化感植物-填料浮床裝置的設計與應用

武延坤,朱嘉成,高靜思,朱　佳,周　利,梁　棟

(1.深圳職業(yè)技術(shù)學院城市水良性循環(huán)利用工程技術(shù)開發(fā)中心,廣東 深圳　518055;2.青島理工大學環(huán)境與市政工程學院,山東 青島　266033; 3.深圳市水質(zhì)檢測中心,廣東 深圳　518055)

化感植物-填料浮床裝置的設計與應用

武延坤1,朱嘉成2,高靜思1,朱佳1,周利2,梁棟3

(1.深圳職業(yè)技術(shù)學院城市水良性循環(huán)利用工程技術(shù)開發(fā)中心,廣東 深圳518055;2.青島理工大學環(huán)境與市政工程學院,山東 青島266033; 3.深圳市水質(zhì)檢測中心,廣東 深圳518055)

摘要：將傳統(tǒng)浮床與水生植物的化感作用相結(jié)合,并配合生物填料,設計了化感植物-填料浮床裝置。該浮床裝置中的植物選擇了香菇草,浮床填料分別選擇了礫石、麥飯石、果殼、活性氧化鋁、聚氨酯。該裝置的應用結(jié)果表明:①香菇草種植水對于銅綠微囊藻的生長具有良好的化感抑制效果;②除果殼填料外,4種填料都能顯著改善試驗水質(zhì),有效降低水體中的Chl-a質(zhì)量濃度;③化感植物-填料浮床裝置能有效降低富營養(yǎng)化水體中的CODMn、TN、TP質(zhì)量濃度和濁度等理化指標,并使水體中的DO顯著升高,消除水體黑臭。

關(guān)鍵詞：富營養(yǎng)化;浮床;水生植物;化感作用;生物填料;水質(zhì)凈化;香菇草

隨著人口數(shù)量的增長和工業(yè)化程度的日益加劇,越來越多的含有氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的廢污水排入水體,造成水體的富營養(yǎng)化。我國自20世紀80年代以來,由于經(jīng)濟的急速發(fā)展和環(huán)境保護的相對滯后,許多湖泊、水庫已進入富營養(yǎng)化狀態(tài),甚者嚴重富營養(yǎng)化狀態(tài),如滇池、太湖、西湖、東湖、南湖、玄武湖、渤海灣、萊州灣、九龍江、黃浦江等。根據(jù)2013年《中國環(huán)境狀況公報》,在我國環(huán)保部監(jiān)測的61個國控重點湖泊(水庫)中,富營養(yǎng)狀態(tài)的湖泊(水庫)比例為27.8%,Ⅳ～Ⅴ類和劣Ⅴ類水質(zhì)的湖泊(水庫)比例分別為27.4%和11.3%。

水體富營養(yǎng)化導致藻類暴發(fā)性生長,嚴重危害供水水質(zhì)安全。藻類釋放的藻毒素通過食物鏈進入水生動物或人體,藍藻水華的次生代謝產(chǎn)物能損害肝臟,具有致癌作用,直接威脅人類的健康和生命[1-2]。

目前,藻類控制技術(shù)已經(jīng)取得了一些進展,主要包括:利用食藻魚類或浮游動物控制水體中藻類的濃度[3-4],利用浮床陸生植物控制水體富營養(yǎng)化[5-6],利用改性黏土除藻[7-8]和使用除藻劑控制水體中的藻類濃度[9]等。

本研究利用植物的化感作用和生物填料的截留作用,研發(fā)了一種名為“化感植物-填料浮床”的新型水體藻類控制和水質(zhì)原位凈化裝置,其原理是將特定生物填料與化感植物組合形成漂浮于水面的水體修復及造景裝置,其填料模塊的一側(cè)或兩側(cè)設置微型推流器,邊緣鑲嵌太陽能電池板,利用太陽能為推流器提供動力,促使水流進入填料內(nèi)部,在內(nèi)部利用填料的過濾作用、微生物的生物化學作用、化感植物的化感作用形成復合反應系統(tǒng)去除水中的有機物、懸浮物、藻類及氮磷等,凈化水質(zhì),修復水體。

1材料與方法

1.1試驗材料

我國眾多河流湖泊中連年暴發(fā)水華的藻種多為銅綠微囊藻[10],因此,植物化感作用研究以銅綠微囊藻作為試驗對象。選擇香菇草來研究香菇草種植水對于銅綠微囊藻的化感抑制作用。研究填料截留性能的試驗，則選取麥飯石、活性氧化鋁、礫石、果殼、聚氨酯5種填料作為試驗材料。

1.2試驗方法

在植物化感作用研究中,空白對照組培養(yǎng)基用超純水配制;共培養(yǎng)組采用香菇草種植水配制培養(yǎng)基,試驗前取香菇草種植水1 000 mL,用0.22 μm微孔濾膜過濾以消除微生物的影響。將超純水和抽濾過后的種植水盛裝在3 000 mL三角瓶中,并按BG11培養(yǎng)基配方投加各組分,加入藻種2 mL后進行試驗。試驗在光照培養(yǎng)箱中進行,光暗比為14∶10,培養(yǎng)溫度為25℃。每個處理組都設置了2組平行試驗。試驗期間,每天取10 mL共培養(yǎng)藻液,采用調(diào)制熒光儀(PHYTO-PAM葉綠素熒光儀,Walz公司,德國)檢測銅綠微囊藻的Chl-a質(zhì)量濃度。

填料截留性能試驗在長4.8 m、寬深均為0.6 m的水槽中進行,槽中水深0.4 m。在水槽中部布置了2 m長、0.6 m寬(與水槽寬度一致)、0.4 m高(與水深一致)的填料層,并水槽中加裝推流裝置,以模擬浮床中的太陽能推流系統(tǒng)。每種填料測試30 d,槽中水不斷由蠕動泵加入、由排出管排出,水力停留時間為5 d。在水槽一端加入潛水泵抽水,再由另一端出水,使水流在水槽內(nèi)部實現(xiàn)循環(huán),水槽中的水處于完全混合狀態(tài)。試驗期間每天早、中、晚3次取試驗水槽中的水,每次取1組平行樣,測試水體中DO質(zhì)量濃度、濁度、pH值、Chl-a質(zhì)量濃度、光合活性等指標的值。

2試驗結(jié)果

2.1植物化感作用

化感作用是指在一個植物群落里植物和微生物通過釋放化學物質(zhì)促進或抑制其他個體或自體的現(xiàn)象[11]?；凶饔靡卜Q異株克生、相生相克、化學互感。其中,用于傳遞信息或作為媒介的化學物質(zhì)被稱為化感物質(zhì)或化學信息物質(zhì)?；形镔|(zhì)幾乎都是植物的次生代謝物,主要存在于植物的根、莖、葉、花、果實或種子中,一般相對分子質(zhì)量較小,結(jié)構(gòu)較簡單。化感物質(zhì)作用的特點主要有:①選擇性和專一性。一般一種化感物質(zhì)只對幾種或某一類植物(或微生物)有抑制或促進作用,而對其他植物(或微生物)沒有抑制或促進作用。②復合效應。多種化感物質(zhì)混合后,會產(chǎn)生復合效應,混合物可能具有更強的作用或效果。③功能多樣性?；形镔|(zhì)除對植物和微生物產(chǎn)生作用外,還具有許多其他功能[12-13]。

已有研究發(fā)現(xiàn)眾多植物(包括陸生植物、沉水植物及少量挺水植物)能分泌抑制藻類生長的化感物質(zhì),如:菖蒲[14-15]、篦齒眼子菜[16]、狐尾藻[17]、金魚藻[18]、苦草[19]、蘆竹[20]、加拿大一枝黃花[21]等。本研究所選用香菇草較上述植物具有的優(yōu)勢在于不僅是觀賞植物,而且可直接在水中生長,能作為浮床植物加以培養(yǎng)。

圖1　香菇草種植水中銅綠微囊藻的生長曲線

圖1為香菇草種植水中銅綠微囊藻的生長曲線。從圖1可以看出,香菇草種植水能抑制銅綠微囊藻的生長。至試驗末期(第18天),空白對照組、香菇草種植水組的Chl-a質(zhì)量濃度分別為515.8 μg/L和420.97 μg/L。

試驗證明,香菇草種植水對于銅綠微囊藻的生長具有良好的抑制效果,故在化感植物-填料浮床中選擇香菇草作為裝置中的化感抑藻植物。

2.2填料截留性能

試驗發(fā)現(xiàn),5種填料,除果殼填料外,都對水庫水質(zhì)有明顯的改善效果。果殼填料由于自身所含有機物質(zhì)較多,加入試驗水體后,水中TOC 2 d之內(nèi)從原來的11.2 mg/L飆升到40 mg/L以上。隨著試驗的進行,各水質(zhì)指標也發(fā)生惡化,色度臭閾值均明顯升高,水中DO質(zhì)量濃度幾乎降為0,水生態(tài)遭到嚴重破壞。

圖2為各實驗組及水庫原水的濁度隨時間的變化曲線。從圖2可以看出,各種填料對濁度都有良好的去除效果,試驗5 d后,各填料組的濁度都降至5 NTU以下。對濁度的去除效果最好的是麥飯石填料,接下來依次為礫石、聚氨酯和活性氧化鋁。試驗后期,聚氨酯和活性氧化鋁組的濁度保持穩(wěn)定,但礫石和麥飯石組的濁度有所升高,但仍低于5 NTU。

圖2　各實驗組及水庫原水的濁度隨時間變化曲線

圖3　各實驗組及水庫原水的Chl-a質(zhì)量濃度隨時間變化曲線

圖3為各實驗組及水庫原水的Chl-a質(zhì)量濃度隨時間的變化曲線。從圖3可以看出,各種填料對Chl-a都有良好的去除效果,填料的加入顯著降低了水體中的藻類濃度。試驗10 d之后,各填料組的Chl-a質(zhì)量濃度都降至30 μg/L以下。結(jié)合微宇宙正交試驗所得出的結(jié)論,可知填料的加入能有效降低藻類大規(guī)模暴發(fā)的風險。對Chl-a去除效果最好的是麥飯石填料,接下來依次為礫石、聚氨酯和活性氧化鋁。試驗后期,聚氨酯和活性氧化鋁組的Chl-a質(zhì)量濃度保持穩(wěn)定,而麥飯石和礫石組的Chl-a質(zhì)量濃度略有上升。

圖 4為麥飯石、礫石、活性氧化鋁、聚氨酯4種填料對Chl-a的去除率隨時間的變化曲線。從圖4可以看出,試驗第10天各填料對于Chl-a去除率大小排序依次為:麥飯石>礫石>活性氧化鋁>聚氨酯。

圖4　4種填料對Chl-a的去除率隨時間變化曲線

在礫石、麥飯石、果殼、活性氧化鋁、聚氨酯這5種浮床填料中,除果殼填料外,4種填料都能顯著改善試驗水質(zhì),有效降低水體中的Chl-a質(zhì)量濃度,即降低水體中的藻類濃度。4種填料對富營養(yǎng)化水體的水質(zhì)改善效果由高到低依次為:麥飯石>礫石>活性氧化鋁>聚氨酯。

3工程實例

3.1裝置設計

圖5為化感植物-填料浮床裝置示意圖。裝置包括箱體1、設置于箱體1頂沿周圍的支架3以及設置在支架3上的遮光組件太陽能電池板5,箱體1的頂板、底板、前側(cè)板和后側(cè)板布滿連通箱體1內(nèi)外的孔,箱體1的左側(cè)板和右側(cè)板上無孔,箱體1內(nèi)填充的生物填料7,箱體1上部種植水生化感植物6,箱體1的前側(cè)板、后側(cè)板的外側(cè)設置用于將水推向箱體1內(nèi)的推流器2,推流器2與太陽能電池板5連接。箱體1的左側(cè)板和右側(cè)板采用不銹鋼板,箱體1的頂板、底板、前側(cè)板和后側(cè)板由肋條11和土工格柵12構(gòu)成,生物填料7透過土工格柵12作用于水體。

圖5　化感植物-填料浮床裝置示意圖

化感植物6位于浮床的最上方,能通過植物的化感作用抑制藻類生長,同時化感植物6還可營造水面景觀,通過光合作用凈化空氣,調(diào)節(jié)環(huán)境溫度,為鳥類和魚類創(chuàng)造良好的生存條件?；兄参?與遮光組件太陽能電池板5協(xié)同作用,降低藻類生物活性。

處于推流器2兩側(cè)的支撐板4同時作為導流板,與推流器2一起使水進入箱體1內(nèi),通過生物填料7,一方面帶動水循環(huán)起來,提高水景觀的生命力;另一方面把失活的藻類推入生物填料7內(nèi)部,與被生物填料7截留的懸浮物逐漸結(jié)成團向下蠕動,最終沉入水底,使藻類得以去除。

圖6為浮床水上狀態(tài)示意圖。帶箭頭的虛線表示在推流器2作用下形成的水流。在本工程實例中,選取的高效能生物填料為聚氨酯。

圖6　浮床水上狀態(tài)示意圖

3.2應用實例

利用設計的化感植物-填料浮床裝置在某河道中進行水質(zhì)實際改善效果應用研究。該河段治理段長約400 m,水面面積約4 000 m2,水深約1～2 m。

化感植物-填料浮床裝置投入河道治理前,河道底部有管道,向河道中排放大量污水;河道周邊有居民區(qū),分布大量餐館、賓館,有居民生活污水、餐飲廢水排放入河道,河道水體發(fā)黑發(fā)臭。在化感植物-填料浮床裝置安裝前,在河道沿程設置了13個測試點,點位設置見圖7,河道水質(zhì)狀況見表1。

表1　治理前河道水質(zhì)狀況

從表1可以看出:治理前河道內(nèi)主要理化指標DO、COD、TP、TN、NH3-N的質(zhì)量濃度顯示該水體為劣Ⅴ類。水體中DO較低,處于缺氧、厭氧狀態(tài)(ρ(DO)>2 mg/L時,水體處于好氧狀態(tài);ρ(DO)<0.2 mg/L時,水體處于厭氧狀態(tài);DO質(zhì)量濃度介于兩者之間為缺氧狀態(tài)),水體中有機物、營養(yǎng)鹽含量較高,尤其是N、P含量遠遠超出地表水Ⅴ類水體標準限制,水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象嚴重,有機物氧化分解,大量耗氧,導致水體缺氧、厭氧,極易引發(fā)黑臭及水華現(xiàn)象。

針對該河道水體發(fā)臭的情況,在河道中布置了化感植物-填料浮床裝置30組,分別安裝在河道沿岸兩側(cè)。具體安裝位置見圖7。

圖7　浮床安裝位置示意圖(單位：m)

化感植物-填料浮床裝置運行了3個月后,在13個測試點分別取樣測試河水中ρ(DO)、濁度、ρ(TN)、ρ(TP)、pH、ρ(CODMn),以考察浮床設置對河道水質(zhì)的沿程改善情況。污床設置后水質(zhì)改善情況見表2。通過對浮床設置前后河道各水質(zhì)指標的對比,結(jié)合圖8和9,可知在布設了化感植物-填料浮床裝置后,河水中CODMn、TN、TP質(zhì)量濃度和濁度均有顯著下降,CODMn質(zhì)量濃度下降了30 mg/L以上。DO質(zhì)量濃度顯著提高,河道各點DO質(zhì)量濃度均在3.85 mg/L以上,河水狀態(tài)由缺氧轉(zhuǎn)為好氧。

表2　浮床設置后水質(zhì)改善情況

圖8　浮床設置前后各取樣點CODMn質(zhì)量濃度對比

圖9　浮床設置前后各取樣點DO質(zhì)量濃度對比

4結(jié)論

a. 香菇草種植水對銅綠微囊藻的生長具有良好的化感抑制效果。

b. 礫石、麥飯石、果殼、活性氧化鋁、聚氨酯這5種浮床填料,除果殼填料外,均能顯著改善水質(zhì),有效降低水體中的Chl-a質(zhì)量濃度。

c. 化感植物-填料浮床裝置不僅造型新穎美觀,營造了水面景觀,還能有效改善富營養(yǎng)化水體水質(zhì),降低水體中有害藻類的濃度,實現(xiàn)水體的原位凈化。

但是,對本研究中香菇草中含有的化感物質(zhì)成分及其對銅綠微囊藻的化感抑制機理,還需要進行更加深入的研究。

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Design and application of allelopathic plant-filler floating bed

WU Yankun1, ZHU Jiacheng2, GAO Jingsi1, ZHU Jia1, ZHOU Li2, LIANG Dong3

(1.TheEngineeringTechnologyDevelopmentCenterofUrbanWaterRecycling,ShenzhenPolytechnic,Shenzhen518055,China;2.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,QingdaoUniversityofTechnology,Qingdao266033,China;3.ShenzhenWaterQualityMonitoringCenter,Shenzhen518055,China)

Abstract：An allelopathic plant-filler floating bed was developed through the integration of the allelopathy of aquatic plants and conventional floating beds and by the use of biological fillers. Hydrocotyle vulgaris was chosen as the experimental plant, and gravel, maifanite, shell, activated alumina, and polyurethane were chosen as the fillers of the floating bed. The experimental results are as follows: (1) The planting water of Hydrocotyle vulgaris can effectively inhibit the growth of Microcystis aeruginosa. (2) Except for the shell, the other four fillers can significantly improve the water quality and effectively reduce the concentration of chlorophyll a. (3) The allelopathic plant-filler floating bed can effectively reduce the concentrations of CODMn, TN, TP, and the turbidity in eutrophic water, increase the dissolved oxygen in the water, and remove the odor.

Key words：eutrophication; floating bed; aquatic plants; allelopathy; biological fillers; water purification; Hydrocotyle vulgaris

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.03.020

基金項目國家水利部公益性行業(yè)科研專項(201301047)

作者簡介:武延坤(1979—),女,講師,博士,主要從事水務信息化、復雜工業(yè)過程建模與控制。E-mail:wyk2009@szpt.edu.cn 通信作者:朱嘉成。E-mail:786943210@qq.com

中圖分類號：X17

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)03-0105-06

(收稿日期：2015-04-15編輯：彭桃英)