生長受限，水中有機(jī)污染物和營養(yǎng)物的降解效率降低，同時也會導(dǎo)致魚類窒息死亡或生長遲緩。

3）微生物在水處理填料上形成生物膜，在新陳代謝的過程中轉(zhuǎn)化和去除水中的污染物質(zhì)。[20]同時，立體填料與根系纏繞在一起增強(qiáng)了根系對外界干擾的抵抗能力。[21，22]

1.2 太陽能水泵系統(tǒng)

太陽能水泵系統(tǒng)由光伏陣列、控制器、進(jìn)水管和水泵組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。光伏陣列能吸收日照輻射能量，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，為整個系統(tǒng)提供動力。控制器對產(chǎn)生的直流電進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，并根據(jù)日照強(qiáng)度的變化調(diào)節(jié)輸出頻率，跟蹤最大功率點(diǎn)從而驅(qū)動水泵，考慮到植物的凈水速率較為緩慢，采用小功率來保證吸水速率小，工作原理如圖4所示。進(jìn)水管一端與凈水池連通，另一端與水泵連通。選擇容積式水泵深入網(wǎng)箱底部，將混有魚糞、殘余餌料、化學(xué)藥劑等污染物質(zhì)的水體吸入環(huán)形凈水池中。太陽能最終轉(zhuǎn)化為水的動力勢能，水從出水口跌落的過程屬于自然跌水爆氣，跌落的水流與下一級水體接觸后，液面的不斷攪動使氣液接觸面更新，有利于水中溶解氧的不斷增加。[23]

圖3 太陽能水泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖4 太陽能水泵系統(tǒng)的工作原理

1.3 凈水池與網(wǎng)箱

凈水池的整體由耐腐蝕的亞克力板和聚乙烯泡沫板構(gòu)成，置于網(wǎng)箱之上，結(jié)構(gòu)如圖5所示，平面如圖6所示。凈水池的4塊內(nèi)側(cè)板面上均有凹槽，可固定生態(tài)浮床，內(nèi)側(cè)板帶有倒U型的預(yù)置孔，預(yù)置孔較長端與凈水池內(nèi)部連通，較短端與外部連通，如圖7所示。利用虹吸原理[24]，待倒U型的預(yù)置孔內(nèi)充滿液體后，最高點(diǎn)液體會在高度差的作用下，持續(xù)往低位洞口處流動，與此同時孔內(nèi)將產(chǎn)生負(fù)壓，導(dǎo)致高位洞口處的液體被吸進(jìn)最高點(diǎn)，在液體壓強(qiáng)和大氣壓強(qiáng)的雙重作用下，進(jìn)、出水交替進(jìn)行，液體源源不斷地流入網(wǎng)箱區(qū)域。

圖5 凈水池與網(wǎng)箱的結(jié)構(gòu)

圖6 凈水池平面圖

圖7 凈水池A-A剖面圖

凈水池底部的填料能夠通過過濾、沉淀、吸附等作用攔截水中污染物。陶粒、麥飯石、沸石等均可作為填料。陳永裕等[25]發(fā)現(xiàn)沸石對氨氮的去除效果較好，裴亮等[26]研究發(fā)現(xiàn)麥飯石對水中COD的處理效果明顯。實(shí)際操作過程可以通過不同填料的搭配組合來達(dá)到最佳效果。

該結(jié)構(gòu)最突出的優(yōu)點(diǎn)是促進(jìn)水體微循環(huán)。由于煤礦塌陷區(qū)水循環(huán)系統(tǒng)相對封閉、流動性差，水體中各種形式的氮與植物和微生物的接觸時間較短,植物的吸收和微生物的硝化以及反硝化作用都難以發(fā)揮較大的作用[27]。該結(jié)構(gòu)在逐漸蓄水的過程中利用垂直流增加了水力停留時間，幫助水體與氧氣較好的混合，并使得水中溶解氧含量增加，促進(jìn)了硝化反應(yīng)，提高了去除率。

2 漂浮系統(tǒng)工作流程及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1 工作流程

養(yǎng)殖廢水通過太陽能水泵匯入凈水池內(nèi)，在其中逐漸蓄水。水流首先穿過填料區(qū)，經(jīng)過填料的過濾、沉淀、吸附等作用后，復(fù)合型生態(tài)浮島再發(fā)揮其凈水功效。在此過程中，凈水池內(nèi)側(cè)板的倒U型預(yù)置孔與水池水位同步上升。一段時間后，待水位超過預(yù)置孔高度，依據(jù)虹吸原理，水將從另一側(cè)直接流出，跌落養(yǎng)殖水域。水流依次通過太陽能水泵系統(tǒng)——凈水池——倒U型預(yù)置孔，最后回到養(yǎng)殖水域，如此循環(huán)凈水，工作流程如圖8所示。

圖8 漂浮系統(tǒng)工作流程

2.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該漂浮系統(tǒng)采用生物凈化方式，設(shè)計了交錯排列的彈性繩索和懸掛的水處理組合填料，改善了傳統(tǒng)生態(tài)浮床凈水效率不高的問題。該系統(tǒng)能夠化死水為活水，水在漂浮系統(tǒng)的流動中得到凈化，促進(jìn)了塌陷區(qū)深水域的水體微循環(huán)，增強(qiáng)了水體的自我調(diào)節(jié)能力。關(guān)于系統(tǒng)工作的動力來源，太陽能水泵和倒U型預(yù)置孔的設(shè)計低碳環(huán)保、綠色節(jié)能。漂浮系統(tǒng)中各個結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3 在塌陷區(qū)深水域的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用方式

將漂浮系統(tǒng)在塌陷區(qū)深水域進(jìn)行整體景觀規(guī)劃設(shè)計。首先固定方式上，漂浮系統(tǒng)單元與岸邊以及單元之間的連接材料宜為可伸縮的錨鏈或廢棄輪胎，以保證系統(tǒng)在風(fēng)、雪、波浪等荷載作用下以及土地塌陷情況下的穩(wěn)定性。[28]植物選擇方面，一般考慮選擇塌陷區(qū)本地物種，并且易于種植成活、產(chǎn)量高，便于后期維護(hù)與管理，還能產(chǎn)生一定經(jīng)濟(jì)效益的植物。通過鏈接固定多個漂浮系統(tǒng)板塊，建立水上公園景觀系統(tǒng)，打造水上采摘區(qū)、垂釣區(qū)、休閑區(qū)等新型景觀，讓人們可以置身水上漂浮系統(tǒng)，旅游觀光、參與互動和享受自然，讓廢棄的塌陷區(qū)深水域在生態(tài)恢復(fù)的基礎(chǔ)上，重新煥發(fā)生機(jī)與活力，并體現(xiàn)城市的地域特色。（圖9）

圖9 景觀規(guī)劃效果圖

3.2 應(yīng)用價值

3.2.1 生態(tài)效益

水體修復(fù)是煤礦塌陷區(qū)生態(tài)修復(fù)規(guī)劃體系中的重要環(huán)節(jié)，漂浮系統(tǒng)使水體在循環(huán)過程中得到凈化，通過植物定期收割轉(zhuǎn)移水中污染物質(zhì)。系統(tǒng)中的水生植物利用光合作用和蒸騰作用共同調(diào)節(jié)水面微氣候，起到凈化空氣、調(diào)節(jié)溫度等生態(tài)功效，如圖10所示，為鳥類、兩棲動物等提供良好的水上棲息場所[29]，增加塌陷區(qū)的生物多樣性。除此之外，系統(tǒng)中的漁業(yè)生產(chǎn)活動促進(jìn)水生植物對水中二氧化碳的吸收，從而達(dá)將碳移除水體的目的。

圖10 生態(tài)修復(fù)示意圖

3.2.2 經(jīng)濟(jì)效益

漂浮系統(tǒng)以漁業(yè)和水上種植業(yè)為基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，單個漂浮系統(tǒng)的成本預(yù)估如表3，按每立方米產(chǎn)魚50 kg（1年收獲1次）和每平方米收獲5 kg蔬菜（1年收獲6次）計算，年產(chǎn)值約2萬元，除此之外，結(jié)合塌陷區(qū)當(dāng)?shù)厝藗兊纳钏剑诨A(chǔ)產(chǎn)業(yè)上形成的塌陷區(qū)觀光旅游、休閑漁業(yè)體驗(yàn)、旅游服務(wù)發(fā)展等產(chǎn)業(yè)可以為塌陷區(qū)帶來更多的經(jīng)濟(jì)效益。

表3 漂浮系統(tǒng)成本預(yù)估

3.2.3 社會效益

漂浮系統(tǒng)有效利用塌陷區(qū)水面資源，緩解土地復(fù)墾壓力，結(jié)合前文所述的多種產(chǎn)業(yè)類型，促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展。系統(tǒng)所采用的循環(huán)利用的環(huán)保思想能提高社會的文明程度。通過系統(tǒng)拼接組合，建成集休閑娛樂、觀光、生態(tài)保護(hù)等功能于一體的水上公園，為人們提供生活娛樂、休閑度假的場所，在改善社會人群的精神面貌、提高生活質(zhì)量和健康水平等方面都有積極的意義。

4 結(jié)語

本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作流程與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及實(shí)際應(yīng)用三個方面論述了一種煤礦塌陷區(qū)深水域漂浮系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過新型結(jié)構(gòu)設(shè)計和太陽能水泵系統(tǒng)共同驅(qū)動水體在復(fù)合型生態(tài)浮床及凈水池間的循環(huán)流動，在實(shí)現(xiàn)生物凈化的同時，結(jié)合立體生態(tài)理念與景觀規(guī)劃設(shè)計實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最大化應(yīng)用，在塌陷區(qū)深水域特殊環(huán)境和困境中創(chuàng)造出生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會三大方面的良好效益和實(shí)用價值。但該漂浮系統(tǒng)也有一定的局限性，主要是對水域面積的大小及岸線的形態(tài)有一定要求，其方形模塊的組合方式需要較大的水域面積以及較平緩的岸線形態(tài)，這在較小的塌陷水域或岸線曲折不平的地區(qū)，難以實(shí)現(xiàn)較好的布局并產(chǎn)生集合效益，因此，下一步將繼續(xù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)和完善功能，并在實(shí)踐中進(jìn)一步探索廣泛的適用性等問題。總體而言，目前該漂浮系統(tǒng)在當(dāng)前幾近荒廢甚至面臨嚴(yán)重污染的煤礦塌陷區(qū)深水域具有廣闊的應(yīng)用前景，并對未來塌陷區(qū)新產(chǎn)業(yè)的開發(fā)具有借鑒意義。