一種淤泥基質生態浮島及構建方法

2023-12-05 07:53:26

專利名稱：：一種淤泥基質生態浮島及構建方法
技術領域：
：本發明涉及水環境治理及生態修復領域，具體地說，更具體涉及一種淤泥基質生態浮島的構建方法，適用於各種富營養化水域和城市景觀水體的水質改善。
背景技術：
：水體富營養化是當前世界水環境的普遍性問題。經濟的快速增長給各種天然水體帶來沉重的負荷，在外來物質和內源汙染的綜合作用下，水體中營養鹽過剩，引起浮遊植物過量繁殖，結果導致水質惡化。江河湖水富營養化實質上是生態系統退化問題，應該以生態的理念、思路、方法來探索治理水域汙染的新途徑。人工生物浮島技術是富營養化水體修復治理的一種生物手段。該技術是按照自然界自身規律，人工把高等水生植物或改良的陸生植物，以浮島作為載體,種植到富營養化水體的水面,通過植物根部的吸收、吸附作用和物種競爭相剋機理,削減富營養化水體中的氮、磷及有機物質，從而達到淨化水質的效果,同時又可營造水上景觀。實踐證明，在汙染水體中種植一些耐汙能力特別強，能在原位生態條件下正常生長，並容易收穫的高等植物，會對水體起到很好的淨化作用。人工生物浮島的一般構建原則有以下幾點①材質比重小，來源充足，綠色環保，防腐蝕，耐老化，可反覆多次使用；②具有較好的強度，能抵抗較大風浪衝擊；③採用柔性連接，使浮島整體能隨水體上下浮動；④擁有植物栽種孔穴，能滿足植物長期生長種植密度。⑤具有可移動式運行，無動力、無維護，使用壽命長等特點；⑥為滿足景觀要求，可以將浮島製成不同的形狀。人工生物浮島技術在國內外早有研究。早期在中美洲如墨西哥，當地農民利用蘆葦編成筏子，上鋪泥土種植玉米、雍菜等。在緬甸，農民利用湖泊中天然生長的植物根莖聚集起來的浮墊，在上面種植蔬菜等農作物。20世紀七十年代，德國首先提出了"人工浮島"的概念，隨後日本開始應用以聚苯乙烯、、等製成的人工浮島為魚蝦等提供產卵場所。由於水環境問題的日益突出，人們環保意識的逐漸增強，人工浮島又被廣泛的應用到水環境治理領域。在這一範疇，"人工浮島"、"生物浮島"、"生物浮床"、"浮床無土栽培"與人工生物浮島實質上是同一概。20世紀80年代，中科院南京湖泊與地理研究所，福建省農科院等單位，以聚苯乙烯發泡板作為浮載體，鋪上泥後進行種植。或以聚苯乙烯作為浮體主材料，鋪以竹條，丙烯袋，塑料薄膜等構成浮體栽培床種植各種植物，為自然水域植物栽培作了有益的嘗試。聚苯乙烯發泡板以其成本低廉、浮力強大、性能穩定等特性，受到人們的青睞。因此該載體得到非常廣泛的應用，並取得了巨大的成效，目前在國內利用浮島進行內陸水體治理和修復中佔主導地位。但與此同時，也產生了令人擔憂的"白色汙染"問題。1998年劉淑媛等人採用蛭石無土栽培水芹、水雍菜和多花黑麥草，研究其淨化富營養水體的效果。蛭石填充於用窗紗縫製的袋子中，封口後全袋可漂浮於水面上，每袋厚5cm左右，水雍菜和多花黑麥草的種子就點在蛭石中。蛭石是一種輕質多孔雲母類矽質礦物，孔隙度達95%，吸水率0.1-0.65m3/m3，經長時間浸泡後會部分下沉。此外，由於窗紗在室外長期露置後容易老化破損，致使散裝的蛭石易漏出來，故在設備的高效、耐用和規範，以及栽培植物物種的選擇、種植和採收方面還需要進一步的研究。美國郎泰克環保科技公司研製開發了一種生物壩。該生物壩由若干生物箱連接組成，生物箱內裝附著有微生物的球形填料。填料採用美國LANTEC針狀球形填料，該填料材質為改性聚丙烯,具有耐光、耐水、耐腐蝕、耐寒的性質。經下部曝氣管連續充氣,能在填料表面產生一層生物膜,降解水中的有機汙染物。生物壩安裝方便，可根據水面寬度進行現場組裝，部分箱體損壞時還可單獨替換。該生物壩可固定於水中，也可漂浮於水面。然而，該生物壩主要應用於汙水處理，使用這種生物壩時水需要先通過隔板或格柵以及沉砂等一級處理，而且無法在其中種植植物以形成美麗景觀。所以該技術在內陸景觀水體治理中也沒有得到廣泛採用。從上述研究和實際應用情況看，到目前為止，構建人工生物浮島的材料主要是有機高分子材料，如聚苯乙烯發泡板，丙烯袋，窗紗袋，球形填料等。眾所周知，這些人工合成的有機高分子材料是自然界所不具有的，容易損壞，在一般條件下難以降解，難以回收利用，有二次汙染風險。大量地使用這些材料，必然會造成嚴重的固廢汙染。這樣一來，水汙染轉變成為固廢汙染，即所謂的"汙染轉移"，這種治理環境的方式是不經濟的，也不符合環境可持續發展的要求。此外，當前採用無機材料製作浮島的研究尚少見，雖然個別研究能夠取得較好的效果，但是其製作方法、成本和使用維護方面還存在難以克服的弊端，因而至今未能形成大規模應用。因此，探索和研製新型淤泥基質生態浮島非常必要。本發明正是基於以上問題而產生的。
發明內容本發明的目的是在於提供了一種淤泥基質生態浮島，配方合理，綠色環保，使用壽命長，可重複使用，廢棄後可回收再利用，改善水體景觀，效果穩定。本發明的目的另一個目的在於提供了一種淤泥基質生態浮島的構建方法，工藝簡單，無能耗，成本低廉，適宜廣泛推廣。通過其漂浮或懸浮能力，依賴其易於微生物附著掛膜，有利於植物生長，無二次汙染，來去除水中營養鹽(TN、TP去除率可達70-95%),消除汙染，改善水質，增強水體景觀。為了達到上述目的，本發明採用以下技術措施是以湖泊清淤產生的大量沉積物為原料，以輕質材料(如泡沫)為浮體，適度混入無機粘合劑和水，通過改變配方和製作工藝，適應不同需求，構建輕質、高效的生態浮島。本發明的具體措施是一種淤泥基質生態浮島，它由下列原料質量百分比製成原料質量百分比淤泥63%78%輕質材料ESP泡沫顆粒2.6%3%高硫型HAS土壤固化劑19.4%~34%一種淤泥基質生態浮島，它由下列原料質量百分比製成-原料質量百分比淤泥65%~75%輕質材料ESP泡沫顆粒1%~3%高硫型HAS土壤固化劑24%~32%一種淤泥基質生態浮島，它由下列原料質量百分比製成(優選範圍):原料質量百分比淤泥68%~72%輕質材料ESP泡沫顆粒1.5%~2.5%高硫型HAS土壤固化劑26.5%29.5%-種淤泥基質生態浮島，它由下列原料質量百分比製成(最好範圍):原料質量百分比淤泥69.3%輕質材料ESP泡沫顆粒2.3%高硫型HAS土壤固化劑28.4%-種淤泥基質生態浮島，它由下列原料質量百分比製成(高強度型):原料質量百分比淤泥67.5%輕質材料ESP泡沫顆粒2.8%高硫型HAS土壤固化劑29.7%一種淤泥基質生態浮島，它由下列原料質量百分比製成(經濟型)原料質量百分比淤泥77.2%輕質材料ESP泡沫顆粒2.9%高硫型HAS土壤固化劑19.9%一種淤泥基質生態浮島的構建方法，其步驟是(1)原料準備將湖泊清淤出的沉積物晾乾或脫水至含水量50%以下，篩選出不含石塊和含雜質(水生植物根莖殘體)較少的淤泥，輕質材料為ESP泡沫顆粒。(2)製作模具以剛性材質(木材、塑料、聚苯乙烯泡沫板)製作模具，使淤泥與ESP泡沫顆粒輕質材料、高硫型HAS土壤固化劑加水攪拌混合，並將得到的混合物倒入模具成型。模具形狀和厚度根據景觀需要而定。(3)混料攪拌將淤泥、輕質材料ESP泡沫顆粒和高硫型HAS土壤固化劑按一定配比混合，加入適量水(水不佔比重，普通技術人員根據配方比例均能會操作)，攪拌均勻，以無機粘合劑在38分鐘內不呈滴狀落下為宜。攪拌時間為5~30分鐘。(4)固化成型將攪拌均勻後的輕質無機材料和無機粘合劑的混合物填入模具中，壓緊壓實，然後等待固化、乾燥和成型。成型時間視氣溫，通風情況和浮島厚度等差異而有所不同(在通風，溫度控制在15~35°C，浮島厚度為3~12cm時，室內乾燥成型為25天時間)，成型後得到浮島單元成品。所述的無機粘合劑為高硫型HAS土壤固化劑、矽酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽類、水泥或粘土其中的任意一種。(5)放入水體將輕質浮島單獨或種植淨水水生植物後放入汙染水體中，可種植的具有淨水功能的常見水生植物如未本科植物盧葦、荻、黑麥草、香根草、牛筋草、水稻中的一種或任意組合；或天南星科植物菖蒲、石菖蒲、海芋；或沙草科旱傘草、燈芯草中的一種或任意組合；或以及其他科屬植物黃花鴛尾、香蒲、美人蕉、土大黃、慈燕、馬蹄蓮中的一種或任意組合，或淨水植物栽種於浮床上種植孔，用柔性材料如海綿、聚苯乙烯泡沫固定，並使植株根部浸沒於水體。該浮島漂浮於水面，可通過微生物和植物的生長淨化水體。A.將成型後的浮島放入富營養化水體中，根據水域面積大小確定浮島覆蓋面積。大型浮島可由浮島單元連接組成，每個浮島單元面積為lm2，各浮島單元之間可用海綿或聚苯乙烯泡沫材料進行柔性連接。投放浮島單元數目視待處理水體面積而定。B.可將浮島單獨放入水體，或將水生或陸生植物如黑麥草、孔雀草、空心菜、香根草、彩葉草、一串紅、雞冠花、矮牽牛、蕹菜等栽入浮島的孔穴中，必要時可用海綿或其他柔性材料如聚苯乙烯泡沫加以固定。植物利用水體中的營養鹽維持自身生長，長出發達的根系，能吸附大量微生物，通過根系分泌物間接達到淨化水體的目的。C.微生物可在粗糙，多孔隙的淤泥基質生態浮島表面生長並形成生物膜，生物膜老化脫落後可被附近根系分泌物分解。本發明與現有技術相比，有以下優點和效果1、本發明的主要原料為湖泊淤泥，與輕質材料混合構建生態浮島，實現了廢物利用，綠色環保，經濟效益和社會效益可觀。2、使用壽命長(24年)，可重複使用，廢棄後可回收再利用。3、本發明無需外部維護設備或其他附加裝置，各浮島單元是一個單獨體，運輸和安裝非常方便。4、不需要預處理，不存在堵塞問題。5、承載能力和抗衝擊負荷能力視水域具體情況而定，通過適度改變配比可增大或減小承載力和抗衝擊負荷力大小。6、本發明不僅利用植物生長吸收營養鹽，也利用浮島表面附著生長的微生物去除營養鹽。兩者的共同作用，更有助於提高水質，改善水體景觀，效果穩定。7、表面粗糙，孔隙多，吸附微生物能力強。8、製作工藝簡單，無能耗，成本低廉，適宜廣泛推廣。綜上所述，本發明的方法綠色環保，製作簡單，經濟實用，可以有效的改善富營養化水體的水質狀況，提高景觀價值，對於環境、經濟和社會的可持續發展具有重要的意義。具體實施例方式無機人工生態浮島製作原料配方表tableseeoriginaldocumentpage11實施例1:一種淤泥基質生態浮島的構建方法，其步驟是-1.前期準備(1)現場調査試驗地點為武漢大學內一人工景觀湖，現已受富營養化汙染；(2)原料製備以武漢市內一天然湖泊清淤出的沉積物為原料，選取不含石粒和含雜質(如植物根莖殘體)較少的淤泥，脫水晾乾；輕質材料選用ESP泡沫顆粒；(3)模具製作用木材製成100cmxl00cmx5cm大小的無蓋正方形盒，盒底用釘固定36個聚苯乙烯泡沫塊(高5cm，截面直徑2.5cm)以留栽種孔穴；2.浮島單元製作階段a)按無機人工生態浮島製作原料配方表中所述定量稱取篩選出的乾燥淤泥、輕質材料ESP泡沫顆粒、高硫型HAS土壤固化劑；(2)混料攪拌將上述淤泥、輕質材料ESP泡沫顆粒和高硫型HAS土壤固化劑混合，邊加水邊攪拌(水不佔比重)，至混合物呈粘稠狀即可停止加水。然後繼續攪拌，攪拌時間約為25或28或30分鐘；(3)固化成型將上述攪拌好的混合物倒入模具中。在室內，通風，氣溫為15~25°C條件下，放置4或5天即乾燥固化。然後移去木材模具和聚苯乙烯泡沫塊，即得大小為100cmxl00cmx5cm，具有36個孔穴的浮島單元；3.放入水體(1)將10塊上述100cmxl00cmx5cm規格的浮島單元分成兩行，一行5塊首尾連接，行間並行連接。用鐵絲或尼龍繩進行連接，在浮島單元連接縫隙中夾入海綿或泡沫，使在水體波動時浮島單元相互之間的碰撞得到緩衝，以保護浮島單元避免碰撞受損；(2)在浮島孔穴中栽種淨水植物菖蒲、蘆葦、美人蕉，菖蒲植株高1530cm、戶葦植株高100120cm、美人蕉植株高120180cm，確保植株根部沒入水中，並用海綿加以固定；(3)浮島在水體中放置15天，期間氣溫1327°C。並間隔有2次中等規模降雨。浮島單元上菖蒲、蘆葦、美人蕉植株，生長正常，存活率依次為100%、98.3%、96.7%，各植株株高和根系生物量增加明顯，浮島單元底部出現大面積黃綠色菌斑，表明微生物已附著生長並形成覆膜。實施例-2一種淤泥基質生態浮島的構建方法，其步驟是1.前期準備(1)現場調查試驗地點為武漢市某工廠廢舊蓄水池U000cmx800cmx200cm)，向池內灌輸自來水和生活汙水以模擬富營養化水體，池水深150cm;(2)材料篩選以武漢市內一生活汙水處理廠的活性汙泥餅為原料，脫水除臭晾乾粉碎；輕質材料選用ESP泡沫顆粒；(3)模具製作用直徑2cm、高5cm的聚苯乙烯泡沫塊固定在直徑10cm、沿高5cm的塑料蓋子中央；2.浮島單元製作階段(1)按無機人工生態浮島製作原料配方表中所述定量稱取活性汙泥餅粉末、ESP泡沫顆粒、高硫型HAS土壤固化劑；(2)混料攪拌將上述汙泥粉末、ESP泡沫顆粒和固化劑混合，邊加水邊撹拌，至混合物呈粘稠狀即可停止加水。然後繼續攪拌，攪拌時間約為25分鐘；(3)固化成型將上述攪袢好的混合物倒入模具中。室外放置3天進行乾燥固化，期間天氣晴好，氣溫為1328'C，風力最大不超過4級，移去塑料蓋和聚苯乙烯泡沫塊，即可得到直徑為10cm，高5cm的中空圓盤狀浮島單元；3.放入水體(1).將21塊上述中空圓盤狀浮島單元分用鐵絲和尼龍繩進行連接，在水池中擺放成共端點5射線輻射型浮島；(2).在浮島孔穴中栽種淨水植物盧第、黑麥草、香根草，戸韋植株高2035cm、黑麥草植株高35~48cm、香根草植株高100~170cm，確保植株根部沒入水中，並用海綿加以固定；(3).浮島在水池中放置30天，期間天氣晴好，氣溫1328'C，風力最大不超過3級。浮島單元上盧葦、黑麥草、香根草植株長勢良好，存活率依次為99.5%，88.7%、92.4%,各植株根莖生物量增加明顯，葉色正常，每個浮島單元底部覆有一層黃綠色微生物膜。對投放浮島前後池水的實驗分析結果表明池水中TN、TP的去除率分別高達87.3%和75.8%;權利要求1、一種淤泥基質生態浮島，它由下列原料質量百分比製成2、根據權利要求1所述的-原料質量百分比製成-種淤泥基質生態浮島，其特徵在於，它由下列原料質量百分比淤泥輕質材料ESP泡沫顆粒高硫型HAS土壤固化劑65%75%1%~3%24%~32%3、根據權利要求1所述的-原料質量百分比製成-種淤泥基質生態浮島，其特徵在於，它由下列原料質量百分比淤泥輕質材料ESP泡沫顆粒高硫型HAS土壤固化劑68%72%1.5%2.5%26.5%~29.5%4、根據權利要求1所述的-原料質量百分比製成-種淤泥基質生態浮島，其特徵在於，它由下列原料質量百分比淤泥輕質材料ESP泡沫顆粒高硫型HAS土壤固化劑67.5%2.8%29.7%5、根據權利要求1所述的一種淤泥基質生態浮島，其特徵在於，它由下列原料質量百分比製成tableseeoriginaldocumentpage36、根據權利要求1所述的--種淤泥基質生態浮島，其特徵在於，它由下列tableseeoriginaldocumentpage37、一種構建權利要求l所述的淤泥基質生態浮島的方法，其步驟是(1)原料準備將湖泊清淤出的沉積物晾乾或脫水至含水量50%以下，篩選出不含石塊和含雜質的淤泥，輕質材料為ESP泡沫顆粒；(2)製作模具以剛性材質製作模具，使淤泥與ESP泡沫顆粒輕質材料、高硫型HAS土壤固化劑加水攪拌混合，將得到的混合物倒入模具成型；(3)混料攪拌將淤泥、輕質材料ESP泡沫顆粒和高硫型HAS土壤固化劑混合，加入水，攪拌均勻，以無機粘合劑在38分鐘內不呈滴狀落下，攪拌時間為5~30分鐘；(4)固化成型將攪拌均勻後的輕質無機材料和無機粘合劑的混合物填入模具中，壓緊壓實，然後等待固化、乾燥和成型，成型時間氣溫溫度控制在15~35°C，浮島厚度為312cm，室內乾燥成型為25天時間，成型後得到浮島單元成品；(5)放入水體將輕質浮島單獨或種植淨水水生植物或陸生淨水植物後放入汙染水體中，淨水植物栽種於浮床上種植孔，用海綿、聚苯乙烯泡沫固定，使植株根部浸沒於水體，浮島漂浮於水面，通過微生物和植物的生長淨化水體。8、根據權利要求7所述的一種淤泥生態浮島的構建方法，其特徵在於所述的無機粘合劑為高硫型HAS土壤固化劑、矽酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽類、水泥\粘土其中的任意一種。9、根據權利要求7所述的一種淤泥生態浮島的構建方法，其特徵在於所述的淨水水生植物為禾本科植物盧葦、荻、黑麥草、香根草、牛筋草、水稻中的一種或任意組合；或天南星科植物菖蒲、石菖蒲、海芋；或沙草科旱傘草、燈芯草中的一種或任意組合；或以及其他科屬植物黃花鴛尾、香蒲、美人蕉、土大黃、慈菇、馬蹄蓮中的一種或任意組合；或陸生淨水植物黑麥草、孔雀草、空心菜、香根草、彩葉草、一串紅、雞冠花、矮牽牛、蕹菜中的一種或任意組合。全文摘要本發明公開了一種淤泥基質生態浮島及構建方法，它由下列原料製成淤泥、輕質材料ESP泡沫顆粒、固化劑按一定比例配製，其步驟是將湖泊淤泥、泡沫顆粒和無機粘合劑(固化劑、矽酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽類或其複合物，如水泥或粘土等)、水混合攪拌；將混合物填入模具中；待混合物固化、乾燥和成型後取出；單獨或栽種植物後放入汙染水體中；通過微生物、植物在該浮島上的生長而淨化汙染水體。本發明的原料均採用無機材料，化學性質穩定，環境友好，無二次汙染，利用植物和微生物膜的共同作用淨化水體，改善景觀，效果穩定。文檔編號C02F3/32GK101397167SQ20081019752公開日2009年4月1日申請日期2008年11月4日優先權日2008年11月4日發明者侯浩波,旻周,張維昊,熙朱,胡光濟,娜魏申請人:武漢大學