应用生物浮岛技术修复下沙地区富营养化水体的研究

摘 要：针对下沙地区富营养化水体修复不完善的现状，基于水体原位修复的理念，设计了太阳能、风能生物浮岛成套设备，以太阳能、风能等为能源，利用空气泵对水体进行造流充氧，结合复合生态浮岛进行水质净化，实现原位采能供电、原位供氧和原位高效生物降解。

关键词：下沙地区 富营养化 生物浮岛技术 水体修复

中图分类号：X171.3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）05（b）-0008-02

富营养化是由于人类活动的生活污水、工业废水、以及含氮、磷等营养物质的水，进入缓流水域后，促使水体中许多大型绿色植物和微型藻类旺盛生长、繁殖，使水体向生产力水平较高的营养状态转化的过程。水体富营养化是自养生物（浮游藻类）在水体中建立优势的过程，包含着一系列生物、化学和物理的变化，与水体的化学性质、物理性状，底质，以及气候、地理等众多因素有关。从上个世纪中叶，全球出现海洋和淡水水体富营养化不断加剧之势，水体富营养化已成为人类普遍关注的水质污染问题。水体富营养化使许多湖泊、水库成为主要环境问题，严重的妨碍了水体利用，造成了环境和经济的重大损失。目前富营养化水污染处理技术的研究认为人工湿地、生物浮岛等生物等处理技术，通过原位构建水生植物体系，利用植物根系的吸附、吸收作用，削减水中的氮、磷等营养物质，从而达到净水效果，具有无二次污染，且兼具景观美化作用的特点，是目前富营养化水体主流修复措施[1]。

下沙高教园区地处杭州的东北，是近十年发展起来的新城区。杭州的平均降雨量约在1100～1600 mm之间。全年有两个雨季和一个多雨时段。3～4月为一多雨时段，称春雨期；5月初至6月上底为一个雨季；8月底到9月底为第二个雨季。占全年降雨总量的65%左右。杭州的年平均蒸发量为1150～1400 mm，全年以6～8月为最大，约占总蒸发量的50%。从整体来看，区内水域基本上是自成平衡体系。区内的几条小河流均为四、五级河道，主要功能为排洪。区域内部和四周有人工修建的河道，道路敷设雨水管道，收集路面雨水就近排入河道。外界污染物的大量输入与底泥营养物的内源释放所共同引起的生态退化，水质变差，面临的严重的水环境问题。由于水置分散、水质复杂、源头多，不能采用收集集中处理的方法，同时也不可能投入巨大的水体处理资金。利用生物浮岛技术修复具有投入少、运行费用低、应用规模可灵活变动、无二次污染等优点，非常适合这类小型开发区富营养化水体的处理[2]。

1 生物浮岛技术的基本原理

生物浮岛技术是一种快速发展的原位水处理方法。主要的思路是通过提高微生物降解功能，加强水生植物吸收作用，促进二者之间的协同作用，实现水体原位高效生物降解[3]。

生物浮岛系统的工作原理是先通过投加填料，加大微生物附着面积，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，加强多菌种协同作用，高效降解氮、磷等营养物质；进一步构建植物与微生物的复合生物体系；从而改善微生物生长环境，一方面人工曝气提高水体溶氧量，增强微生物代谢；另一方面利用人工造流，加快水体传质，从而实现高效的原位生物降解。

具体实现是由浮床单元拼接、组合而成。浮床单元内部种植水生植物，水下增加填料并接种特效氮、磷处理菌，整体环绕于曝气造流系统。在植物和微生物的共同作用下，实现水体修复目的。

对水体进行曝气是改善微生物生长环境、提高降解效率的必不可缺的步骤。由于常用的机械曝气存在设备能耗高、充氧效率低、运行存在安全隐患等不足，可考虑在充分利用水体自身藻类光合作用复氧和大气复氧前提下，改变曝气充氧模式，提高充氧效率，控制充氧时间，实现低能耗供氧。同时改变单一曝气充氧方式，利用直接曝气制造循环流，在直接曝气的基础上，搅动水流，提高液面更新速率，提高充氧效率。根据水体中溶解氧自然变化规律，控制人工充氧时间，从而实现原位低能耗高效供氧[4]。

2 原位能源供给

能源消耗是影响水体处理工程成本的重要因素。能耗高，成本和运行费用制约了水污染治理体系不能长期工作。开发无污染，少投入的能源是解决治污的关键。近年来太阳能等绿色能源应用快速发展，利用太阳能光伏发电供给能源是非常适合下沙高教园区的水体处理。杭州市年平均太阳总辐射量在420～460 kJ/cm2之间，日照时数1800～2100 h。大部分自然水体表面光照条件充分，水域开阔，阳光照射条件良好，通过悬浮载体将太阳能发电系统利用于设备当中，无需外界能源输入，在能源自给的同时实现水体修复的目标，节能降耗，消除污染[5]。

在富营养化水体中，藻类含量较高，其光合作用释放出氧气，供菌种降解有机物，是一种太阳能的自然生物利用方式。如果能充分利用水体原位生态修复功能和藻类的充氧功能，构建以原位太阳能发电与原位生物修复相结合的一体化水体修复设备，将突破现有富营养化水体处理技术屏障，为浅层水体修复和日常维护提供新型有效的技术手段，具有广泛的市场应用前景。

另外风力发电作为一种重要的可再生能源形式，越来越受到人们的广泛关注。由于风电设备制造技术的日益成熟和风电价格的逐步降低，近些年来，无论是在发达国家还是在发展中国家都在大力发展风力发电。近30年来风电场并网容量发展最为迅猛，对常规电力系统的运行造成的影响明显增大。杭州市大部分地区年平均风速在1.3～2.4 m/s，下沙地处杭州东北部平原，位于钱塘江两岸的滨海平原，年平均风速超过3 m/s。这种风速适宜小型风力发电的风能，很好解决了地区无电、缺电的困难，特别是弥补了阴雨、无阳光时太阳能发电不能工作的不足[6]。

3 修复体系设计方案

以下简介利用太阳能、风能进行生物浮岛技术修复富营养化水体整体结构设计方案。根据太阳的花形状，曝气造流系统的浮床为结构主体，浮床采用双曲面球体构型，上承太阳能电池板，内置蓄电池和空气泵等所有配套设备，下方以丝杆连接悬挂导流装置，周围环绕生物浮岛单元，曝气盘通过管道连接固定在导流装置内部[6]。

生物浮岛系统由浮床单元拼接、组合而成，浮床单元内部种植水生植物，水下增加填料并接种特效氮、磷处理菌，整体环绕于曝气造流系统，通过植物和微生物的共同作用，实现水体修复目的。

曝气造流系统由空气泵、曝气盘、悬浮载体和导流装置四部分组成。空气泵压缩的空气通过导气管进入曝气盘，再以微小气泡的形式释放到深层水体中，并与其混合，增加水体溶氧；水气混合后的液体因密度减小而在导流筒内垂直上升到达浅层水体，同时，深层水体因导流筒内的压力较小而被不断吸入到导流筒内，形成一个以压力差为动力的循环流，实现水体最大效率供氧。

光照充足的白天，太阳能电池板通过控制器向蓄电池供电，夜间蓄电池放电带动空气泵工作；利用时间控制开关控制空气泵的工作状态；空气泵的工作时间初步可考虑安排在午夜至凌晨连续6小时。阴雨天气，太阳能控制器直接控制蓄电池充放电，保证蓄电池提供空气泵18小时工作能力。同时小型风力发电系统产生辅助作用，保证修复体系的正常用电[7]。

4 水体修复效果实验分析

在实验区域采用太阳能、风能生物浮岛修复系统运行（白天充电，夜间供氧6小时），测定实验区域的溶解氧平均值A与对照区域溶解氧平均值B的变化连续，溶解氧采用在线溶解氧仪及碘量法]测定。试验数据表明，在富营养化水体中存在着水体溶解氧昼夜变化幅度大的特点，昼间溶解氧变化并不完全符合富营养化水体溶氧规律变化，昼间溶氧会达到高点，但是夜间溶氧并不会降低到预计低点。各项水质指标均已经达到富营养化的状况，水体夜间的耗氧量低，可能是由于底泥含量低、悬浮微生物少、水体微生物活动较弱的原因[8]。

通过相同条件下对水溶氧变化与微生物量的关系的实验，可知夜间水中溶解氧持续下降，日出前达到最低值5.8 mg/L。开始曝气后，溶解氧浓度上升，能在日出前补充到最低值7.4 mg/L。

生物浮岛的水体修复主要通过以下几个方面实现：设备直接曝气充氧促进好氧微生物代谢，加快水体有机污染物降解速率；设备曝气形成环流，加快水体液面更新速率，提高大气复氧效率；浮岛植物根系吸收水体内营养物质，拦截固体颗粒、沉降胶体物质，提高净化效果；浮岛中的生物填料，通过富集微生物，提高水体中的微生物数量和降解能力；曝气形成的环流，有利于净化后水体与污染水体的交换，扩大设备有效的净化面积。

如此构建立体式的生物体系，使富营养化水体在植物、微生物的协同作用下，通过太阳能、风能供电强化曝气和水体循环，实现富营养化水体的快速修复[9]。

5 结论

基于水体原位修复的理念，通过组合太阳能、风能等低能耗充氧和高效生物降解措施，构建了一体化的立体式生物处理设备。对于改善水环境课题，本文提出使用太阳能、风能等绿色能源取代其他能源；应用植物、微生物反应代替化学方法的大量化学药剂，实现零成本运行、无二次污染，与水体和谐共处，有着明显经济优势和社会效益。

参考文献

[1] 金相灿，屠清瑛.湖泊富营养化调查规范[M].2版.北京：中国环境科学出版社，1987.

[2] 国家环境保护总局.水和废水监测标准方法[M].4版.北京：中国环境科学出版社，2002.

[3] 李英杰，金相灿，年跃刚，等.人工浮岛技术及其应用[J].水处理技术，2007，33（10）：49-51.

[4] 马风有，李强，邓辅商.人工浮岛载体设计研究[J].中国农村水利水电，2007（5）：85-87.

[5] 赵祥华，田军.人工浮岛技术在云南湖泊治理中的意义及技术研究[J].云南环境科学，2005，24（A1）：130-132.

[6] 马蕊，林英，牛翠娟.淡水水域富营养化及其治理[J].生物学通报，2003，38（11）：22-26.

[7] 李家就，钱望新.富营养化湖泊水源生物预处理研究[J].中国给水排水，1992，8（2）：4-7.

[8] 唐林森.湖北农村地区富营养化水体的人上生态浮岛技术修复研究[D].长江科学院硕士学位论文，2008.

[9] 唐林森，陈进，黄茁.人工生物浮岛在富营养化水体治理中的应用[J].长江科学学院院报，2008，25（1）：19-24.