3種天然材料改造直立式護(hù)岸對(duì)河道水質(zhì)凈化能力的影響

吳鳳環(huán),潘偉斌,王照宜(華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院,廣東廣州510006)

3種天然材料改造直立式護(hù)岸對(duì)河道水質(zhì)凈化能力的影響

吳鳳環(huán),潘偉斌,王照宜
(華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院,廣東廣州510006)

在具有直立式護(hù)岸的人工模擬河道中,把蠔殼、竹片和椰殼纖維墊3種天然材料分別直接覆蓋在護(hù)岸表面,以研究其對(duì)提高河道自凈能力的影響。結(jié)果表明：試驗(yàn)啟動(dòng)21 d后,3種材料覆蓋后河道COD去除率分別達(dá)到93%,74%,94%,高于對(duì)照組的60%；NH3-N的去除率均達(dá)到95%,高于對(duì)照組的59%；NO-3-N質(zhì)量濃度在3種材料護(hù)岸和對(duì)照護(hù)岸分別升高至5.9mg/L,5.0mg/L, 5.8mg/L和3.9mg/L,而TP去除率分別達(dá)到71%,37%,78%,對(duì)照組為64%,3種材料對(duì)提高河道水質(zhì)凈化能力均有明顯效果。竹片表面附著的微生物磷脂含量和脫氫酶活性最大,分別為12 nmol/cm和45.0μg/(mL·h),分別是蠔殼的3.4和1.6倍,是椰殼纖維墊的4.8和4.5倍,3種天然材料均能為微生物附著生長(zhǎng)和繁殖提供空間,促進(jìn)河道中污染物的降解。

直立式混凝土護(hù)岸；蠔殼；竹片；椰殼纖維墊；河道自凈能力；人工模擬河道；水質(zhì)凈化試驗(yàn)

隨著城市化的發(fā)展,很多河流被渠化,用混凝土襯砌將渠道封閉后,河中生物、微生物由于失去了賴以生存的環(huán)境而難以存活,河流原有的生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞,水體自凈能力降低[1-2],因此,以最小的工程代價(jià)對(duì)現(xiàn)有的渠化護(hù)岸進(jìn)行生態(tài)改造、恢復(fù)河流自凈能力具有重要現(xiàn)實(shí)意義。針對(duì)直立式混凝土護(hù)岸,考慮到既不大規(guī)模改造其護(hù)岸結(jié)構(gòu),又不顯著減少河道過(guò)水?dāng)嗝?在硬質(zhì)護(hù)岸基礎(chǔ)上進(jìn)行生態(tài)修復(fù)是當(dāng)前的研究重點(diǎn)[3]。在目前已有的護(hù)岸改造新技術(shù)中,比較適合應(yīng)用在直立式護(hù)岸的技術(shù)有：鐵絲網(wǎng)與碎石復(fù)合種植基[4]、仿木樁護(hù)岸[5]、石籠護(hù)岸、山石護(hù)岸、土壤固化劑等。筆者建立人工模擬河道,在河道直立護(hù)岸上覆蓋天然材料,通過(guò)分析蠔殼、竹片和椰殼纖維墊3種天然材料對(duì)護(hù)岸凈化水質(zhì)的效果及對(duì)材料附著微生物的影響,為選擇合適的材料對(duì)直立式混凝土護(hù)岸進(jìn)行生態(tài)改造,提高河道自凈能力提供理論依據(jù)和實(shí)踐參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

在護(hù)岸覆蓋懸掛的材料是水質(zhì)凈化的關(guān)鍵,需在不影響河流原有使用功能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化。生態(tài)護(hù)岸材料需要符合以下要求：不影響河流泄洪、排澇功能,屬于自然生態(tài)材料,具有生物親和性,表面粗糙,比表面積大。因此,選擇蠔殼、竹片和椰殼纖維墊等3種天然材料為生態(tài)護(hù)岸的實(shí)驗(yàn)材料。

蠔殼的物理構(gòu)造為角質(zhì)層、棱柱層、珍珠層組成,蠔殼表面主要是葉片結(jié)構(gòu),含大量互相連通的2～10μm微孔,具有較強(qiáng)的吸附能力,已經(jīng)作為一種吸附劑被用作染料廢水及生活污水的處理[6]。從海鮮市場(chǎng)收集廢棄蠔殼,用水將蠔殼表面泥沙和附著物洗凈,用鐵絲把粗糙面向外的蠔殼固定在護(hù)岸邊壁。

我國(guó)竹類資源豐富。竹子因其成本低,可再生,環(huán)境污染低,可自身降解,已經(jīng)成為水處理材料的研究熱點(diǎn)。竹子材質(zhì)天然,具有良好的生物親和性[7],是一種具有應(yīng)用潛力的材料,目前以竹纖維為原料制備成的新型竹纖維生物膜載體對(duì)水處理的效果比較穩(wěn)定[8]。從市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)竹子,截成0.2m長(zhǎng)的竹筒,從中部剖開(kāi)成兩半,洗凈后使竹片凸面向外垂直固定在護(hù)岸邊壁。

椰殼纖維是椰子果實(shí)的副產(chǎn)品,可通過(guò)機(jī)械加工處理得到。椰殼纖維具有粗細(xì)適中、長(zhǎng)度范圍合理、重量輕、強(qiáng)度高、彈性好、透水性強(qiáng)的特點(diǎn),容易形成密集而大小合理的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu),動(dòng)植物在網(wǎng)孔中生長(zhǎng),網(wǎng)孔能創(chuàng)造一個(gè)透氣、保水、調(diào)溫的環(huán)境,可以為其生長(zhǎng)提供良好的條件,纖維含水性好,5年之內(nèi)不腐爛,適合用于湖泊、河流和水渠護(hù)岸。把椰殼纖維墊裁剪成寬0.2m的條狀直接敷蓋在河道的直立邊壁,用夾子固定。

將3種天然材料(20 cm×10 cm)分別置于1 000 mL清水中浸泡5 d,考察材料對(duì)有機(jī)物、NH3-N和TP的溶出特性。蠔殼、竹片和椰殼纖維墊溶出COD的質(zhì)量濃度分別是14mg/L,27mg/L,41mg/L,溶出NH3-N的質(zhì)量濃度分別是0.8mg/L,0.8mg/L,2.5 mg/L,溶出TP的質(zhì)量濃度分別是0.09mg/L,0.8 mg/L,0.8mg/L?？梢钥闯?用清水浸泡3種材料后均會(huì)溶出天然有機(jī)物質(zhì)和氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽。

1.2 河道模擬裝置

試驗(yàn)所使用的河道模擬裝置依據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)河工模型制作經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì),并進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。由驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果分析可知,本系統(tǒng)中的河工模型能夠較好地模擬原型河道,有一定的實(shí)用性,具體設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。該裝置根據(jù)城市河道直立式混凝土護(hù)岸的構(gòu)筑形態(tài)、河流流量、流速,采用相似原理設(shè)計(jì)成U形河道模型,模擬河道采用不銹鋼板制成,垂直邊壁與河床的粗糙系數(shù)較小,符合實(shí)際河道特征。河道長(zhǎng)6.08m,寬0.45m,高0.20m,有效水深0.09m,彎道半徑0.375m,有效容積0.22m3,兩直段的端部分別為進(jìn)水口和出水口,進(jìn)水口設(shè)置布水板,均勻布水,采用溢流堰出水。河道模擬裝置見(jiàn)圖1。

圖1 河道模擬裝置平面圖(單位：mm)

1.3 試驗(yàn)方法和原水水質(zhì)

取珠江廣州市番禺區(qū)新造河段的河水作為試驗(yàn)用水,在模擬河道中循環(huán)流動(dòng),共進(jìn)行3個(gè)周期(每個(gè)周期7～10 d)的實(shí)驗(yàn),1個(gè)周期結(jié)束后更換河水。采用自然掛膜,第1周期為材料的掛膜啟動(dòng)階段,第2、3周期為模擬河道運(yùn)行階段。采用4個(gè)相同的模擬裝置,其中1個(gè)不放置材料作為空白對(duì)照組,其他3個(gè)分別放入蠔殼、竹片和椰殼纖維墊,作為護(hù)岸邊壁材料的試驗(yàn)組。進(jìn)水流量為1 000 L/h,流速為0.7 cm/s,原水水質(zhì)范圍：籽(COD)為16.26～21.26mg/L,籽(NH3-N)為4.10～7.01mg/L,籽(TP)為0.18～0.45 mg/L,pH值為7.26～7.40,水溫為19～22℃。

1.4 分析項(xiàng)目及方法

選取的水質(zhì)檢測(cè)指標(biāo)主要有COD、NH3-N、NO-3-N、TP,生物指標(biāo)主要有生物量和脫氫酶活性。水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定COD采用重鉻酸法,NH3-N采用納氏試劑光度法,NO-3-N采用紫外分光光度法,TP采用鉬銻抗分光光度法;取出河道材料,用無(wú)菌刷把其表面附著的生物膜刮下制成附著微生物樣品[10],采用磷脂法[11]和三苯基四氮唑氯化物比色法[12]分別測(cè)定生物量、脫氫酶活性。采用SPSS 11.0軟件,使用單因素方差分析對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析(P＜0.05差異顯著),采用Origin 8.0軟件和Excel軟件進(jìn)行繪圖及圖件制作。

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)凈化效果

2.1.1 有機(jī)物的去除效果

3種護(hù)岸材料對(duì)有機(jī)污染物的去除情況見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn),隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng),護(hù)岸對(duì)有機(jī)物的凈化效果更加明顯,第3周期運(yùn)行6d后,蠔殼、竹片和椰殼纖維墊護(hù)岸對(duì)水體COD的去除率分別由第2周期第7天的72%,36%,79%提高至93%,74%, 94%;而相同條件下對(duì)照組在兩個(gè)時(shí)期去除率分別是57%和60%。其中蠔殼和椰殼纖維墊護(hù)岸的凈化效果較好,顯著高于對(duì)照(p＜0.05),可能是由于蠔殼和椰殼纖維表面粗糙,對(duì)有機(jī)污染物有較大的攔截、吸附和過(guò)濾作用。微生物生長(zhǎng)與繁殖所需要的碳源與能源由有機(jī)物供給,因此會(huì)消耗水中有機(jī)物[13],第2周期試驗(yàn)運(yùn)行的第2天,竹片自身溶出的天然有機(jī)物大于微生物降解或吸附去除的有機(jī)物,COD去除率先下降后上升,可以看出竹片覆蓋的護(hù)岸對(duì)水體有機(jī)物有凈化效果。雖然椰殼纖維墊有機(jī)物的溶出量也很高,其吸附能力卻較強(qiáng),因此對(duì)COD的去除率較高。

2.1.2 對(duì)NH3-N和NO-3-N的去除效果

3種護(hù)岸材料對(duì)NH3-N的凈化效果如圖3。由圖3可見(jiàn),試驗(yàn)初期,NH3-N均有明顯的下降,這與NH3-N的揮發(fā)特性有關(guān)[14],3種材料與對(duì)照間去除率差別不大,隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng),覆蓋材料的護(hù)岸優(yōu)勢(shì)開(kāi)始體現(xiàn),因?yàn)樯锬ぶ饾u形成,除了材料的物理化學(xué)吸附,材料表面微生物的硝化和反硝化作用逐漸增強(qiáng)[15],NH3-N的去除率也逐漸增高,第2周期5 d后蠔殼、竹片、椰殼纖維墊試驗(yàn)組NH3-N去除率分別達(dá)到84%,90%,81%,高于對(duì)照組的74%。第3周期第6天3種材料護(hù)岸對(duì)NH3-N的去除率均接近95%,而對(duì)照組只有59%,顯著性分析結(jié)果顯示,覆蓋材料的護(hù)岸在第3周期前5 d對(duì)NH3-N去除率顯著高于對(duì)照(p＜0.05)。整體上3種材料護(hù)岸對(duì)NH3-N的去除效果由高到低依次是竹片、蠔殼和纖維墊。

圖2 不同周期不同護(hù)岸材料對(duì)COD的去除率

圖3 不同周期不同護(hù)岸材料對(duì)NH3-N的去除率

水中NH3-N濃度下降時(shí),-N濃度在升高。由圖4可見(jiàn),試驗(yàn)第3周期,對(duì)照組N濃度上升得最慢,可能因?yàn)椴牧媳砻嫘纬傻纳锬の⑸锵趸饔帽容^強(qiáng),在有氧條件下,NH3-N在硝酸菌的作用下被進(jìn)一步氧化成-N[16],在第4天蠔殼、竹片和椰殼纖維墊護(hù)岸的水體中N質(zhì)量濃度由原水的2.8mg/L分別提高至5.9mg/L,5.0mg/L和5.8mg/L,對(duì)照組為3.9mg/L。3種材料護(hù)岸的河水中-N濃度均先快速升高,4 d后在蠔殼與椰殼纖維墊護(hù)岸平緩地下降,5 d后在竹片護(hù)岸快速下降,試驗(yàn)結(jié)束時(shí)蠔殼、竹片、椰殼纖維墊和對(duì)照組-N的質(zhì)量濃度分別是5.9mg/L,2.3mg/L,5.7 mg/L和5.8mg/L。一些研究發(fā)現(xiàn),微環(huán)境的存在是硝化和反硝化同時(shí)發(fā)生的主要原因,在一定厚度的生物膜上,因?yàn)檠鯚o(wú)法滲透,生物膜內(nèi)部形成厭氧環(huán)境,因此隨著時(shí)間的延長(zhǎng),材料上的生物膜內(nèi)部形成厭氧環(huán)境發(fā)生反硝化作用[17],使蠔殼、椰殼纖維墊和竹片河道的-N濃度逐漸降低?？赡苡捎谥衿街锬ず穸容^大,膜內(nèi)反硝化作用較強(qiáng),對(duì)N的去除效果最好。

圖4 第3周期不同護(hù)岸材料對(duì)-N的凈化效果

2.1.3 對(duì)TP的去除效果

3種材料護(hù)岸對(duì)TP的去除效果如圖5所示。第2和第3周期實(shí)驗(yàn)前4天,蠔殼、竹片和椰殼纖維墊護(hù)岸對(duì)TP的去除率分別達(dá)到68%,15%,80%和71%,37%,78%,相同條件下對(duì)照組為61%和64%,分析結(jié)果顯示對(duì)照組對(duì)TP的去除率與竹片、椰殼纖維護(hù)岸有顯著差異(p＜0.05),與蠔殼護(hù)岸差異不明顯(p＞0.05),可以看出,椰殼纖維墊的凈化效果最好。一些研究[18]發(fā)現(xiàn)TP的去除主要依靠材料對(duì)吸附在懸浮顆粒的磷進(jìn)行攔截,使其沉入水底,加上試驗(yàn)水體流動(dòng)較慢,在一定程度也減少了沉入水底的磷的釋放。隨著裝置運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng),對(duì)照組中TP去除效率逐漸增高,主要是由于河流泥沙沉淀作用,降低了水中TP濃度。竹片護(hù)岸在試驗(yàn)2～3 d后,水中TP的濃度開(kāi)始升高,隨后微生物生長(zhǎng)和代謝消耗水中溶解性磷,當(dāng)消耗的磷濃度大于竹片溶出磷物質(zhì)時(shí),TP的濃度逐漸降低,說(shuō)明竹片護(hù)岸對(duì)于水質(zhì)也有凈化作用。

2.2 3種材料附著生物量和生物活性比較

2.2.1 附著生物量

附著生物量是描述材料上附著微生物特性的重要參數(shù)。3種材料上附著生物量的變化情況見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn),竹片的附著微生物磷脂含量最大,與蠔殼和椰殼纖維墊有顯著差異(p＜0.05),達(dá)到12 nmol/cm,試驗(yàn)前期竹片上附著生物量增長(zhǎng)較明顯,到第9天突然下降,可能是由于中途換水,導(dǎo)致生物膜脫落。蠔殼和椰殼纖維墊上附著的生物量低于竹片,僅為3.5nmol/cm和2.5nmol/cm,而且變化趨于平緩。3種材料均為可生物降解的天然材料,為微生物的生長(zhǎng)和繁殖創(chuàng)造了有利的條件,以材料為載體,通過(guò)護(hù)岸材料的物理吸附過(guò)濾作用[19-21],聚集較高的生物量進(jìn)行有機(jī)物降解、氨化和硝化等生化作用,達(dá)到提高水體自凈能力的目的[14]。

圖5 不同周期不同護(hù)岸材料對(duì)TP的凈化效果

圖6 附著生物量變化情況

2.2.2 附著微生物活性

生物處理的凈化作用效果主要決定于生物量與生物活性[22],生物量只能反映微生物量的多寡,不能反映其活性,本研究選擇脫氫酶活性[23]作為反映微生物活性指標(biāo)。3種材料的附著微生物脫氫酶活性見(jiàn)圖7。竹片上附著的微生物活性最大,與其生物量相對(duì)應(yīng),其次是蠔殼,兩者在第9天呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì),15 d后分別達(dá)到45.0μg/(mL·h)和28.6 μg/(mL·h)。椰殼纖維墊上的附著微生物活性一直處于緩慢上升狀態(tài),到第9天基本不發(fā)生變化,穩(wěn)定為10.0μg/(mL·h)。竹片含有較高的附著微生物量和活性,有利于水中的NH3-N和NO-3-N的去除[24],但是蠔殼和椰殼纖維墊對(duì)水中COD和TP的去除效果卻比竹片好,一方面可能與材料表面特性有關(guān),前兩者通過(guò)吸附作用去除污染物的作用較強(qiáng);另一方面在水體修復(fù)中,N、P是限制微生物活性的重要因素,適當(dāng)增加污染環(huán)境中微生物所需要的成分,可促使土著微生物迅速增長(zhǎng)[25],由于在試驗(yàn)周期內(nèi)竹片本身釋放出營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在供微生物生長(zhǎng)同時(shí),也增加了水中有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物的濃度。一些研究[26]還表明某些生物膜結(jié)構(gòu)不同會(huì)導(dǎo)致微生物活性不同,本研究中竹片表面附著的微生物活性高,這可能與材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對(duì)某些活性較高的微生物具有較強(qiáng)的親和性有關(guān)[27],具體原因需進(jìn)一步研究探討。

圖7 附著微生物脫氫酶活性

3 結(jié)論

a.采用蠔殼、竹片和椰殼纖維墊3種天然材料作護(hù)岸對(duì)提高水質(zhì)自凈能力均有一定效果。第3個(gè)周期運(yùn)行6 d后,3種材料覆蓋的護(hù)岸對(duì)COD的去除率分別是93%,74%,94%,高于對(duì)照組的60%;第3周期運(yùn)行5 d后,3種材料NH3-N的去除率均接近95%,高于對(duì)照組的59%;NO-3-N的質(zhì)量濃度在第3周期第4天分別上升為5.9mg/L,5.0mg/L和5.8mg/L,對(duì)照組為3.9mg/L,試驗(yàn)結(jié)束時(shí)分別又達(dá)到5.9mg/L,2.3mg/L和5.7mg/L,對(duì)照組為5.8 mg/L;TP在模擬裝置運(yùn)行的第3周期4 d后的去除率分別達(dá)到71%,37%,78%,對(duì)照組為64%。

b.3種材料表面附著的微生物磷脂含量和活性存在差異,竹片上附著微生物磷脂含量最大,最高達(dá)到12 nmol/cm,蠔殼和椰殼纖維墊上附著的生物量顯著低于竹片,為3.5 nmol/cm和2.5 nmol/cm。竹片上附著的微生物脫氫酶活性最大,其次是蠔殼,第3周期15d時(shí)分別達(dá)到45.0μg/(mL·h)和28.6 μg/(mL·h),而椰殼纖維墊附著的生物活性穩(wěn)定為10.0μg/(mL·h),3種天然材料均能為微生物附著生長(zhǎng)和繁殖提供空間,促進(jìn)污染物的降解,相對(duì)于蠔殼和椰殼纖維墊,竹片更易于富集微生物。

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Influences of three naturalmaterials on self鄄purification capacity of rivers w ith vertical revetments

WU Fenghuan,PAN W eibin,WANG Zhaoyi
(College of Environment and Energy,South China University of Technology,Guangzhou 510006,China)

In order to study the influences of three naturalmaterials(oyster shells,bamboo pieces,and coirmats) on improvement of the self-purification capacity of riverswith vertical revetments,these naturalmaterialswere used to cover the surface of the vertical revetment in an artificial river.The results show that,after the experiments lasted for 21 days,the removal rates of COD with the three kinds of revetments reached 93%,74%,and 94%, respectively,higher than the level of60%in the control river.The removal rates of NH3-N with the three kinds of revetments all reached 95%,higher than the level of 59%in the control river.The concentrations of NO-3-N with the three kinds of revetments increased to 5.9 mg/L,5.0 mg/L,and 5.8 mg/L,respectively,while that in the control river increased to 3.9 mg/L.The removal rates of TP with the three kinds of revetments reached 71%, 37%,and 78%,respectively,while that in the control river reached 64%.The three kinds of revetments played a significant role in improving the self-purification capacity of the river.The lipid phosphorus content and dehydrogenase activity(DHA)of themicrobial film on the surface of bamboo pieces were 12 nmol/cm and 45.0 μg/(mL·h),respectively,3.4 and 1.6 times higher than those of oyster shells,and 4.8 and 4.5 times higher than those of coirmats,respectively.These three naturalmaterials can provide a habitat formicrobial growth and reproduction,and can promote the degradation of pollutants in rivers.

vertical concrete revetment;oyster shells;bamboo pieces;coir;river self-purification;artificial river; water purification experiment

X171.4

A

1004 6933(2014)05 0032 06

2014 04 21編輯：徐娟)

10.3969/j.issn.1004 6933.2014.05.006

吳鳳環(huán)(1988—),女,碩士研究生,研究方向?yàn)樯鷳B(tài)工程與環(huán)境修復(fù)。E-mail：wufenghuan3721@163.com

潘偉斌,副教授。E-mail：ppwbpan@scut.edu.cn