主动式人工浮岛技术治理污染水体

列锦珊

【摘要】基于水体原位修复的概念，针对人工浮岛存在的问题，提出一个解决方案--主动式人工浮岛技术，将人工浮岛与水体充氧和水体循环技术相结合，利用太阳能供能，大大提高人工浮岛的水质净化效率。

【关键词】人工浮岛，主动式人工浮岛，治理，污染水体，水体修复

1 人工浮岛概述

人工浮岛又称人工浮床、生态浮床、生态浮岛，是一种由人工设计建造的漂浮在水面上供植物、动物和微生物生长、栖息、繁衍的生物生态设施[l]。通过植物根系的过滤、吸收、吸附作用和根系生态系统的物质转化途径，削减水体中的氮、磷、有机物等营养物质，并以收获植物体的形式将其搬离水体，从而达到净化水质的效果，同时又为生物（鸟类、鱼类）创造了生息空间从而增加物种多样性，又可以营造水上景观。

人工浮岛是一种具有净化污染、修复生境、恢复生态、改善景观等多种功能的原位生态修复技术，而且还具有施工简单、工期短、造价低、不耗能、运行管理容易等优势，在污染水体的综合治理中具有良好的推广应用前景。

2 人工浮岛技术原理

人工浮岛对水体的生态修复技术原理有以下几点：

（1） 对有机污染物的去除。主要有以下3个途径：Ⅰ.较大的不溶性有机颗粒团经植物根系截留，可部分被微生物降解；Ⅱ.污水中的可溶性有机物可被植物根系表面的生物膜吸附、吸收和代谢作用降解；Ⅲ.通过对植物收割将新的有机体从水体中去除。系统中有机物的去除主要是微生物的好氧降解作用，即浮岛系统的水生植物通过茎和根向其根区输送氧气，从而使根区附近变为好氧环境，有利于微生物对水体中有机物的好氧分解，以达到降低水体化学需氧量（COD），生化需氧量（BOD）的目的。

（2） 对氮、磷的去除。氮的去除主要是经过系统中微生物的硝化与反硝化作用后成为气态化合物进入大气；也有一部分无机氮作为植物生长过程中不可缺少的物质被植物吸收摄取，并同化为自身的结构组成物质（蛋白质和核酸等）。磷也是植物必需的营养元素，磷的去除主要是植物的吸收和微生物的同化以及聚磷菌的过量摄磷作用。

（3） 对重金属的去除。环境中的重金属和一些有机物并非是植物生长所需要的，达到一定程度后具有毒害作用，对于此类化合物，一些植物也演化出了特定的生理机制使其脱毒，并能对重金属进行吸收、富集，从而具有一定的去除水体重金属污染功能。通常是通过鳌合和区室化等作用[2]来耐受并吸收富集环境中的重金属，这种机制也存在于许多水生植物中，使许多水生植物可大量富集水中的重金属[3]。

（4） 抑制藻类的生长。高等水生植物和藻类在营养物质和光能的利用上是竞争者，前者个体大，生命周期长，吸收贮存营养物质的能力强，因此与藻类竞争吸收水体中的氮磷物质时处于优势地位，从而使藻类缺少营养而死亡。有些植物通过根部向水体中释放化感物质，通过化感作用或克藻效应抑制有害水藻的生长，從而净化水环境，可有效防止水华或者赤潮的发生。

3 主动式人工浮岛技术

微生物对有机物的降解主要是好氧降解，可见系统中溶解氧含量与有机物的去除密切相关。另外，系统中氧含量也是影响氮和磷净化效果的关键因素。由于系统中植物根系周围形成了许多好氧、缺氧、厌氧小区，使得硝化和反硝化作用同时进行。硝化作用是在好氧条件下进行的，反硝化作用则在厌氧条件下进行，而且硝化作用是反硝化作用进行的前提和基础，增加溶解氧有利于系统对氮的去除。增加植物根系附近介质中的溶解氧，可以有效地增强根系微生物的代谢作用，使嗜磷菌的呼吸代谢活动加强，对磷的降解吸收起到一定的促进作用。所以提高系统中溶解氧含量，能提高系统的净化效能。

水生植物的根系虽然很多，但在修复较深水体时却有些不足。水生植物根系仅能达到较浅区域，并对较浅区域进行较好的修复作用，而对深层水体中污染物的净化效果较慢，所以生态浮床在修复较深水体时可能会出现污染物分区现象。运用水体循环技术，使浅层水体和深层水体形成环流，有利于提高水体深层污染物的净化效果。

针对人工浮岛以上的问题，提出了一个解决方案--主动式人工浮岛技术，将人工浮岛与水体充氧和水体循环技术相结合，人工营造一个水生植物、水生动物、微生物良好的生长环境，大大提高人工浮岛的水质净化能力，将水质净化与水面的人工浮岛有机结合。

3.1主动式人工浮岛技术特点

采用人工曝气的方式向水体充氧，加速水体复氧过程，以提高水体中溶解氧含量，增强水体中好氧微生物的活力，使水体中的污染物质得到净化，以改善水质。另一方面直接利用曝气制造循环流，搅动水流，加快水体传质，提高水体液面更新速率，提供充氧效率，从而改善微生物生长环境，实现高效的原位生物降解；曝气形成环流，有利于净化后水体与污染水体的交换，有利于浅层水体与深层水体的交换，扩大系统有效的净化面积。

传统的机械曝气方法如固定的充氧站、水下设置曝气充氧机[4]等，能有效控制和延缓水体富营养化。但曝气设施存在能耗高、充氧效率低、运行费用高等问题。同时，近年太阳能等绿色能源的应用快速发展，大部分自然水体表面水域开阔，阳光照射条件良好，非常适合于利用太阳能光伏发电进行能源供给。通过悬浮载体将太阳能发电系统利用于人工浮岛中，直接将太阳能转化为电能为曝气系统供电，无需外界能源输入，无二次污染，节能降耗，提高能源利用效率，在能源自给的同时实现水体修复的目标。

3.2主动式人工浮岛的组成

主动式人工浮岛由人工浮岛降解系统，曝气充氧循环系统和太阳能发电系统三大部分组成。

3.2.1 人工浮岛降解系统

人工浮岛降解系统由浮岛单元拼接组合而成，浮岛单元内部种植水生植物，浮岛单元水下部分增加填料，整体环绕于曝气充氧循环系统外围，通过植物和微生物的共同作用，实现水体修复目的。

3.2.2 曝气充氧循环系统

曝气充氧循环系统由空气泵、曝气盘、导流装置等部分造成。浮岛系统为曝气充氧循环系统提供浮力。空气泵压缩的空气通过导气管进入曝气盘，然后以微小气泡的形式释放到深层水体中，与其混合，增加水体溶氧量，水气混合后的液体因密度减少而在导流筒内垂直上升到达浅层水体，同时深层水体因导流筒内的压力减少而被不断吸入到导流筒内，形成一个以压力差为动力的循环流，提高供氧效率和水体净化效果。

3.2.3 太阳能发电系统

太阳能发电系统由太阳能电池板、控制器、蓄电池、支架等部分组成，为曝气充氧循环系统提供电力支持。浮岛系统承载太阳能发电系统，电池板安装在浮岛面上。阳光充足的白天，太阳能电池板通过控制器向蓄电池供电并带动空气泵工作，夜间或阴雨天则蓄电池放电带动空气泵工作。另外还可以利用时间控制器控制曝气充氧循环系统的运行状态。有效维持水体溶解氧水平，促进微生物代谢，强化水体净化能力效果。

4 结语

主动式人工浮岛基于水体原位修复的概念，通过集约化组合的方式构建立体式的生物体系，使污染水体在植物、动物、微生物的协同作用下，实现水体快速修复，利用太阳能供能强化曝气和水体循环，大大提高人工浮岛的水质净化效率。该设备能直接安置于需要治理的水体上、结构简洁、安装简便、自动运行、造价低、无需外界能源供给，运行成本低、无二次污染，与水体景观和谐共处，技术经济优势明显。

参考文献：

[1] 谷勇峰，李梅，陈淑芬，刘连江，王翠彦.城市河道生态修复技术研究进展[J].环境科学与管理，2013，38（4）：25-29.

[2] 王剑虹，麻密.植物修复的生物学机制[J].植物学通报，2000，17（6）：504-512.

[3] 种云霄，胡洪营，钱易.大型水生植物在水污染治理中的应用研究进展[J].环境污染治理技术与设备，2003，4（2）：36-39.

[4] 蒋树义，韩世成.水产养殖用增氧机的增氧机理和应用方法[J].水产学杂志，2003，16（2）：94-96.