景观水体修复的太阳能生物浮岛技术研究

徐国梁，邓黛青，刁一明，刘 刚

(1.浙江水利水电专科学校，浙江杭州 310018;2.中国计量学院，质量与安全工程学院，浙江杭州 310018)

1 富营养化浅层水体的处理技术现状

水体富营养化是当今重大水环境问题之一，近年来我国湖泊富营养化呈快速发展趋势[1］.浅水湖泊、景观水体、浅水湿地、氧化塘、浅水溪流、河涌和沟渠等浅层水体，存在着水容量小、纳污容量小，水生生态系统脆弱等特点，十分容易发生富营养化[2］.由于临近人们的工作或生活区域，其富营养化进程对人们日常生活影响严重.

目前，富营养化水污染处理技术主要有化学处理、物理处理和生物处理方法.化学法处理需要投加大量的化学药剂，成本高、并易引起二次污染[3］;物理修复措施主要有底泥疏浚[4］、引水换水[5］等工程方法，修复过程中营养物质的绝对量并没有减少，不能从根本上解决问题;人工湿地、生物浮岛等生物处理技术通过原位构建水生植物体系[6］，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，但降解反应慢，净化处理周期长的缺点是限制其应用的主要原因.向水体人工投加驯化的微生物[7］，在去除BOD(生化需氧量)的同时实现脱磷、脱氮作用，具有原位修复、处理效果好、见效快的优点，但是该类方法中菌种费用高，在自由悬浮生长条件下容易流失，可持续性差.

传统的机械曝气方法如固定的河道充氧站、水下设置曝气充氧机[8］等，能够有效控制和延缓水体富营养化.曝气增氧系统主要有由风机、风管和各种形式曝气头组成的曝气系统、表曝设备和潜水曝气设备.上述曝气设施存在设备能耗高、充氧效率低的问题，如喷水式增氧机、射流式增氧机等的动力效率一般在0.60 ～1.20 kg/(kW·h)之间[9］，喷水、搅水功能不健全，充氧效率不高.从而造成建设和实际运行中基建投资大，运行费用高、维护管理复杂等问题.

2 太阳能生物浮岛的设计开发

近年来太阳能等绿色能源应用快速发展，大部分自然水体表面光照条件充分，非常适合于利用太阳能光伏发电进行能源供给.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.基于上述考虑，参照国内外相关资料及工程实际应用要求，作者研制开发了太阳能生物浮岛成套设备.该设备由生物浮岛降解系统、曝气造流系统、太阳能供电系统三部分组成.

2.1 生物浮岛降解系统——原位高效降解

微生物降解和生物浮岛是两种快速发展的原位景观水处理技术.如何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，是实现水体原位高效生物降解的关键所在.

针对这个问题，本设备的生物浮岛系统通过:

(1)投加填料，加大微生物附着面积，便于微生物富集成膜;

(2)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;

(3)构建植物与微生物的复合生物体系;

(4)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.

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外围，通过植物和微生物的共同作用，实现水体修复目的.

浮床单元Φ225 mm，每平米可负载为12 kg;采用HDPE材质、绿色环保、耐腐蚀、可反复多次使用;浮床单元之间采用柔性连接方式，固定在曝气系统周围;选用美人蕉等作为浮岛植物，其具有较强的环境适应能力和氮、磷利用能力;填料轻质多孔，利于水中微生物固着生长;填料上接种能高效除氮的纳豆菌.

2.2 曝气造流系统——原位低能耗供氧

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之一.机械曝气法由于设备能耗高、充氧效率低、运行存在安全隐患而不适用于景观水处理.

针对这个问题，本设备的曝气造流系统具备如下条件:

(1)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;

(2)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;

(3)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.

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.

中心浮床作为整套设备的结构中心，为太阳能供电系统提供浮力，同时支撑曝气造流系统，Φ800 mm;空气泵使用35 W直流空气泵，通过管路连接曝气盘进行曝气工作;曝气盘采用防堵塞刚玉曝气盘，Φ175 mm.

2.3 太阳能供电系统——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.现有技术方法在水污染处理过程中，多数存在投资大、能耗高的问题，受到成本和运行费用约束，水污染治理工作不能持久.针对这个问题，本设备的太阳能供电系统利用光伏发电技术直接将太阳能转换为电能，无需燃料，没有任何污染，并且，大部分的富营养化水体表面水域开阔，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.

太阳能供电系统由太阳能电池板、控制器、时间控制开关、蓄电池以及配套支架和相应线路组成，为整套设备提供电力支持.电池板采用100 W高效单晶硅太阳能电池，在光照充足的情况下，太阳能电池板将产生20 V的电压和1.5 A的电流，通过太阳能控制器稳压到12 V后为系统供电，并为蓄电池充电;太阳能控制器采用12 V/24 V自动识别控制器，用以实现对蓄电池和负载的过流保护和欠压保护;蓄电池为12 V/50 AH，在无光照条件下向负载(空气泵)供电，保证其持续工作;通过时间控制开关，控制空气泵工作时间.

2.4 结构设计

太阳能生物浮岛整体结构设计依照太阳花形状，以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，其结构设计见图1和图2.

2.5 运行控制方案

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;空气泵在凌晨00:00～06:00连续工作6 h(可调).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 h工作能力.

3 应用于景观水体的实验研究

以中国计量学院景观水日月湖为研究对象进行太阳能生物浮岛对富营养化水体的处理效能试验.日月湖为硬质湖底景观，东西两岸各有一个进水口，使用隔水布在日月湖西北方向(图3中的点3)隔离出5 m×5 m实验区，见图3，实验区域附近综合考虑天气条件、温度、水量变化条件，设置2个监测点和两个对照点.布点参照图4.

3.1 日月湖水质状况分析

根据富营养化水体评价标准[10］对日月湖的TP(总磷)、TN(总氮)、CODMn(化学需氧量)进行监测，监测布点见图4，监测方法参考国家水质监测标准方法[11］;实验采用连续取样监测方式，数据见表1.

表1 日月湖各项指标背景值

根据监测数据，对比富营养化水体评价标准，可知日月湖水体中TP、TN已经达到富营养化水平

研究表明，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，但从图5中可见，日月湖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，其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.由于日月湖各项水质指标均已经达到富营养化状况，其水体夜间的耗氧量低，可能是由于日月湖作为景观水，其硬质湖底的特点造成底泥含量较低、悬浮微生物较少、水体微生物活动较弱的原因.因而本研究探讨了相同条件下对日月湖湖水溶氧变化与微生物量的关系的实验.该实验使用五个水桶进行对比实验，通过投加不同污泥量进行水体耗氧变化规律探究.1号桶内作为对照不添加活性污泥，2～5号桶内依次控制污泥浓度在 50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L、400 mg/L，同时进行水体溶氧测定.为确保其溶氧不受温度和藻类光合作用影响，实验时间选择在夜间，从19:00～06:00，进行12 h监测，监测数据见图7.

由图6可知，水体中活性污泥量越高，同一时间内水中的溶氧值越低，由此可以推断，微生物含量低是已经富营养化的日月湖夜间溶氧不持续下降的原因之一.由于硬质湖底的景观水体都存在水(富营养化水平指标为 TP＜600 μg/L、TN＜1.2 mg/L)，CODMn已经严重超标(富营养化水平指标为7.1 mg/L)日月湖水体已经呈现富营养化.

3.2 日月湖水体自然降解特性分析

溶解氧变化是水体自净特征的表达方式之一，日月湖水体自然降解特性分析实验选在晴天，以小时为单位、对日月湖水体进行连续24 h溶解氧监测.并将其溶氧变化曲线与已有研究资料[10］进行比较，结果见图5.体中微生物少的特点，这一实验结果间接证明了可通过富集微生物的方式强化水体净化功能.

3.3 太阳能生物浮岛的充氧能力测试

在实验区域内，采用标准曝气设备充氧能力检测方法[12］检测设备的充氧性能，实验结果见表2.

表2 太阳能生物浮岛各项曝气指标测定值

从表2中可见，较传统表面曝气机等的曝气充氧设备，太阳能生物浮岛具有阻力损失小，充氧能力强的特点.

3.4 太阳能生物浮岛的充氧效果实验

在实验区域内，太阳能生物浮岛自动运行(白天充电，夜间从24:00～06:00供氧6 h)，测定实验区域1、2点的溶解氧平均值A与对照区域3、4点的溶解氧平均值B的变化连续，溶解氧采用在线溶解氧仪及碘量法[11］测定，实验结果见图7和图8.

从图7中可见:对照区域内夜间水中溶解氧持续下降，平均下降速率为0.53 mg/(L·h)，到日出前达到最低值5.8 mg/L.实验区域内夜间水中溶解氧亦持续下降，开始曝气后，溶解氧浓度上升1.1 mg/L，此后亦持续下降，平均下降速率约为0.51 mg/(L·h)，到日出前达到最低值 7.4 mg/L.

从图8中可见:由于测试期间气侯变化较大(第1天阴，第2～3天晴、第4～7天阴)，水中DO值变化幅度较大，但实验区域内夜间水中溶解氧浓度比对照区域平均高0.73 mg/L.

从上述实验可推测:

(1)浅层水体中DO的绝对水平是由水中的菌藻共生体系决定的，并受制于日间的光照条件.

(2)夜间充氧量不足以维持生物降解所需氧量，但能使水体夜间溶解氧浓度保持在一个较高水平，防止微生物死亡.

3.5 太阳能生物浮岛的净化效果实验

实验连续7天对4个点进行水质分析，测试实验区域1、2点的叶绿素a平均值A与对照区域3、4点的叶绿素a平均值B的连续变化，叶绿素a采用分光光度法[11］测定，实验结果见图9.

从图9中可见，实验区域较对照区的叶绿素a数值明显下降，1周后实验区域较对照区的叶绿素a的浓度下降了19.8 mg/L，可以初步推断设备能快速有效抑制水体富营养化.

4 水体修复机理分析

结合设备的设计原理及实验结果，太阳能生物浮岛的水体修复功能主要通过以下几个方面实现，其综合作用机制见图10.

(1)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;

(2)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;

(3)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;

(4)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;

(5)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.

综上所述，太阳能生物浮岛通过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，通过太阳能供能强化曝气和水体循环，实现富营养化水体的快速修复.

5 结语

基于水体原位修复的理念，通过组合太阳能、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——太阳能生物浮岛.该设备能直接安置于受处理水体上、结构简洁，安装简便、自动运行、造价低、无需外界能源供给，运行成本为零、无二次污染，且外形美观，与水体景观和谐共处，技术经济优势明显.

实验表明，在浅层水体中，菌藻共生体系是水中溶解氧和污染物降解能力的主要来源，设备构建的立体生物体系能有效增加水中的生物量，提高水体的净化能力.太阳能储能所提供的夜间供氧能有效维持水体溶解氧水平，促进好氧微生物代谢，强化水体净化效果;成套设备能快速降低景观水体的富营养化水平.

[1]杨青海.中国富营养化水体修复技术进展[J］.辽东学院学报，2008，15(2):72 －75.

[2]娄 云.富营养化养化浅水湖泊治理方法初探[J］.吉林水利，2005(9):55－58.

[3]林丰妹，叶旭红.综合保护工程对杭州西湖生态环境的影响[J］.水资源与水工程学报，2007，18(6):52 －55.

[4]熊万永.福州内河引水冲污工程的实践与认识[J］.中国给水排水，2000，6(7):26 －28.

[5]袁志宇，赵斐然.水体富营养化及生物学控制[J］.中国农村水利水电，2008(3):57－59.

[6]邵菲菲.湖泊的富营养化及其生态修复技术[J］.辽宁化工，2011，40(12):1244 －1246.

[7]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.

[8]蒋树义，韩世成.水产养殖用增氧机的增氧机理和应用方法[J］.水产学杂志，2003，16(2):94 －96.

[9]张 勇，张永举.射流曝气系统在氧化沟中的应用[J］.科技创新导报，2011(26):141－143.

[10]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，1987:17－18.

[11]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，2002:137－158.

[12]中华人民共和国建设部.CJ/T3015.2－1993CJ/T3015.2－1993曝气器清水充氧性能测定[S］.北京:中国标准出版社，1993.