生態(tài)浮島、人工水草與曝氣充氧組合凈化水體能力研究

摘 要：為克服河道治理中生態(tài)浮島、人工水草等單一工藝的缺陷，于2015年5月5日至2015年6月4日，在廣州市某河涌修復(fù)工程中進(jìn)行組合工藝試驗(yàn)，以了解多工藝的最佳組合方式與效果。試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)河涌水體總磷去除效果：生態(tài)浮島+人工水草+曝氣工藝組合（去除率73%）>生態(tài)浮島（去除率59%）>人工水草（去除率41%）=曝氣充氧（去除率41%）；對(duì)河涌水體氨氮去除效果：生態(tài)浮島+人工水草+曝氣充氧工藝組合（去除率83%）>曝氣充氧（去除率77%）>人工水草（去除率46%）>生態(tài)浮島（去除率35%）。生態(tài)浮島+人工水草+曝氣充氧的工藝組合可充分發(fā)揮單個(gè)工藝去除污染物的能力，對(duì)污染河涌水質(zhì)有更好的凈化效果，在實(shí)際河涌治理工程中具有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：生態(tài)浮島；人工水草；曝氣充氧；工藝組合；水體凈化

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)與人口的發(fā)展，大量未經(jīng)有效處理的生活污水、工業(yè)廢水及農(nóng)業(yè)地表徑流排入河流、湖泊等自然水體。污染物厭氧分解加之水體流動(dòng)性差極易導(dǎo)致水體黑臭現(xiàn)象，嚴(yán)重影響居民居住環(huán)境及身體健康。隨著人們對(duì)生態(tài)環(huán)境的日益重視，逐漸開展運(yùn)用各種生態(tài)技術(shù)修復(fù)水體，科學(xué)研究與工程實(shí)踐均表明生態(tài)修復(fù)技術(shù)對(duì)水體生態(tài)系統(tǒng)的健康及可持續(xù)發(fā)展有重要的意義。

生態(tài)浮島、人工水草及曝氣充氧均為常用的水體生態(tài)修復(fù)技術(shù)。生態(tài)浮島運(yùn)用無土栽培原理，通過水生植物根系的截留、吸附、吸收和水生動(dòng)物攝食以及微生物降解作用，達(dá)到水質(zhì)凈化目的（胥丁文等，2010）。生態(tài)浮島因具有造價(jià)低廉、運(yùn)行簡(jiǎn)便、改善景觀環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外的研究和應(yīng)用正日益增多，被大量應(yīng)用于河涌和湖泊水體的生態(tài)修復(fù)中（吳黎明等，2010）。

人工水草是一種新型人工合成材料接觸氧化技術(shù)，用具有耐污、耐腐蝕、彈性、韌性和柔性很強(qiáng)的材料仿照自然水草設(shè)計(jì)而成的仿生水草填料，為具有較大比表面積的載體，通過微生物自身的演替，在載體表面形成從菌類、藻類到原生動(dòng)物、后生動(dòng)物的立體微生物生態(tài)系統(tǒng)。人工水草對(duì)COD、氨氮、總氮、總磷都有很好的去除效果。其適用范圍廣，凈化效果好、投資低、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單，被廣泛應(yīng)用于河涌和湖泊水體的生態(tài)修復(fù)、城鎮(zhèn)污水綜合治理、農(nóng)村面源污染綜合治理、水產(chǎn)養(yǎng)殖等領(lǐng)域。以人工水草生物膜開展上海市中心城區(qū)黑臭河水凈化研究結(jié)果表明，生物膜對(duì)黑臭河水中COD、BOD5、NH3-N和TP的平均去除率分別為64.1%、67.2%、96.0%和32.1%，水體中Fe2+和硫化物得到完全去除（童敏等，2011）。

曝氣充氧通過曝氣設(shè)備向水體充氧以加速土著好氧微生物生長繁殖而加強(qiáng)水體自凈能力。但在流動(dòng)水體中微生物缺少載體，微生物流失嚴(yán)重，使得曝氣充氧修復(fù)效果差（李海英等，2009）。為克服現(xiàn)有單一技術(shù)的缺點(diǎn)，文章研究了一種生態(tài)浮島、人工水草和曝氣充氧三種工藝的組合技術(shù)，充分發(fā)揮各工藝優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)單一工藝不足。近年來，組合型新生態(tài)浮島的開發(fā)與應(yīng)用越來越被重視，文章提出一種微曝氣生態(tài)浮島工藝。采用“浮島懸掛人工水草+挺水植物結(jié)構(gòu)并輔以微曝氣系統(tǒng)”，對(duì)黑臭缺氧、NH4+-N、總磷污染嚴(yán)重的河水進(jìn)行水質(zhì)凈化。本試驗(yàn)旨在通過對(duì)微曝氣生態(tài)浮島系統(tǒng)對(duì)污染河水的處理效果進(jìn)行研究，為后續(xù)工程建設(shè)與應(yīng)用提供基礎(chǔ)資料。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

黃菖蒲是多年生草本植物，根系發(fā)達(dá)，其耐寒、適應(yīng)及凈水能力強(qiáng)，景觀效果好。此外其生長期長（3-11月），冬季半綠，能在水上自然越冬，作為浮島植物時(shí)管理工作量?。▍抢杳鞯龋?010）。黃菖蒲對(duì)微囊藻的化感抑制作用也最強(qiáng)（丁惠君等，2007）。多項(xiàng)研究及工程實(shí)踐表明黃菖蒲是生態(tài)浮島的優(yōu)選植物（吳黎明，2010a；b；肖楚田等，2013）。楊紅艷等對(duì)不同種類人工水草去除污染物的能力研究得出細(xì)繩狀10cm人工水草對(duì)污水具有較好的凈化能力（楊紅艷，2013；陳慶鋒等，2014）。故本研究中選用黃菖蒲，10cm細(xì)繩狀人工水草進(jìn)行研究。浮島采用商品化PE材質(zhì)浮體組成，每塊浮體尺寸為500*500*38mm，有4個(gè)種植孔，配套種植籃，每個(gè)種植籃孔徑110mm，高110mm。

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置為固定在河道中的防水圍欄。防水圍欄采用防水布制成，平面尺寸1400*1400mm，防水圍欄底部深入底泥，以保證防水效果。防水圍欄內(nèi)有效水深1.2m，每個(gè)防水圍欄內(nèi)的水容量為2.35m3。試驗(yàn)共設(shè)4組，每組試驗(yàn)都設(shè)防水圍欄。1#試驗(yàn)組設(shè)置生態(tài)浮島，生態(tài)浮島下掛人工水草和曝氣裝置；2#試驗(yàn)組只設(shè)置生態(tài)浮島；3#試驗(yàn)組只設(shè)置人工水草；4#試驗(yàn)組只設(shè)置曝氣裝置。其中生態(tài)浮島采用4塊浮島體組成，尺寸為1000*1000mm。選擇株高30cm左右，體型一致的黃菖蒲用自來水將根部泥土洗凈，栽植到種植籃中每個(gè)種植籃兩株，種植籃中填充陶粒以固定植株。人工水草可直接固定在種植籃下方（設(shè)有生態(tài)浮島時(shí)）或采用尼龍繩固定（無生態(tài)浮島時(shí)）。曝氣裝置可固定在生態(tài)浮島下方或固定在立柱上。1#試驗(yàn)組的試驗(yàn)裝置如圖1所示。

2.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)在廣州市某小河涌中進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)間為2015年5月5日至2015年6月4日，共計(jì)30d。每隔1-5d取裝置中的水樣，檢測(cè)水體總磷（TP）、氨氮（NH3-N）濃度的變化。水質(zhì)檢測(cè)采用哈希HACH多參數(shù)水質(zhì)分析儀。

3 結(jié)果與討論

生物膜的生長除與人工水草材料類型相關(guān)外，也與溫度、pH、溶解氧、水質(zhì)等外界因素有關(guān)。試驗(yàn)期間，人工水草迅速掛膜，7d左右已形成棕褐色的生物膜；黃菖蒲生長良好，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)黃菖蒲根系濃密發(fā)達(dá)。試驗(yàn)前水體渾濁，有明顯的腥臭味；試驗(yàn)結(jié)束后各試驗(yàn)組的水體透明度顯著增加，異味消失。除感官性狀有明顯變化之外，水體中的TP、NH3-N濃度顯著下降。

3.1 各試驗(yàn)組對(duì)水體TP去除效果

生態(tài)浮島對(duì)水體TP的去除主要靠根系對(duì)顆粒態(tài)磷的截留、根際微生物對(duì)有機(jī)磷的礦化、水生植物對(duì)磷的吸收以及顆粒態(tài)磷的沉降（周小平等，2005）。人工水草對(duì)TP的去除主要靠人工水草對(duì)顆粒態(tài)磷的截留、人工水草表面生物膜對(duì)磷的吸收以及顆粒態(tài)磷的沉降（童敏等，2011）。曝氣充氧主要靠好氧條件下聚磷菌對(duì)磷的吸收。各試驗(yàn)組對(duì)TP去除效果見圖2。

各試驗(yàn)組對(duì)水體TP都有很好的去除效果。生態(tài)浮島+人工水草+曝氣充氧試驗(yàn)組在試驗(yàn)期前9天TP濃度迅速下降，在第9天其濃度將至0.11mg/L，去除率達(dá)78%，之后TP濃度上下波動(dòng)，在試驗(yàn)第30d時(shí)TP濃度為0.14mg/L，去除率為73%。生態(tài)浮島試驗(yàn)組在試驗(yàn)的前9天TP濃度持續(xù)下降，在第9天其濃度將至0.31mg/L，去除率達(dá)39%，之后TP濃度下降速度降低，在試驗(yàn)第30d時(shí)濃度為0.21mg/L，去除率為59%。人工水草試驗(yàn)組在試驗(yàn)期前12天TP濃度持續(xù)下降，在第12天濃度降至0.28mg/L，去除率達(dá)45%，之后TP濃度上下波動(dòng)，在試驗(yàn)第30d時(shí)其濃度為0.30mg/L，去除率為41%。曝氣充氧試驗(yàn)組在試驗(yàn)期前7天TP濃度持續(xù)下降，在第7天TP濃度降至0.32mg/L，去除率達(dá)37%，之后TP濃度上下波動(dòng)，在試驗(yàn)第30d時(shí)TP濃度為0.30mg/L，去除率為41%。從上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，對(duì)TP的去除效果：生態(tài)浮島+人工水草+曝氣充氧工藝組合（去除率73%）>生態(tài)浮島（去除率59%）>人工水草（去除率41%）=曝氣充氧（去除率41%）。

3.2 各試驗(yàn)組對(duì)水體NH3-N去除效果

生態(tài)浮島對(duì)水體NH3-N去除主要靠植物吸收和細(xì)菌的硝化作用（周小平等，2005）。人工水草及曝氣充氧對(duì)水體NH3-N去除主要靠細(xì)菌的硝化作用。各試驗(yàn)組對(duì)NH3-N的去除效果見圖3。

各試驗(yàn)組對(duì)水體NH3-N都有很好的去除效果。生態(tài)浮島+人工水草+曝氣充氧試驗(yàn)組在試驗(yàn)期前7天NH3-N濃度直線下降，在第7天其濃度將至1.2mg/L，去除率達(dá)75%，之后NH3-N濃度緩慢下降，在12d后NH3-N濃度上下波動(dòng)，在試驗(yàn)第30d時(shí)NH3-N濃度為0.8mg/L，去除率為83%。生態(tài)浮島試驗(yàn)組在試驗(yàn)期間NH3-N濃度波動(dòng)較大，整體呈下降趨勢(shì)，在試驗(yàn)第30d時(shí)，濃度為3.1mg/L，去除率為35%。人工水草試驗(yàn)組在試驗(yàn)期間NH3-N濃度波動(dòng)也較大，整體呈下降趨勢(shì)，在試驗(yàn)第30d時(shí)其濃度為2.6mg/L，去除率為46%。曝氣充氧試驗(yàn)組在試驗(yàn)期間NH3-N濃度持續(xù)下降，在試驗(yàn)第30d時(shí)濃度為1.1mg/L，去除率為77%。從上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，對(duì)NH3-N的去除效果：生態(tài)浮島+人工水草+曝氣充氧工藝組合（去除率83%）>曝氣充氧（去除率77%）>人工水草（去除率46%）>生態(tài)浮島（去除率35%）。

在微曝氣生態(tài)浮島系統(tǒng)中污染物去除率較高，將植物浮島技術(shù)與接觸氧化相結(jié)合，提高了水面利用率（立體空間）和凈化效率；另一方面，低壓微量曝氣系統(tǒng)提供的有氧環(huán)境是條件保障，微曝氣生態(tài)浮島布設(shè)微曝氣裝置，在模型底部進(jìn)行曝氣，使得整個(gè)系統(tǒng)中的溶氧濃度提高，有利于好氧異養(yǎng)微生物生長而形成生物膜，從而表現(xiàn)出更好的凈水效果。

4 結(jié)束語

生態(tài)浮島框架下方架設(shè)填料，形成填料浮島，可提高除污率。同時(shí)在浮島下增設(shè)曝氣裝置，能明顯提高水體溶解氧含量，促進(jìn)植物和微生物更好地生長，這些技術(shù)與浮島技術(shù)的整合，能明顯提高整個(gè)浮島的處理效率，對(duì)水質(zhì)有更好的凈化效果。通過設(shè)置對(duì)照試驗(yàn)結(jié)果表明該工藝組合對(duì)河涌水體凈化效果明顯好于這三種工藝單獨(dú)使用時(shí)的凈化效果。在該裝置運(yùn)行30d后，河水TP和NH3-N去除率達(dá)到73%和83%，其濃度分別降至0.14mg/L和0.8mg/L。

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*通信作者：蘇蕾，廣東中大環(huán)保投資有限公司，常務(wù)副總經(jīng)理。