一种适宜黑臭水体中沉水植物生长的生物膜种植装置
技术领域
本发明涉及水体生态修复领域，具体涉及一种可提高黑臭水体中沉水植物生长的生物膜种植装置，特别适合氮磷重污染水体中沉水植物的修复与再生。
背景技术
近年来，随着城市的发展，经济发展水平的提高，大量废弃物质排入城市河流中，使得我国城市河流生态环境问题日趋严重。2018年，生态环境部专项督查发现70个城市上报列入国家清单的黑臭水体达1127个。沉水植物可提高水体中氮磷类营养物的去除，还可作为水生动物的栖息地，在一定条件下还可以抑制藻类的生长，沉水植物的修复与再生对黑臭水体的修复尤为重要。在城市黑臭河道水生态修复过程中，从沉水植物着手进行水体生态恢复的实例越来越多。但是利用沉水植物削减水体的黑臭程度单一，而且黑臭水体及沉积物中过高的氨氮对于植物根部的影响较大，研究发现高氨氮浓度(特别是氨氮浓度高于8mg/L时) 对沉水植物的萌芽和生长有一定的抑制作用，过高会导致植物根部无法生长，甚至会出现植物烂根或死亡，倪乐意等通过室内模拟的方法研究发现水培条件下5 mg/L氨氮开始抑制金鱼藻(Ceratophyllum demersum)的生长(曹特,倪乐意.金鱼藻抗氧化酶对水体无机氮升高的响应[J].水生生物学报,2004,28(3): 299-303)；金相灿等研究发现当氨氮的浓度为8mg/L(轻度黑臭水体)时，氨氮对黑藻的胁迫效应要比对穗花狐尾藻的明显(金相灿,郭俊秀,许秋瑾,等.不同质量浓度氨氮对轮叶黑藻和穗花狐尾藻抗氧化酶系统的影响[J].生态环境, 2008(1):1-5)；魏敏等通过微宇宙实验研究发现8mg/L可能是个临界值，若水体中氨氮浓度高于此,会对苦草的萌发和生长产生抑制作用。当氨氮的浓度增加到16mg/L(重度黑臭水体)时，萌发率下降，对苦草的生长产生了一定的抑制作用(魏敏.水体氨氮浓度对苦草种子萌发及幼苗生长的影响.中国卫生产业,2011, 8(11X):14-14)；颜昌宙等研究发现氨氮浓度过高(高于8mg/L和16mg/L时) 会影响轮叶黑藻的正常生理代谢，抑制其生长(颜昌宙,曾阿妍,金相灿,等.不同浓度氨氮对轮叶黑藻的生理影响[J].生态学报,2007(3):1050-1055)。因此，如何减轻黑臭水体中氨氮对沉水植物生长的胁迫作用，成为黑臭水体生态修复过程的研究重点和难点。
目前，针对高氨氮黑臭水体中沉水植物存活率的修复方法主要有：添加生物促生剂、氧化剂、生物促进剂等来提高上覆水中水体的透明度和溶解氧含量，从而提高沉水植物的成活率(张雪.苦草根部生长对黑臭水体的修复作用[D]. 2017)；添加底泥覆盖剂，利用土壤、硅藻土、H2O2、KMnO4覆盖等对底泥进行改变来促进沉水植物的生长(夏蕾,刘国,陈春梅,等.稳定剂增强的土壤原位覆盖抑制河流底泥氮磷释放研究[J].环境工程,2016,34(9):114-118)；原位注射硝酸钙技术修复污染底泥(刘军,刘彤宙,赵达.原位注射硝酸钙技术修复污染底泥操作对底泥中硝态氮和氨氮释放的影响[J].水利水电技术,2015(2):23-27)。但是以上原位使用化学药剂的修复方法会带来反应不充分、药剂浪费严重等副作用，导致二次污染。同时，在2018年，财政部、住建部、环境部联合发文，将河道内原位修复、投撒药剂等方式作为主要治理措施的，视为方案不合格。而传统开发的水生植物种植器存在易随植物的生长容易下沉，且并未考虑黑臭水体中氨氮对沉水植物生长的胁迫作用，因此，不适宜应用在黑臭水体中沉水植物的恢复和再生。
发明内容
本发明的目的是针对黑臭水体河这种特殊的水体污染水体环境、尤其是高氨氮对沉水植物萌芽和生长胁迫导致其生长困难的难题，提供了一种适宜于黑臭水体中沉水植物生长的生物膜种植装置及方法，本发明通过分阶段调节生物膜种植装置在水体中的高度、生物膜网袋的微生物作用、种植基质的吸附作用等有效改善黑臭水体中氨氮对沉水植物的胁迫作用，同时提高黑臭水体透明度，有效提高黑臭水体中沉水植物的修复和再生能力。
所述生物膜种植装置包括浮力调整区和生物膜网袋种植区构成，所述浮力调整区包括具有浮力调整功能的浮力框和浮筒构成；所述生物膜网袋种植区由内衬框、生物膜种植网小格、种植网袋、种植基质和沉水植物构成。
所述生物膜种植装置的形状为圆形或长方形，视处理河道的具体位置而定，一般在驳岸处使用长方形装置，在水体中使用圆形装置。
所述浮力框的材料为水泥和发泡聚丙烯塑胶颗粒按照一定的比例(1∶1-5) 均匀混合形成，所述浮力框的外形尺寸与所述生物膜网袋种植区框架的外形尺寸相匹配，具有一定的浮力。所述浮筒材料为低密度聚乙烯材料，大小为20cm×15cm×10cm，可调整生物膜种植装置在黑臭水体中的位置。
所述物膜网袋种植区的内衬框由聚乙烯材料加工而成，其中均匀布满4-20cm×4-20cm的生物膜种植网小格，该种植网格连接而成生物膜网袋种植区。
所述生物膜种植网袋布置在内衬框之上，所述的种植网袋由聚丙烯丝在内衬框之间的空白区域相互交叉一体成型；具体的方法为：聚丙烯材料经过高温挤出机，熔成水样后进入模具微孔，通入高压空气吹出，聚丙烯丝在吹出的过程中，部分直接固定到内衬框之上，部分细丝相互交叉形成位于内衬框之下的种植网袋；所述的模具微孔直径为1-2mm，所形成的网袋聚丙烯丝的的粗细为1-2mm，种植网袋孔径为0.1-1mm，种植网袋长度为5-20cm；种植网袋密集的细丝可作为水体生物膜的载体，有效提高微生物、浮游动物的生物量。
所述沉水植物种植基质为生物陶粒(粒径2-4mm)、斜发沸石(粒径3-6mm)、生物质炭(主要是竹炭、松木炭、椰壳炭等，粒径3-5mm)、磁铁矿石(粒径 0.5mm)依次由上向下分层布置，以上基质的体积比例为20％、30％、25％、25％，提高水体中沉水植物种植基质对氨氮、硝态氮、磷酸盐的吸附去除能力，同时提高水体透明度；
本发明的另一目的在于提供了一种适宜黑臭水体中沉水植物生长的生物膜种植装置，所述方法包括如下步骤：
A、将沉水植物种植基质生物陶粒、斜发沸石、生物质炭、磁铁矿石依次由上向下分层布置于所述生物膜种植网袋内，并将沉水植物搭配栽植于沉水植物种植基质中；
B、将上述所述的装置进行安装，将栽植好沉水植物的生物膜种植装置布置在黑臭水体中或是在驳岸上，通过所述链接扣进行链接；
C、后期根据水体中氨氮浓度的变化，改变浮筒的多少来调节生物膜种植装置在水体中的高度；
D、对沉水植物进行常规的养护与管理，定期进行收割、更换及清理。
有益效果：本发明采用水泥和发泡聚丙烯塑料颗粒按照一定比例混合而成具有一定浮力的浮力框以及通过调节浮筒多少进行浮力的调节，根据污染水体中氨氮的浓度变化调整生物膜种植装置在水体中的位置，从而减轻底泥直接释放氨氮对沉水植物的毒害作用；利用强度高、质量轻的聚丙烯丝网作为沉水植物的种植网袋，既可作为生物膜的载体，也可以提高水体中脱氮微生物、原生动物、微型后生动物的活动空间；混合配置的种植基质可有效降低沉水植物种植环境中氨氮的浓度，也可提高水体透明度，且种植网袋的孔径较大，可有效减小其阻水能力，最终达到沉水植物有效修复黑臭水体和美化环境的作用。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1为生物膜种植装置结构示意图；其中，1～浮力调整区；2～生物膜网袋种植区；
1-1～浮力框；1-2～浮筒；1-3～链接扣；
图2为生物膜网袋种植区中的生物膜网袋种植区示意图；其中，2-1～内衬框；
2-2～生物膜种植网小格；2-3～种植网袋；2-4～种植基质；2-5～沉水植物；
图3为种植网的剖面示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
本发明提供了一种适宜黑臭水体中沉水植物生长的生物膜种植装置及方法，如图1、图2图3所示，生物膜种植装置包括浮力调整区1和生物膜网袋种植区2，其中浮力调整区由浮力框1-1和浮筒1-2构成，生物膜网袋种植区由内衬框2-1中布满由种植网袋2-3、种植基质2-4和沉水植物2-5构成的生物膜种植小格2-2；浮力框1-1含有水泥和发泡聚丙烯(Polypropylene，PP)塑胶颗粒，通过调整其比例(1∶1-5)和浮筒1-2的多少来调整其在水体中的浮力；浮力调整框的外侧开具有直径为3～5cm的链接扣1-3，以方便在水体中进行组装；内衬框2-1的外形尺寸与所述生物膜网袋种植区2的外形尺寸相匹配，以保证所述内衬框能够完全固定住所述种植区内；种植网袋2-3衬于内衬框2-1之上，一体成型，其材质选用具有强度高、质量轻特性的PP材料。所述的种植网袋2-3由聚丙烯丝在内衬框2-1之间的空白区域相互交叉一体成型；具体的方法为：聚丙烯材料经过高温挤出机，熔成水样后进入模具微孔，通入高压空气吹出，聚丙烯丝在吹出的过程中，部分直接固定到内衬框之上，部分细丝相互交叉形成位于内衬框之下的种植网袋；所述的模具微孔直径为1-2mm，所形成的网袋聚丙烯丝的的粗细为1-2mm，种植网袋孔径为0.1-1mm，种植网袋长度为5-20cm；种植网袋密集的细丝可作为水体生物膜的载体，有效提高微生物、浮游动物的生物量。其作为生物膜的载体，有效提高微生物、浮游动物的生物量；种植网袋2-3衬于内衬框2-1之上，一体成型，其材质选用具有抗腐蚀能力强、质量轻和容易更换的特征；上述生物膜种植装置易根据水体中氨氮含量以及选用不同耐污品种的沉水植物进行合理搭配，优化低内稳性和高内稳性沉水植物配置，有效提高黑臭水体中氨氮去除效果；
种植网袋2-3由聚丙烯(PP)丝为原料制成的袋子，其孔径大小为0.1-1.0mm，具有透水不透基质的特性。采用种植网袋2-3种植沉水植物2-5可以有效地保护沉水植物的根系，更有利于沉水植物种子的萌芽率，促进种植网袋上生物膜的生长来，提高去除氨氮的去除能力，促进黑臭水体中沉水植物的恢复与再生，及并有利于提高水体中原生动物、微型后生动物的恢复和生长含量，促进黑臭水体中沉水植物的恢复与再生。
种植网袋2-3内还填充有种植基质2-4，沉水植物种植基质为生物陶粒(粒径2-4mm)、斜发沸石(粒径3-6mm)、生物质炭(主要是竹炭、松木炭、椰壳炭等，粒径为3-5mm)、磁铁矿石(粒径0.5mm)依次由上向下分层布置，以上基质的体积比例为20％、30％、25％、25％，提高水体中沉水植物种植基质对氨氮、硝态氮、磷酸盐的吸附去除能力，同时提高水体透明度；
本发明的生物膜种植装置可根据水体中氨氮浓度的含量来调整该装置在黑臭水体中的高度，在为沉水植物生长提供有利的水体环境的基础上，有利于黑臭水体中氨氮的去除以及水体透明度的提升。为沉水植物的恢复和再生提供了良好的水体环境，有利于黑臭河道中沉水植物的恢复与再生。
实施例2
本发明还提供了一种沉水植物的种植方法，所述方法包括如下步骤：
A、将沉水植物种植基质生物陶粒(粒径2-4mm)、斜发沸石(粒径3-6mm)、生物质炭(主要是竹炭、松木炭、椰壳炭等，粒径为3-5mm)、磁铁矿石(粒径 0.5mm)依次由上向下分层布置于所述生物膜种植网袋内，并将沉水植物搭配栽植于沉水植物种植基质中；
B、将上述任一所述的装置进行组合与安装，将栽植好沉水植物的生物膜种植装置布置在黑臭水体中或是在驳岸上，通过所述链接扣进行链接；
C、后期根据水体中氨氮浓度的变化，改变浮筒的多少来调节生物膜种植装置在水体中的高度；
D、对沉水植物进行常规的养护与管理，定期进行收割、更换及清理。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神内涵，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
