河道內(nèi)水生植物曝氣浮島生態(tài)修復(fù)技術(shù)

張建宇

(中鐵建生態(tài)環(huán)境有限公司,重慶 400711)

人類生產(chǎn)活動(dòng)所帶來(lái)的水體富營(yíng)養(yǎng)化是全球性的水環(huán)境問(wèn)題,水生植物浮島技術(shù)也就隨之誕生。按照生態(tài)浮島的設(shè)計(jì)要求,植入搭配的水生植物,需要保證植物在類似無(wú)土栽培的環(huán)境下生長(zhǎng),植物根系懸浮于水體中,能有效降解水中的COD、總磷、氨氮、有機(jī)物等,達(dá)到改善水質(zhì)的目的。生態(tài)浮島技術(shù)與傳統(tǒng)方法相比,植物更便于栽培,能夠很好處理水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題,并且具有造價(jià)低、無(wú)二次污染、無(wú)需占地等優(yōu)點(diǎn),在河流和湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的治理上得到廣泛應(yīng)用[1-2]。常用的浮島植物耐腐蝕性差且受季節(jié)影響大,而傳統(tǒng)的沉水植物浮島入水深度固定,導(dǎo)致生態(tài)浮島難以發(fā)揮生態(tài)浮島深層凈水能力,導(dǎo)致該技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)凈化污水[3]。此外,現(xiàn)有生態(tài)浮島技術(shù)還只停留在處理水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題上,對(duì)于浮島植物的合理化應(yīng)用及生態(tài)浮島后期因水位變化在維護(hù)上還缺少相應(yīng)的技術(shù)而沒(méi)有得到有效利用[4]。本文結(jié)合秦皇河流域河道水生植物現(xiàn)狀,提出了一種河道水生植物濕式及曝氣浮島生態(tài)修復(fù)技術(shù)。該河道施工前呈現(xiàn)河面布滿油污、雜草,水體透亮度欠佳,水體微臭狀態(tài);治理后,該水域水體感官明顯改善,水質(zhì)經(jīng)第三方檢測(cè),已達(dá)地表IV類水以上標(biāo)準(zhǔn)。

1 工程概況

秦皇河流域北部為低矮丘陵地形,寬谷淺壑分布較多,地形稍有起伏;南部以種植平原為主,平坦開(kāi)闊,高差較小。秦皇河現(xiàn)狀河道寬約50—200 m,治理范圍內(nèi)多無(wú)河漫灘,僅局部河段存在呈狹長(zhǎng)狀漫灘;河床多水生植物,偶見(jiàn)生活生產(chǎn)垃圾淤積,河底高程38.0—40.0 m;兩岸堤頂為交通路,左岸堤頂路硬化,寬約5.5 m,右岸堤頂路未硬化,寬約2.5 m,堤頂高程為41.5—43.0 m;堤防外多為農(nóng)田、果園,植被較完整。綠化工程:苗木種植 3 389株,地被及草皮70 629 m2。河道治理前水質(zhì)為Ⅴ類水體,但受季節(jié)、天氣影響較大,水質(zhì)情況不夠穩(wěn)定,水體透明度不高。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,該項(xiàng)目生態(tài)治理主要是運(yùn)用“微生物+曝氣復(fù)氧+水生動(dòng)植物+生態(tài)浮島”工藝,在水下,通過(guò)投入特制的微生物菌種,修復(fù)河道生態(tài),對(duì)水體底泥進(jìn)行活性淤泥處理,建立有益微生物處理系統(tǒng),提升河道內(nèi)水質(zhì)和透明度,降低水體富營(yíng)養(yǎng)化程度,改善水體,修復(fù)水生態(tài)環(huán)境。

2 植物及曝氣生態(tài)浮島技術(shù)原理

構(gòu)建一種生物多樣性的生態(tài)浮島,需要聯(lián)用水生植物、水生動(dòng)物、廢棄軟殼,通過(guò)收割浮島植物和捕獲魚(yú)蝦減少水中營(yíng)養(yǎng)鹽,發(fā)揮它們?cè)趦羲矫娴慕M合效果,促進(jìn)植物生長(zhǎng)[5]。在植物浮島上安裝有潛水離心曝氣機(jī),曝氣機(jī)上設(shè)有增氧管。區(qū)域外的水底打入有一圈倒釘型鋼管樁,其中釘型鋼管樁則為束縛沉水植物浮島設(shè)置的。倒釘型鋼管樁包括下部粗鋼管以及配合在下部粗鋼管上端口的上部細(xì)鋼管,下部粗鋼管的下端插入河底,上部細(xì)鋼管的頂部和水平面齊平。倒釘型鋼管樁上安裝有沉水植物浮島,增氧管伸入沉水植物浮島的下方,生態(tài)浮島與增氧曝氣裝置相結(jié)合,使其景觀效果很明顯,凈水能力也大大增強(qiáng)。沉水植物浮島包括浮箱和空心管?？招墓軆?nèi)置于浮箱中,浮箱的外邊緣處設(shè)置有固定環(huán),下部粗鋼管的上端口處套設(shè)有固定環(huán),浮箱和上部細(xì)鋼管上對(duì)應(yīng)所設(shè)的固定環(huán)之間通過(guò)限位繩連接。浮箱和空心管是采用PE材料制作的,浮箱具有注水抽水管道,其上表面具有種植孔,通過(guò)控制薄型浮箱內(nèi)的水量,實(shí)現(xiàn)沉水植物浮島的入水深度調(diào)節(jié)。

3 關(guān)鍵修復(fù)技術(shù)

3.1 生態(tài)浮島的設(shè)計(jì)與制作

浮島載體為錯(cuò)位齒合結(jié)構(gòu)的高密度聚苯乙烯泡沫板(如圖1所示),其特點(diǎn)是:浮力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、無(wú)污染、價(jià)位合理。高密度聚苯乙烯泡沫板根據(jù)凈化水域規(guī)劃圖紙要求,規(guī)格為:單個(gè)苯板1 m×1 m×0.14 m(厚),每平方米16個(gè)種植穴,穴孔直徑16 cm,檢驗(yàn)合格后安排進(jìn)場(chǎng)。進(jìn)場(chǎng)后采用吸水棉布二次處理浮島,完全包裹高密度聚苯乙烯泡沫板,底部預(yù)留植物根系孔,制作完成后在指定區(qū)域疊放整齊。栽植盆一般為注塑鏤空花盆和吸塑花盆,直徑與浮島孔徑匹配,即100—160 mm,高度為135 mm。鏤空花盆底部用海綿等栽植介質(zhì)包裹植物根莖部分,但要讓一部分植物根部露出;吸塑花盆底部有透水孔,可以放沙土。

圖1 高密度聚苯乙烯泡沫板

3.2 植物篩選及選育

3.2.1 優(yōu)良水生植物的選取

植物栽種主要包括河道濕地的蘆葦、香蒲、水鱉、水蔥、睡蓮、人工水草等的種植及生物島柵[6]。水生植物到場(chǎng)后,需提前分苗,根據(jù)水生植物的品種,確定每孔栽植的密度,在選好的苗木上用噴漆料做出明顯標(biāo)記,以免誤挖。例如,睡蓮的種植:栽插入土?xí)r,微露頂芽;考慮后期長(zhǎng)勢(shì)選擇栽植密度,后期需分株。地下莖和根,對(duì)含有強(qiáng)度酚、氰等有毒的污水,會(huì)失去抵抗力而消亡。另外植物根部的生物膜能產(chǎn)生多聚糖,可有效吸附水中的懸浮物以及生物新陳代謝的污染物質(zhì),進(jìn)而轉(zhuǎn)化成無(wú)機(jī)物質(zhì)。同時(shí),通過(guò)根系的吸附作用,能夠有效削減水中的氮、磷等有機(jī)物質(zhì),進(jìn)而轉(zhuǎn)化為水生植物所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),促使植被生長(zhǎng)。

3.2.2 植物種苗栽植至浮島營(yíng)養(yǎng)缽體

首先,將營(yíng)養(yǎng)土撒在組裝完成的浮島上,栽植孔需灌滿營(yíng)養(yǎng)土(營(yíng)養(yǎng)土回填同松土一樣遇水會(huì)沉降和凝結(jié)),水生植物栽植到孔內(nèi);然后,根據(jù)圖紙和標(biāo)號(hào),先撒灰,再分塊栽植水生植物。如,栽植地被分塊,需先栽植灰線邊的水生植物,然后用同類水生植物進(jìn)行填充。植物種苗移栽至浮島營(yíng)養(yǎng)缽體時(shí),將苗木的一定根系范圍,連土掘削成球狀。備用一部分種苗,以防運(yùn)輸或浮島安裝過(guò)程中出現(xiàn)的種苗破壞。將備用苗木按順序堆放在一起,按一定數(shù)量裝進(jìn)絲袋或紙箱里封袋。

3.2.3 浮島運(yùn)送至浮島區(qū)域

車箱內(nèi)應(yīng)鋪墊草袋、草墊子等物,以防碰傷種苗;浮島與車廂沿相接部位應(yīng)墊支架或草簾、秸稈保護(hù)。浮島上不準(zhǔn)上人和放置重物,裝完后用遮陽(yáng)網(wǎng)蓋嚴(yán)捆好,以防植物失水。確定浮島根基位置,在鋼板樁圍堰的底部河床上開(kāi)挖水生樹(shù)木的種植坑,然后吊種水生樹(shù)木,在種植坑中回填水生樹(shù)木的原生土,在原生土上設(shè)置級(jí)配碎石[7]。

3.2.4 植物及曝氣生態(tài)浮島的構(gòu)建方法

植物結(jié)合曝氣生態(tài)浮島技術(shù)是以可漂浮材料為基質(zhì)或載體,空氣中的氧通過(guò)曝氣傳遞到水中,可提高水面利用率(立體空間)和凈化效率。同時(shí),曝氣可將整個(gè)系統(tǒng)中溶解氧濃度提高,增強(qiáng)氨、氮及其他污染物的去除效果,利于好氧異養(yǎng)微生物生長(zhǎng)而形成生物膜,為水體中的好氧微生物特別是根際好氧微生物的生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖創(chuàng)造了條件[8]。組合生態(tài)浮島分兩層,I層為水生植物層,由多個(gè)333 mm×333 mm正方體浮島拼接板組成,水生植物例如水芹、空心菜等種植在拼接板的籃筐內(nèi)。Ⅱ?qū)訛樘幚韺?該層分為 A、 B、 C處理區(qū)。A處理區(qū)為廢棄軟殼,將含鈣量較高的牡蠣殼放置于網(wǎng)籠內(nèi),再用懸掛介質(zhì)懸掛在浮島底部拼接板組成;B處理區(qū)為水生動(dòng)物網(wǎng)籠,養(yǎng)殖田螺、河蜆等水生動(dòng)物,該水生動(dòng)物也將放置在網(wǎng)籠內(nèi)懸掛在浮島底部拼接板上;C處理區(qū)為人工纖維填料,利用一些人工纖維填料富集微生物懸掛在浮島底部拼接板上,用于水質(zhì)凈化。水生物生態(tài)浮島原理如圖2所示。人工纖維填料特性:比表面積500—1 700 m2/m3,孔隙率>99%,掛膜效果好,使用壽命長(zhǎng);每1 000 m3河道容積布置15 kg纖維填料。

圖2 植物+曝氣型生態(tài)浮島

在秦皇河道水面上鋪設(shè)了2 000多米的曝氣管,搭配10余臺(tái)噴泉增加水體的含氧量。浮島中增加潛水離心曝氣機(jī)后,能激發(fā)環(huán)境自凈能力,強(qiáng)力循環(huán)制造活水,使整個(gè)水體形成循環(huán)活水流,快速抑制消毒水華,消除水體中溶解氧、溫度和鹽度的分量,穩(wěn)定水質(zhì),使表層藻類迅速減少,減少水中固體懸浮物,提高水體能見(jiàn)度,并抑制有害水體雜草生長(zhǎng)。增氧設(shè)備與管道曝氣如圖3所示,浮島纖維填料如圖4所示。曝氣生態(tài)浮島利用水生植物根系與水體接觸從而對(duì)污染物進(jìn)行降解,實(shí)現(xiàn)對(duì)水體的凈化作用,改善水質(zhì)。曝氣生態(tài)浮島凈化效果如圖5所示(a—氨氮濃度變化、b—磷濃度變化、c—氮濃度變化)。

圖3 曝氣管道

圖4 浮島纖維填料

圖5 曝氣生態(tài)浮島水體凈化效果變化

由圖5可知,在實(shí)驗(yàn)期內(nèi)空白對(duì)照組(未處理之前)和曝氣生態(tài)浮島的氨氮、磷、氮的濃度均呈下降的趨勢(shì),其中曝氣生態(tài)浮島對(duì)氨氮、磷、氮的去除率較高。由此可得出,曝氣生態(tài)浮島填料中豐富的微生物及植物根系的泌氧和自身的吸附作用,為硝化細(xì)菌提供了一個(gè)良好的生長(zhǎng)繁殖條件,從而大幅度提高了氨氮、磷、氮的去除率,從而提高了水質(zhì)凈化效果。

3.2.5 環(huán)形布設(shè)水生植物選擇及栽植

在選擇水生植物前,應(yīng)調(diào)查相似河流水生植物狀況,或調(diào)查河流土壤種子庫(kù)情況,盡量選擇原生、土著水生植物品種,慎重選擇使用外來(lái)物種,以免因物種入侵造成生態(tài)破壞。在秦皇河道境內(nèi)支流建設(shè)生態(tài)浮島700多個(gè),并通過(guò)生態(tài)浮島種植空心菜、水芹菜等水生植物用于凈化水質(zhì)。在水生樹(shù)木的下部加裝支撐斜桿,呈三腳布置,并對(duì)水生樹(shù)木進(jìn)行養(yǎng)護(hù);相鄰兩水生樹(shù)木之間連接水平連接桿,將多棵水生樹(shù)木連為一體。水生植物栽植過(guò)程如圖6所示。種植水生植物后管護(hù)措施要及時(shí)得當(dāng),沉水植物河道覆蓋度不能超過(guò)70%,浮葉植物和漂浮植物覆蓋度不能超過(guò)水面的30%。沉水植物進(jìn)入生長(zhǎng)旺盛期后,每隔20 d收割1次沉水植物去除水體中氮磷效果最好。

圖6 水生植物栽植過(guò)程

3.2.6 安裝水生植物浮島

在水平連接桿圍成的區(qū)域內(nèi)安裝水生植物浮島,并在挺水植物浮島上種植水生植物;根據(jù)預(yù)設(shè)的沉水植物浮島位和個(gè)數(shù),打設(shè)倒釘型鋼管樁,固定倒釘型鋼管樁后安裝沉水植物浮島并種植沉水植物;在挺水植物浮島的中心位置安裝潛水離心曝氣機(jī),并將增氧管對(duì)應(yīng)放置在水生植物浮島和沉水植物浮島的下方;向鋼板樁圍堰內(nèi)緩慢灌水,并逐步拆除鋼板樁。

3.2.7 水生植物浮島的養(yǎng)護(hù)

水生植物浮島的養(yǎng)護(hù)分為生長(zhǎng)期、旺盛期、枯萎期三個(gè)階段。水生植物生長(zhǎng)期的養(yǎng)護(hù)包括:根據(jù)長(zhǎng)勢(shì)施肥、促進(jìn)植物生長(zhǎng)、預(yù)防病蟲(chóng)害。水生植物生長(zhǎng)旺盛期的養(yǎng)護(hù)主要為防止病蟲(chóng)害,注意植物的通風(fēng)透氣,合理追肥,增強(qiáng)植物生長(zhǎng)勢(shì),做到花繁葉茂,有良好的景觀效果。大部分的水生植物在冬季地上部分會(huì)枯萎,這就需要通過(guò)冬季收割的方式,將枯萎的枝葉清除,避免水體的二次污染;然后再栽植如銅錢草、黑麥草及紫云英等地被類水生植物維持冬季的景觀效果,同時(shí)對(duì)于水生植物做好防凍工作。水生植物生長(zhǎng)過(guò)程中增設(shè)納米增氧機(jī)和噴淋系統(tǒng),以增加水體流動(dòng)性和含氧量。生態(tài)浮島增設(shè)納米增氧機(jī)進(jìn)行水生植物養(yǎng)護(hù)如圖7所示。生態(tài)浮島增設(shè)噴淋系統(tǒng)進(jìn)行水生植物養(yǎng)護(hù),如圖8所示。

圖7 增設(shè)納米增氧機(jī)進(jìn)行水生植物養(yǎng)護(hù)

圖8 生態(tài)浮島增設(shè)噴淋系統(tǒng)

4 質(zhì)量控制措施

4.1 加強(qiáng)水生植物浮島維護(hù)

水生植物浮島由于其著生環(huán)境及植物的特殊性,必須要有專業(yè)的維護(hù)人員對(duì)其進(jìn)行維護(hù),包括生態(tài)浮島的檢查,如出現(xiàn)破損需要及時(shí)更換,避免整個(gè)浮島連帶損傷;根據(jù)植物的生長(zhǎng)特性,對(duì)植物的病蟲(chóng)害及肥水要管護(hù)到位,才能使景觀效果得以長(zhǎng)久保持。

4.2 加強(qiáng)植物營(yíng)養(yǎng)供給措施

為避免水面上的風(fēng)浪使植株較高大的植物(如再力花、香蒲等)由于頭重腳輕而導(dǎo)致連根拔起、倒伏等現(xiàn)象,可通過(guò)增大營(yíng)養(yǎng)杯(即按植物大小配備營(yíng)養(yǎng)杯,營(yíng)養(yǎng)杯大即基質(zhì)多)達(dá)到防止頭重腳輕的問(wèn)題。同時(shí),由于水生植物在上盆放置好后只能通過(guò)噴施葉面肥及撒施化肥等手段施肥,其主要營(yíng)養(yǎng)的供給來(lái)自上杯栽植的基質(zhì)及湖水中的養(yǎng)分,所以上杯用的基質(zhì)需要配置高肥效及能產(chǎn)生長(zhǎng)久效果的有機(jī)肥。另外冬季養(yǎng)護(hù)時(shí),可以通過(guò)更換營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的方法來(lái)復(fù)新植物生長(zhǎng)勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

在秦皇河流域河道的水體凈化生態(tài)修復(fù)施工中,在生態(tài)浮島系統(tǒng)中加設(shè)曝氣管后,浮島上設(shè)有換氣裝置,水生動(dòng)植物呈環(huán)狀布設(shè),以堅(jiān)實(shí)的水生樹(shù)木為主軸,設(shè)置的沉水植物浮島深度可調(diào)節(jié),增強(qiáng)了氨、氮及其他污染物的去除效果。水生植物浮島周圍有一圈倒釘型鋼管樁,利用釘型鋼管樁來(lái)束縛沉水植物浮島相對(duì)位置,實(shí)現(xiàn)沉水植物浮島的入水深度調(diào)節(jié),達(dá)到了預(yù)期的效果。采取曝氣增氧設(shè)備與管道曝氣構(gòu)建生態(tài)浮島,并在匯水池內(nèi)構(gòu)建一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)對(duì)河道進(jìn)行治理。通過(guò)構(gòu)建生態(tài)浮島、利用水生植物根系及微生物作用去除水體中的氮、磷、有機(jī)物等污染物質(zhì),減少了水中固體懸浮物,提高了水體能見(jiàn)度,可防止魚(yú)類季節(jié)性死亡,并抑制有害水體雜草生長(zhǎng),從而提高水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。