一種用于污水處理的人工生態浮島及凈水方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于污水處理的人工生態浮島，包括位于一輕質盒體框架內的顆粒填料層；所述顆粒填料層上穿插固定有多條輕質波形條骨架；所述多條波形條骨架波形相同并在顆粒填料層上平行排列，形成同一波形的波形面；所述波形面被所述顆粒填料層分隔成上波面、中波面和下波面三個區域；所述上波面上鋪設負載有光催化材料的活性炭纖維氈，中波面和下波面上鋪設普通活性炭纖維氈或負載有光催化材料的活性炭纖維氈；該人工生態浮島能對水環境進行深度處理、兼具脫氮除磷功能，且對表層難降解有機污染物也能夠進行有效處理。
【專利說明】-種用于污水處理的人工生態浮島及凈水方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種用于污水處理的人工生態浮島及凈水方法，屬于污水治理領域。
【背景技術】
[0002] 由于目前我國的市政設施還不完善，較大一部分未經處理的生活污水、工業廢水 直接或順著雨水排入河流、湖泊等受納水體中；同時，由于農業的機械化及農藥化肥的大量 使用，大量廢水也排入江河湖泊中，導致水環境的惡化，污水中的氮、磯易導致水體富營養 化。工業污水、農業污水等水源夾雜一些特殊污染物，如酷胺類、氨基甲酸醋類、苯氧駿酸 類、苯類等，較難降解，易被帶入生物鏈，造成嚴重后果。水資源的短缺及水質惡化使得水環 境的生態系統遭到嚴重破壞，對水環境的修復治理是目前亟待解決的問題。目前水體的凈 化技術主要有曝氣增氧、植物駁岸修復帶、人工濕地、生物膜技術、人工浮島技術等。運用生 態修復技術可W凈化水質、改善生態系統，且較物理、化學方法更經濟可行，生態修復中的 人工浮島技術較其他方法其投資省、靈活性高、對水體凈化效果好等優點。但對于水體的深 度處理及對較難降解的特殊污染物的處理效果不夠理想。
[0003] 本發明在現有人工浮島基礎上，開發一種新型人工浮島水體凈化的方法及裝置， 該發明適用于水體的深度處理，同時，對水體中較難降解的特殊污染物的去除有較好的效 果。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于提供一種污水處理人工生態浮島及凈水方法，能對水環境進行 深度處理、兼具脫氮除磯功能，且對表層難降解有機污染物也能進行有效處理。
[0005] 本發明是通過W下技術方案實現的：
[0006] 一種污水處理人工生態浮島，包括一輕質盒體框架，所述輕質盒體框架的底面設 一篩網，篩網上裝填有一層顆粒填料，形成顆粒填料層，所述顆粒填料層的上表面上設有一 固定板，所述固定板上設有用于栽種水生植物的種植孔；所述顆粒填料層上穿插固定有多 條輕質波形條骨架；所述多條波形條骨架波形相同并在顆粒填料層上平行排列，形成同一 波形的波形面；所述波形面被所述顆粒填料層分隔成上波面、中波面和下波面=個區域； 上波面突出于所述固定板之上，中波面位于所述顆粒填料層內，下波面突出于所述篩網之 下；所述上波面上鋪設負載有光催化材料的活性炭纖維拉，中波面和下波面上鋪設普通活 性炭纖維拉或負載有光催化材料的活性炭纖維拉。
[0007] 其中，
[000引優選的，所述輕質波形條骨架的波形為弧形波、=角波或矩形波等。
[0009] 優選的，所述多條輕質波形條骨架等間距平行排列。
[0010] 優選的，所述輕質波形條骨架由輕質材料制成，如竹條或由熱塑性輕質材料。
[0011] 所述波形條骨架的寬度和厚度沒有具體要求，只要起到支撐所述活性炭纖維拉， 且牢固即可。
[0012] 優選的，所述光催化材料選自納米Ti化、納米化0、納米W〇3和納米化203等光催化 材料。負載方法采用現有技術；如可參考文獻《活性炭纖維負載Ti〇2薄膜的制備及對亞甲 基藍的光催化降解》，作者員汝勝；或參照碩±論文《ZnO/活性炭纖維復合材料的研究》，作 者張宗見，濟南大學。
[0013] 更優選的，所述光催化材料選自納米Ti化。
[0014] 優選的，所述負載有光催化材料的活性炭纖維拉的厚度為3?8mm ;所述普通活性 炭纖維拉的厚度為3?8mm。
[0015] 光催化技術，具有無毒、安全、穩定性好、催化活性高、見效快、能耗低、可重復使用 等優點。已經研究過的光催化劑包括Ti〇2、ZnO、W〇3和Fe 2〇3等，而納米TiO 2由于活性高、穩 定性好、對人體無毒、成本低，在廢水處理（有機污染物W及無機離子的降解、空氣凈化W 及殺菌）等方面可W發揮很大的作用。
[0016] 所述生態浮島使用時，將波形骨架整體浸入污水中，上波面上鋪設的負載有光催 化材料的活性炭纖維拉對表層有機污染物進行充分吸附；當上波面材料凸出于水面W上， 在陽光下或在紫外線福射下，有機物的降解反應速度快，幾分鐘到幾小時有機物的降解即 告完成。同時，由于光催化技術對污染物的降解沒有選擇性，能降解任何有機物，特別是多 環芳姪和多氯聯苯類化合物也能被正常降解，最終可降解為C〇2和H 2〇,消除二次污染，對于 難降解污染物的降解是一條有效途徑。
[0017] 下波面區域的活性炭纖維拉，長期置于水中，活性炭纖維（AC巧可促進水體污染 物的降解，由于ACF具有微孔結構，比表面積大，且孔隙直接開口在纖維表面，污染物到達 吸附位的路徑較活性炭填料或一般纖維填料更短。ACF掛膜后，微生物主要包裹在纖維束的 表面，或生長在纖維束與束之間，采用ACF，其單位處理量最高可達到1600血/g，而目前常 用的活性炭填料僅為500mL/g。
[0018] 優選的，所述顆粒填料選自陶粒、沸石顆粒、石英砂等，粒徑在1?50mm，優選粒徑 為 10 ?20mm。
[0019] 顆粒填料層除了起到支撐固定波形條骨架的作用，還用于植物根系的固著，同時， 由于填充有顆粒物，為微生物的生長提供載體，形成豐富的微生物群；由于根系對污染物吸 收耗氧，填料上微生物對污染物的吸附降解過程消耗氧氣，形成了缺氧環境，有利于去除氮 類污染物。陶粒等填料物質中的部分無機物質，如氧化娃、氧化儀、氧化巧等成分，能夠通過 吸附共沉淀作用去除水體中的磯，提高人工浮島的磯去除能力。
[0020] 優選的，所述輕質盒體框架由輕質材料制成。所述輕質材料選自塑料管、竹筒、聚 苯己締泡沫等材料，有利于提高浮島的浮力。
[0021] 優選的，在所述輕質盒體框架的四周固定有泡沫塑料塊，用于進一步增加浮島的 浮力。
[0022] 優選的，在所述輕質盒體框架的四周對稱系有多個浮球或浮筒。
[0023] 優選的，所述顆粒填料層的高度為200?800mm ;橫截面尺寸沒有特殊限定，可根 據實際需要靈活選擇。
[0024] 優選的，所述上波面的豎直高度為100?300mm。
[0025] 優選的，所述下波面的豎直高度為400?1200mm。
[0026] 優選的，所述輕質波形條骨架，沿著波形發展方向，波形曲線長度為6?12m/m直 線距離。
[0027] 優選的，所述輕質盒體框架為長方體結構；所述輕質波形條骨架的波形發展方向 與所述長方體結構的一邊平行。
[002引優選的，所述固定板上種植孔的開孔密度為25?80個/m2。
[0029] 優選的，所述種植孔的直徑為40?150mm。
[0030] 在所述污水處理人工生態浮島的基礎上，本發明進一步提供一種生態浮島凈水方 法，包括W下步驟：
[0031] (1)將所述的人工生態浮島浮于待處理的污水中，并使波形條骨架的波形發展方 向與
[0032] 水流的方向相垂直；
[0033] (2)借助外力，使上波面上鋪設的負載有光催化材料的活性炭纖維拉浸沒于污水 中吸附污染物，并保持一段時間；
[0034] (3)撤除外力，使上波面上鋪設的負載有光催化材料的活性炭纖維拉暴露于空氣 中進行光催化分解吸附的污染物；
[003引其中，
[0036] 優選的，步驟（1)中，所述人工生態浮島的種植孔內栽種有具有凈水功能的水生 植物，且植物根部浸沒于水體中。
[0037] 優選的，所述具有凈水功能的水生植物選自香根草、牛筋草、石營蒲、燈巧草、黃花 鴦尾、香蒲、美人蕉、慈茹、馬蹄蓮中的一種或任意幾種的組合。
[003引優選的，在所述種植孔的孔隙內加設柔性材料用于固定所述栽種的水生植物。所 述柔性材料選自海綿、聚苯己締泡沫。
[0039] 優選的，所述人工生態浮島四周的水體底部對稱設置有多個錯粧，錯粧上系有一 長度固定的定位鋼繩，定位鋼繩的自由端連接有一個套環；在所述人工生態浮島上，系有與 所述錯粧位置對應的多條長度可調的調節鋼繩；所述調節鋼繩穿過對應位置調節鋼繩上的 套環，自由端繞于位于岸上的滾輪上，通過調節繞在滾輪上的調節鋼繩的長度的方式對所 述浮島施加外力。通過所述錯粧、定位鋼繩W及調節鋼繩的配合作用，在外力作用下，沿著 滾輪拉動或放松調節鋼繩，即可達到調節所述污水處理人工生態浮島在水體內的位置的目 的。定位鋼繩的長度可根據水深來定。
[0040] 作為另一位置調節方法，通過在所述污水處理人工生態浮島上增加或減少重力部 件的方式對所述浮島施加外力。
[0041] 步驟（2)，所述污水處理人工生態浮島浸沒的深度和時間可根據包覆的納米光催 化活性碳纖維材料的種類、水質、水深W及浮島本身的大小等綜合條件確定。
[0042] 可W重復步驟（2)和（3)，多次重復吸附和降解。
[0043] 本發明的技術效果及優點在于：
[0044] 1.本發明將光催化技術運用到人工浮島技術中，對于水體中的難降解有機污染物 有良好的去除效果。
[0045] 2.本發明應用光催化技術，具有無毒、安全、穩定性好、催化活性高、見效快、能耗 低、可重復使用等優點。
[0046] 3.本發明利用活性炭纖維的特殊結構，具有比表面積大，掛膜效果好的優點，增加 微生物量，對污染物的去除具有良好效果。
[0047] 4.本發明通過不同區域填料的疏密排列，形成缺氧和好氧區，有利于脫氮；并利 用顆粒填料無機物質與磯的共沉淀性能，W去除污水中的磯，從而實現對污水的脫氮除磯 功能。
[0048] 5.本發明采用使水體污染物高效降解的骨架結構，能夠滿足污水的充分接觸，同 時，將活性炭纖維覆蓋其上，不易破損，從而提高活性炭纖維使用壽命。
[0049] 6.本發明可有效改善水體富營養化情況，改善難降解污染物對生物鏈的影響，對 水環境的凈化具有重要作用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0化0] 圖1實施例1污水處理人工生態浮島豎直剖視圖（沿波形發展方向）
[0化1] 圖2實施例1污水處理人工生態浮島俯視圖
[0化2] 圖3實施例2污水處理人工生態浮島豎直剖視圖（沿波形發展方向）
[0化3] 附圖標記；
[0054] 1，水生植物；2,固定板；3,上波面；4,中波面；5,下波面；6,顆粒填料層；7、輕質 盒體框架；8、篩網；9、泡沫塑料塊；10,浮球；11，定位鋼繩；12,調節鋼繩；13、錯粧；14,滾 輪；15,種植孔。
【具體實施方式】
[0055] W下通過特定的具體實例說明本發明的技術方案。應理解，本發明提到的一個或 多個方法步驟并不排斥在所述組合步驟前后還存在其他方法步驟或在該些明確提到的步 驟之間還可W插入其他方法步驟；還應理解，該些實施例僅用于說明本發明而不用于限制 本發明的范圍。而且，除非另有說明，各方法步驟的編號僅為鑒別各方法步驟的便利工具， 而非為限制各方法步驟的排列次序或限定本發明可實施的范圍，其相對關系的改變或調 整，在無實質變更技術內容的情況下，當亦視為本發明可實施的范疇。
[0056] 實施例1 ;
[0化7] 人工生態浮島，如圖1所示，包括一輕質盒體框架7,所述輕質盒體框架7的底面 設一篩網8,篩網8上裝填有一層顆粒填料，形成顆粒填料層6,所述顆粒填料層6的上表面 上設有一固定板2,所述固定板2上設有用于栽種水生植物的種植孔15 ;所述顆粒填料層6 上穿插固定有多條輕質正弦波形條骨架；所述多條輕質正弦波形條骨架波形相同并在所述 顆粒填料層6上平行排列，形成同一波形的波形面；所述波形面被所述顆粒填料層6分隔成 上波面3、中波面4和下波面5 =個區域；上波面3突出于所述固定板2之上，中波面4位 于所述顆粒填料層6內；下波面5突出于所述篩網8之下；所述上波面3上鋪設負載有光 催化材料的活性炭纖維拉，中波面4和下波面5上鋪設有普通活性炭纖維拉。波形條骨架 波形曲線長度為8. 6m/m直線距離；輕質盒體框架7為長方體形，尺寸為：長X寬X高= 2. OmXl. 5mX0. 6m，由塑料管制成；沿所述輕質盒體框架7的長度方向每隔500mm布置一正 弦波形條骨架，共5條；所述波形條骨架采用竹條制成，每條骨架竹條用量約為13m(相當于 單位距離波形曲線長度X輕質盒體框架7寬度），竹條寬35mm ;裝填的顆粒填料為生物陶 粒，顆粒粒徑在10?30mm，顆粒填料層高600mm，表層安裝的固定板2上開設的種植孔15 的孔徑為8cm，水生植物1種植在骨架下沉區域，開孔密度為43個/m2;上波面3上鋪設的 活性炭纖維拉上負載光催化劑納米Ti〇2,即ACF-Ti〇2,豎直高度250mm ;制備方法如下；
[0化引選購市場上現有的ACF拉，厚度4mm，經120°C干燥處理化，除去表面吸附的水分。 將其置于體積比V(鐵酸四了醋）：V(無水己醇）=2 : 5的溶液中浸潰。而后將其放 入預熱除水的程序升溫爐中，通入高純氮氣吹掃并緩慢升溫使己醇揮發脫除。當溫度升至 20(TC時，W適宜流量的高純氮氣將過熱水蒸氣帶入使鐵酸四了醋發生水解反應，生成無定 形Ti化薄膜。最后在氮氣保護下對此負載催化劑在650°C溫度下的鍛燒處理，恒溫鍛燒化 后逐漸冷卻，制成負載有納米Ti化的ACF-TiO 2材料；（參考文獻《活性炭纖維負載TiO 2薄 膜的制備及對亞甲基藍的光催化降解》，作者員汝勝）
[0化9] 穿插固定于顆粒填料層6內的普通活性炭纖維拉（即鋪設于中波面4上）的豎直 高度為600mm，厚4mm ;下波面5上鋪設的普通波形活性炭纖維拉高800mm，厚4mm。在種植 孔15內種植具有凈水功能的水生植物香蒲，顆粒填料層6作為植物根系的固定附著區，將 植物種植后，借助生物陶粒填料固定。人工浮島周邊用泡沫塑料塊9固定，提供一定的浮 力。同時在浮島框架外系上浮球10,進一步提高浮力。該浮球10便于拆卸，對人工生態浮 島的升降可起到一定的調節作用。將該裝置放入含有農業廢水的河道中，并使波形條骨架 的波形發展方向與水流方向垂直，如圖2所示；人工生態浮島四周設置錯固系統；即在河道 底部對稱設置多個錯粧13,錯粧13上系有一長度固定的定位鋼繩11，定位鋼繩11的自由 端連接有一個套環；在所述人工生態浮島上，系有與所述多個錯粧13位置對應的多條長度 可調的調節鋼繩12,所述調節鋼繩12穿過對應位置鋼繩上的套環，自由端繞于位于岸上的 滾輪14上。通過所述錯粧13、定位鋼繩11 W及調節鋼繩12的配合作用，借助人工操作，沿 著滾輪14拉動或放松調節鋼繩12,即可達到調節所述人工生態浮島在河道內的升降。
[0060] 該河道的污水中含有農業廢水帶來的有機污染物、氮、磯等主要污染物W及較難 降解的特殊污染物。使用初期，將人工浮島降至水面下20畑1，使上波面3上鋪設的ACF-Ti化 活性炭纖維拉與水體接觸48h后，調節高度，使表面固定板2與水面高度一致，吸附在 ACF-Ti〇2材料上的水中污染物在陽光下，在光催化作用下，進行降解。
[0061] 本實施例中設置人工浮島區域的河道寬度為7. 5米，平均水深為2. 9米，長度為 100米。在河道寬度方向，沿河道兩岸分別設置一排人工浮島，共計兩排，兩排人工浮島交錯 布置，沿河道方向相鄰兩個人工浮島間隔8米，均勻布置，人工浮島長邊與河道長度方向平 行。分別對試驗河道區域設置人工浮島前和設置人工浮島并穩定運行=個月后的水質指標 進行監測。在取樣斷面上各距岸邊1/3水面寬處，設一條取樣垂線，在每條取樣垂線上的水 面下0. 5m處取一個水樣，取斷面混合水樣進行水質監測，各項水質指標詳見表1。
[0062] 表1人工浮島運行前后水質表 [00631
【權利要求】
1. 一種污水處理人工生態浮島，包括一輕質盒體框架，所述輕質盒體框架的底面設一 篩網，篩網上裝填有一層顆粒填料，形成顆粒填料層，所述顆粒填料層的上表面上設有一固 定板，所述固定板上設有用于栽種水生植物的種植孔；所述顆粒填料層上穿插固定有多條 輕質波形條骨架；所述多條輕質波形條骨架波形相同并在所述顆粒填料層上平行排列，形 成同一波形的波形面；所述波形面被所述顆粒填料層分隔成上波面、中波面和下波面三個 區域；上波面突出于所述固定板之上，中波面位于所述顆粒填料層內，下波面突出于所述篩 網之下；所述上波面上鋪設負載有光催化材料的活性炭纖維氈，中波面和下波面上鋪設有 普通活性炭纖維氈或負載有光催化材料的活性炭纖維氈。
2. 如權利要求1所述的一種污水處理人工生態浮島，其特征在于，所述光催化材料選 自納米Ti02、納米ZnO、納米W0 3和納米Fe 203。
3. 如權利要求1所述的一種污水處理人工生態浮島，其特征在于，所述輕質波形條骨 架的波形為弧形波、三角波或矩形波。
4. 如權利要求1所述的一種污水處理人工生態浮島，其特征在于，所述多條輕質波形 條骨架等間距平行排列。
5. 如權利要求1所述的一種污水處理人工生態浮島，其特征在于，所述輕質波形條骨 架由竹條或由熱塑性輕質材料制成；所述輕質盒體框由塑料管、竹筒或聚苯乙烯泡沫制成。
6. 如權利要求1所述的一種污水處理人工生態浮島，其特征在于，所述負載有光催化 材料的活性炭纖維氈的厚度為3?8_ ;所述普通活性炭纖維氈的厚度為3?8_。
7. 如權利要求1所述的一種用于污水處理的人工生態浮島，其特征在于，所述顆粒填 料選自陶粒、沸石顆粒和石英砂，粒徑在1?50_。
8. 如權利要求1所述的一種污水處理人工生態浮島，其特征在于，所述顆粒填料層的 高度為200?800mm ;所述上波面的豎直高度為100?300mm ;所述下波面的豎直高度為 400?1200mm ;所述輕質波形條骨架，沿著波形發展方向，波形曲線長度為6?12m/m直線 距離。
9. 如權利要求1所述的一種污水處理人工生態浮島，其特征在于，所述輕質盒體框架 為長方體結構；所述輕質波形條骨架的波形發展方向與所述長方體結構的一邊平行。
10. 如權利要求1所述的一種污水處理人工生態浮島，其特征在于，所述固定板上種植 孔的開孔密度為25?80個/m2;所述種植孔的直徑為40?150mm。
11. 如權利要求1所述的一種污水處理人工生態浮島，其特征在于，還包括以下特征中 的任一項或兩項： (a) 在所述輕質盒體框架的四周固定有泡沫塑料塊； (b) 在所述輕質盒體框架的四周對稱系有多個浮球或浮筒。
12. -種人工生態浮島凈水方法，包括以下步驟： (1) 將權利要求1-11任一所述的人工生態浮島浮于待處理的污水中，并使波形條骨架 的波形發展方向與水流的方向相垂直； (2) 借助外力，使上波面上鋪設的負載有光催化材料的活性炭纖維氈浸沒于污水中吸 附污染物，并保持一段時間； (3) 撤除外力，使上波面上鋪設的負載有光催化材料的活性炭纖維氈暴露于空氣中進 行光催化分解吸附的污染物。
13. 如權利要求12所述的一種人工生態浮島凈水方法，其特征在于，步驟（1)中，所述 人工生態浮島的種植孔內栽種有具有凈水功能的水生植物，且植物根部浸沒于水體中。
14. 如權利要求13所述的一種人工生態浮島凈水方法，其特征在于，所述具有凈水功 能的水生植物選自香根草、牛筋草、石營蒲、燈芯草、黃花鴛尾、香蒲、美人蕉、慈菇、馬蹄蓮 中的一種或任意幾種的組合。
15. 如權利要求13所述的一種人工生態浮島凈水方法，其特征在于，在所述種植孔的 孔隙內加設柔性材料用于固定所述栽種的水生植物。
16. 如權利要求12所述的一種人工生態浮島凈水方法，其特征在于，還包括以下特征 中的任一項： (a) 所述人工生態浮島四周的水體底部對稱設置有多個錨粧，錨粧上系有一長度固定 的定位鋼繩，定位鋼繩的自由端連接有一個套環；在所述人工生態浮島上，系有與所述錨粧 位置對應的多條長度可調的調節鋼繩；所述調節鋼繩穿過對應位置調節鋼繩上的套環，自 由端繞于位于岸上的滾輪上，通過調節繞在滾輪上的調節鋼繩的長度的方式對所述浮島施 加外力； (b) 通過在所述人工生態浮島上增加或減少重力部件的方式對所述浮島施加外力。
【文檔編號】C02F3/32GK104512966SQ201410803870
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年12月18日 優先權日:2014年12月18日
【發明者】盛倩, 葉方清, 陳清杰, 張大鵬, 李暉 申請人:上海中信水務產業有限公司