人工浮島基質(zhì)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)水的修復(fù)作用研究

張金麟 吳 菁 楊文卿，3

（1泉州麥可環(huán)保成套設(shè)備有限公司 福建泉州 362000 2福建師范大學(xué)閩南科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)研究所 福建泉州 362332 3福建師范大學(xué)泉港石化研究院 福建泉州 362800）

引言

時(shí)至今日，世界各地都出現(xiàn)了嚴(yán)重的水環(huán)境問(wèn)題，其中水體富營(yíng)養(yǎng)化是主要問(wèn)題，因此大多數(shù)地區(qū)對(duì)其污染控制技術(shù)進(jìn)行一系列探索。我國(guó)共有湖泊大約有2900多個(gè)，占中國(guó)地域約9萬(wàn)多平方公里。根據(jù)全球范圍各種調(diào)查資料表明，我國(guó)較為主要的37個(gè)湖泊里，重富營(yíng)養(yǎng)型的湖泊所占比例超過(guò)8%，達(dá)到8.8%，而富營(yíng)養(yǎng)型的接近15%，大部分屬于營(yíng)養(yǎng)型及中富營(yíng)養(yǎng)型，其所占比例大于55%。中國(guó)90%以上的水體環(huán)境污染是因水中的N、P含量超標(biāo)而引起的富營(yíng)養(yǎng)化，然而對(duì)植物的生長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，氮元素和磷元素同時(shí)也是必需營(yíng)養(yǎng)元素。人工浮島作為探索對(duì)象是從自20世紀(jì)80年代開(kāi)始[1]，廣泛的被認(rèn)為是一項(xiàng)具有環(huán)境效益的原位水體的恢復(fù)工藝。目前許多國(guó)家普遍性地使用在環(huán)境生態(tài)的恢復(fù)和地表的水體污染控制方面[2]。該技術(shù)主要是類比人工濕地能夠過(guò)濾富營(yíng)養(yǎng)水中污染物質(zhì)的原理，再嵌入人工浮島技術(shù)，利用微孔之間水的毛細(xì)作用將富營(yíng)養(yǎng)水吸入浮島基質(zhì)內(nèi)，通過(guò)植物葉片的蒸騰作用后，將基質(zhì)內(nèi)的水通過(guò)根系吸收至植物體內(nèi)進(jìn)行固氮固磷作用，從而達(dá)到凈化水質(zhì)、增強(qiáng)觀賞效應(yīng)以及提高其他經(jīng)濟(jì)效益的目的[3]。最后通過(guò)植物的移除以達(dá)到N、P和COD的轉(zhuǎn)移與再利用。

人工浮島自創(chuàng)造以來(lái)在全國(guó)乃至全世界都得到普遍探索研究。其中，對(duì)人工浮島基質(zhì)的研究可分為生物基質(zhì)、有機(jī)聚合物基質(zhì)、無(wú)機(jī)基質(zhì)[4]，其中較為普遍運(yùn)用的有陶粒、沸石、生物質(zhì)碳等。1998年劉淑媛等人為了研究對(duì)富營(yíng)養(yǎng)水體的凈化效果，采用蛭石作為浮島載體，以水芹、多花黑麥草和水雍菜作為浮島植物[5]。后來(lái)，美國(guó)Lang Teck環(huán)保公司開(kāi)發(fā)了一種被稱為生物壩的人工浮島[6]，該種浮島是由若干個(gè)裝有以球形的改性環(huán)氧樹(shù)脂為基質(zhì)的生物箱連接而成，基質(zhì)上附著微生物。便捷裝備的生物壩，是以水面的寬度條件實(shí)行現(xiàn)場(chǎng)的裝載，并且某些箱體被破壞后也可以單獨(dú)的進(jìn)行更換。王怡等人在2005年利用珍珠巖開(kāi)發(fā)了一種生物型載體[7]，掛膜試驗(yàn)顯示微生物在該載體附著生長(zhǎng)良好，故而這種珍珠巖載體擬被廣泛應(yīng)用在生物膜的反應(yīng)器中。鄭劍鋒等人[8]將生物陶粒當(dāng)作基質(zhì)，微生物依附在基質(zhì)上生長(zhǎng)，將其添加到生態(tài)浮島的反應(yīng)器中后，水體恢復(fù)效率得到了必然的提高。施亮亮等[9]利用天然的秸稈作為浮島基質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了水體生態(tài)修復(fù)和秸稈資源化利用的雙重效益。劉洋[10]選擇采用土壤、頁(yè)巖、鋼渣、砂石、煤渣、爐渣6種不同填料，以靜態(tài)試驗(yàn)的方式研究了在人工濕地上各種不同的填料對(duì)除磷的效果的好壞，為今后的人工浮島基質(zhì)的選取提供理論上的依據(jù)。

考慮到此技術(shù)運(yùn)用到實(shí)際中能夠容易操縱，文章選擇用滲透性好、使用經(jīng)濟(jì)、來(lái)源方便易得且能夠進(jìn)行廢料運(yùn)用的基質(zhì)填料。實(shí)驗(yàn)用活性炭、頁(yè)巖陶粒、膨脹蛭石作為基質(zhì)[11]，通過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算人工浮島對(duì)TN、TP、COD的去除效率，分析研究各種基質(zhì)的脫氮除磷、降解 COD的能力，旨在尋求一種性價(jià)比較高的人工浮島填充基質(zhì)，力求將生態(tài)浮島技術(shù)成熟應(yīng)用，以減輕水體由于封閉或自循環(huán)不足帶來(lái)的水體腥臭、富營(yíng)養(yǎng)化等現(xiàn)象。

1 材料與方法

1.1 主要材料

1.1.1 人工浮島裝置

圖1是人工浮島實(shí)驗(yàn)裝置，其制作材料為直徑16cm、高12cm的圓柱形PVC塑料,底部的PVC板鉆出一定距離、一定數(shù)量孔徑為4mm的小孔，并由PVC膠粘合而成，作為人工浮島的底。為了增加浮島浮力，使其浮于水面，在人工浮島裝置的外圈覆上一層八邊形的聚氨酯泡沫，如圖1（A）所示。此外，為防后續(xù)試驗(yàn)過(guò)程中填入的基質(zhì)滲漏，在人工浮島裝置中加入數(shù)層紗布，其效果如圖1（B）所示。

圖1 人工浮島實(shí)驗(yàn)裝置

1.1.2 人工浮島植物

綜合考慮泉州地區(qū)的環(huán)境、氣候等客觀因素的影響，文章選擇根系發(fā)達(dá)、生長(zhǎng)力旺盛、具有較強(qiáng)的耐污能力及一定經(jīng)濟(jì)和食用價(jià)值的空心菜作為本次實(shí)驗(yàn)的供試植物[12]。實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行歷時(shí)一周的空心菜苗的培育，將空心菜苗培育至2-4cm。

1.1.3 人工浮島基質(zhì)

實(shí)驗(yàn)選取頁(yè)巖陶粒、膨脹蛭石、活性炭作為人工浮島的填充基質(zhì)，比較其對(duì)氮、磷、COD的去除效果。

1.2 實(shí)驗(yàn)水體

實(shí)驗(yàn)采用3個(gè)規(guī)格一致的水桶構(gòu)成三組平行實(shí)驗(yàn)，分別向三個(gè)水桶內(nèi)投入體積為17L的模擬富營(yíng)養(yǎng)水。此外，為保證各種微量元素的供給，植物良好生長(zhǎng)，每6天向人工模擬的富營(yíng)養(yǎng)水中滴加2.5ml微量元素溶液。

表1 模擬富營(yíng)養(yǎng)水體成分組成及水質(zhì)參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用規(guī)格相同的水桶組建3個(gè)平行實(shí)驗(yàn)，向三個(gè)人工浮島中分別填入三種處理過(guò)的基質(zhì)，從事先培育好的空心菜苗中選取長(zhǎng)勢(shì)、株高相近的空心菜苗12株，每個(gè)浮島4株，將其種入人工浮島實(shí)驗(yàn)裝置中構(gòu)成生物浮島，再將實(shí)驗(yàn)裝置置于水桶內(nèi)，讓其吸收凈化模擬富營(yíng)養(yǎng)水。每個(gè)周期歷時(shí)12天，共24天，期間每三天進(jìn)行一次采樣，對(duì)水中TN、TP、COD進(jìn)行檢測(cè)分析。水質(zhì)測(cè)定均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定。TN-堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法，TP-鉬酸銨分光光度法，COD-重鉻酸鉀滴定法。

2 結(jié)論與分析

2.1 植物生長(zhǎng)情況比較

圖2 植物株高生長(zhǎng)變化

圖3 植物根長(zhǎng)生長(zhǎng)變化

圖2、圖3是空心菜在分別以頁(yè)巖陶粒、膨脹蛭石、活性炭為基質(zhì)的人工浮島中的株高及根長(zhǎng)生長(zhǎng)變化。較之活性炭和膨脹蛭石，空心菜在以頁(yè)巖陶粒為基質(zhì)的浮島中生長(zhǎng)得更好。在頁(yè)巖陶?；|(zhì)浮島中生長(zhǎng)的空心菜株高增長(zhǎng)量為27.83cm，是膨脹蛭石基質(zhì)浮島中生長(zhǎng)的空心菜的1.0036倍，是活性炭基質(zhì)浮島中生長(zhǎng)的空心菜的1.1145倍；空心菜在頁(yè)巖陶粒中的根長(zhǎng)增長(zhǎng)量為13.05cm，在膨脹蛭石中的根長(zhǎng)增長(zhǎng)量為頁(yè)巖陶粒的84.52%，在活性炭中的根長(zhǎng)增長(zhǎng)量?jī)H為頁(yè)巖陶粒的60.15%。此外，頁(yè)巖陶粒中含有較低的金屬鈣氧化物和較高的金屬鋁氧化物，促進(jìn)了鋁對(duì)磷的物理化學(xué)作用，增進(jìn)了鈣與磷化學(xué)反應(yīng)的完全進(jìn)行[13-14]，使植物長(zhǎng)得更好。可見(jiàn)，頁(yè)巖陶粒的截污能力較之活性炭和膨脹蛭石更強(qiáng)，對(duì)水中氮、磷等物質(zhì)的吸附性能好，更有利于植物生長(zhǎng)。

2.2 TN的去除效果對(duì)比

圖4是3組實(shí)驗(yàn)浮島對(duì)水體中TN的濃度變化情況。實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)周期均顯示，3組平行實(shí)驗(yàn)浮島在基質(zhì)的吸附作用及植物的蒸騰作用下，水中的含氮污染物主要以NH3-N和NO3-N的形式作為植物養(yǎng)分被植物吸收利用，達(dá)到了降解水中TN含量的目的。

分析圖4可知，實(shí)驗(yàn)兩個(gè)階段，實(shí)驗(yàn)前期三種基質(zhì)對(duì)TN的降解速率較快，后期較為緩和，這是因?yàn)榍捌谥饕腔|(zhì)的吸附和植物的吸收共同作用，實(shí)驗(yàn)前期基質(zhì)處于饑餓狀態(tài)，基質(zhì)大量吸附水中的含氮化合物，經(jīng)過(guò)硝化作用以NH3-N和NO3-N的形式作為植物的養(yǎng)分被吸收利用，去除效果較好，后期降解速率減緩，主要以植物的硝化吸收作用為主，且富營(yíng)養(yǎng)水體經(jīng)過(guò)浮島凈化后含氮量降低，所以降解速率下降?？傮w而言，活性炭與膨脹蛭石對(duì)TN的降解效率相當(dāng)，頁(yè)巖陶粒相對(duì)較差。實(shí)驗(yàn)第一階段，活性炭的去除率達(dá)60.82%，膨脹蛭石約為52%，實(shí)驗(yàn)第二階段，活性炭的去除率約58%，膨脹蛭石的去除率較第一階段有所上升，達(dá)到60.15%，但總體效果較穩(wěn)定。而頁(yè)巖陶粒在兩個(gè)階段的去除率均穩(wěn)定在48.84%-53.69%之間，去除效果相對(duì)較差。綜上所述，活性炭和膨脹蛭石對(duì)TN的降解效果相比于頁(yè)巖陶粒更好。

圖4 人工浮島對(duì)TN的降解效果

2.3 TP的去除效果對(duì)比

圖5 人工浮島對(duì)TP的降解效果

3組平行實(shí)驗(yàn)對(duì)水體中含磷污染物的濃度變化如圖5所示，三種基質(zhì)對(duì)含磷污染物的去除能力為：活性炭＞頁(yè)巖陶粒＞膨脹蛭石。觀察下圖可知，實(shí)驗(yàn)兩個(gè)階段活性炭對(duì)磷的去除曲線的下降趨勢(shì)最為明顯，去除率高達(dá)72%以上，去除效果最好，這是因?yàn)榛钚蕴績(jī)?nèi)部有許多細(xì)小的孔洞且孔隙發(fā)達(dá)、比表面積巨大，吸附體積大、過(guò)濾速率快。頁(yè)巖陶粒次之，第一階段的降解率為52.78%，第二階段的降解率為65%，總體去除效果較好，膨脹蛭石去除效果最差，最高不足48%，這是因?yàn)轫?yè)巖陶?；|(zhì)呈多孔結(jié)構(gòu)，孔隙率高，比表面積大，且頁(yè)巖陶粒中含有較高的金屬鋁氧化物和較低的金屬鈣氧化物，更有利于溶液中的磷元素均勻地吸附在基質(zhì)表面，加強(qiáng)了鋁和磷之間的理化作用，加快了鈣與磷形成沉淀反應(yīng)的速率[13-14]。而膨脹蛭石中鈣的含量為1-2%，頁(yè)巖陶粒的含量是膨脹蛭石的1.75倍，鋁含量為9-17%，僅是頁(yè)巖陶粒的1/2，自然吸附效果次于頁(yè)巖陶粒。

2.4 COD的去除效果對(duì)比

圖6 人工浮島對(duì)COD的降解效果

圖6是3組平行實(shí)驗(yàn)浮島對(duì)水中COD的濃度變化情況。在實(shí)驗(yàn)第一階段，活性炭、膨脹蛭石、頁(yè)巖陶粒對(duì)COD的去除效果明顯，累積降解率分別為74.57%、74.03%、70.92%，均達(dá)到70%以上。這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)初期基質(zhì)處于饑餓狀態(tài)，可以大量吸附水中的COD。實(shí)驗(yàn)第二階段，三種基質(zhì)對(duì)COD的降解速度較為緩慢，活性炭和頁(yè)巖陶粒的降解率均在33.5%左右，膨脹蛭石的降解率僅為22.01%。這是由于水中的COD主要在基質(zhì)的吸附過(guò)濾作用下得以降解，實(shí)驗(yàn)后期基質(zhì)基本已處于飽和狀態(tài)，此外，COD對(duì)植物的生長(zhǎng)不起作用，植物對(duì)COD僅有吸附作用而無(wú)吸收作用，所以去除效果差[15]。綜合而言，三種不同基質(zhì)的人工浮島對(duì)COD的降解率相近，都能維持70%左右，活性炭的降解率接近75%，可見(jiàn)活性炭的吸附能力更強(qiáng)。

結(jié)語(yǔ)

頁(yè)巖陶粒的截污能力較之活性炭和膨脹蛭石更強(qiáng)，對(duì)水中氮、磷等物質(zhì)的吸附性能好，更有利于植物生長(zhǎng)。在頁(yè)巖陶?；|(zhì)浮島中生長(zhǎng)的空心菜株高增長(zhǎng)量是膨脹蛭石的1.0036倍，是活性炭的1.1145倍；空心菜在膨脹蛭石中的根長(zhǎng)增長(zhǎng)量為頁(yè)巖陶粒的84.52%，在活性炭中的根長(zhǎng)增長(zhǎng)量?jī)H為頁(yè)巖陶粒的60.15%。頁(yè)巖陶粒對(duì)于TN去除率穩(wěn)定在48.84%-53.69%之間。對(duì)TP的降解率為72.89%，對(duì)COD的去除率為70.92%，去污能力略低于活性炭。但結(jié)合其價(jià)格，頁(yè)巖陶粒的性價(jià)比較高。

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