张玲玲，李 昆，李兆华

（湖北大学资源环境学院，武汉 430062）

无纺布人工浮岛在改善富营养化水体水质中的应用

张玲玲，李 昆，李兆华

（湖北大学资源环境学院，武汉 430062）

无纺布人工浮岛是一种无纺布与PVC管组合式植物水上栽培浮床，具有经济、易操作、稳定等优点。分析了3种不同固定方式的无纺布人工浮岛在应用中的优缺点，以及无纺布作为浮床材料的可行性和无纺布人工浮岛对水体的净化能力。结果表明：3种无纺布浮床结构中，条状无纺布框架结构操作最简单且经济；由于无纺布人工浮岛成本低、易操作，如果今后能为废弃无纺布的处置问题找到出路，无纺布人工浮岛在改善富营养化水体水质领域将会大面积推广使用。

无纺布；人工浮岛；富营养化；净化

1 研究背景

1.1 人工浮岛研究进展

人工浮岛技术就是把水生植物或改良驯化的陆生植物移栽到水面浮岛上，植物在浮岛上生长，通过植物的吸收、根部释氧和微生物降解等复杂的物理、化学和生物过程，从而达到净化水质的目的［1－2］，同时收获的蔬菜能带来一定的经济收益，花卉能营造一定的景观效果。

20世纪80年代末以来，西方发达国家采用人工生态浮床技术来改善湖泊、水库、饮用水源地的水质，取得了一定治理效果。后来，人工浮岛技术被引进国内，并得到一系列相关研究，并在一定范围内推广利用。研究多集中在栽培植物的筛选、浮岛材料的选择、水质的净化效果等方面，并取得了一定成果。

1.2 人工浮岛材料的选择困境

人工浮岛的设计要遵循以下原则：浮岛材料的稳定性、耐久性、环保性、经济性以及浮岛结构的易操作性。稳定性要求浮床材料具有一定的抵抗风浪和水流冲击的能力，不会因框架与框架的碰撞而破损；耐久性要求浮床材料能够重复使用；环保性要求浮岛材料在使用过程中不会对水体释放污染物质，以及使用后废弃的浮岛材料不对环境造成威胁，能较好地处理或利用；经济性要求单位面积浮床材料的一次性投入和后期维护管理费用较低；易操作性要求浮床材料的制作和维护简单，能被广大农民群众轻松掌握。

当前人工浮岛材料主要有竹子、泡沫板、木头、废旧轮胎等［3］，其中泡沫板和竹子使用较多。泡沫板在制作浮岛材料时简单易操作，但易碎、稳定性差，会对环境产生白色污染，且视觉效果也不好；用竹子做浮岛材料具有耐久性、可重复利用性，但操作复杂、人工成本高。随着人工浮岛技术日益成熟和农村水环境日益恶化，该技术在中国农村地区具有广泛的应用前景，因此，选择一种理想的浮床材料势在必行。

1.3 无纺布的特性

无纺布又称不织布、丰收布，由定向的或随机的纤维构成，是一种有较好透气性、吸湿性和一定透光性的新型覆盖材料，具有质轻、不助燃、容易分解、无毒无刺激性、色彩丰富、价格低廉、可循环再用等特点。无纺布的主要原材料是聚丙烯，聚丙烯的化学结构不对称，分子链易断裂，易老化降解。据报道，一个无纺布购物袋在90 d内就可以分解［4］。

近年来无纺布在卫生吸收材料、医药、交通工具、制鞋纺织材料上的应用量明显增长，用于蔬菜、花卉、水稻等育苗，也用于茶叶、花卉防冻害，代替和弥补塑料薄膜覆盖保温上的不足。聚丙烯无纺布以成本低、重量轻、耐腐蚀、化学稳定性好、比表面积大、表面粗糙、微生物易于附着等优点，在膜生物反应器工艺中作为一种分离材料，已得到了广泛的应用［5－7］。在污水处理中无纺布对微生物具有良好的吸附能力，作为填料可大大增加附着生物量，是厌氧氨氧化菌很好的载体［8－9］。除了用于生物膜之外，也有研究将无纺布作为一种生物填料，该装置将无纺布编织成网状，在网孔中放植株，对无纺布填料在污水自净过程中的作用进行了研究［10－11］。

2 材料与方法

2.1 无纺布选择

市场上有30，40，50，80 g／m2等不同规格无纺布，考虑本次需要无纺布具有一定的支撑能力，选择购买50 g／m2的无纺布。本次试验使用了宽1.5 m的块状无纺布和宽0.12 m的条状无纺布，比较不同结构的无纺布人工浮岛在使用过程中的优缺点。

2.2 栽培植物选择

目前试验较成功的人工浮岛栽培植物有美人蕉、芦苇、荻、菖蒲、水芹菜、竹叶菜、凤眼莲等。本次试验选择的栽培植物是竹叶菜，主要考虑以下几点：竹叶菜的易成活性；竹叶菜对栽培水体的水质净化效果较好；竹叶菜的生长速度较快，能带来较大的经济效益；无纺布的柔软性质和较低的承受能力较适合栽培能漂浮的草本植物；竹叶菜易得，使该技术在农村地区易推广。

2.3 无纺布人工浮床制作

本试验使用的框架结构是将直径为75 cm的PVC管用弯头连接成长2 m宽1 m的长方形结构，将无纺布用3种不同的方式固定在PVC管框架结构上。第1组将50 g／m2的单层无纺布缝制在框架结构上；第2组用双层无纺布缝制；第3组是分别将10条宽12 cm的条状无纺布缠绕PVC管框架一周，然后打结。分别在第1组无纺布和第2组无纺布的上面一层均匀挖50个孔，第3组在每条无纺布的上层挖5个孔。

2.4 试验地水质状况

本次试验地点选择沙湖旁隔离池塘，受试水体的COD为134.5 mg／L，TN为13 mg／L，TP为1.19 mg／L，pH为7.31。根据我国地表水环境质量标准（GB3838—2002）规定，Ⅴ类水体中COD≤40mg／L，TP≤0.4 mg／L，TN≤2.0 mg／L，由此可知，该池塘水体属于劣Ⅴ类。

根据国家水利部发布的《地表水资源质量评价技术规程》（SL395—2007）中的规定，按照相关公式计算，该池塘营养状态指数为100，该池塘水体属于重度富营养化。

2.5 检测方法

通过称重法称取3组无纺布人工浮岛栽培竹叶菜的重量。水体中COD的测定方法为重铬酸钾滴定法，TN的测定方法为碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，TP的测定方法为钼酸铵分光光度法，pH的测定方法为pH计测定法，无纺布的力学性能的测定方法为材料拉伸机测定法。

3 结果与讨论

3.1 3种浮床结构优缺点分析

在试验过程中，发现这3组无纺布框架结构作为人工浮岛材料都很成功，但是也各有不足之处，如遇到暴雨天气，前2组框架结构的无纺布上都会有积水，且排不出去，既增加了无纺布的承受负荷，还可能影响植物的生长；而第3组条状无纺布框架结构就避免了积水状况。比较3组人工浮岛框架的无纺布使用量，发现第1组和第3组用的无纺布是第2组的一半，这样就会节约原材料成本；但是第2组无纺布框架结构用于人工浮岛与渔业养殖相结合的情况下更有优势，双层无纺布可以防止鱼类破坏蔬菜的根系，不会影响蔬菜的生长，而另2组框架结构均没有此功能。比较3组人工浮岛框架的制作过程，第3组无纺布人工浮岛的操作最简单且经济。

3.2 无纺布作为浮床材料的可行性

3.2.1 无纺布人工浮岛的经济性分析

据市场调查，无纺布的价格为13.3元／kg，如果采用50 g／m2的无纺布，无纺布的价格是0.67元／m2，PVC框架材料的一次性投入20元，按5年的使用寿命计，每年材料平均投入为4.67元，而之前国内外研究使用的浮床材料每平方米的投入高达几十甚至上百元。因此，如果用无纺布取代传统的人工浮岛材料，成本将会大大降低，更容易被广大农民接受。

3.2.2 无纺布人工浮岛的易操作性分析

在本次试验的3组无纺布人工浮岛中，第3组人工浮岛的成本最低，也避免了下雨天气无纺布上积水的情况，其操作也非常简单。PVC管用弯头连接成长方形结构，将从市场购买的宽12 cm的条状无纺布缠绕PVC管框架一周，然后打结，每个浮岛单体上系10个无纺布条，无纺布人工浮岛单体制作完成，用绳子将多个浮岛单体连接起来，构成无纺布人工浮岛。

3.2.3 无纺布人工浮岛的稳定性分析

为了了解无纺布在用于人工浮岛材料期间的稳定性，笔者设计了一组试验，研究无纺布在污水浸泡期间一些力学性能随浸泡时间的变化情况。

2011年3月31日，取沙湖水于有塞的大玻璃瓶里，将无纺布剪成1 cm宽，10 cm长的条状，浸泡于沙湖水中，每隔3 d取出3个无纺布条，在拉伸速度为20 mm／min的条件下，测试其最大力量、屈服点力量、抗拉强度、断后伸长率和弹性模量，并求平均值（表1），绘出抗拉强度和断后伸长率随浸泡时间的变化情况，如图1、图2。

表1 无纺布的力学性能随浸泡时间的变化Table1 Variations ofmechanical properties of non-woven fabric against immersion time

图1 无纺布抗拉强度随浸泡时间变化Fig.1 Tensile strength of non-woven fabric vs.immersion time

图2 无纺布断后伸长率随浸泡时间变化Fig.2 The elongation rate of non-woven fabric after fracture vs.immersion time

在无纺布人工浮岛种植试验中，发现种植60 d时无纺布依然能较好地承载竹叶菜，没有撕破的迹象，此时无纺布的抗拉强度应该在3 MPa以上，由表1可以看出，150 d时无纺布的抗拉强度为4.109 MPa，理论推断，无纺布作为载体水培竹叶菜可以维持5个月以上，但还需实际操作验证。

3.2.4 无纺布人工浮岛的耐久性和环保性分析

通过人工浮岛技术达到净化水质和收获蔬菜的目的。竹叶菜适宜在温暖多水的条件下生长，11月份之后，由于气温降低，为了防止枯萎的竹叶菜向水体中释放营养物质，将人工浮岛材料及竹叶菜完全打捞。竹叶菜收获后将残余的根和茎用于堆肥，废弃的无纺布将不能用于下次种植，因此无纺布作为人工浮岛材料只能使用一个种植周期，但考虑到其成本低廉，仍然可以在人工浮岛技术中使用。如果用无纺布作材料的人工浮岛技术大面积推广，由于无纺布不能重复使用，将产生大量废弃的无纺布，如何合理地处置这些废弃无纺布将是很重要的问题。

无纺布的主要原材料是聚丙烯，聚丙烯只发生氧化降解，其降解特征是力学性能恶化：断裂应力和相对伸长率下降［12］。由表1和图2可以看出，无纺布在前半个月的断后伸长率随浸泡时间一直在300%波动，5个月时的断后伸长率与浸泡前相差不大。浸泡5个月时无纺布的抗拉强度是浸泡前的45.7%，说明随着浸泡时间的延长，聚丙烯分子链间的距离增大，分子链间的吸引力下降，但此时无纺布仍然能支撑竹叶菜的生长。然而，无纺布在使用过程中是否会发生缓慢降解，其降解产物是否会对水体造成污染，大量无纺布废弃物如何合理处置等问题尚需要进一步的研究。

3.3 无纺布人工浮岛的净化能力

试验期间，经观察发现，单层无纺布的竹叶菜茎粗壮、长，但数量较少，根细且呈绒毛状，平均每平方米竹叶菜的产量为3.2 kg；双层无纺布和条状无纺布的竹叶菜茎多、产量高，竹叶菜的平均产量分别为4.8，5.3 kg／m2，通过检测，竹叶菜中的氮磷含量分别为1.93，0.54 g／kg。

如果要把该池塘劣Ⅴ类水净化为Ⅲ类水，需要从水体中去除12 mg／L的氮和1 mg／L的磷，根据栽培竹叶菜面积和植物通过根系吸收氮磷量，来估算无纺布人工浮岛对水体的净化量。本次竹叶菜根系对氮磷的吸收占水体氮磷去除总量的贡献率按8%计，每年按收割10次计，竹叶菜产量按5.3 kg／m2计。以总氮计，1 m2竹叶菜1 a可以净化该池塘水量106.6 m3；以总磷计，竹叶菜1 a可以净化该池塘水量357.8 m3。

4 展 望

无纺布人工浮岛在改善富营养化水体水质试验中，具有经济、易操作、稳定等优点，如果今后能对无纺布在水培过程中是否会发生降解以及无纺布废弃物的合理处置等问题进行研究，并找到好的出路，无纺布人工浮岛材料将会在改善富营养化水体水质领域中得到大面积推广使用。

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［11］袁少雄，陈文音，陈章和.无纺布填料影响生活污水自净作用的基础研究［J］.安徽农业科学，2010，38（25）：13986－13988.（YUAN Shao-xiong，CHEN Wenyin，CHEN Zhang-he.Basic Research on the Influence of Non-woven Packing on Domestic Sewage Self-purification［J］.Journal of Anhui Agricultural Sciences，2010，38（25）：13986－13988.（in Chinese））

［12］CORNELIA VASILE.聚烯烃手册（第二版）［M］.李杨，乔金梁，陈 伟，等译.北京：中国石化出版社，2005.（CORNELIA VASILE.Handbook of Polyolefins（Second Edition）［M］.Translated by LI Yang，QIAO Jin-liang，CHENWei，et al.Beijing：China Petrochemical Press，2005.（in Chinese） ）

（编辑：赵卫兵）

App lication of Artificial Floating Island w ith Non-woven Fabric to Eutrophic Water Quality Improvement

ZHANG Ling-ling，LIKun，LIZhao-hua
（School of Resources and Environmental Science，Hubei University，Wuhan 430062，China）

The artificial floating island discussed in this paper ismade of non-woven fabric and PVC pipes.It is economical，operation-friendly，and stable.The authors analyze the strengths and defects of three different artificial floating islandswith non-woven fabric，and discuss the feasibility of non-woven fabric used as artificial floating bed material and itswater purification ability.Results show that the floating bed made of strip non-woven fabric is the most convenient and economical structure.If thewaste non-woven fabrics can be disposed effectively in the future，

artificial floating island with non-woven fabric will be used in wide areas to improve the eutrophic water quality.

non-woven fabric；artificial floating island；eutrophication；purification

X52

A

1001－5485（2012）09－0018－04

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.09.005

2011－10－09；

2011－11－03

国家民生科技计划资助项目（2011MSB05007）

张玲玲（1985－），女，湖北武汉人，硕士研究生，主要从事污水资源化利用方面的研究，（电话）027－88661699（电子信箱）569631931＠qq.com。

李兆华（1964－），男，湖北天门人，教授，主要从事环境生态学、污水资源化利用方面的研究，（电话）027－88661699（电子信箱）zli＠hubu.edu.cn。