專利名稱：一種自持式景觀修復生態浮島裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于修復富營養化水體的自持式景觀修復生態浮島裝置，屬于環境工程和水處理技術領域。
背景技術：
隨著我國經濟的快速發展，大量工業廢水、生活污水中的有機污染物排放，導致湖泊等水體中氮磷營養物鹽含量過高，引起水體富營養化，進而導致水生生態系統紊亂、藻類爆發，水生生物種類減少，生物多樣性受到破壞。目前主要采用物理法、化學法和生物法處理富營養化水體。物理法包括機械過濾、 底泥疏浚、高壓放電、水位調節、超聲波、吸附法、曝氣等。物理方法見效快，但大多耗時，費用高，操作困難，不易大規模實施，且只能暫時解決富營養化問題，因此應用不多。化學法即通過投加CuSO4、高錳酸鹽、液氯、CW2和H2A等化學藥劑修復富營養化水體，該方法操作簡單，可在短時間內取得明顯的處理效果，提高水體透明度，但加入的化學藥劑本身具有二次污染，對其他水生生物產生毒性。因此該法僅用于應急處理。生物法主要包括水生植物修復技術、水生動物修復技術、微生物抑藻技術和光合細菌技術等，生物法投資低、能持續發揮和強化水體污染凈化作用、副作用小等優點，但需要控制水生植物的種植密度及修復工程的生態安全性，而光合細菌屬光能自養菌，不含有硝化及反硝化菌種、去除率低。光催化技術反應條件溫和、選擇性好，不受污染物濃度限值，可通過一系列氧化還原去除含氮污染物。利用半導體光催化技術修復富營養化水體是近年來水體治理的新領域。光催化氧化-生物浮床除藻技術裝置(CN101723555A)敘述了一種包括光催化氧化裝置、浮體和生物浮床等的裝置，其在除藻、殺死細菌、降解有機物等方面效果較好，但不能將水體中的硝酸鹽氮、氨氮污染物轉化為氮氣，不能有效地降低水中的總氮量。太陽能生物浮床凈化富營養化水體裝置(CN102107948A)敘述了一種包括太陽能裝置、太陽能電板和生物浮床的裝置，其太陽能只是增加了水體中溶解氧，但不能有效去除富營養化水體中的難降解有機物及氮素污染物。然而，僅僅利用半導體作為光催化劑時，因其產物大多是硝酸根、亞硝酸根、氨等之間的轉換，難以轉換為氮氣，不能很好地脫除水體中的總氮污染物。柳麗芬等(Ag/Ti02 光催化氧化還原反應脫除水體中無機氮，感光科學與光化學，2006，MG) =291-300 ；以ACF 為模板制備摻氮TiO2及其光催化脫氨氮研究，感光科學與光化學，2005，23 (5) :374-381 ； 納米TiO2薄膜耦合光催化氧化還原反應脫除水體中無機氮，感光科學與光化學，2006，(1) 17-27)對光催化脫除水體中的無機氮進行了系統研究，研究表明可以利用活性碳纖維做模板制備的高活性氮摻雜TW2實現氨氮的日光光催化脫除，氨氮脫除率可達47%，其中總氮去除率達38%，在紫外光條件下氨氮和總氮的去除率進一步增大；而金屬摻雜催化劑可以實現紫外光照射下高效的氧化和還原反應的耦合，同時脫除水體中氧化態氮和還原態氮。 陳曉慧(硫化鎘/ 二氧化鈦光催化去除水體無機氮的研究，碩士學位論文，大連理工大學，2006)通過對TiO2進行改性制備復合納米顆粒催化劑，并用其進行了紫外光、日光燈和太陽光全波長光催化去除水中氨氮和其他形式無機氮的對比實驗研究，成功地將氧化態和還原態的無機氮耦合去除，產物以氮氣等氣態產物為主，達到去除污染物而不產生二次污染的目的。因此，生物法與改性T^2光催化劑結合修復富營養化水體前景廣闊。
發明內容
本發明要解決的主要問題是，克服現有技術中的不足，提供一種用于修復富營養化水體的自持式景觀修復生態浮島裝置，形成一套集水體修復效率高、適用性廣、節約能源、景觀效果好為一體化的裝置。本發明中的自持式景觀修復生態浮島裝置修復富營養化水體思路為(1)在生態浮島上種植水生植物，利用其根系增加水體與氧的接觸面積，加強水體氧化能力，凈化水質，同時根系釋放出能降解有機物的分泌物，可加速有機污染物的分解，且根系能吸收、吸附水體中的氮磷等營養物，并采用人工土壤作為水生植物填料，吸收并降解水體中的總氮、 總磷等污染物；( 利用負載到載體上的新型光催化劑將水體中硝酸鹽氮及氨氮轉化為氮氣，減少氮素污染物的積累及阻斷硝酸鹽轉化為亞硝酸鹽或銨；C3)利用太陽能裝置為曝氣裝置提供綠色能源，增加水體中的溶解氧，增強水體自凈能力；(4)利用太陽能發電系統為生態浮島主體上安裝的景觀燈提供綠色電力，同時又能營造視覺美感。本發明解決其技術問題的方案如下提供一種自持式景觀修復生態浮島裝置，包括由浮床和種植于浮床之間的水生植物組成的浮島，其特征在于，該生態浮島裝置還包括光催化飄帶和以太陽能系統實現供電的曝氣裝置；所述光催化飄帶包括沉入水面以下2 6cm的水平裝載主體，其一端與浮島外沿通過繩索連接；水平裝載主體的底部布設若干用于水體流通的孔，負載光催化劑的載體材料固定于水平裝載主體表面；水平裝載主體的四周設溢流堰，溢流堰頂端高出水面2 IOcm ；所述曝氣裝置包括曝氣管道和電機，電機位于浮島上，曝氣管道圍繞浮島外沿安裝于水面以下；所述太陽能系統包括太陽能電池組、太陽能控制器和蓄電池。本發明中，還包括若干直流LED景觀燈，LED景觀燈布設于浮島外沿的水面以下或浮島之上。本發明中，所述光催化飄帶均勻間隔布置，且距離浮島的外沿5 20cm。本發明中，所述水平裝載主體底部的通孔，其孔徑為0. 5 2cm，孔間距為5 20cmo本發明中，所述光催化飄帶裝載的可見光催化劑選擇采用金屬Cu、Fe、Pd、Ag、Pt 或非金屬C、N、S修飾過的顆粒狀或管狀的TW2催化劑。比如選用硝酸鹽降解過程中氮氣選擇性高的Cu-Ti02、Pd-TiO2, Ag-TiO2, Fe-TiO2, C-TiO2和能將氨氮氧化成氮氣的Pt-TiR 和Pt-TNTs (鈦納米管)中的一種或幾種。本發明中，所述太陽能系統中的蓄電池是磷酸鐵鋰蓄電池、硅能蓄電池或全釩液流儲能電池。
本發明中，所述曝氣裝置的曝氣量換算成DO應在2 5mg/L，曝氣裝置的氣水比為 0. 5 10m3/m3，曝氣裝置采用間歇曝氣，3 釙曝氣一次，每次曝氣1 濁。本發明中，所述浮床之間布設若干鏤空的種植籃，在鏤空籃中裝有人工土壤系統填料，所述水生植物的根系包裹于人工土壤系統填料之中；所述人工土壤系統填料為生物質碳、硅藻土、石英砂、生物陶粒、煤渣中的一種或幾種，其中所述的生物質碳為桑枝、稻殼、秸稈碳化產品中的一種或幾種；填料層上部為生物質碳或硅藻土，厚度為5 IOcm ；中間為石英砂，厚度為5 15cm ；底部為生物陶粒或煤渣，厚度為4 15cm，人工土壤總的厚度在15 25cm。 本發明中，所述水生植物在夏季時選擇西伯利亞鳶尾、常綠水生鳶尾、黑麥草與薏苡或黃菖蒲、水芹搭配；在秋冬季時選擇西伯利亞鳶尾、高羊茅、常綠水生鳶尾與黃菖蒲、紅梗葉甜菜、埃及莎草搭配或種植禾本科植物花葉蘆竹、斑茅。本發明技術方案的突出特點和顯著進步體現在(1)結合光催化技術、生態浮島技術和太陽能技術優勢，即利用生態浮島技術去除富營養化水體中的有機物和氮磷，同時通過光催化技術將水體中硝酸鹽氮和氨氮轉化為氮氣，減少氮素污染物積累及阻斷硝酸鹽轉化為亞硝酸鹽或銨，并采用曝氣裝置增加水體中的溶解氧，增強水體自凈能力，達到較好的修復富營養化水體。(2)利用太陽能電池板將太陽能轉化成直流電，同時采用太陽能控制器控制蓄電池過充電和過放電，延長其使用壽命；富余的電力儲存于蓄電池，以備陰雨天時使用。(3)利用太陽能發電系統為生態浮島主體上安裝的景觀燈提供綠色電力，景觀燈不僅營造美感，又節約能源。(4)人工土壤系統采用生物質碳、硅藻土、石英砂、生物陶粒、煤渣作為填料，可有效降解水體中氮磷污染物及COD。(5)節約能源，充分利用太陽能技術為景觀燈照明提供電力，增加視覺美感；本發明是具有創新性、實用性的技術。
圖1為本發明的俯視圖；圖2為本發明的縱剖面示意圖。附圖標記為1光催化飄帶、2太陽能系統、3浮床、4曝氣裝置、5水生植物、6人工土壤系統填料、7LED景觀燈、8溢流堰、9繩索、10負載光催化劑、11鏤空籃。
具體實施例方式本發明中的自持式景觀修復生態浮島裝置的特點是(1)光催化飄帶包括溢流堰、負載光催化劑，分別連接在浮島主體水面下約2 6cm處，四周均設置溢流堰，催化劑負載后固定于光催化飄帶表面從而光催化降解水中污染物。(2)浮島上布置有太陽能系統、水生植物、人工土壤和景觀燈；景觀燈安裝在生態浮島上，采用LED景觀燈，利用綠色能源，并增加美感。(3)太陽能系統安裝在浮島上部空間外圍，包括太陽能電池組、太陽能控制器和蓄電池；曝氣裝置包括電機和曝氣管道，其中管道通過浮島外沿安裝在浮島底部，電機安置在浮島上，增加水體中的溶解氧、增強水體自凈能力。太陽能系統為曝氣裝置提供綠色電力， 增加水體中的溶解氧，增強水體自凈能力。本發明技術方案進一步敘述如下①光催化飄帶位于生態浮島主體周圍水面下2 6cm處，通過繩索將其與浮島主體連接，其四周均設置溢流堰防止光催化劑流出，溢流堰高出水面2 IOcm ；光催化飄帶底部打孔，孔徑為0. 5 2cm，孔間距為5 20cm ；光催化劑負載到載體上，固定于光催化飄帶中。光催化飄帶中的可見光催化劑選擇采用金屬Cu、Fe、Pd、Ag、Pt或非金屬C、N、S修飾過的顆粒狀或管狀的TiO2催化劑。比如選用硝酸鹽降解過程中氮氣選擇性高的Cu-Ti02、 Pd-TiO2, Ag-TiO2, Fe-TiO2, C-TiO2和能將氨氮氧化成氮氣的Pt-TW2和Pt-TNTs (鈦納米管)中的一種或幾種；光催化劑負載為玻璃纖維網；負載方式為浸漬-干燥-燒結聯合法。②浮島主體分為內、中、外三部分，內、中部約占浮島面積的2/3 4/5，內層種植吸附氮磷等有機污染物性能較強的觀花水生植物，中間種植吸附氮磷等有機污染物性能較強的觀葉水生植物；浮島主體上部空間外圍均勻布置太陽能系統和曝氣裝置，其余部分種植水生植物；水生植物根部包裹后放于鏤空的種植籃中，并在種植籃中填入人工土壤系統填料。可以選擇去污能力強、觀賞價值高、四季常綠的水生植物并合理搭配植物。夏季可選擇西伯利亞鳶尾、常綠水生鳶尾、黑麥草與薏苡或黃菖蒲、水芹搭配；秋冬季可選擇西伯利亞鳶尾、高羊茅、常綠水生鳶尾與黃菖蒲、紅梗葉甜菜、埃及莎草搭配或種植禾本科植物如花葉蘆竹、斑茅等；種植密度為9 20株/m2 ；栽植西伯利亞鳶尾、常綠水生鳶尾、薏苡或紅梗葉甜菜時孔徑為10 20cm，孔距9 15cm ；栽植埃及莎草、蘆竹、高羊茅、斑茅或黃菖蒲等時孔徑為8 15cm，孔距6 12cm ；觀花植物與觀葉植物搭配時孔距6 20cm。人工土壤系統填料為生物質碳、硅藻土、石英砂、生物陶粒、煤渣中的一種或幾種， 人工土壤系統填料中生物質碳吸附劑為桑枝、稻殼、秸稈碳化產品中的一種或幾種。填料層上部為生物質碳或硅藻土，厚度為5 IOcm ；中間為石英砂，厚度為5 15cm ；底部為生物陶粒或煤渣，厚度為4 15cm，人工土壤總的厚度在15 25cm。選用直流LED景觀燈，其安裝在浮島主體四周與水面接觸位置，LED景觀燈選用燈面直徑為12cm或18cm，每盞燈間距10 20cm。③太陽能系統中蓄電池采用磷酸鐵鋰蓄電池、硅能蓄電池或全釩液流儲能電池。 太陽能電池功率必須比負載功率高出4倍以上系統才能正常工作；蓄電池容量必須比負載日耗電量高出3倍以上(西部地區)，南方地區要高出5倍以上。④曝氣裝置包括曝氣管道和電機，電機采用直流、小功率、低壓電機，其一端連接太陽能系統，另一端連接曝氣管道，曝氣管道深入水體部分連接有曝氣噴頭；電機位于生態浮島主體上，曝氣量換算成DO應在2 5mg/L ；曝氣設備的氣水比在0. 5 10m3/m3。管道布設在浮島下方，采用間歇曝氣。下面結合附圖與具體實施例對本發明進一步詳細說明，但不作為對本發明涉及的技術方案的限制。本發明將光催化技術和生態浮島技術進行組合，并利用太陽能系統提供綠色能源，設計一種自持式景觀修復生態浮島裝置，充分利用三者的優點對富營養化水體進行修復，該系統具有效率高、凈化徹底、無二次污染、操作靈活、適用范圍廣、低碳、景觀效果好等特點。如圖1、2所示。光催化飄帶1分別均勻分布于浮床3四周水面下約2 6cm處， 通過繩索將其與浮島主體連接，距離大約5 20cm，光催化飄帶1周圍設置溢流堰8，溢流堰高出水面2 10cm，以防止光催化劑流出光催化飄帶1，光催化飄帶1底部打孔，孔徑為 0. 5 2cm，孔間距為5 20cm。選擇可以將無機氮污染物轉化為氮氣的Cu-TiO2、Pd-TiO2、 Ag-Ti02、Fe-Ti02、C-Ti02、Pt-Ti02、Pt-TNTs等作為光催化劑，將其負載到玻璃纖維網10上， 投放并固定于光催化飄帶1中。因地制宜的選擇水生植物5，通過植物根部的吸收吸附以及根系微生物的生物作用，削減富營養化水體中的氮磷及有害污染物，改善水質，減輕水體富營養化程度；觀葉植物與觀花植物合理搭配，同時，根據季節變化合理搭配水生植物。水生植物5的高度為16 30cm，根部用海綿包裹起來，然后固定到浮島鏤空籃11中，種植密度為9 20株/m2，間距為6 15cm，觀花植物與觀葉植物搭配時孔距6 20cm ；并填充人工土壤6，各填料層厚度不一致，均在4 15cm，總填充深度為15 25cm。太陽能系統2均勻分布于浮床3上，包括太陽能電池板、控制器和蓄電池，太陽能系統2為曝氣裝置4和景觀燈7提供綠色能源，曝氣裝置4能增加水體中的溶解氧，增強水體自凈能力，同時，景觀燈7能增加整個生態浮島的美感。人工土壤系統填料6是水生植物 5的填料，可以因地制宜選擇吸附性能好、價格便宜的填料，富營養化水體經人工土壤系統填料6去除總氮、總磷及有機物等污染物。水生植物、人工土壤、太陽能系統、曝氣裝置要合理布置，防止以上系統的重量大于浮島載體的浮力。在實踐基地進行小試，實踐基地為玻璃溫室，其通風效果良好。取某一富營養化水體放于面積為5m2的長方形水槽中，將4m2的浮島裝置放置于其中，并采用曝氣量為3. 5mg/ L的曝氣機進行水體充氧，水生植物選擇西伯利亞鳶尾、蘆竹、黃香蒲，其間距為12cm，選擇 Pd-TiO2, Ag-TiO2, Pt-TiO2, Pt-TNTs等作為光催化劑，以及自上而下分別填充5cm厚桑枝、 9cm厚硅藻土、6cm厚生物陶粒作為人工土壤。小試自持式景觀修復生態浮島裝置的出水水質如表1所示，數據為裝置運行24h 后，處理效率穩定時的數據平均值。表1小試水質監測數據
權利要求
1.一種自持式景觀修復生態浮島裝置，包括由浮床和種植于浮床之間的水生植物組成的浮島，其特征在于，該生態浮島裝置還包括光催化飄帶和以太陽能系統實現供電的曝氣裝置；所述光催化飄帶包括沉入水面以下2 6cm的水平裝載主體，其一端與浮島外沿通過繩索連接；水平裝載主體的底部布設若干用于水體流通的孔，負載光催化劑的載體材料固定于水平裝載主體表面；水平裝載主體的四周設溢流堰，溢流堰頂端高出水面2 IOcm ；所述曝氣裝置包括曝氣管道和電機，電機位于浮島上，曝氣管道圍繞浮島外沿安裝于水面以下；所述太陽能系統包括太陽能電池組、太陽能控制器和蓄電池。
2.根據權利要求1所述的生態浮島裝置，其特征在于，還包括若干直流LED景觀燈，LED 景觀燈布設于浮島外沿的水面以下或浮島之上。
3.根據權利要求1或2中所述的生態浮島裝置，其特征在于，所述光催化飄帶均勻間隔布置，且距離浮島的外沿5 20cm。
4.根據權利要求1或2中所述的生態浮島裝置，其特征在于，所述水平裝載主體底部的通孔，其孔徑為0. 5 2cm，孔間距為5 20cm。
5.根據權利要求1或2中所述的生態浮島裝置，其特征在于，所述光催化飄帶裝載的可見光催化劑是采用金屬Cu、Fe、Pd、Ag、Pt或非金屬C、N、S修飾過的顆粒狀或管狀的TW2 催化劑中的至少一種。
6.根據權利要求1或2中所述的生態浮島裝置，其特征在于，所述太陽能系統中的蓄電池是磷酸鐵鋰蓄電池、硅能蓄電池或全釩液流儲能電池。
7.根據權利要求1或2中所述的生態浮島裝置，其特征在于，所述曝氣裝置的曝氣量換算成DO應為2 5mg/L，曝氣裝置的氣水比為0. 5 10m3/m3，曝氣裝置采用間歇曝氣，3 5h曝氣一次，每次曝氣1 池。
8.根據權利要求1或2中所述的生態浮島裝置，其特征在于，所述浮床之間布設若干鏤空的種植籃，在鏤空籃中裝有人工土壤系統填料，所述水生植物的根系包裹于人工土壤系統填料之中；所述人工土壤系統填料為生物質碳、硅藻土、石英砂、生物陶粒、煤渣中的一種或幾種，其中所述的生物質碳為桑枝、稻殼、秸稈碳化產品中的一種或幾種；填料層上部為生物質碳或硅藻土，厚度為5 IOcm ；中間為石英砂，厚度為5 15cm ；底部為生物陶粒或煤渣，厚度為4 15cm，人工土壤總厚度在15 25cm。
9.根據權利要求1或2中所述的生態浮島裝置，其特征在于，所述水生植物在夏季時選擇西伯利亞鳶尾、常綠水生鳶尾、黑麥草與薏苡或黃菖蒲、水芹搭配；在秋冬季時選擇西伯利亞鳶尾、高羊茅、常綠水生鳶尾與黃菖蒲、紅梗葉甜菜、埃及莎草搭配或種植禾本科植物花葉蘆竹、斑茅。
全文摘要
本發明涉及環境工程和水處理技術，旨在提供一種自持式景觀修復生態浮島裝置。該裝置包括由浮床和種植于浮床之間的水生植物組成的浮島，還包括光催化飄帶和以太陽能系統實現供電的曝氣裝置；光催化飄帶包括沉入水面以下的水平裝載主體，其底部布設若干用于水體流通的孔，負載光催化劑的載體材料固定于表面，四周設溢流堰。曝氣裝置包括曝氣管道和電機。本發明結合光催化技術、生態浮島技術和太陽能技術優勢去除富營養化水體中的有機物和氮磷，同時通過光催化技術將水體中硝酸鹽氮和氨氮轉化為氮氣，減少氮素污染物積累及阻斷硝酸鹽轉化為亞硝酸鹽或銨，并采用曝氣裝置增加水體中的溶解氧，增強水體自凈能力，達到較好的修復富營養化水體。
文檔編號C02F3/32GK102531192SQ20121003863
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月20日 優先權日2012年2月20日
發明者任大慶, 王琰, 趙偉榮 申請人:浙江大學