一种高效净水复合式生态浮岛装置及水处理方法与流程

本发明涉及水体污染治理技术领域，具体涉及一种高效净水复合式生态浮岛装置，应用于水污染生物净化处理和城市水体生态修复中。

背景技术：

随着我国城市化进程加速，环境污染日益严重。据相关部门调查数据显示全国范围内，90%城市水域遭到重度污染，城市内50%水源不符合城镇饮用标准，40%的城镇水源无法饮用。关于城市水体污染治理相关政策《水十条》指出，到2020年，地级以上城市黑臭水体控制在10%以内，到2030年，城市建成区黑臭水体总体得到消除。城市黑臭水体治理已然成为地方各级政府环境综合整治工作的重要组成部门。

目前城市水体治理技术主要分为物理、化学、生物三大类型，而生物生态技术由于其对环境友好、经济效率高得到广泛推崇；其中生态浮岛技术便是生物生态技术很好的一大应用类型。传统生态浮岛装置对重营养化污染水体治理效果不佳，效益不高。并且传统生态浮岛结构较为简单松散，装置的稳定性较差，在水流较大的河面难以固定。再者，其结构更注重水上空间的利用，多利用挺水植物净水，对水下空间净水开发程度不高，导致整体净水能力不强。部分复合生态浮岛技术在传统生态浮岛装置上增加了太阳能板、营养基质、循环系统等，建设方式较为复杂却未大幅提升净水效率，导致生产成本增加、净水效益减少。因此，为优化上述技术缺憾，有必要研发出一种高效净水复合式生态浮岛装置。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述现有装置存在的净水效益较低、装置结构简易松散、水下空间利用不足的技术缺憾，提供一种提升装置整体净水效率及稳定性、降低后期养护成本与便捷度以及装置整体景观效果等方面的复合式生态浮岛装置。

本发明采用的技术方案如下：

一种高效净水复合式生态浮岛装置，包括漂浮载体、导水管、导气管、生物膜附着棒、液体泵；所述漂浮载体上表面固定有水生植物种植篮，下表面固定有水生动物养殖网；所述导水管贯穿漂浮载体、水生动物养殖网；所述导水管上端设有喷头、下端与液体泵的出水口连通；所述液体泵的入水口接有吸水管；所述导气管贯穿喷头、漂浮载体、水生动物养殖网；所述导气管一端设有氧气泵、一端与微孔曝气管连通；所述微孔曝气管下端设有弯折结构；生物膜附着棒安装在吸水管壁上；生物膜附着棒与弯折结构之间设有阿科蔓生态基；所述漂浮载体由eva海绵、聚氨酯海绵或者pe海绵制备。

一种高效净水复合式生态浮岛系统，包括漂浮载体、导水管、导气管、生物膜附着棒、液体泵、景观柱；所述漂浮载体上表面固定有水生植物种植篮，下表面固定有水生动物养殖网；所述导水管贯穿漂浮载体、水生动物养殖网；所述导水管上端设有喷头、下端与液体泵的出水口连通；所述液体泵的入水口接有吸水管；所述导气管贯穿喷头、漂浮载体、水生动物养殖网；所述导气管一端设有氧气泵、一端与微孔曝气管连通；所述微孔曝气管下端设有弯折结构；生物膜附着棒安装在吸水管壁上；生物膜附着棒与弯折结构之间设有阿科蔓生态基；所述漂浮载体由eva海绵、聚氨酯海绵或者pe海绵制备；景观柱与液体泵之间通过伸缩绳连接。

本发明的装置由主体浮于水面的水生动植物浮载模块、沉于水下的生物膜净水模块、连接两大模块的微机动抽水模块组成，同时该装置结合位于岸边的供能及固位模块可以组成高效净水复合式生态浮岛系统；具有景观效果较好、成本低、易维护等优点，对重营养化污染水体治理效果佳，效益高。本发明的方位关系为实际位置关系，比如氧气泵在最上方，并且氧气泵、液体泵的控制运行为现有技术。

本发明中，漂浮载体由第一圆柱体以及位于第一圆柱体上方的第二圆柱体组成，且第一圆柱体的半径大于第二圆柱体的半径；第一圆柱体、第二圆柱体可以为一体结构，也可以通过胶粘的方式贴合固定，优选为一体结构，制备方便，并且在水面结合稳定；进一步优选的，第一圆柱体、第二圆柱体具有同一根中轴线。

本发明中，漂浮载体上表面设有圆孔，所述水生植物种植篮位于圆孔中；优选的，所述水生植物种植篮最大的横截面为圆形结构，该圆形结构的直径与圆孔的内径一致，优选圆柱结构；进一步优选的，圆孔贯穿漂浮载体的上表面、下表面；再优选的，圆孔为复数个，所述复数个圆孔环绕漂浮载体的中轴线均匀分布；使得水生植物种植篮均匀的分布在漂浮载体上，水生植物种植篮内种植水生植物，水生植物生长时其根系可达水面以下。

本发明中，水生动物养殖网为圆柱形结构，优选圆柱形结构的半径与漂浮载体的第二圆柱体的半径一致，以保障生态浮岛装置重心稳固，且漂浮载体中种植的水生植物根系净水与水生动物净水形成叠加净水效果。

本发明中，漂浮载体、水生植物种植篮、水生动物养殖网构成水生动植物浮载模块；漂浮载体是一种轻质的环保浮床，且由上下两层半径递增的圆柱形海绵组成，并有同一竖直中轴线穿过圆柱体中心；两层圆柱形海绵上布设有多个贯穿海绵的圆孔，圆孔环绕圆柱形海绵中心均匀布设，且圆孔直径统一与水生植物种植篮尺寸吻合，使得水生植物种植篮均匀的分布在漂浮载体上；水生植物种植篮内种植水生植物，水生植物生长时其根系可达水面以下；漂浮载体下层则是水生动物养殖网，该网为半径与漂浮载体第二圆柱形海绵一致的圆柱形生态养殖网，其赋有耐受能力强、轻薄环保等优点，水生动物养殖网内设有水生动物，水生动物为具有一定净水能力的贝类。

本发明中，漂浮载体为环保浮床，材质可为eva海绵、聚氨酯海绵、pe海绵等材料，根据设计的结构利用现有方法制备；第一圆柱体、第二圆柱体的厚度一致，都为6～10cm。该厚度范围足以满足生态浮岛装置漂浮于水面，若过厚增加装置成本，过薄无法保障装置浮于水面。

本发明中，水生植物种植篮材质可选用轻质的pe材料，水生植物种植篮的口径为12cm～8cm，深度为20cm～10cm；进一步优选的，漂浮载体中，第一圆柱体上表面的水生植物种植篮的口径为8cm，深度15cm～10cm，第二圆柱体上表面的水生植物种植篮的口径为12cm，深度为20cm～15cm；该漂浮载体提供两种尺寸水生植物种植篮是为了确保生态浮岛装置可种植不同株高、多种类的水生植物，以增强净水能力。

本发明中，水生植物株高较高的可选美人蕉、香蒲、鸢尾、花叶芦竹、菖蒲、旱伞草种于双层圆柱海绵区域，株高较矮的可选香菇草、水葫芦、狐尾藻种于单层圆柱海绵区域；水生动物可选牡蛎、海蛤。

本发明中，导水管与漂浮载体具有同一根中轴线，即导水管穿过漂浮载体中心；优选的，漂浮载体下表面设有固定杆，固定杆与导水管采用常规方法相接，采用固定杆可以加固导水管，可将固定杆嵌入漂浮载体下表面，在水体浮力以及摩擦力的作用下足以使得导水管固定，进一步优选的，固定杆为四根，固定杆的长度为第一圆柱体的半径，且固定杆呈十字排布。增加固定杆是为了增强生态浮岛装置稳固性和一体化程度，并且确保装置放置于水体较为湍急处和装置自发净水曝气时的稳健性，减少导气管与漂浮载体之间接缝处磨损，延长漂浮载体使用年限。

本发明中，吸水管一端与液体泵的入水口接合、另一端封闭，且吸水管侧壁设有复数个通水孔，优选的，通水孔的直径为0.1～1厘米，相邻通水孔之间的距离为10厘米；将吸水管底端封闭且在其侧壁布置通水孔是为了液体泵抽水时保障不同深度水体被抽取，以提高水循环率，增强净水效率。

本发明中，喷头、导水管、液体泵、吸水管组成微机动抽水模块；喷头设于漂浮载体上部，与导水管相接通，导水管垂直贯穿漂浮载体与水生动物养殖网伸入水面下，在导水管与漂浮载体底部相交处，设置用于衔接固定的相互垂直的四条固定杆，嵌入漂浮载体的下层圆柱形海绵底部，且固定杆长度与圆柱形海绵半径一致；液体泵顶部出水口与导水管相接，底部入水口连接吸水管，吸水管位于水生动植物浮载模块下方，定时抽取水体供应喷头喷水，形成水景观并起到循环水体的作用，提高净水效率，喷头为现有常规产品。

本发明中，导水管、吸水管可为pvc管，外径32mm，其中吸水管管壁上排列有排列大小一致的圆通水孔，其直径不大于1cm，为0.1～1厘米，视水深、水流量确定具体孔大小，垂直方向上两通水孔间距为10cm。

本发明中，导气管设置在导水管侧壁上，微孔曝气管设置在吸水管侧壁上，这样设计既稳定又减少工序，降低安装要求；优选的，导气管为4根，微孔曝气管对应为4根。导气管、微孔曝气管材质为epdm橡胶，外径都为6mm；微孔曝气管橡胶壁上的曝气孔呈双排排布，孔径为0.1mm。导气管与微孔曝气管在导水管和吸水管的对应位置优选均衡且对称式分布。

本发明中，氧气泵、导气管、微孔曝气管、阿科蔓生态基、生物膜附着棒组成生物膜净化模块；氧气泵设置于喷头上部，导气管连接氧气泵出气口，紧贴导水管垂直贯穿漂浮载体与水生动物养殖网并连接微孔曝气管，微孔曝气管紧贴吸水管沉于水下，微孔曝气管下端设有弯折结构使得微孔曝气管呈l型结构，生物膜附着棒与水面平齐垂直相交，生物膜附着棒、弯折结构之间设有阿科蔓生态基。

优选的，氧气泵的功率为16～20w，出气量为50l/分钟，可以有一个或者多个出气口。

优选的，阿科蔓生态基为条带状，宽度为5～8cm，这样在生物膜附着棒、弯折结构之间可以设有多个阿科蔓生态基，相邻阿科蔓生态基之间的距离根据实际情况设计。

本发明中，景观柱的位置没有限制，能够实现提供氧气泵、液体泵运行的动力以及通过伸缩绳固定住浮岛装置即可，而且具体景观柱的设计没有限制，美观即可；优选的伸缩绳包括输电线以及包裹输电线的防水绝缘弹性层，这样伸缩绳可以起到传输氧气泵、液体泵所需电能以及拉住浮岛装置的作用，具体防水绝缘弹性层材料为现有技术，比如亨通电缆的产品。

本发明中，插入土层的景观柱和连接景观柱及生态浮岛装置的伸缩绳组成供能及固位模块；所述景观柱可与岸边景观灯等结合，该景观柱主要为生态浮岛主体提供电能并起到固定作用，具体供能方式为现有技术；所述伸缩绳是连接景观柱与生态浮岛主体的重要部分，它内含输电线，外部为防水、耐受能力强且有伸缩性的材料构成。伸缩绳还可方便后期进行定期检修装置和更新水生动植物和生态基时，将生态浮岛装置随时拉回岸边。

优选的，伸缩绳长度范围可为5～25m。

本发明公开了上述高效净水复合式生态浮岛装置在水处理中的应用。

本发明公开了上述高效净水复合式生态浮岛装置进行水处理的方法，包括以下步骤：将所述高效净水复合式生态浮岛装置放入待处理水中，间隔打开氧气泵和/或间隔打开液体泵；实现水处理。

上述技术方案中，氧气泵与液体泵不同时打开；氧气泵将抽得的气体输入一根导气管或者多根导气管之中；间隔打开氧气泵的条件是，每隔1～3小时打开氧气泵一次、每次持续10～20分钟；间隔打开液体泵的条件是，每隔1～3小时打开液体泵一次、每次持续10～20分钟。

上述技术方案中，高效净水复合式生态浮岛装置中，水生植物种植篮内种植美人蕉、香蒲、鸢尾、花叶芦竹、菖蒲、旱伞草、香菇草、水葫芦、狐尾藻中的一种或几种；水生动物养殖网内养殖牡蛎和/或海蛤。

本发明的有益效果是：

1.本发明装置在净水效率方面，有如下几个优化：

（1）水生动植物浮载模块中，双层漂浮载体保障多种水生植物生长并净水，水生植物下层养殖净水贝类进一步净水；

（2）微机动抽水模块循环装置辐射范围内的污染水体，加速相关净水模块净水效率，喷头喷水也增加了水体溶氧量；

（3）生物膜净水模块则是该装置最为高效的净水模块，阿科蔓生态基通过其上面附着的大量微生物的代谢作用降解水中污染物，并以微生物为基础发展水生生态系统，强化水体的自净能力。

2.本发明装置在结构上，水体表层空间利用传统且自然的水生动植物净水，水体下层空间利用人工的生物膜技术净水，水岸处有景观柱与伸缩绳束缚生态浮岛主体并提供能源，较好地提升了生态浮岛的稳定性、复合度与空间结构使用率。

3.本发明装置在外形上高度对称，水面上部布满水生植物，其顶端的喷头定时喷水，增添了滨水景观效果。由于生物膜净水模块每次仅开启某一单向微孔曝气管进行曝气，使得复合式浮岛装置在水面定向移动，形成韵律景观，增添装置趣味性，且屹立在岸边的景观柱也提升了景观效果。

附图说明

图1为复合式生态浮岛装置的立体结构示意图；

图2为复合式生态浮岛装置的俯视结构示意图；

图3为漂浮载体下表面结构示意图；

图4为复合式生态浮岛装置顶端放大示意图；

图5为生物膜附着棒、弯折结构之间设有阿科蔓生态基的结构示意图；

图6为微孔曝气管结构示意图；

图7为复合式生态浮岛系统的主视结构示意图；

图8为复合式生态浮岛系统的立体结构示意图；

图中序号，1-漂浮载体，2-水生植物种植篮，21-较大口径的水生植物种植篮，22-较小口径的水生植物种植篮，3-水生植物，4-水生动物养殖网，5-水生动物，6-氧气泵，7-导气管，8-微孔曝气管，81-弯折结构，82-曝气孔，9-阿科蔓生态基，10-生物膜附着棒，11-喷头，12-导水管，13-液体泵，14-吸水管，141-通水孔，15-景观柱，16-伸缩绳，17-固定杆。

具体实施方式

为了使发明的目的、技术方案更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。本发明的高效净水复合式生态浮岛装置由主体浮于水面的水生动植物浮载模块、沉于水下的生物膜净水模块、连接两大模块的微机动抽水模块构成，并结合位于岸边的供能及固位模块组成高效净水复合式生态浮岛装置系统。本发明的各部件都是现有材料，除了特别指出之外，各部件之间的连接、组装根据常规技术即可完成。

实施例一

参见图1-6，一种高效净水复合式生态浮岛装置，包括漂浮载体1、导水管12、导气管7、生物膜附着棒10，漂浮载体上表面固定有圆柱结构的水生植物种植篮2，下表面固定有水生动物养殖网4；导水管贯穿漂浮载体、水生动物养殖网；导水管上端设有喷头11、下端与液体泵13的出水口连通；液体泵的入水口接有吸水管14；导气管贯穿喷头、漂浮载体、水生动物养殖网；导气管一端设有氧气泵6、一端与微孔曝气管8连通；微孔曝气管下端设有弯折结构81；生物膜附着棒安装在吸水管壁上；生物膜附着棒与弯折结构之间设有阿科蔓生态基9。

漂浮载体1由上下两层半径分别为90cm和120cm的圆柱形海绵组成，圆柱形海绵材质为eva环保海绵，厚度均为10cm；两层圆柱形海绵上表面（即漂浮载体上表面）布设有多个贯穿海绵的圆孔，圆孔环绕圆柱形海绵中心轴均匀布设，且圆孔直径统一与对应的水生植物种植篮2尺寸吻合，所有水生植物种植篮均安装于圆柱形海绵上，较大口径的水生植物种植篮21直径为12cm、深度为15cm，分布于漂浮载体海绵中心至90cm处范围内，较小口径的水生植物种植篮22直径为80cm、深度为10cm，分布于漂浮载体海绵外层半径90～120cm范围内；较大口径的种植篮内种植水生植物3为旱伞草，较小种植篮内种植香菇草；漂浮载体底面则常规方法安装水生动物养殖网4，该网为半径90cm深度为20cm的圆柱形网，材质为聚乙烯合成纤维，水生动物养殖网内选用的水生动物5为牡蛎。

导水管12垂直贯穿漂浮载体与水生动物养殖网伸入水下，导水管外径为32mm，材质为pvc管；导水管顶端接喷头11，底端接液体泵13的顶部（出水口），液体泵底部（入水口）连接吸水管14，吸水管底端伸至水下约1.2m处，吸水管底部密封，管壁四周从底部每间隔10cm打通水孔141，孔洞直径为1cm，便于将水体吸入导水管中。

漂浮载体下表面设置用于衔接固定的相互垂直的四条固定杆17，嵌入漂浮载体的下层圆柱形海绵底部，且每根固定杆长度为120cm，固定杆材质为pvc管，为直径4mm实心圆柱体，且与导水管材质相同，自成一体，以装置增强其稳固性。

氧气泵6设置于喷头上部，与导气管7相接。氧气泵功率为20w，出气量为50l/分钟，氧气泵将抽得的氧气/空气一并输入导气管，导气管外径为6mm，且布设有4根导气管（均匀分布并紧贴于导水管四面），并连接4根微孔曝气管8。微孔曝气管外径为6mm，材质为epdm橡胶，微孔曝气管均匀分布并紧贴吸水管沉于水下。在吸水管底端，微孔曝气管折90°垂直于吸水管并向外延伸45cm，呈弯折结构81；微孔曝气管上的曝气孔82呈双排并列排布，曝气孔直径为0.1mm，产生的100μm气泡分别竖直向上和水平方向曝出游走；生物膜附着棒10与水面平齐垂直相交固定在吸水管上，长度45cm，共4根且在同一水平面上两两垂直；生物膜附着棒与延伸出的微孔曝气管的弯折结构之间设有阿科蔓生态基9，阿科蔓生态基为条带状，尺寸为6cmx60cm，分隔4cm均匀分布；生物膜附着棒与弯折结构的微孔曝气管将阿科蔓生态基固定，便于曝气时充分接触不断游走的微气泡以保证生物膜高效净水。此情况下，微孔曝气管的曝气方向除了竖直向上，还有四个两两垂直的方向。微孔曝气管曝气，一是增加阿科蔓生态基周围水体含氧量，提升附着在阿科蔓生态基上的微生物活性，以此提升生物膜净水效率；二是可以提升水生植物根系和水生动物生长环境中的含氧量，提升其存活率并同时提升其净水效率。

实施例二

参见图7-8，一种高效净水复合式生态浮岛系统，由实施例一的高效净水复合式生态浮岛装置与景观柱15、伸缩绳16组成，伸缩绳长10米，内含输电线，外部为防水、耐受能力强且有伸缩性的材料（防水绝缘弹性层，为现有产品）构成。伸缩绳的一端连接着液体泵，且输电线延伸沿导水管内部至氧气泵，使得液体泵和氧气泵因电能正常运转；另一端连接位于岸边的景观柱，使得生态浮岛装置被固定在景观柱周围水体中一定范围内浮动，景观柱内部按常规方法埋设电线。

在使用的时候，高效净水复合式生态浮岛装置放于水中，被景观柱通过伸缩绳固定，氧气泵功率为20w，出气量为50l/分钟，每隔一段时间打开氧气泵一次，每次持续10～20分钟；氧气泵将抽得的氧气/空气输入4根导气管之中的某1根或者多根，导气管将气体传送至微孔曝气管，微孔曝气管沉于水下，在吸水管底端折90°（弯折处的圆弧半径为9mm）垂直于吸水管并向外延伸60cm，呈弯折结构；微孔曝气管上的曝气孔呈双排并列排布，曝气孔直径为0.1mm，产生的100μm气泡分别向上和竖直于水平面游走；微气泡覆盖于阿科蔓生态基周围并逐步向上游走，提升水体氧气含量。竖直于水平方向的微气泡与阿科蔓生态基自动进行清洗，洗除附着阿科蔓生态基上较大的颗粒性杂质，保持生态基的清洁，提高其有效比表面积和微生物附着密度；阿科蔓生态基对硝化/反硝化细菌、有机降解微生物等净化水体的微生物群体有很好的吸附作用，形成聚集的微生物群落，通过将大分子有机质、氮磷污染物质分解为无机物（小分子），并通过微生物呼吸作用分解消耗，以气态方式逸出。每隔一段时间打开液体泵一次，每次持续10～20分钟；液体泵从吸水管的侧壁通水孔吸入水，经过导水管从喷头喷洒出来，既使得水处理效率提高、效果均匀，又提供景观。氧气泵与液体泵不同时打开。

实施例三

实施例二的高效净水复合式生态浮岛装置放入平均水深约1.5m、面积130㎡的小水池中，安放四个复合式生态浮岛装置，每个装置可辐射水域范围为30～35㎡；然后每隔1小时打开氧气泵一次、每次持续15分钟，每隔1小时打开液体泵一次、每次持续15分钟，氧气泵与液体泵不同时打开，且每次仅开启4根微孔曝气管中的某1根，此情况下，微孔曝气管的曝气方向除了竖直向上，还有某一水平方向，由于每次仅打开一个方向曝气，四根微孔曝气管可交错曝气，水平方向的曝气可使得生态浮岛装置借助水体反推力有限的范围内移动，由此可增强净水范围与效率。运行两周后，小池塘水体的溶氧量从0.3mg/l提升到5mg/l，透明度从原始的0.8m提升至1.2m，水体浊度平均值由32ntu降低到15ntu（去除率达到53.1%），化学需氧量（cod）、总氮（tn）、总磷（tp）平均降低率分别约为35.6%、42.1%、53.2%。寻找类似环境的水体，采用现有浮岛装置，根据以上辐射参数，运行两周后，小池塘水体的溶氧量从0.31mg/l提升到3.58mg/l，透明度从原始的0.8m提升至1.09m，水体浊度平均值由31ntu降低到25ntu。

如果在实施例二的基础上，去除水生动物养殖网与水生动物，按照25㎡左右水域/浮岛处理水体（平均水深约1.3m），运行两周后，水体的溶氧量从0.39mg/l提升到4.5mg/l，透明度从原始的0.75m提升至0.89m，效果不太好，其他指标未检测；如果在实施例二的基础上，去除氧气泵，按照25㎡左右水域/浮岛处理水体（平均水深约1.3m），运行两周后，水体的溶氧量从0.39mg/l提升到2.5mg/l，透明度从原始的0.75m提升至0.85m，效果不太好，其他指标未检测；如果在实施例二的基础上，去除液体泵，按照25㎡左右水域/浮岛处理水体（平均水深约1.3m），运行两周后，水体的溶氧量从0.39mg/l提升到3.1mg/l，透明度从原始的0.75m提升至0.93m，效果不太好，其他指标未检测。

实施例二的高效净水复合式生态浮岛装置放入平均水深约1.3m、面积80㎡的另一小水池中，安放三个复合式生态浮岛装置，每个装置可辐射水域范围为25～28㎡；然后每隔2小时打开氧气泵一次、每次持续10分钟，每隔1.5小时打开液体泵一次、每次持续15分钟，氧气泵与液体泵不同时打开，且每次开启全部4根微孔曝气管，此情况下，微孔曝气管的曝气方向除了竖直向上，还有某一水平方向，微孔曝气管曝气，一是增加阿科蔓生态基周围水体含氧量，提升附着在阿科蔓生态基上的微生物活性，以此提升生物膜净水效率；二是可以提升水生植物根系和水生动物生长环境中的含氧量，提升其存活率并同时提升其净水效率。运行两周后，小池塘水体的溶氧量从0.33mg/l提升到6.5mg/l，透明度从原始的0.7m提升至1.2m，水体浊度平均值由28ntu降低到15ntu，化学需氧量（cod）、总氮（tn）、总磷（tp）平均降低率分别约为39.4%、48.2%、62.6%。

本发明长期运行可促进池塘水体净化，达到长效的自净效果；而且运行过程中，本发明的装置一直稳定，没有出现松动、偏倒的情况，水岸处有景观柱与伸缩绳束缚生态浮岛主体并提供能源，较好地提升了生态浮岛的稳定性、复合度与空间结构使用率。