人工浮島載體材料選擇使用研究

陳戰(zhàn)利，肖安明，劉 盛，王俊宇，劉奕明，王潤(rùn)一，何宇康，劉振中

(南昌大學(xué) 資源環(huán)境與化工學(xué)院，江西 南昌 330031)

1 引言

近年來(lái)，我國(guó)快速發(fā)展的工業(yè)農(nóng)業(yè)以及不斷擴(kuò)張的城市化活動(dòng)，嚴(yán)重污染水資源，嚴(yán)重威脅水環(huán)境質(zhì)量安全和居民飲用水安全[1]。人工浮島技術(shù)因其具有適應(yīng)性強(qiáng)、景觀性好、安裝簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本較低等優(yōu)點(diǎn)，在水污染的治理中得到了較為廣泛的應(yīng)用。一個(gè)完整的人工浮島主要包括3個(gè)部分：浮島載體、浮島植物和浮島固定裝置[2]。其中浮島載體作為人工浮島的主體對(duì)其運(yùn)行工作有著重要影響，因而合理選擇載體材料顯得尤為重要和突出。

2 人工浮島載體材料設(shè)計(jì)要求

馬風(fēng)有等[3]認(rèn)為浮島載體的選料原則有：無(wú)害性，耐久性和經(jīng)濟(jì)性，其中植物載體材料要求耐水浸泡、抗老化性好、對(duì)環(huán)境無(wú)污染，關(guān)鍵是栽種在浮島上的植物可以良好地生長(zhǎng)。王超等[4]認(rèn)為浮床材料選擇和制作技術(shù)決定了人工浮島是否具有良好的耐久性、成本低等特點(diǎn)，還需要考慮浮力大小、對(duì)環(huán)境的敏感性、穩(wěn)定及靈活性等方面。井艷文等[5]認(rèn)為人工浮島載體材料比重要小，防腐蝕，耐老化，對(duì)環(huán)境要綠色環(huán)保，可循環(huán)使用；具有能抵抗較大風(fēng)浪沖擊的強(qiáng)度；采用柔性連接，使浮床整體可以隨水體上下波動(dòng)而上下浮動(dòng)；擁有合理密度的植物栽種孔穴，使之不影響植物長(zhǎng)勢(shì)。此外人工浮島材料還應(yīng)該有著良好的涉水性能，比如：抗?jié)B性、耐水性、吸水性等等，并且要求其比表面積要大，易于掛膜，有利于微生物的生存。

3 人工浮島載體材料分類(lèi)

人工浮島技術(shù)從最初19世紀(jì)60年代用于漁業(yè)開(kāi)始，已經(jīng)有了160多年的歷史。其載體材料也在這段時(shí)間內(nèi)從開(kāi)始第一代的竹木材料，到第二代的泡沫材料及其加工的產(chǎn)品，再到第三代的PE材料，以及現(xiàn)在的第四代材料，即可以使植物根系與其融為一體[4]。對(duì)于這些種類(lèi)繁多的人工浮島載體材料，按照其來(lái)源可以簡(jiǎn)單分成兩大類(lèi)：天然的植物根莖和人工合成材料，而后者又可以分為有機(jī)高分子材料和無(wú)機(jī)材料[6]。

4 人工浮島各種載體材料

4.1 天然的植物根莖載體

這一類(lèi)材料主要以竹子，木頭，椰殼纖維為主。本文以椰殼纖維，竹子為例，來(lái)探究其主要特點(diǎn)。

椰殼纖維的主要成分包括纖維素，半纖維素，木質(zhì)素等[7]，與其它天然纖維的主要成分類(lèi)似。它是采用取走果肉和椰汁后廢棄的椰殼經(jīng)過(guò)一系列物理機(jī)械加工而成[8]，其加工過(guò)程可分為浸泡、脫脂、打松、除雜、成纖。椰殼纖維材料的比表面積大，易于掛膜，并具有良好的力學(xué)性能。此外目前無(wú)框架浮島一般是用椰子纖維編織而成，對(duì)周邊的景觀環(huán)境來(lái)說(shuō)較為柔和，抗撞擊能力優(yōu)良[9]。

原竹材料是—種生產(chǎn)周期短，加工便捷，力學(xué)性能優(yōu)良的天然材料，屬于非均質(zhì)材料，主要由纖維素、半纖維素和木素組成，并含有少量的蛋白質(zhì)、脂肪等物質(zhì)[10]。現(xiàn)代竹材的運(yùn)用范圍十分廣泛，但材料其本身涉水性能并不好，易開(kāi)裂，且不易防腐防蛀，并不能很好地滿足作為浮島材料的要求。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在出現(xiàn)了一種利用先進(jìn)的復(fù)合重組技術(shù)將原竹材料加工成具有不同性能的新型竹材[11]。利用新型竹材制作的浮島具有結(jié)構(gòu)牢固、抗腐蝕、抗老化、浮力大、加工性能好[12]等一系列優(yōu)勢(shì)，但其加工較為復(fù)雜。

4.2 人工合成材料

4.2.1 有機(jī)高分子材料

有機(jī)高分子材料是一類(lèi)由一種或幾種分子或分子團(tuán)(結(jié)構(gòu)單元或單體)以共價(jià)鍵結(jié)合成具有多個(gè)重復(fù)單體單元的大分子。目前用于人工浮島載體材料主要有：聚苯乙烯發(fā)泡板，聚氯乙烯等。

聚苯乙烯發(fā)泡板(EPS)是由含有揮發(fā)性液體發(fā)泡劑的可發(fā)性聚苯乙烯珠粒，經(jīng)過(guò)加熱預(yù)發(fā)泡后，再在模具中進(jìn)行加熱成型的有機(jī)材料。EPS 工藝流程包括預(yù)發(fā)泡、加熱熟化和模壓成型三個(gè)階段，其中預(yù)發(fā)泡和模壓成型為主要過(guò)程[13]。EPS屬于低密度泡沫塑料，發(fā)泡倍率約為20，并且具有可模性好，化學(xué)成分穩(wěn)定，制作成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。這些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)使得這種在1949年就被發(fā)明的珠狀泡沫制品[14]目前在利用人工浮島進(jìn)行內(nèi)陸水資源治理及修復(fù)領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位[15]。但是由于其化學(xué)成分很穩(wěn)定，其廢棄后也帶來(lái)了難以處理的“白色污染”問(wèn)題。此外還存在“微塑料”問(wèn)題。

又如“艾因木”[16]，它是一種由日本艾因公司發(fā)明生產(chǎn)的塑木復(fù)合材料，其原料的55%采用廢木材、植物莖干等，45%采用廢棄塑料。由于其原料大多采用廢棄材料，故可起到廢物再利用的作用，此外還具有可模性好、不易老化、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，但是其制作工藝較為復(fù)雜且制作成本非常高。

4.2.2 無(wú)機(jī)材料

無(wú)機(jī)材料是指由無(wú)機(jī)物單獨(dú)或混合其它物質(zhì)制成的材料。目前實(shí)際應(yīng)用于人工浮島載體的無(wú)機(jī)材料較少，其中主要的因素是其制作工藝和成本[15]，但應(yīng)用于人工浮島載體的無(wú)機(jī)材料的性能優(yōu)于前兩類(lèi)材料。

以陶粒為例: 陶粒是由陶粒粘土巖經(jīng)加熱膨脹制成的人工輕骨料[17]。陶粒具有BET比表面積大、密度低、空隙率高、質(zhì)量輕、微孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)[18]、來(lái)源廣泛、生產(chǎn)技術(shù)成熟等特點(diǎn)，并且相較于有機(jī)高分子材料不存在“白色污染”等問(wèn)題。這些特點(diǎn)使得陶粒非常合適應(yīng)用于人工浮島載體上。但是應(yīng)該注意到其是顆粒狀，使用時(shí)必須要考慮其顆粒與顆粒之間的連接問(wèn)題。

4.3 新材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

新材料的發(fā)明與轉(zhuǎn)化都能夠推動(dòng)相關(guān)行業(yè)的革新，水處理行業(yè)也不例外。近些年來(lái)，納米材料、光催化氧化材料、石墨烯等越來(lái)越多地應(yīng)用在水處理的各個(gè)環(huán)節(jié)，帶動(dòng)了水處理新技術(shù)的進(jìn)步。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城鎮(zhèn)化速度的加快，因新建和拆除大量建筑物而產(chǎn)生數(shù)目巨大的建筑垃圾，給堆積地周邊水和土地資源帶來(lái)了嚴(yán)重的壓力。利用建筑垃圾制備再生混凝土可以減少垃圾堆積對(duì)環(huán)境不利的影響，亦可以實(shí)現(xiàn)建筑垃圾資源化，是當(dāng)今節(jié)能減排的重要方向。并且再生混凝土以其各種優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到各界的青睞。其廣泛應(yīng)用于社會(huì)建設(shè)的各個(gè)行業(yè)和環(huán)節(jié)，在水處理領(lǐng)域也有應(yīng)用。但其一般用于水處理構(gòu)筑物，如北京昌平亭子莊污水處理池的墻和頂板便為再生混凝土制成[19]。但在生態(tài)浮島的載體中應(yīng)用鮮有報(bào)道。

5 展望

植物根莖類(lèi)加工簡(jiǎn)單，材料來(lái)源廣泛，對(duì)環(huán)境友好，但是因其耐久性不好，故在實(shí)際人工浮島載體制作中不能大規(guī)模使用；有機(jī)高分子材料較于其它的材料具有良好的耐久性，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、可模性?xún)?yōu)良，故其在實(shí)際使用中占到了主導(dǎo)地位，但它存在與之相伴的“白色污染”和“微塑料”問(wèn)題；而無(wú)機(jī)材料雖然也具有良好的耐久性，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但是由于其制作工藝和成本的因素，在實(shí)際的人工浮島載體中使用得少。隨著海綿城市建設(shè)以及農(nóng)村環(huán)境整治工作的推進(jìn)，越來(lái)越多的生態(tài)處理工藝(包括浮島技術(shù))以其高效、低成本，關(guān)鍵是可以與生態(tài)環(huán)境有機(jī)融合，得到了更多推廣和應(yīng)用。因此，亟需改進(jìn)或開(kāi)發(fā)出一種新型浮島載體材料，使其具有良好的涉水性能、耐久性、可模性等，并且不會(huì)產(chǎn)生新的污染問(wèn)題，使其在水環(huán)境治理中發(fā)揮更大的作用。