應用生物浮島技術修復下沙地區富營養化水體的研究

摘 要：針對下沙地區富營養化水體修復不完善的現狀，基于水體原位修復的理念，設計了太陽能、風能生物浮島成套設備，以太陽能、風能等為能源，利用空氣泵對水體進行造流充氧，結合復合生態浮島進行水質凈化，實現原位采能供電、原位供氧和原位高效生物降解。

關鍵詞：下沙地區 富營養化 生物浮島技術 水體修復

中圖分類號：X171.3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）05（b）-0008-02

富營養化是由于人類活動的生活污水、工業廢水、以及含氮、磷等營養物質的水，進入緩流水域后，促使水體中許多大型綠色植物和微型藻類旺盛生長、繁殖，使水體向生產力水平較高的營養狀態轉化的過程。水體富營養化是自養生物（浮游藻類）在水體中建立優勢的過程，包含著一系列生物、化學和物理的變化，與水體的化學性質、物理性狀，底質，以及氣候、地理等眾多因素有關。從上個世紀中葉，全球出現海洋和淡水水體富營養化不斷加劇之勢，水體富營養化已成為人類普遍關注的水質污染問題。水體富營養化使許多湖泊、水庫成為主要環境問題，嚴重的妨礙了水體利用，造成了環境和經濟的重大損失。目前富營養化水污染處理技術的研究認為人工濕地、生物浮島等生物等處理技術，通過原位構建水生植物體系，利用植物根系的吸附、吸收作用，削減水中的氮、磷等營養物質，從而達到凈水效果，具有無二次污染，且兼具景觀美化作用的特點，是目前富營養化水體主流修復措施[1]。

下沙高教園區地處杭州的東北，是近十年發展起來的新城區。杭州的平均降雨量約在1100～1600 mm之間。全年有兩個雨季和一個多雨時段。3～4月為一多雨時段，稱春雨期；5月初至6月上底為一個雨季；8月底到9月底為第二個雨季。占全年降雨總量的65%左右。杭州的年平均蒸發量為1150～1400 mm，全年以6～8月為最大，約占總蒸發量的50%。從整體來看，區內水域基本上是自成平衡體系。區內的幾條小河流均為四、五級河道，主要功能為排洪。區域內部和四周有人工修建的河道，道路敷設雨水管道，收集路面雨水就近排入河道。外界污染物的大量輸入與底泥營養物的內源釋放所共同引起的生態退化，水質變差，面臨的嚴重的水環境問題。由于水體位置分散、水質復雜、源頭多，不能采用收集集中處理的方法，同時也不可能投入巨大的水體處理資金。利用生物浮島技術修復具有投入少、運行費用低、應用規模可靈活變動、無二次污染等優點，非常適合這類小型開發區富營養化水體的處理[2]。

1 生物浮島技術的基本原理

生物浮島技術是一種快速發展的原位水處理方法。主要的思路是通過提高微生物降解功能，加強水生植物吸收作用，促進二者之間的協同作用，實現水體原位高效生物降解[3]。

生物浮島系統的工作原理是先通過投加填料，加大微生物附著面積，以便微生物富集成膜；然后添加可富集在填料表面的特效功能菌，加強多菌種協同作用，高效降解氮、磷等營養物質；進一步構建植物與微生物的復合生物體系；從而改善微生物生長環境，一方面人工曝氣提高水體溶氧量，增強微生物代謝；另一方面利用人工造流，加快水體傳質，從而實現高效的原位生物降解。

具體實現是由浮床單元拼接、組合而成。浮床單元內部種植水生植物，水下增加填料并接種特效氮、磷處理菌，整體環繞于曝氣造流系統外圍。在植物和微生物的共同作用下，實現水體修復目的。

對水體進行曝氣是改善微生物生長環境、提高降解效率的必不可缺的步驟。由于常用的機械曝氣存在設備能耗高、充氧效率低、運行存在安全隱患等不足，可考慮在充分利用水體自身藻類光合作用復氧和大氣復氧前提下，改變曝氣充氧模式，提高充氧效率，控制充氧時間，實現低能耗供氧。同時改變單一曝氣充氧方式，利用直接曝氣制造循環流，在直接曝氣的基礎上，攪動水流，提高液面更新速率，提高充氧效率。根據水體中溶解氧自然變化規律，控制人工充氧時間，從而實現原位低能耗高效供氧[4]。

2 原位能源供給

能源消耗是影響水體處理工程成本的重要因素。能耗高，成本和運行費用制約了水污染治理體系不能長期工作。開發無污染，少投入的能源是解決治污的關鍵。近年來太陽能等綠色能源應用快速發展，利用太陽能光伏發電供給能源是非常適合下沙高教園區的水體處理。杭州市年平均太陽總輻射量在420～460 kJ/cm2之間，日照時數1800～2100 h。大部分自然水體表面光照條件充分，水域開闊，陽光照射條件良好，通過懸浮載體將太陽能發電系統利用于設備當中，無需外界能源輸入，在能源自給的同時實現水體修復的目標，節能降耗，消除污染[5]。

在富營養化水體中，藻類含量較高，其光合作用釋放出氧氣，供菌種降解有機物，是一種太陽能的自然生物利用方式。如果能充分利用水體原位生態修復功能和藻類的充氧功能，構建以原位太陽能發電與原位生物修復相結合的一體化水體修復設備，將突破現有富營養化水體處理技術屏障，為淺層水體修復和日常維護提供新型有效的技術手段，具有廣泛的市場應用前景。

另外風力發電作為一種重要的可再生能源形式，越來越受到人們的廣泛關注。由于風電設備制造技術的日益成熟和風電價格的逐步降低，近些年來，無論是在發達國家還是在發展中國家都在大力發展風力發電。近30年來風電場并網容量發展最為迅猛，對常規電力系統的運行造成的影響明顯增大。杭州市大部分地區年平均風速在1.3～2.4 m/s，下沙地處杭州東北部平原，位于錢塘江兩岸的濱海平原，年平均風速超過3 m/s。這種風速適宜小型風力發電的風能，很好解決了地區無電、缺電的困難，特別是彌補了陰雨、無陽光時太陽能發電不能工作的不足[6]。

3 修復體系設計方案

以下簡介利用太陽能、風能進行生物浮島技術修復富營養化水體整體結構設計方案。根據太陽的花形狀，曝氣造流系統的浮床為結構主體，浮床采用雙曲面球體構型，上承太陽能電池板，內置蓄電池和空氣泵等所有配套設備，下方以絲桿連接懸掛導流裝置，周圍環繞生物浮島單元，曝氣盤通過管道連接固定在導流裝置內部[6]。

生物浮島系統由浮床單元拼接、組合而成，浮床單元內部種植水生植物，水下增加填料并接種特效氮、磷處理菌，整體環繞于曝氣造流系統外圍，通過植物和微生物的共同作用，實現水體修復目的。

曝氣造流系統由空氣泵、曝氣盤、懸浮載體和導流裝置四部分組成。空氣泵壓縮的空氣通過導氣管進入曝氣盤，再以微小氣泡的形式釋放到深層水體中，并與其混合，增加水體溶氧；水氣混合后的液體因密度減小而在導流筒內垂直上升到達淺層水體，同時，深層水體因導流筒內的壓力較小而被不斷吸入到導流筒內，形成一個以壓力差為動力的循環流，實現水體最大效率供氧。

光照充足的白天，太陽能電池板通過控制器向蓄電池供電，夜間蓄電池放電帶動空氣泵工作；利用時間控制開關控制空氣泵的工作狀態；空氣泵的工作時間初步可考慮安排在午夜至凌晨連續6小時。陰雨天氣，太陽能控制器直接控制蓄電池充放電，保證蓄電池提供空氣泵18小時工作能力。同時小型風力發電系統產生輔助作用，保證修復體系的正常用電[7]。

4 水體修復效果實驗分析

在實驗區域采用太陽能、風能生物浮島修復系統運行（白天充電，夜間供氧6小時），測定實驗區域的溶解氧平均值A與對照區域溶解氧平均值B的變化連續，溶解氧采用在線溶解氧儀及碘量法]測定。試驗數據表明，在富營養化水體中存在著水體溶解氧晝夜變化幅度大的特點，晝間溶解氧變化并不完全符合富營養化水體溶氧規律變化，晝間溶氧會達到高點，但是夜間溶氧并不會降低到預計低點。各項水質指標均已經達到富營養化的狀況，水體夜間的耗氧量低，可能是由于底泥含量低、懸浮微生物少、水體微生物活動較弱的原因[8]。

通過相同條件下對水溶氧變化與微生物量的關系的實驗，可知夜間水中溶解氧持續下降，日出前達到最低值5.8 mg/L。開始曝氣后，溶解氧濃度上升，能在日出前補充到最低值7.4 mg/L。

生物浮島的水體修復主要通過以下幾個方面實現：設備直接曝氣充氧促進好氧微生物代謝，加快水體有機污染物降解速率；設備曝氣形成環流，加快水體液面更新速率，提高大氣復氧效率；浮島植物根系吸收水體內營養物質，攔截固體顆粒、沉降膠體物質，提高凈化效果；浮島中的生物填料，通過富集微生物，提高水體中的微生物數量和降解能力；曝氣形成的環流，有利于凈化后水體與污染水體的交換，擴大設備有效的凈化面積。

如此構建立體式的生物體系，使富營養化水體在植物、微生物的協同作用下，通過太陽能、風能供電強化曝氣和水體循環，實現富營養化水體的快速修復[9]。

5 結論

基于水體原位修復的理念，通過組合太陽能、風能等低能耗充氧和高效生物降解措施，構建了一體化的立體式生物處理設備。對于改善水環境課題，本文提出使用太陽能、風能等綠色能源取代其他能源；應用植物、微生物反應代替化學方法的大量化學藥劑，實現零成本運行、無二次污染，與水體和諧共處，有著明顯經濟優勢和社會效益。

參考文獻

[1]金相燦，屠清瑛.湖泊富營養化調查規范[M].2版.北京：中國環境科學出版社，1987.

[2]國家環境保護總局.水和廢水監測標準方法[M].4版.北京：中國環境科學出版社，2002.

[3]李英杰，金相燦，年躍剛，等.人工浮島技術及其應用[J].水處理技術，2007，33（10）：49-51.

[4]馬風有，李強，鄧輔商.人工浮島載體設計研究[J].中國農村水利水電，2007（5）：85-87.

[5]趙祥華，田軍.人工浮島技術在云南湖泊治理中的意義及技術研究[J].云南環境科學，2005，24（A1）：130-132.

[6]馬蕊，林英，牛翠娟.淡水水域富營養化及其治理[J].生物學通報，2003，38（11）：22-26.

[7]李家就，錢望新.富營養化湖泊水源生物預處理研究[J].中國給水排水，1992，8（2）：4-7.

[8]唐林森.湖北農村地區富營養化水體的人上生態浮島技術修復研究[D].長江科學院碩士學位論文，2008.

[9]唐林森，陳進，黃茁.人工生物浮島在富營養化水體治理中的應用[J].長江科學學院院報，2008，25（1）：19-24.