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人工生態浮島技術在河湖生態治理中的應用
作者：人工浮島 發布時間：2018-11-07 16:53 點擊次數：
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北極星節能環保網訊:近年來，由于富營養化問題帶來的河湖污染成為當前的重大環境問題之一，主要表現在河流及湖泊中的營養物質氮、磷等濃度超過其自凈能力，進而引起藻類過量生長、繁殖，甚至發生水華。富營養化會造成水體透明度和溶解氧變化，造成河湖泊水質惡化，進而導致河湖生態系統和水功能受到阻礙和破壞。傳統的物理、化學、生化方法處理河湖污染水體時存在投資巨大，操作困難，處理效率低，易產生二次污染等問題，而利用植物治理水體外源污染一直是國內外的研究的熱點，生態浮島技術即為此類研究的熱點之一。在治理河湖污染中利用生態浮島技術達到生態修復的效果。
第一、生態浮島技術及其原理。
生態浮島技術是按照自然界的自身規律，將挺水植物利用載體栽培在自然水域的水面，不需要泥土的營養，利用植物根系在水中吸收、吸附富營養鹽物質以及通過微生物對富營養鹽物質的降解等作用，去除水體中的TN、TP等污染物質，達到水質凈化、營造景觀效果甚至收獲產量的目的。
第二、生態浮島種類及結構組成。
按浮島植物與水體直接接觸與否，浮島總體上可分為干式和濕式兩種，植物和水接觸的為濕式，不接觸的為干式。
干式浮島由于植物直接與土壤接觸，凈水功能較差，濕式浮島中的無框架式浮島使用壽命較短，因此，有框架濕式浮島是目前生態浮島技術中使用最多的浮島。
生態浮島的結構主要由浮島植物、浮島載體和水下固定設施組成。浮島載體主要包括塑料、泡沫、竹子和纖維等。目前生態浮島選用的植物主要有香蒲、千屈菜、蘆葦、美人蕉、水芹菜、香根草、牛筋草、荷花、多花黑麥草、燈心草、水竹草、空心菜、旱傘草、水龍、菖蒲、海芋、鳳眼蓮、茭白等。水下固定既要保證浮島不被風浪帶走，還要保證在水位劇烈變動的情況下，能夠緩沖浮島和浮島之間的相互碰撞，常用的固定設施有重量式、船錨式、樁基式等。另外一般還會在浮島本體和水下固定端之間設置一個小型的浮子。
第三、生態浮島的固定方式。
植物的選擇、植物選擇是生態浮島非常重要的部分，設計時應從多方面進行權衡。
1.地域性的影響
由于植物具有較強的地域性，因此在植物的選擇上尤其應注重選用鄉土水生植物，或是水陸兩棲植物。在北方地區，可以選擇蘆葦、千屈菜等；在南方地區，可以種植菖蒲、水芹菜、旱傘草等。同時，盡量使用多年生草本植物，以降低后期維護成本。對外來植物品種應進行適當的控制，水葫蘆植物在凈化水質及其植物景觀方面效果都較為明顯。但是，由于其極易蔓延，且不易控制，因此應對此種植物進行合理控制，并及時處理。
2.植物修復效果的影響
生態浮島常用植物：
氮磷去除能力較強的13種挺水植物：美人蕉、澤苔、香蒲、旱傘草、姜花、紅蓮子草、細葉莎草、歐慈姑、野芋、紫芋、千屈菜、澤瀉、菖蒲。銨氮去除能力較強的是槐葉萍，浮萍。
高濃度N03-污染的水體中，歐慈姑、香蒲、紅蓮子草、旱傘草適宜作為生態浮島的植物；低濃度N03-養分條件的水體中，千屈菜、澤瀉適宜作為生態浮島的植物；野芋、細葉莎草、葛蒲、紫芋則能應用于較廣范圍的N03-濃度條件水體中的生態浮島中。
高濃度H2P04-的水體中，紅蓮子草、歐慈菇、細葉莎草、紫芋適宜作為生態浮島的植物；低濃度H2P04-的水體中，適宜用澤苔、野芋、美人蕉、葛蒲作為生態浮島的植物；千屈菜、香蒲可以應用于較廣范圍的H2P04-濃度條件的水體中。
高水平NH4+養分條件的水體中，紅蓮子草、紫芋、旱傘草、細葉莎草適宜作為生態浮島的植物；低水平NH4+養分條件的水體中，曹蒲、野芋適宜作為生態浮島的植物；千屈菜、香蒲、澤苔、澤瀉、姜花能適應廣范圍的NH4+養分條件的水體。
生態浮島類型：
1.單種植物型浮島
2.混合植物型浮島
混合植物型浮島
綜合考慮植物之間的“協同作用”可以增強浮島的凈化能。例如，美人蕉、燈心草、菖蒲的根系長度不一，得以吸收不同水層的氮和磷，光合作用吸收的氧氣通過根系到達不同水層，促進好氧微生物生長。
3.強化生物膜作用的浮島
有些研究發現，單純的植物浮島由于微生物量較少，與人工濕地相比處理效率較低，為改善這一問題，一些研究者們開始在浮島基礎上安裝人工填料，以增強原本只有根系發生的生物膜的作用。楊林燕等用三種耐寒植物(千屈菜、小香蒲、黃菖蒲)作為浮島主體，以高強度生物碳纖維作為填料，對COD、氨氮、總磷有較好的處理效果。
4.強化生態系統交互作用的浮島
研究發現貝類水生動物的生長有助于提高生態系統對營養物的吸收能力，且不會造成水質惡化，所以為了進一步提高浮島的處理能力，可以考慮在水生植物及人工填料基礎上加入水生動物區。但是單獨的貝類動物并不具有脫氮能力，而必須與水生植物等相配合。水生植物區下設置水生動物區，籠養濾食貝類水生動物，通過貝類的消化作用大幅度提高有機污染物的生物可降解性，結合人工介質的微生物富集作用，可以提高組合生態浮島的微生物凈化效能。
另外在生物膜的基礎上投入菌劑會加快污染物的去除，生態浮島系統中生物膜上硝化菌數量不占優，反硝化細菌的生長速度緩慢等因素都限制了脫氮效果，可以通過投加反硝化菌劑提高去除效率。
5.曝氣生態浮島
人工濕地系統內氨氮的去除率較低的主要限制因素是溶解氧（DO），在人工濕地、浮島系統中加設曝氣管后，溶解氧的增加促進了硝化作用，增強了氨氮的去除效果。較高的溶解氧為水體中的好氧微生物特別是根際好氧微生物的生長、發育和繁殖創造了條件。
展望：
生態浮島技術在湖泊、水庫的水體凈化方面已經有較為廣泛的應用，實踐證明，這種新興的污水處理技術在改善水質的同時具有美化景觀、消浪護岸、提供生物的生息空間以及收獲農產品等價值，具有良好的應用前景。當前關于浮島技術的研究多集中在宏觀方面，然而微生物在水體凈化中也起著十分重要的作用。在浮島系統中創建適于硝化菌和反硝化菌生長的微環境，并通過細菌的固定化和提供反硝化碳源的方式可以大大強化其脫氮除磷效果。另外，不少研究開始著眼于水生植物-動物-微生物之間的交互作用，但是設計還較為簡單，相關的機理研究并不完善，如何更好地利用各種生物之間的相互作用，協調生產者-消費者-分解者在生態循環過程中達到凈化目的是需要進一步探討的問題。
第一、生態浮島技術及其原理。
生態浮島技術是按照自然界的自身規律，將挺水植物利用載體栽培在自然水域的水面，不需要泥土的營養，利用植物根系在水中吸收、吸附富營養鹽物質以及通過微生物對富營養鹽物質的降解等作用，去除水體中的TN、TP等污染物質，達到水質凈化、營造景觀效果甚至收獲產量的目的。
第二、生態浮島種類及結構組成。
按浮島植物與水體直接接觸與否，浮島總體上可分為干式和濕式兩種，植物和水接觸的為濕式，不接觸的為干式。
生態浮島的結構主要由浮島植物、浮島載體和水下固定設施組成。浮島載體主要包括塑料、泡沫、竹子和纖維等。目前生態浮島選用的植物主要有香蒲、千屈菜、蘆葦、美人蕉、水芹菜、香根草、牛筋草、荷花、多花黑麥草、燈心草、水竹草、空心菜、旱傘草、水龍、菖蒲、海芋、鳳眼蓮、茭白等。水下固定既要保證浮島不被風浪帶走，還要保證在水位劇烈變動的情況下，能夠緩沖浮島和浮島之間的相互碰撞，常用的固定設施有重量式、船錨式、樁基式等。另外一般還會在浮島本體和水下固定端之間設置一個小型的浮子。
植物的選擇、植物選擇是生態浮島非常重要的部分，設計時應從多方面進行權衡。
1.地域性的影響
由于植物具有較強的地域性，因此在植物的選擇上尤其應注重選用鄉土水生植物，或是水陸兩棲植物。在北方地區，可以選擇蘆葦、千屈菜等；在南方地區，可以種植菖蒲、水芹菜、旱傘草等。同時，盡量使用多年生草本植物，以降低后期維護成本。對外來植物品種應進行適當的控制，水葫蘆植物在凈化水質及其植物景觀方面效果都較為明顯。但是，由于其極易蔓延，且不易控制，因此應對此種植物進行合理控制，并及時處理。
2.植物修復效果的影響
氮磷去除能力較強的13種挺水植物：美人蕉、澤苔、香蒲、旱傘草、姜花、紅蓮子草、細葉莎草、歐慈姑、野芋、紫芋、千屈菜、澤瀉、菖蒲。銨氮去除能力較強的是槐葉萍，浮萍。
高濃度N03-污染的水體中，歐慈姑、香蒲、紅蓮子草、旱傘草適宜作為生態浮島的植物；低濃度N03-養分條件的水體中，千屈菜、澤瀉適宜作為生態浮島的植物；野芋、細葉莎草、葛蒲、紫芋則能應用于較廣范圍的N03-濃度條件水體中的生態浮島中。
高濃度H2P04-的水體中，紅蓮子草、歐慈菇、細葉莎草、紫芋適宜作為生態浮島的植物；低濃度H2P04-的水體中，適宜用澤苔、野芋、美人蕉、葛蒲作為生態浮島的植物；千屈菜、香蒲可以應用于較廣范圍的H2P04-濃度條件的水體中。
高水平NH4+養分條件的水體中，紅蓮子草、紫芋、旱傘草、細葉莎草適宜作為生態浮島的植物；低水平NH4+養分條件的水體中，曹蒲、野芋適宜作為生態浮島的植物；千屈菜、香蒲、澤苔、澤瀉、姜花能適應廣范圍的NH4+養分條件的水體。
生態浮島類型：
1.單種植物型浮島
單種植物浮島
2.混合植物型浮島
混合植物型浮島
綜合考慮植物之間的“協同作用”可以增強浮島的凈化能。例如，美人蕉、燈心草、菖蒲的根系長度不一，得以吸收不同水層的氮和磷，光合作用吸收的氧氣通過根系到達不同水層，促進好氧微生物生長。
3.強化生物膜作用的浮島
生物填料型浮島
有些研究發現，單純的植物浮島由于微生物量較少，與人工濕地相比處理效率較低，為改善這一問題，一些研究者們開始在浮島基礎上安裝人工填料，以增強原本只有根系發生的生物膜的作用。楊林燕等用三種耐寒植物(千屈菜、小香蒲、黃菖蒲)作為浮島主體，以高強度生物碳纖維作為填料，對COD、氨氮、總磷有較好的處理效果。
4.強化生態系統交互作用的浮島
研究發現貝類水生動物的生長有助于提高生態系統對營養物的吸收能力，且不會造成水質惡化，所以為了進一步提高浮島的處理能力，可以考慮在水生植物及人工填料基礎上加入水生動物區。但是單獨的貝類動物并不具有脫氮能力，而必須與水生植物等相配合。水生植物區下設置水生動物區，籠養濾食貝類水生動物，通過貝類的消化作用大幅度提高有機污染物的生物可降解性，結合人工介質的微生物富集作用，可以提高組合生態浮島的微生物凈化效能。
另外在生物膜的基礎上投入菌劑會加快污染物的去除，生態浮島系統中生物膜上硝化菌數量不占優，反硝化細菌的生長速度緩慢等因素都限制了脫氮效果，可以通過投加反硝化菌劑提高去除效率。
5.曝氣生態浮島
人工濕地系統內氨氮的去除率較低的主要限制因素是溶解氧（DO），在人工濕地、浮島系統中加設曝氣管后，溶解氧的增加促進了硝化作用，增強了氨氮的去除效果。較高的溶解氧為水體中的好氧微生物特別是根際好氧微生物的生長、發育和繁殖創造了條件。
展望：
生態浮島技術在湖泊、水庫的水體凈化方面已經有較為廣泛的應用，實踐證明，這種新興的污水處理技術在改善水質的同時具有美化景觀、消浪護岸、提供生物的生息空間以及收獲農產品等價值，具有良好的應用前景。當前關于浮島技術的研究多集中在宏觀方面，然而微生物在水體凈化中也起著十分重要的作用。在浮島系統中創建適于硝化菌和反硝化菌生長的微環境，并通過細菌的固定化和提供反硝化碳源的方式可以大大強化其脫氮除磷效果。另外，不少研究開始著眼于水生植物-動物-微生物之間的交互作用，但是設計還較為簡單，相關的機理研究并不完善，如何更好地利用各種生物之間的相互作用，協調生產者-消費者-分解者在生態循環過程中達到凈化目的是需要進一步探討的問題。
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