基于人工浮床技術(shù)的黑臭水體治理試驗(yàn)研究

陳 鷗，徐子令，段育慧

(淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223005)

步入21世紀(jì)后，水污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，湖泊河流都是城市環(huán)境重要的組成部分，一旦其受到污染，將會(huì)為人們的生活帶來(lái)極大的危害。城市河道水環(huán)境容量小，自身的凈化能力很差，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，過(guò)度消耗水體中的溶解氧，造成臭氧現(xiàn)象，河道中的水體呈現(xiàn)黑臭狀態(tài)，難以保障城市生態(tài)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。黑臭水體已經(jīng)對(duì)居民生活造成了嚴(yán)重影響，對(duì)城市環(huán)境造成重大破壞[1]。

為治理城市河流黑臭水體，治理學(xué)家研究了各種治理方法，包括生物法、化學(xué)法和物理法，雖然能夠取得一定的治理效果，但是都達(dá)不到預(yù)期的效果。

人工浮床(又稱人工浮島、生態(tài)浮床、生態(tài)浮島)是應(yīng)用高分子材料研究的新型技術(shù)，通過(guò)無(wú)土栽培水生植物來(lái)重新維系物種間的共生關(guān)系，確保植物的空間生態(tài)位和營(yíng)養(yǎng)生態(tài)位[2]。應(yīng)用人工浮床技術(shù)建立的生態(tài)系統(tǒng)能夠有效削減水體中的污染負(fù)荷，改善水中環(huán)境，修復(fù)水質(zhì)，從而達(dá)到修復(fù)和重建水體生態(tài)系統(tǒng)的目的。

綜上所述，文章基于人工浮床技術(shù)嘗試了一種新的生態(tài)治理方法，通過(guò)分析水體黑臭的原因構(gòu)建治理方案，設(shè)計(jì)治理流程，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。

1 基于人工浮床技術(shù)的黑臭水體治理結(jié)構(gòu)

造成水體黑臭的原因有很多，如城市垃圾排放、雨水排放等。過(guò)度的污染物進(jìn)入水體，大量消耗水體中的氧氣，使水體中的氧氣失去平衡，而水在缺氧或者厭氧的情況下，污染物會(huì)發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，生成氨氮、硫化氫以及其他揮發(fā)性物質(zhì)，產(chǎn)生惡臭氣味[3]。化合物中的鐵、鋅、錳等化學(xué)物質(zhì)也會(huì)形成黑色物質(zhì)污染水質(zhì)，使河道水體呈現(xiàn)黑色。造成水體黑臭的最主要原因就是城市污水的排放，除此之外，還有工業(yè)廢水、養(yǎng)殖場(chǎng)廢水、污染場(chǎng)廢水等[4]。

近年來(lái)，水體黑臭現(xiàn)象越來(lái)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這一問(wèn)題，人們的正常生活都將難以得到保障。

基于人工浮床建立的黑臭水體治理方法在外觀上種類很多，如正方形、三角形、長(zhǎng)方形、圓形等等，這些浮床建立在水體中間，不會(huì)占用外部面積，只占用水體面積即可[5]。

黑臭水體的富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題十分嚴(yán)重，N，P成分過(guò)高，使水生植物和陸生植物都很難在河道里健康生長(zhǎng)。浮床技術(shù)中的可漂浮材料可以將富營(yíng)養(yǎng)化水域的N，P元素吸收到植物根系中，從而降低其造成的污染，改善水質(zhì)，構(gòu)建更好的水環(huán)境。

由于不同的水域受到的污染程度不同，產(chǎn)生的水流、風(fēng)速、水溫和波動(dòng)也不同[6]。傳統(tǒng)的治理技術(shù)很難找出一個(gè)統(tǒng)一的治理標(biāo)準(zhǔn)，必須要根據(jù)不同的類型選擇不同的治理方案，所以治理過(guò)程花費(fèi)成本高，治理周期長(zhǎng)，取得的治理效果也并不明顯。同時(shí)，所選取的治理手段在遇到大風(fēng)大浪的情況下，效果就會(huì)大打折扣。

基于人工浮床技術(shù)的黑臭水體治理方法選用無(wú)土草坪進(jìn)行治理。這類植物的適用性很強(qiáng)，能夠凈化水體，同時(shí)抵抗大風(fēng)、大雨以及大浪，確保在任何條件下都能使用。治理后的生態(tài)景觀浮島在水面上的景觀十分整齊，無(wú)論是在南方還是在北方都能很好地生存下去。在南方人工打造的浮島四季常綠，在北方冬季浮島會(huì)被冰凍，第二年春天再次返青[7]。同時(shí)，無(wú)土草坪具有很好的浮力，人工可以使用剪草機(jī)大面積地去除多余的草本植物，方便管理。基于人工浮床技術(shù)的黑臭水體治理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于人工浮床技術(shù)的黑臭水體治理結(jié)構(gòu)

觀察圖1，人工浮床技術(shù)建立的生態(tài)浮島巧妙地將綠化技術(shù)和漂浮技術(shù)結(jié)合到一起，組成部分包括浮島框架、浮床架構(gòu)、固定裝置和水表植被。通常會(huì)采用自然材料做固定框架，如竹子、木條、藤蔓等，浮體采用的材料必須要滿足質(zhì)量輕薄、耐用性好的條件，選擇的陸生植物和濕生植物要根據(jù)黑臭水體受污染狀況而定。目前比較常用的浮島植物有荷花、蘆葦、水蔥等[8]。

選用的浮島邊長(zhǎng)大約在1～5m之間，受污染程度大的水體需要的浮島面積更大。除此之外，還要考慮是否易于搬運(yùn)、易于施工，最為常見(jiàn)的浮床結(jié)構(gòu)為邊長(zhǎng)2～3m的四邊形，三角形和六邊形也較為常見(jiàn)。浮島與浮島之間采用繩索連接，有效降低波浪造成的撞擊，減少景觀構(gòu)建造價(jià)，凈化水質(zhì)[9]。

人工浮床技術(shù)中的水下固定是最重要的環(huán)節(jié)之一，如果固定不好，浮島和浮島之間就會(huì)互相碰撞，一旦風(fēng)浪很大，浮床也會(huì)被沖走。浮床的本體和水體通常會(huì)有一個(gè)或多個(gè)小型的浮子并列在水中，提高浮床的穩(wěn)定性。

2 基于人工浮床技術(shù)的黑臭水體治理流程設(shè)計(jì)

就目前城市黑臭水體現(xiàn)狀來(lái)看，南方多于北方，一個(gè)城市的發(fā)展速度越快，經(jīng)濟(jì)越發(fā)達(dá)，黑臭水體現(xiàn)象越嚴(yán)重。治理學(xué)家很早就提出了要采取有效措施治理水體黑臭這一問(wèn)題，然而嘗試了多種治理方法都沒(méi)有取得預(yù)期的效果，甚至還會(huì)出現(xiàn)“越治理越嚴(yán)重”的現(xiàn)象。歸根結(jié)底，就是治理時(shí)缺少系統(tǒng)的規(guī)劃和長(zhǎng)期的治理計(jì)劃，所以通常都是解決眼前問(wèn)題，治標(biāo)不治本[10]。

根據(jù)設(shè)計(jì)的治理框架進(jìn)行治理工作，工作流程如圖2所示。

圖2 基于人工浮床技術(shù)的黑臭水體治理流程

分析圖2，人工浮床可以利用植物根系形成一個(gè)濃密的吸附網(wǎng)，將水體中多余的懸浮物吸附到網(wǎng)中，形成多種生物膜，不斷地吸附和吞噬水中的污染物，將其凈化成有機(jī)物，轉(zhuǎn)化到植物中，形成促進(jìn)植物生長(zhǎng)的有機(jī)物，再利用光合作用成為植物細(xì)胞成分，最后利用人工手段收割浮島植物和浮島上的魚(yú)蝦，增加水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽。

基于人工浮床的黑臭水體治理方法能夠?qū)⒔匚邸⒄{(diào)水、清淤連接到一起[11]。建立浮島的過(guò)程會(huì)加深河床，清除河床淤泥，減少河流臭味。河道曝氣的生態(tài)系統(tǒng)主體為水生生物，在人工模擬生態(tài)處理系統(tǒng)中降低水體的污染負(fù)荷，提高水質(zhì)。

浮島能夠遮擋住水面的陽(yáng)光，減少水中各類水藻的光合作用，延緩植物的生長(zhǎng)速度，抑制“水華”現(xiàn)象的發(fā)生，改善水體透明度。人工浮床不僅能夠治理黑臭水體，同時(shí)也能為鳥(niǎo)類和魚(yú)類提供更加豐富的生存環(huán)境。人工浮床技術(shù)屬于生物修復(fù)技術(shù)，根據(jù)微生物和植物對(duì)污染物進(jìn)行消除，修復(fù)環(huán)境[12]。此技術(shù)具有環(huán)境友好、生態(tài)節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，因此發(fā)展前景十分良好。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了檢測(cè)文章設(shè)計(jì)的黑臭水體治理方法實(shí)際工作效果，設(shè)計(jì)了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

根據(jù)上述設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選取傳統(tǒng)的化學(xué)治理方法、物理治理方法和文章研究的基于人工浮床技術(shù)的黑臭水體治理方法分別對(duì)同一段黑臭水體進(jìn)行治理，記錄三種方法的治理范圍和治理時(shí)間，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

(1)治理范圍實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 治理范圍實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知，隨著治理次數(shù)的增加，各種方法的治理范圍也在不斷加大，但是每種方法加大的范圍不同，物理治理方法治理范圍最小，化學(xué)治理方法治理范圍其次，基于人工浮床技術(shù)研究的治理方法治理范圍最廣。當(dāng)治理次數(shù)為1次時(shí)，物理方法能夠治理的范圍為2m2，化學(xué)方法為3m2，浮床方法為6m2；當(dāng)治理次數(shù)為2次時(shí)，物理方法能夠治理的范圍為3m2，化學(xué)方法為4.5m2，浮床方法為13m2；當(dāng)治理次數(shù)為3次時(shí)，物理方法能夠治理的范圍為5m2，化學(xué)方法為6.7m2，浮床方法為19m2；當(dāng)治理次數(shù)為4次時(shí)，物理方法能夠治理的范圍為5m2，化學(xué)方法為9m2，浮床方法為25m2；當(dāng)治理次數(shù)為5次時(shí)，物理方法能夠治理的范圍為6m2，化學(xué)方法為11m2，浮床方法為32m2；當(dāng)治理次數(shù)為6次時(shí)，物理方法能夠治理的范圍為6.3m2，化學(xué)方法為12m2，浮床方法為43m2；當(dāng)治理次數(shù)為7次時(shí)，物理方法能夠治理的范圍為8m2，化學(xué)方法為14m2，浮床方法為48m2。

(2)治理花費(fèi)時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖4可知，隨著治理次數(shù)的增加，水體治理時(shí)間逐漸減少。當(dāng)治理次數(shù)為1次時(shí)，物理方法需要花費(fèi)的治理時(shí)間為92天，化學(xué)方法為100天，浮床方法為82天；當(dāng)治理次數(shù)為2次時(shí)，物理方法能夠需要花費(fèi)的治理時(shí)間為70天，化學(xué)方法為84天，浮床方法為72天；當(dāng)治理次數(shù)為3次時(shí)，物理方法能夠需要花費(fèi)的治理時(shí)間為83天，化學(xué)方法為59天，浮床方法為61天；當(dāng)治理次數(shù)為4次時(shí)，物理方法能夠需要花費(fèi)的治理時(shí)間為78天，化學(xué)方法為50天，浮床方法為50天；當(dāng)治理次數(shù)為5次時(shí)，物理方法能夠需要花費(fèi)的治理時(shí)間為80天，化學(xué)方法為45天，浮床方法為38天；當(dāng)治理次數(shù)為6次時(shí)，物理方法能夠需要花費(fèi)的治理時(shí)間為52天，化學(xué)方法為43天，浮床方法為28天；當(dāng)治理次數(shù)為7次時(shí)，物理方法能夠需要花費(fèi)的治理時(shí)間為45天，化學(xué)方法為30天，浮床方法為8天。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

傳統(tǒng)的治理技術(shù)需要花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)，需要多個(gè)周期才能完成治理，一個(gè)治理周期需要消耗大量人力、物力和財(cái)力，但是治理效果并不明顯。基于人工浮床技術(shù)研究的黑臭水體治理方法可以備選的治理材料十分豐富，且這些材料的成本很低，具有很強(qiáng)的抗氧能力，使用過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生污染，不易受到腐蝕，容易被使用，浮床結(jié)構(gòu)類型多種多樣，結(jié)構(gòu)新穎，制作和搬運(yùn)起來(lái)很容易，也不會(huì)形成多余的淤泥，不會(huì)受到水位限制，生態(tài)浮床易于管理，清理起來(lái)十分方便，減少人工資源，降低維護(hù)成本。同時(shí)，該方法能夠?qū)⑽覈?guó)水域面積廣闊這一優(yōu)點(diǎn)充分利用起來(lái)，在修復(fù)水體的同時(shí)，美化景觀。

綜上所述，基于人工浮床技術(shù)的黑臭水體治理方法投資成本低，工作效益高，操作過(guò)程簡(jiǎn)單，必然會(huì)取代傳統(tǒng)的物理治理手段和化學(xué)治理手段，成為未來(lái)最主要的污水治理方法。

4 結(jié)論

城市水體黑臭已經(jīng)成為老百姓強(qiáng)烈反映的問(wèn)題，嚴(yán)重破壞人們的生活環(huán)境，影響居住環(huán)境，降低居民生活質(zhì)量，如果不采取有效的治理措施，人們的基本健康都難以保證。治理黑臭水體也成為目前國(guó)家重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，國(guó)務(wù)院在最新頒布的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》中明確指出：各部門(mén)必須要大力開(kāi)展治水工程，重視水環(huán)境保護(hù)，從根源上解決黑臭水體治理問(wèn)題。

傳統(tǒng)的化學(xué)治理手段和物理治理手段需要花費(fèi)很高的成本，但是效果并不明顯，只能暫時(shí)解決問(wèn)題。生物技術(shù)在眾多治理技術(shù)中因其超低的成本，超高的效率脫穎而出。文章利用人工浮床技術(shù)研究了一種新的黑臭水體治理方法，給出了浮床框架和治理過(guò)程。該技術(shù)不僅能夠快速高效地治理被污染水體，同時(shí)能夠美化生活環(huán)境。本研究對(duì)于水體治理有重要的指導(dǎo)意義。

污染物的種類、濃度和存在形式都會(huì)影響人工浮床治理技術(shù)，污染物不同，治理投資也不同。絕大多數(shù)有機(jī)污染物可以被降解，但是也存在一些污染物難以使用浮床技術(shù)治理，需要進(jìn)一步研究和探討新的解決方法。