基于人工浮床技术的黑臭水体治理试验研究

陈 鸥，徐子令，段育慧

(淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223005)

步入21世纪后，水污染问题日益严重，湖泊河流都是城市环境重要的组成部分，一旦其受到污染，将会为人们的生活带来极大的危害。城市河道水环境容量小，自身的净化能力很差，非常容易受到污染。城市生活污水、雨水和垃圾大量排入河道中，过度消耗水体中的溶解氧，造成臭氧现象，河道中的水体呈现黑臭状态，难以保障城市生态系统的正常运行。黑臭水体已经对居民生活造成了严重影响，对城市环境造成重大破坏[1]。

为治理城市河流黑臭水体，治理学家研究了各种治理方法，包括生物法、化学法和物理法，虽然能够取得一定的治理效果，但是都达不到预期的效果。

人工浮床(又称人工浮岛、生态浮床、生态浮岛)是应用高分子材料研究的新型技术，通过无土栽培水生植物来重新维系物种间的共生关系，确保植物的空间生态位和营养生态位[2]。应用人工浮床技术建立的生态系统能够有效削减水体中的污染负荷，改善水中环境，修复水质，从而达到修复和重建水体生态系统的目的。

综上所述，文章基于人工浮床技术尝试了一种新的生态治理方法，通过分析水体黑臭的原因构建治理方案，设计治理流程，并进行了实验检验。

1 基于人工浮床技术的黑臭水体治理结构

造成水体黑臭的原因有很多，如城市垃圾排放、雨水排放等。过度的污染物进入水体，大量消耗水体中的氧气，使水体中的氧气失去平衡，而水在缺氧或者厌氧的情况下，污染物会发生一系列化学反应，生成氨氮、硫化氢以及其他挥发性物质，产生恶臭气味[3]。化合物中的铁、锌、锰等化学物质也会形成黑色物质污染水质，使河道水体呈现黑色。造成水体黑臭的最主要原因就是城市污水的排放，除此之外，还有工业废水、养殖场废水、污染场废水等[4]。

近年来，水体黑臭现象越来越普遍，城市居民健康水平日益下降。如果再不采取有效措施治理这一问题，人们的正常生活都将难以得到保障。

基于人工浮床建立的黑臭水体治理方法在外观上种类很多，如正方形、三角形、长方形、圆形等等，这些浮床建立在水体中间，不会占用外部面积，只占用水体面积即可[5]。

黑臭水体的富营养化问题十分严重，N，P成分过高，使水生植物和陆生植物都很难在河道里健康生长。浮床技术中的可漂浮材料可以将富营养化水域的N，P元素吸收到植物根系中，从而降低其造成的污染，改善水质，构建更好的水环境。

由于不同的水域受到的污染程度不同，产生的水流、风速、水温和波动也不同[6]。传统的治理技术很难找出一个统一的治理标准，必须要根据不同的类型选择不同的治理方案，所以治理过程花费成本高，治理周期长，取得的治理效果也并不明显。同时，所选取的治理手段在遇到大风大浪的情况下，效果就会大打折扣。

基于人工浮床技术的黑臭水体治理方法选用无土草坪进行治理。这类植物的适用性很强，能够净化水体，同时抵抗大风、大雨以及大浪，确保在任何条件下都能使用。治理后的生态景观浮岛在水面上的景观十分整齐，无论是在南方还是在北方都能很好地生存下去。在南方人工打造的浮岛四季常绿，在北方冬季浮岛会被冰冻，第二年春天再次返青[7]。同时，无土草坪具有很好的浮力，人工可以使用剪草机大面积地去除多余的草本植物，方便管理。基于人工浮床技术的黑臭水体治理结构如图1所示。

图1 基于人工浮床技术的黑臭水体治理结构

观察图1，人工浮床技术建立的生态浮岛巧妙地将绿化技术和漂浮技术结合到一起，组成部分包括浮岛框架、浮床架构、固定装置和水表植被。通常会采用自然材料做固定框架，如竹子、木条、藤蔓等，浮体采用的材料必须要满足质量轻薄、耐用性好的条件，选择的陆生植物和湿生植物要根据黑臭水体受污染状况而定。目前比较常用的浮岛植物有荷花、芦苇、水葱等[8]。

选用的浮岛边长大约在1～5m之间，受污染程度大的水体需要的浮岛面积更大。除此之外，还要考虑是否易于搬运、易于施工，最为常见的浮床结构为边长2～3m的四边形，三角形和六边形也较为常见。浮岛与浮岛之间采用绳索连接，有效降低波浪造成的撞击，减少景观构建造价，净化水质[9]。

人工浮床技术中的水下固定是最重要的环节之一，如果固定不好，浮岛和浮岛之间就会互相碰撞，一旦风浪很大，浮床也会被冲走。浮床的本体和水体通常会有一个或多个小型的浮子并列在水中，提高浮床的稳定性。

2 基于人工浮床技术的黑臭水体治理流程设计

就目前城市黑臭水体现状来看，南方多于北方，一个城市的发展速度越快，经济越发达，黑臭水体现象越严重。治理学家很早就提出了要采取有效措施治理水体黑臭这一问题，然而尝试了多种治理方法都没有取得预期的效果，甚至还会出现“越治理越严重”的现象。归根结底，就是治理时缺少系统的规划和长期的治理计划，所以通常都是解决眼前问题，治标不治本[10]。

根据设计的治理框架进行治理工作，工作流程如图2所示。

图2 基于人工浮床技术的黑臭水体治理流程

分析图2，人工浮床可以利用植物根系形成一个浓密的吸附网，将水体中多余的悬浮物吸附到网中，形成多种生物膜，不断地吸附和吞噬水中的污染物，将其净化成有机物，转化到植物中，形成促进植物生长的有机物，再利用光合作用成为植物细胞成分，最后利用人工手段收割浮岛植物和浮岛上的鱼虾，增加水体中的营养盐。

基于人工浮床的黑臭水体治理方法能够将截污、调水、清淤连接到一起[11]。建立浮岛的过程会加深河床，清除河床淤泥，减少河流臭味。河道曝气的生态系统主体为水生生物，在人工模拟生态处理系统中降低水体的污染负荷，提高水质。

浮岛能够遮挡住水面的阳光，减少水中各类水藻的光合作用，延缓植物的生长速度，抑制“水华”现象的发生，改善水体透明度。人工浮床不仅能够治理黑臭水体，同时也能为鸟类和鱼类提供更加丰富的生存环境。人工浮床技术属于生物修复技术，根据微生物和植物对污染物进行消除，修复环境[12]。此技术具有环境友好、生态节能的优点，因此发展前景十分良好。

3 实验研究

为了检测文章设计的黑臭水体治理方法实际工作效果，设计了对比实验。

3.1 实验参数

实验参数见表1。

表1 实验参数

3.2 实验过程

根据上述设定的参数进行实验，选取传统的化学治理方法、物理治理方法和文章研究的基于人工浮床技术的黑臭水体治理方法分别对同一段黑臭水体进行治理，记录三种方法的治理范围和治理时间，分析实验结果。

3.3 实验结果与分析

(1)治理范围实验结果如图3所示。

图3 治理范围实验结果

由图3可知，随着治理次数的增加，各种方法的治理范围也在不断加大，但是每种方法加大的范围不同，物理治理方法治理范围最小，化学治理方法治理范围其次，基于人工浮床技术研究的治理方法治理范围最广。当治理次数为1次时，物理方法能够治理的范围为2m2，化学方法为3m2，浮床方法为6m2；当治理次数为2次时，物理方法能够治理的范围为3m2，化学方法为4.5m2，浮床方法为13m2；当治理次数为3次时，物理方法能够治理的范围为5m2，化学方法为6.7m2，浮床方法为19m2；当治理次数为4次时，物理方法能够治理的范围为5m2，化学方法为9m2，浮床方法为25m2；当治理次数为5次时，物理方法能够治理的范围为6m2，化学方法为11m2，浮床方法为32m2；当治理次数为6次时，物理方法能够治理的范围为6.3m2，化学方法为12m2，浮床方法为43m2；当治理次数为7次时，物理方法能够治理的范围为8m2，化学方法为14m2，浮床方法为48m2。

(2)治理花费时间实验结果

由图4可知，随着治理次数的增加，水体治理时间逐渐减少。当治理次数为1次时，物理方法需要花费的治理时间为92天，化学方法为100天，浮床方法为82天；当治理次数为2次时，物理方法能够需要花费的治理时间为70天，化学方法为84天，浮床方法为72天；当治理次数为3次时，物理方法能够需要花费的治理时间为83天，化学方法为59天，浮床方法为61天；当治理次数为4次时，物理方法能够需要花费的治理时间为78天，化学方法为50天，浮床方法为50天；当治理次数为5次时，物理方法能够需要花费的治理时间为80天，化学方法为45天，浮床方法为38天；当治理次数为6次时，物理方法能够需要花费的治理时间为52天，化学方法为43天，浮床方法为28天；当治理次数为7次时，物理方法能够需要花费的治理时间为45天，化学方法为30天，浮床方法为8天。

3.4 实验结论

传统的治理技术需要花费的时间长，需要多个周期才能完成治理，一个治理周期需要消耗大量人力、物力和财力，但是治理效果并不明显。基于人工浮床技术研究的黑臭水体治理方法可以备选的治理材料十分丰富，且这些材料的成本很低，具有很强的抗氧能力，使用过程不会产生污染，不易受到腐蚀，容易被使用，浮床结构类型多种多样，结构新颖，制作和搬运起来很容易，也不会形成多余的淤泥，不会受到水位限制，生态浮床易于管理，清理起来十分方便，减少人工资源，降低维护成本。同时，该方法能够将我国水域面积广阔这一优点充分利用起来，在修复水体的同时，美化景观。

综上所述，基于人工浮床技术的黑臭水体治理方法投资成本低，工作效益高，操作过程简单，必然会取代传统的物理治理手段和化学治理手段，成为未来最主要的污水治理方法。

4 结论

城市水体黑臭已经成为老百姓强烈反映的问题，严重破坏人们的生活环境，影响居住环境，降低居民生活质量，如果不采取有效的治理措施，人们的基本健康都难以保证。治理黑臭水体也成为目前国家重点关注的问题，国务院在最新颁布的《水污染防治行动计划》中明确指出：各部门必须要大力开展治水工程，重视水环境保护，从根源上解决黑臭水体治理问题。

传统的化学治理手段和物理治理手段需要花费很高的成本，但是效果并不明显，只能暂时解决问题。生物技术在众多治理技术中因其超低的成本，超高的效率脱颖而出。文章利用人工浮床技术研究了一种新的黑臭水体治理方法，给出了浮床框架和治理过程。该技术不仅能够快速高效地治理被污染水体，同时能够美化生活环境。本研究对于水体治理有重要的指导意义。

污染物的种类、浓度和存在形式都会影响人工浮床治理技术，污染物不同，治理投资也不同。绝大多数有机污染物可以被降解，但是也存在一些污染物难以使用浮床技术治理，需要进一步研究和探讨新的解决方法。