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吴黎明可持续利用生物浮床水质改善技术的开发研究 可持续利用生物浮床水质改善技术的开发研究 摘要 生物浮床技术作为一项传统的富营养化水体水质改善技术，具有无环境风险 和二次污染，可以直接从水体中去除污染物、充分利用水面而无需占用土地、适 应较宽的水深范围、造价低廉且运行管理相对容易等优点，有着广阔的应用前景。 本文引种了两种耐寒的生物浮床植物黄菖蒲和西伯利亚鸢尾，并用水生 美人蕉作为对比，进行水质改善研究。论文主要内容包括：( 1 ) 生物浮床的种植 方式开发研究；( 2 ) 浮床植物的水质改善效果对比研究；( 3 ) 浮床植物对水体有 机污染物和酸碱性的适应能力；( 4 ) 浮床植物的生长特性和种植管理。 在生物浮床的种植方式上本研究开发了经久耐用的淹没式组合生态浮床种植 装置，淹没式组合生态浮床种植装置由浮体、种植篮、浮床植物、种植篮填料、 人工水草和固定装置组成。浮体由浮板和上凸浮块组成，浮板提供的浮力略小于 浮板、种植篮、种植篮填充料、人工水草在水中的重量之和，浮板和上凸浮块提 供的浮力应大于浮板、种植篮、种植篮填充料、人工水草、上凸浮块在水中的总 重量与浮床植物重量的1 5 倍之和，保证浮板淹没于水中，消除浮床的白色污染 和人工痕迹，形成浮床植物犹如从水中穿出的自然景观。浮板和上凸浮块采用泡 沫塑料配置加强筋的复合材料，提高了强度和耐久性，制作简单便宜。种植篮加 填料的种植方式使种植可靠，填料上附着生物膜能降解水中氮和有机污染物。利 用维纶丝制作人工水草，改变传统中心放射式的排列方式，采用平行式排列方式 嵌固维纶丝，这样能提高维纶丝的分散度和均匀性，减少维纶丝的相互缠绕，提 高维纶丝悬挂密度，有利于生物膜的生长附着。 黄菖蒲全年水质改善时间共8 个月( 4 1 1 月) ，西伯利亚鸢尾全年水质改善时 2 扬州大学硕士学位论文 间1 1 个月( 2 1 2 月) ，而全国普遍采用的美人蕉全年水质改善时间为5 个月( 7 1 1 月) 。浮床植物和人工水草对t p 的平均去除速率为黄菖蒲( 8 6 9 2 r a g ( m 2 d ) ) 美人 蕉( 3 6 6 0 r a g ( m 2 d ) ) 人工水草( 3 3 9 1 m g ( m 2 d ) ) 西伯利亚鸢尾( 2 4 9 l i n g ( m 2 d ) ) 。 全年去除总量为黄菖蒲( 2 1 2 0 7 6 4 m g ( m 2 y ) ) 人工水草( 1 2 3 7 6 8 0 r a g ( m 2 y ) ) 西伯利亚鸢尾( 8 3 1 8 9 3 r a g ( m 2 y ) ) 美人蕉( 5 5 9 9 1 7 r a g ( m 2 y ) ) 。浮床植物和人 工水草对t n 的平均去除速率为黄菖蒲( 7 6 3 7 9 m g ( m 2 d ) ) 美人蕉( 3 8 4 0 4 m g ( m 2 d ) ) 西伯利亚鸢尾( 3 0 1 8 1 m g ( m 2 d ) ) 人工水草( 2 2 1 1 6 r a g ( m 2 d ) ) 。全年去除总量 为黄菖蒲( 18 6 3 6 5 7 8 m g ( m 2 y ) ) 西伯利亚鸢尾( 1 0 0 8 0 5 4 3 m g ( m 2 y ) ) 人工水 草( 8 0 7 2 4 8 2 r a g ( m 2 y ) ) 美人蕉( 5 8 7 5 8 6 9 r a g ( m 2 y ) ) 。 三种浮床植物黄菖蒲、美人蕉、西伯利亚鸢尾水上部分对t p 、t n 的吸收量 分别占黄菖蒲、美人蕉、西伯利亚鸢尾人工浮床系统去除量的4 4 7 9 、3 8 1 7 、 2 1 2 8 和3 1 0 1 、2 3 6 6 、1 2 8 9 ；水下部分对t p 、t n 的吸收量分别占黄菖 蒲、美人蕉、西伯利亚鸢尾人工浮床系统去除量的6 0 2 、2 5 1 、o 2 6 和3 6 8 、1 3 4 、o 1 9 。因此，浮床系统中植物吸收在富营养化水体中氮磷的去除发 挥了重要的作用，植物的氮磷积累量主要集中在植物的水上部分，所以通对植物 水上部分的收割，可以去除水中大部分的n 、p 。 黄菖蒲对水体有机污染物和酸碱性具有较强的适应能力，能在c o d m 畦 c a n n ai n d i c a ( 3 6 6 0 m g ( m 2 d ) a r t i f i c i a lp l a n t ( 3 3 9 1 m g ( m 2 d ) ) s i b e r i a ni r i s ( 2 4 9 1 m g ( m 2 d ) ) t h ea n n u a lr e m o v eg r o s s e s o ft pw e r ei nt h ef o l l o w i n go r d e r ：i r i sp s e u d a c o r u sl ( 2 1 2 0 7 6 4 m g ( m z y ) ) a r t i f i c i a lp l a n t ( 1 2 3 7 6 8 0 r a g ( m 2 y ) ) s i b e r i a ni r i s ( 8 3 1 8 9 3 m g ( m 2 y ) ) c a n n a i n d i c a ( 5 5 9 9 17 m g ( m 2 y ) ) t h e i ra v e r a g er e m o v a lr a t e so f t nw e r ei nt h ef o l l o w i n g o r d e r ：i r i sp s e u d a c o r u sl ( 7 6 3 7 9 m g ( m 2 d ) ) c a n n ai n d i c a ( 3 8 4 0 4 m g ( m 2 d ) ) ， s i b e r i a ni r i s ( 3 0 1 8 1 m g ( m 2 d ) ) a r t i f i c i a lp l a n t ( 2 2 1 1 6 m g ( m 2 d ) ) t h ea n n u a l r e m o v eg r o s s e so ft nw e r ei nt h ef o l l o w i n go r d e r ：i r i sp s e u d a c o r u sl 18 6 3 6 5 7 8 m g ( m 2 y ) s i b e r i a ni r i s ( 1 0 0 8 0 5 4 3 m g ( m 2 y ) a r t i f i c i a lp l a n t ( 8 0 7 2 4 8 2 m g ( m 2 y ) ) ， a n dc a n n ai n d i c a ( 5 8 7 5 8 6 9 m g ( m e y ) ) t h ea b s o r p t i o no ft p , t nw i t ht h ea b o v e w a t e ro fi r i sps e u d a c o r u sl ，c a n n a i n d i c aa n ds i b e r i a ni r i st oo c c u p ys y s t e mo f r e m o v i n g p r o p o r t i o na r e4 4 7 9 ，3 1 0 1 ， 3 8 1 7 a n d2 3 6 6 ，2 1 2 8 ，1 2 8 9 r e s p e c t i v e l y t h ea b s o r p t i o no ft p , t nw i t h t h eu n d e r w a t e ro fi r i sp s e u d a c o r u sl ，c a n n ai n d i c aa n ds i b e r i a ni r i st oo c c u p y s y s t e mo fr e m o v i n gp r o p o r t i o na r e6 0 2 ，3 6 8 ，2 5 1 a n d1 3 4 ，0 2 6 ，o 1 9 r e s p e c t i v e l y t h e r e f o r e ，f l o a t i n gb e dp l a n t sp l a yai m p o r t a n tr o l ei nr e m o v en i t r o g e n a n dp h o s p h o r u si ne u t r o p h i cw a t e r t h i ss t u d ys h o w st h a tn i t r o g e na n dp h o s p h o r u $ m a i n l ya c c u m u l a t i o ni np l a n t s a b o v e w a t e rp a r t ，s ow ec a nr e m o v em o s to fn i t r o g e n a n dp h o s p h o r u si nw a t e rt h r o u g h r e a p i n gp l a n t s a b o v e w a t e rp a r t i r i sp s e u d a c o r u slh a st h es t r o n g e ra d a p ta b i l i t yo fo r g a n i cp o l l u t a n t sa n dp h v a l u ei nw a t e r , i r i sp s e u d a c o m slc o u l dg r o ww h e nc o d m n _ 4 0 m g la n d5 茎，含p 量茎 根 叶。不同生长时间水芹 n 、p 含量及吸收速率不同：随着水芹的生长，组织内n 、p 含量逐渐降低，n 的吸 收速率总趋势为6 0 - - - 8 0 d 3 5 - - 6 0 d 1 - 3 5 d ，p 的吸收速率趋势为3 5 - 6 0 d l 3 5 d 6 0 - - 8 0 d 。而随着水芹的生长吸收n 、p 的总量却在逐渐增加，吸收n 的总量 j k l 7 6 9 卧n 2 增加到6 1 6 6 9 m 2 ，吸收p 的总量从4 9 9g m 2 增加到1 3 5 5g m 2 ，这主要 取决于自身的生物量和n 、p 的含量。水芹对n 、p 的积累主要集中在上部，分占 n 、p 吸收总量的9 2 2 , - - - - 9 3 4 、9 2 5 - - 一9 3 1 。水芹生长3 5 、6 0 、8 0 d 时，吸 收n 量占系统t n 去除量的比率分别为4 5 0 、6 0 6 和6 8 7 ，水芹对p 的吸收量分别 占系统去除p 总量的1 8 5 3 、2 6 8 2 、2 2 0 0 。水芹对n 、p 的吸收仅是微曝气生 物浮床净化系统除n 、p 的一个途径，但水芹根际微生物的作用不可忽视。 生物浮床技术今后的发展方向除了新型浮床材料的开发外，主要在浮床技术 和其他技术的组合上： ( 1 ) 生物浮床和削减波浪设备的组合：生物浮床目前主要应用在水动力较小 的区域。风浪、流速太大对浮床的连接、固定、床体稳定性要求很高，将直接导 致建造费用的上升。因此在风浪较大的区域，如广阔的湖面，可以结合削减波浪 的技术如消浪栅、消浪排等，营造局部平静的环境，缓解水流、风浪对浮床的冲 击，保证浮床的稳定性。 ( 2 ) 生物浮床和填料、曝气等技术的组合：生物浮床主要利用植物吸收和根 系微生物降解，处理污染，相对效率较低。因此最近设计的浮床增加了填料、曝 气、生物技术。利用生物浮床的框架，在其下方架设填料，形成新的填料浮床。 微生物逐渐在填料上形成数量可观的生物膜，可以明显提高水体污染的去除率。 浮床增加曝气过程，能提高水体溶解氧的含量，降解水体中耗氧物质。这些技术 与浮床技术的整合，能明显提高整个浮床的处理效率。 1 3 生物浮床技术应用中存在问题与本课题的提出 1 3 1 生物浮床技术应用中存在问题 吴黎明可持续利用生物浮床水质改善技术的开发研究 目前，生物浮床技术还没有作为一种成熟的技术被广泛应用，主要存在以下 一些问题，主要是可持续性应用方面存在问题： ( 1 ) 种植方式过于简易，耐久性不够。目前主要以泡沫塑料板为载体，在其 上开孔，用软性材料包裹植物塞入种植孔中。由于泡沫板强度低，易破碎，难以 重复利用。植物直接塞入种植孔，容易倒伏。也有些浮床采用竹、木质浮体，均 存在腐烂问题。 ( 2 ) 浮床植物难以越冬，种植管理工作量大，难以持续利用。目前主要的浮 床植物美人蕉在5 以下难以成活，不能越冬。因此，这种生物浮床每年需要更 换，工作量大。 ( 3 ) 生物浮床的人工痕迹太重，破坏了水体的自然景观，尤其在城市水体中 影响美观。白色的泡沫塑料浮板是一种白色污染，尽管它自身并不污染水体，但 景观上很不协调，难以被市民接受。有些浮床采用空心塑料桶、轮胎等作为浮体， 还有些立体浮床甚至在浮床上安装了莲蓬头喷水装置，工程化痕迹太重，景观效 果差。 1 3 2 本课题拟解决的关键问题 ( 1 ) 开发可持续利用的生物浮床种植方式。开发强度高，耐久性好，经济适 用的浮体材料、种植材料。 ( 2 ) 引种可持续利用的生物浮床植物。引种能越冬、水质改善效果好、管理 工作量小的植物，以利于生物浮床技术的推广应用。 ( 3 ) 改善生物浮床的景观效果，消除浮体对生物浮床生态效果的影响。 ( 4 ) 开发分散度好，生物量大的人工水草，形成可持续利用生物浮床人工 水草组合水质改善技术。 1 3 - 3 本课题的研究方法 2 4 扬州大学硕士学位论文 采用收集资料、理论分析、结构开发、中试实验、示范工程建设与测试的研 究技术路线。 i 上 1 l l 浮床植物初选 浮体材料选择、结构设计 ! i 上 i l l 植物种植i 古i 定力式优化 l j i i 生物浮床水质改善中试 i l 一 l 长浮水理浮 i特床 质与床 l 性植 改 熟 l 物 盖 l 生 效 理 果 i 生管 l lli i j r i 浮床植物综合评价与选择 i l 一一一一 g l li i i i i _ i i i i _ i l l li i i r k i 。一一。一1 占上 i 自然水草形态特征分析接触氧化填料改进l 1r、r 人工水草结构型式 1r 人工水草制作工艺 r 人工水草水质改善中试 生物浮床殁人工水草水质改善技术 _ - - - 吴黎明可持续利用生物浮床水质改善技术的开发研究 2 生物浮床的种植方式研究 生物浮床的种植方式是指如何将植物种植到水面的方法。目前常用的方法是， 用泡沫塑料板作为浮体，用竹片或木条进行适当加固。根据植物体的大小选用合 适的间距和孔径在泡沫板上打孔，每孔扦插或隔孔扦插。用海绵包裹在植株茎基 部作基垫，插入泡沫板的小孔中。将栽培好植物的泡沫板放入水体，用软绳将泡 沫板浮床单元连接起来。浮床整体组装完成后，四周固定于木桩、岸边或沉于水 底的重物上，浮床即构建完成。这种种植方式过于简易，耐久性差，泡沫浮体的 强度低，容易破碎折断；植物靠海绵挤塞在泡沫板孔洞中，不牢固，植物容易倒 伏；泡沫板露出水面，造成白色视觉污染，人工痕迹太重，景观效果差。 因此本研究在开发生物浮床种植方式时考虑以下原则： 1 ) 浮体要有一定的强度和耐久性； 2 ) 种植牢固可靠； 3 ) 消除白色污染和人工痕迹，改善生态景观效果； 4 ) 制作简单，种植适用方便，经济合理。 按照以上原则开发了淹没式组合生态浮床水质改善装置。目前已申报国家发 明专利。 2 1 淹没式组合生态浮床水质改善装置的组成 淹没式组合生态浮床水质改善装置是一种可持续利用、景观协调的组合生态 浮床水质改善装置，淹没式组合生态浮床水质改善装置如图2 1 所示，包括配筋 浮板及上凸浮块、种植篮、浮床植物、种植篮填料、人工水草和固定装置。上凸 浮块固定于浮板上方，种植篮搁置于浮板的种植篮孔中，种植篮填料放置于种植 篮内，浮床植物种植于种植篮填料中，人工水草悬挂在浮板下方。其特点是，浮 板完全淹没后提供的浮力略小于浮板、种植篮、种植篮填充料、人工水草在水中 的重量之和，保证浮板淹没于水中，浮板和上凸浮块均淹没后，两者提供的总浮 2 6 扬州大学硕士学位论文 力应大于浮板、种植篮、种植篮填充料、人工水草、上凸浮块在水中的总重量与 浮床植物重量的1 5 倍之和，保证上凸浮体露出水面。植物种植后，浮板淹没于 水中，上凸浮块露出水，上凸浮块设计成仿生形态。本装置将绝大部分浮体淹没 于水中，消除了浮床的白色污染和人工痕迹，形成浮床植物犹如从水中穿出的自 然景观，改善了景观效果。 图2 1 淹没式组合生态浮床水质改善装置总图 1 浮板，2 种植篮，3 浮床植物，禾上凸浮体，5 浮板加强筋，6 浮 板连接榫头，7 种植篮填充料，8 人工水草 吴黎明可持续利用生物浮床水质改善技术的开发研究 2 2 淹没式组合生态浮床水质改善装置的构造 2 2 1 浮体 浮体用于提供浮力，支承所有结构材料和植物在水中的重量。因此，浮体材 料应选择重量轻、有一定的结构强度、制作简单经济的材料。泡沫塑料重量轻、 价格低、制作简单，但强度低。有的研究者采用空心塑料做浮体，但价格高，制 作复杂，耐久性差。 本研究将两者结合起来，采用泡沫板内配置高强度的加强筋的复合材料，如 图2 2 所示。加强筋采用玻璃钢、p e 塑料、a b s 等强度高、耐久性好的材料压制 成网格，横断面为矩形。塑料泡沫板浇注时，直接将加强筋网格浇注于其中。为 了提高泡沫塑料板的耐久性，要求泡沫板的密度应达到1 8 k g m 3 。上凸浮块也采 用和配筋浮板同样材料。 图2 - 2 浮板结构图 l ，2 ，5 ，6 - 见图2 - 1 ，9 - 种植篮孔，1 0 一浮板连接孔，l l 一插销， 1 2 上榫头1 3 - 上榫头孔，1 4 下榫头，1 5 下榫头孔 在浮板上每隔一定距离开设种植篮孔，用于放置种植篮。种植篮孔的间距根 据植物的不同而不同，黄菖蒲、美人蕉种植篮孔的间距以3 5 5 0 e r a 为宜，西伯利 2 8 扬州大学硕士学位论文 亚鸢尾种植孔间距5 0 c m 为宜。为了便于在种植篮孔之间布置足够多的上凸浮块， 每块浮板上至少应布置三行三列种植篮。 浮板加强筋浇注在浮板内部，设在两排种植篮孔之间和浮板的最外侧，纵横 向均设置。每块浮板内的浮板加强筋至少伸出个浮板连接榫头，其上开有浮板连 接孔，用于浮板的连接固定。从浮板加强筋向上伸出上榫头，其上开有上榫头孔， 用于连接上凸浮块。从浮板加强筋向下伸出下榫头，其上开有下榫头孔，用于悬 挂人工水草。相邻两块浮板的浮板连接榫头侧面紧贴在一起，用插销穿进浮板连 接孔中，将两块浮板连接在一起。插销由铜、铝等金属线材弯折成“兀，形。 上凸浮块由泡沫塑料和加强筋浇注而成，外形为水鸟或竹节等仿生形态，具 体结构见图2 3 ，浮块加强筋向外伸出浮块连接榫头，其上开有浮块连接榫头孑l 。 将浮块加强筋侧面与上榫头紧贴在一起，用插销穿进上榫头孔和浮块连接榫头孔 中，将上凸浮块固定在浮板上。每个独立工作的浮板上应至少固定3 个上凸浮块， 保证整个浮床的平衡性。 图2 3 上凸浮块与浮板连接图 4 ，l l ，1 2 ，1 3 见图2 - 1 和2 2 ，1 6 浮块加强筋，1 7 浮块连接榫头，18 浮块连接榫头孔 2 2 2 种植篮 种植篮结构如图2 - 4 所示，主要为圆柱形。西伯利亚鸢尾由于根横向生长， 种植篮为矩形。种植篮由种植篮竖向篾条、种植篮环向篾条、种植篮底篾条、种 植篮口翻边组成。种植篮由聚乙烯塑料( p e ) 等防腐耐久材料编制或用模具压制 而成。种植篮篾条的缝隙宽度3 - - 1 0 m m ，既防止种植篮填充料漏出，又便于植物 吴黎明可持续利用生物浮床水质改善技术的开发研究 根系伸出种植篮。种植篮体积应具有相当的体积，以利于植物的分蘖繁殖，同时 装填较多的填充料。种植篮口径1 0 - - 2 0 c m ，高度l o 2 0 c m ，种植篮圆柱体的上 口外径比浮板上开设的种植篮孔的直径小1 5 m m 。种植篮口翻边外径比种植篮 孔的直径大l c m 以上，以便搁置在浮板上。 2 9 图2 4 种植篮结构图 2 6 种植篮竖向篾条，2 7 种植篮环向篾条，2 8 种植篮底篾条，2 9 一种植篮口翻边 2 2 3 种植填料 种植篮填料应选择密度轻( 略大于水) 、具有微孑l 、易被微生物附着、不产生 有害的水溶物、对植物无害。优先选用天然的材料，其中含有微量的矿物质，能 为陆生植物提供水中所不具有的营养物质。因此可选择基质材料有砾石、砂子、 蛭石、岩棉、陶粒等种植篮填充料，其粒径5 - - 2 0 m m ，并应不小于种植篮篾条的 缝隙宽度。 砾石基质虽然在无土栽培初期研究阶段做出了很大贡献，但在现阶段无土栽 培生产中并不十分重要，不过他还较为广泛地应用于花卉无土栽培中。沙基质单 独使用一般用于生理方面的研究，用于花卉、草坪无土栽培时通常与其他基质配 合使用。蛭石的吸水能力强，阳离子代换量很高，他能为植物提供理想的根际环 境，在实际生产应用中已经取得了很好的效果，但蛭石易破碎而结构被破坏，一 般使用1 2 次就需要更换。岩棉与蛭石都具有很强的吸水能力，较高的阳离子代 换量，能为植物提供理想的根际环境，在现代蔬菜无土栽培中占有重要的地位， 扬州大学硕士学位论文 岩棉同样也是植物无土栽培的良好基质。陶粒是粘土经高温烧制后形成的具有一 定孔隙度的粒状物质，与砾石、砂子、蛭石、岩棉等基质比较，具有以下特点： ( 1 ) 保水保肥性能良好：陶粒内部孔隙在没有水分时充满空气，当有充足水 分时，吸入一部分水。当根系周围水分不足时，陶粒内的水分通过其表面扩散到 陶粒间的孔隙内，供根系吸收及维持根系周围的空气湿度。 ( 2 ) 保肥能力适中：与水分一样，陶粒也能贮藏养分缓释给根系。 ( 3 ) 化学性质稳定，无污染：陶粒本身无异味，也不释放有害物质，无病虫 害滋生，特别适合室内摆设。 ( 4 ) 形体美观，质量轻，有利搬运。 ( 5 ) 可重复使用，减少浪费。 植物种植篮内填充直径l c m 的陶粒为填料以防植株倒伏，同时陶粒具有质轻 疏松多孔、比表面积大等性质，填料的主要作用是附着微生物，是微生物生长的 载体，为微生物提供栖息和繁殖的稳定环境，其丰富的内表面为微生物提供附着 的表面和内部空间，使反应器尽可能保持较多的微生物量。一般来说，填料比表 面积越大，附着的微生物量越多，可承受的有机负荷也相对较高。 2 2 4 人工水草 用维纶醛化丝制作人工水草，改变传统中心放射式的排列方式，改用平行排 列方式嵌固维纶丝，这样能提高维纶丝的分散度和均匀性，减少维纶丝的相互缠 绕，提高维纶丝悬挂密度，有利于生物膜的生长附着，人工水草如图2 5 所示。 由醛化维纶丝、维纶丝固定框、维纶丝固定轴、维纶丝卡箍组成，维纶丝固定框 和维纶丝固定轴用p v c 材料制作，边长1 5 - - - 2 0 c r n ，厚度4 - - 8 m m 。维纶丝固定 轴直径3 - - - 8 m m ，维纶丝固定轴相互平行，距离8 1 2 e r a 。维纶丝卡箍为开口的 空心圆柱体，其内径与维纶丝固定轴相同，采用塑料、橡胶等具有一定弹性的材 料制成。醛化维纶丝均匀地绕挂在维纶丝固定轴上，维纶丝卡箍从开口处卡套在 维纶丝固定轴上。醛化维纶丝的悬挂长度8 1 2 c m 。尼龙绳穿过维纶丝固定框中 吴黎明可持续利用生物浮床水质改善技术的开发研究 3 l 间的尼龙绳孔，尼龙绳在尼龙绳孔上下侧打结，将人工水草固定在尼龙绳上。尼 龙绳的顶端固定挂钩，挂钩悬挂于下榫头孔中。 人工水草的具体结构见图2 5 。 图2 5 人工水草结构图 1 9 醛化维纶丝，2 0 维纶丝固定框，2 1 维纶丝固定轴，2 2 一维纶丝卡箍，2 3 尼龙绳， 2 4 挂钩，2 5 尼龙绳孔 2 3 淹没式组合生态浮床水质改善装置的设计 2 3 1 平面形状 一般来说每个浮床单体边长可为1 - 5m ，但考虑到搬运、施工及耐久性等因 素，一般大都采用2 - - 3 m 为佳。至于在形状方面，则以四方形最多，但也有三角 形及六边蜂巢型或各种不同形状组合起来的。 本论文研究的淹没式组合生态浮床水质改善装置的浮床载体形状可以为长方 形、椭圆形、圆形等等，见图2 6 。最标准的形状是长方形，本文主要设计长方 形浮板的尺寸。 仓 3 2 扬州大学硕士学位论文 ( b ) ) ；| o io ! ooj o = = = 爿 = 一= ) | o8olooio = 一= 爿 = = = ) o o oo | | o ( e ) 图2 - 6 浮板的形状 吴黎明可持续利用生物浮床水质改善技术的开发研究 3 3 2 3 2 结构材料及尺寸 本文研究的淹没式组合生态浮床水质改善装置由浮板、种植篮、浮床植物、 上凸浮块、种植篮填料和人工水草组成。 浮板为聚乙烯泡沫塑料浇注而成的平板，见图2 7 。在浮板上以3 x 4 的布局 均匀开设直径为2 0 5 c m 的圆形孔，黄菖蒲、美人蕉种植篮孔的间距取为4 0 c m ， 由此可得浮板平面尺寸为1 1 x 1 5 m ，厚度见2 3 3 节浮力计算。浮板内有加强筋， 加强筋由聚乙烯塑料( p e ) 制成的长条，断面高度为3 c m ，厚为1 5 c m ，长和浮 板的长度或宽度相同。 卜- 1 5 0 _ 一4 0 0 + _ 一4 0 0 _ 一4 0 0 一1 5 0 一 r 卜1 5 1 工嗵趁【二二 琵缓易 二二 弦覆缓夏二二二霞琵缓复二二二国 图2 7浮板尺寸图 种植篮为圆柱形，见图2 8 上口外径为2 0 c m ，下口外径为1 5 c m ，高度为1 5 c m ， 浮板上开设的种植篮孔直径比种植篮的口径大5 m m ，为2 0 5 c m 。种植篮口翻边 丁111，l。1。ioo_【1。1。，li上t。=i。寸il。寸l斗。=_1 扬州大学硕士学位论文 外径比种植篮孔直径大1 5 c m ，为2 2 c m 。在种植篮内填充陶粒、蛭石等种植篮填 充料，其粒径5 2 0 m m ，并应不小于种植篮篾条的缝隙宽度。浮床植物种植于种 植篮填充料中。 1 01 0 1 卜2 0 0 一 卜1 5 0 一 图2 - 8 种植篮尺寸图 人工水草横向悬挂于浮板加强筋下端，共有4 条，每条长度与浮板长度相同， 为1 5 米，人工水草具体构造见图2 - 9 ，一串填料总长为l m ，图中p v c 条边长为 1 5 x 1 5 c m ，填料丝长6 c m ，人工水草中维纶丝固定框边长为1 5 c m ，每串人工水草 间间隔2 5 c m ，每条加强筋下端悬挂6 串，一共悬挂2 4 串。 1 0 1 叨 唧闹 唧 唧硼 唧硼咖 啊胴m硼唧m硼唧硼帅唧 册唧硼唧佣帅邢哪硼哪哪 m邢唧册唧册唧 硼唧唧 唧硼硼唧册m硼唧硼m： 卜1 2 5 卜2 5 0 + - 2 5 0 - + 一2 5 0 卜2 5 0 卜2 5 0 斗1 2 5 - 1 图2 - 9 人工水草布置图 r o o n 士 口 罩 o o 舌 工 o 、o 王 tlilooo h i i l l i j 上 吴黎明可持续利用生物浮床水质改善技术的开发研究 3 5 上凸浮块外形做成水鸟、竹节等仿生形态，其材料与浮板相同，内部配有浮 块加强筋，材质与浮板加强筋相同，具体体积计算见2 3 3 节浮力计算，具体尺寸 见图2 1 0 。每个独立工作的浮板上固定4 个上凸浮块，保证整个浮床的平衡性。 2 3 3 浮力计算 图2 1 0 上凸浮块尺寸图 。1 一 o v 、 - l 为了保证浮板在任何情况下均淹没于水中，则浮板完全淹没后提供的浮力略 小于浮板、种植篮、种植篮填充料、人工水草在水中的重量之和，可按浮力等于 浮板、种植篮、种植篮填充料、人工水草在水中重量之和的0 9 5 - - 0 9 9 倍，由此 计算所需的浮板的体积。为了保证浮床在任何情况下能悬浮于水中而不下沉，浮 板和上凸浮块均淹没后，两者提供的总浮力应大于浮板、种植篮、种植篮填充料、 人工水草、上凸浮块在水中的总重量与浮床植物重量的1 5 倍之和，由此计算所 3 6 扬州大学硕士学位论文 需的上凸浮块的总体积o ( 1 ) 浮板的体积 浮板提供的浮力应小于植物刚种植时所有浮床材料在水中的浮重量，即浮力 小于重力，使浮板淹没于水中。 尼( p 略+ p 筋g + 7 咒篮g + 7 咒填g + m 水草g 一咚) = p , g v ( 2 - 1 ) 式中，k - - 0 9 5 0 9 9 ，取0 9 8 ； p 一浮板的密度，聚乙烯泡沫塑料板的密度为1 8 k g m 3 ； v 一提供浮力的浮板的有效体积，m 3 ； g 一重力加速度，9 8 n k g ； 一浮板加强筋的密度，浮板加强筋的材料为聚乙烯塑料( p e ) ，密度接 近1 0 3k g m 3 ； 一浮板加强筋的体积，m 3 ； 一种植篮的质量，k g ； 聊填种植篮填充料的质量，k g ； m * * - - x m t g g l n 贡n ，k g ； 珞一浮板、浮板加强筋、种植篮、种植篮填充料、人工水草淹没于水中 时提供的浮力，n ； 像一水的密度，1 0 3k g m 3 。 其中，浮板加强筋共有9 根，横向为4 根，长和浮板的长度相同，为1 5 m ， 纵向为5 根，长和浮板的宽度相同，为1 1 m 。浮板加强筋宽为3 c m ，厚为1 5 c m ， 总的体积埯_ o 0 0 5 3 5 5m 3 。 每个种植篮的质量为1 5 0 9 ，1 2 个种植篮的质量聊篮2 1 8 k g 。 每个种植篮中的填充料陶粒的质量为3 l o o g ，1 2 个种植篮里填充料陶粒的总 吴黎明可持续利用生物浮床水质改善技术的开发研究 3 7 质量朋篮2 3 7 2 k g 。 每串人工水草的质量为7 1 5 9 ，2 4 串人工水草的质量m 水草= 1 7 1 6 k g 。 浮板加强筋、种植篮、种植篮填充料、人工水草的浮力为它们在水体中的体 积与水的密度、重力加速度的乘积，略= 4 7 5 3 9 n 。 代入( 2 1 ) 计算可得v = 0 0 1 3 m 3 ，这个体积只是提供浮力的浮板的有效体积， 同时在板内种植篮周围均匀开设直径为8 c m 的圆形孔洞，具体布置见图2 1 l ，这 样可以减小浮板有效面积，增加厚度。 ( + 氟) 办+ 1 ，+ = s h ( 2 2 ) 式中，- 一种植篮孔的面积，m ? ； 一除种植篮外的孔洞的面积，m ? ； 办一浮板的厚度，m l s 一浮板和种植篮孔的总面积，i n 2 。 其中= o 3 9 5 91 1 1 2 ，= o 7 2 3 5 m 2 ，v = 0 0 1 3m 3 ，= o 0 0 5 3 5 5 m 3 ， s = 1 6 5 i n 2 ，根据式( 2 2 ) 可得h = o 0 3 5 m ，即3 5 c m 。 浮板的平面尺寸为1 1 x 1 5 m ，厚度为3 5 c r n 。 3 8 扬少1 4 大学硕士学位论文 图2 1 1 浮板孔洞布置图 。工 o o + o o + o o 立 ( 2 ) 上凸浮块的体积 浮板和上凸浮块均淹没后，两者提供的总浮力应大于浮板、种植篮、种植篮 填充料、人工水草、上凸浮块在水中的总重量与浮床植物重量的1 5 倍之和，保 证上凸浮体露出水面，由此计算所需的上凸浮块的总体积。 p ( v + v a ) g + 尸裔埯g + ，竹篮g + m 填g + m 水草g 一珞+ 1 5 ，咒植g = p 才( g ( v + 坫) ( 2 3 ) 式中，坫一上凸浮块的体积，m 3 5 聊植一黄菖蒲的质量( 湿重) ，k g 。 实测的单位面积黄菖蒲质量为1 2 4 9 k g m 2 ，即本设计面积为1 1 x 1 5 m 的浮 板上植物最大重量为m 植2 2 0 6 2 k g ，根据式( 2 3 ) 可计算得坫3 0 0 3 18 m 3 。 上凸浮块的总体积为0 0 3 1 8 m 3 ，总共有4 个_ k d h 浮块，每个上凸浮块的体积 为o 0 0 8 m 3 。 t。寸上 吴黎明可持续利用生物浮床水质改善技术的开发研究 3 9 2 4 小结 针对目前生物浮床常用的种植方式所存在的问题，本文研究开发了淹没式组 合生态浮床水质改善装置，淹没式组合生态浮床水质改善装置是一种可持续利用、 景观协调的组合生态浮床水质改善装置，包括配筋浮板及上凸浮块、种植篮、浮 床植物、种植篮填料、人工水草和固定装置。浮体由浮板和上凸浮块组成，浮板 提供的浮力略小于浮板、种植篮、种植篮填充料、人工水草在水中重量之和，浮 板和上凸浮块提供的浮力应大于浮板、种植篮、种植篮填充料、人工水草、上凸 浮块在水中的总重量与浮床植物重量的1 5 倍之和，保证浮板淹没于水中，上凸浮 块做成水鸟、竹节等仿生形态，消除浮床的白色污染和人工痕迹，形成浮床植物 犹如从水中穿出的自然景观的景观。 配筋泡沫塑料浮板由聚乙烯泡沫塑料板和加强筋浇注而成，将聚乙烯、玻璃 钢等耐久防腐材料制成长条形加强筋，浇注在泡沫塑料板内，提高泡沫塑料板的 强度和耐久性。泡沫塑料板价格低廉、制作简便，配筋法以简便易行的方法克服 了泡沫塑料板强度低的缺点。在配筋浮板上开孔，孔中搁置圆柱形种植篮，篮内 填充陶粒、蛭石等填充料，在填充料内载种浮床植物。植物根系盘固在种植填料 上，再伸入水体。由于填充料的固定作用，防止了植物的倒伏，同时填充料是微 生物的载体，其上生长的生物膜能降解水中的氮和有机污染物。浮床植物选择黄 菖蒲、西伯利亚鸢尾等耐寒、能越冬的植物，配合经久耐用的配筋浮体，可实现 生态浮床的可持续利用。在配筋泡沫塑料浮体的下方悬挂人工水草，作为微生物 的载体，提高生态浮床的微生物量，降解水中的有机污染物。人工水草由醛化维 纶丝和固定框架组成，固定维纶丝的框架条为平行式，改变了以往固定维纶丝的 框架呈中心放射式的排列结构，避免了维纶丝相互缠绕，提高了维纶丝的分散度 和均匀性。 本研究与现有技术相比还具有以下有益功效： ( 1 ) 采用上凸浮块和浮板组合浮体，浮板淹没水中，上凸浮块露出水面，并 扬州大学硕士学位论文 将上凸浮块设计成仿生形态，将绝大部分浮体淹没于水中，消除了浮床的白色污 染和人工痕迹，形成浮床植物犹如从水中穿出的自然景观，改善了景观效果。 ( 2 ) 在聚乙烯泡沫塑料板内配置加强筋，以低廉、简便的方法提高了聚乙烯 泡沫板的强度，配合以黄菖蒲、西伯利亚鸢尾等耐寒、水质改善效果好的多年生 植物，只需在每年冬季收割植物的茎叶，管理工作量小，实现了生态浮床的可持 续利用。 ( 3 ) 采用种植篮加填充料的种植方法，提高了种植的可靠性。同时，填充料 可成为微生物载体，在其表面和内部孔隙内生长微生物膜，能降解水中氮和有机 污染物。 ( 4 ) 采用平行排列的醛化维纶丝人工水草，改变了中心放射式的传统排列方 式，避免了维纶丝的相互缠绕，提高了维纶丝的分散度和均匀性，有利于生物膜 的生长附着。 吴黎明可持续利用生物浮床水质改善技术的开发研究 4 l 3 新型浮床植物引种及其水质改善效果 3 1 浮床植物的初选 浮床植物初选时应考虑的因素包括：水质改善能力、水景观效果、耐污及生 存能力、栽培方法、后续处置方法。浮床植物的水质改善作用主要包括两方面， 一是植物吸收了水中的氮、磷、重金属等污染物质，最终被移出水体；二是通过 植物伸入水体的根系制造的微生态环境净化水质，植物根系是天然的微生物载体， 根系向水体传输氧，根系周围是低等动物和鱼类生存的微生态系统。水景观效果 要求枝叶挺拔、色泽鲜艳、开花，冬季有较好的效果。耐污及生存能力方面，要 求能在至少v 类水中生长。栽培方法方面，应易于繁殖、移栽、培植，能越冬， 能多年生。后续处理方面，考虑花卉类植物的经济价值及出路，非经济类植物冬 季枯死后的处置方式，枝叶不要太茂盛，最好是四季常绿植物。 因此，植物初选因素包括：根系发达、水处理效果好；枝叶量少、四季常绿 ( 半绿) 、能越冬、后续处理简单；易培植，生存能力强；有一定的景观效果和经 济价值。另外，浮床植物应保证生物安全，对外来物种及易疯长的植物应慎重选 择。 目前国内采用的浮床植物由水稻【4 7 4 8 1 、黑麦草 4 9 , 5 0 和水芹发展到香根草、美人 蕉、空心菜等多种水生或陆生植物，其中美人蕉具有适应能力强，生长季节长， 净化能力强，生长旺盛，有观赏价值等优点，因而在生物浮床研究中应用较多【5 1 。5 4 1 。 作为传统的浮床植物，美人蕉虽然对水体中的污染物具有良好的去除效果，但美 人蕉不耐寒，经霜打则茎叶枯萎，5 以下则易冻死，在水上浮床种植条件下难以 越冬，第二年需重新种植，管理麻烦。 鉴于以上的因素，我们经过资料查询、实地考察、前期试种，初选黄菖蒲、 西伯利亚鸢尾作为本研究的浮床植物，同时用美人蕉作为对比研究。目前还没有 将黄菖蒲和西伯利亚鸢尾作为浮床植物的报道。黄菖蒲为3 年生草本植物，根系 4 2 扬州大学硕士学位论文 发达，耐污能力强，冬季枝叶部分枯死，且时间短，属于半常绿植物，能越冬， 春季能迅速发育生长。西伯利亚鸢尾是近年来我国园林工作者从欧洲引进的，其 最大的特点是终年常绿，冬季的长势尤为好，在1 5 。c 仍保持叶片翠绿，是水生花 卉中难得的四季常绿品种。它有横长的主根，发达的须状根。水生美人蕉是广泛 采用的浮床植物，作为对比研究。水生美人蕉的花期长，主要起到景观效果。 3 2 水质改善效果研究方法 3 2 1 实验材料 浮床植物黄菖蒲、西伯利亚鸢尾、美人蕉均来自苏北某水生植物园，从土中 挖出种苗，洗去泥土，剪除须根，种入浮床植物篮中放入试验水体。 用维纶醛化丝制作人工水草，改变传统中心放射式的排列方式，改用平行排 列方式嵌固维纶丝，这样能提高维纶丝的分散度，减少维纶丝的相互缠绕，提高 维纶丝悬挂密度。人工水草具体构造见图2 5 ，一串填料总长为l m ，图2 5 中p v c 条边长为1 5 x 1 5 c m ，填料丝长6 c m ，悬挂密度为l o 串m 2 。 3 2 2 实验装置 实验装置为悬浮于河道中的围隔箱， 在围隔箱内安放泡沫塑料板为浮床载体， 在载体上安装种植篮，并在其中种植植 物，或在浮床载体下悬挂人工水草。 围隔箱共5 个，平面尺寸1 3 x 1 6 m ， 深1 1 m ，有效水深l m ，由防水布缝制而 成，有效容积为2 0 8 立方米。浮床载体 i ! 塑 i 图3 - 1 生物浮床试验装置 泡沫塑料板平面尺寸为1 2 x 1 5 m ，厚度8 e m 。1 # 围隔箱种植黄菖蒲，2 # 围隔箱 种植美人蕉，在泡沫板上以3 5 的布局均匀开设1 5 个直径为1 5 e r a 的圆形孔，孔 吴黎明可持续利用生物浮床水质改善技术的开发研究 4 3 内放置直径和深度均为1 5 c m 的种植篮，每个种植篮内种植3 5 株黄菖蒲或1 - 3 株美人蕉：3 # 箱种植西伯利亚鸢尾，在泡沫板上以3 3 的布局均匀开设9 个尺寸 为1 5 3 0 c m 的长方形孔，孔内放置矩形种植篮，每个种植篮内种植6 9 株植物。 种植篮采用p e 塑料制成，向篮内填充直径l c m 的陶粒以防植株倒伏，并为植物 提供矿物营养，同时陶粒也是微生物膜附着的载体，提高生物浮床的微生物量， 起到水质改善的目的；4 # 箱浮床载体下悬挂人工水草2 0 串；5 # 箱为空白对照箱， 箱内只有泡沫塑料板。实验装置如图3 1 所示。 动态实验装置如图3 2 所示，河水由泵抽入围隔箱中，被软管引致围隔箱底 部的横向p v c 穿孔管，得以均匀分布于池底，使池内浮床植物和填料能充分发挥 去除污染物效能，池体出水的位置设在底部进水孔的对面上部，这样可以使河水 在池中的时间最长。 图3 - 2 生物浮床动态试验装置 出水 黄菖蒲去除重金属的实验装置，采用塑料桶作为实验容器，桶的上部内径 3 5 c m ，下部内径3 0 c m ，桶高5 0 c m ，向实验筒中加入约3 0 l 实验水样，放入一棵 黄菖蒲。黄菖蒲用泡沫板浮于水面。实验桶共2 个，其中水质各不相同。 3 2 3 实验方法 实验在扬卅市区杨庄河中进行，黄菖蒲和西伯利亚鸢尾于2 0 0 9 年3 月1 5 日栽 种，美人蕉发芽较迟，于5 月1 6 号种植；人工水草于2 0 0 9 年5 月2 1 日悬挂。 扬州大学硕士学位论文 采用动态试验与静态试验相结合的方式进行试验，试验从2 0 0 9 年5 月2 1 日开始 至2 0 0 9 年1 1 月2 3 日结束。其中8 月份为动态试验，其余为静态试验。静态试验方法 是，从河道中取水注入围隔箱，每隔2 4 天用清洁塑料瓶从围隔箱取水，带回实验 室测定水质，当围隔箱内水质足够好时，抽出围隔水体，重新注入河水，周期为 一个月左右。动态试验方法是，用水泵连续向实验箱一端注入河水，处理水从另 一端自流到河道，水力停留时间为3 天。每天取围隔箱进水和出水，测定其水质。 测定项目包括溶解性正磷酸盐(