人工浮床技術(shù)治理富營養(yǎng)化水體研究進(jìn)展

陳佳曦

(沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168)

引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人類也面對著許多環(huán)境污染問題。其中較為被關(guān)注的環(huán)境現(xiàn)象是水體富營養(yǎng)化。水體富營養(yǎng)化指由于水庫、湖泊等水體中的氮、磷等化學(xué)物質(zhì)濃度過多導(dǎo)致的水體環(huán)境污染問題。水體中氮、磷等物質(zhì)的豐富，會引起藻類生物及其他細(xì)菌的快速發(fā)育增殖，使得水域中溶解氧的數(shù)量大幅減少，從而導(dǎo)致水生動植物大量消亡或者滅絕的嚴(yán)重后果，防治方法有物理法、化學(xué)法和生物法，其中生物法綜合來看對富營養(yǎng)化水體的長期治理最為有效。

人工浮床作為生物法中一種可以有效治理富營養(yǎng)化水體的技術(shù)，在過去的40年里被廣泛應(yīng)用，不僅因?yàn)槿斯じ〈布夹g(shù)凈化治理富營養(yǎng)化水體的效果尤為顯著，并且通過在浮床上種植一些水生植物等，間接提高了一定的經(jīng)濟(jì)效益和觀賞性，且人工浮床適用于大部分水域，應(yīng)用廣、投資小且有較好的市場前景；人工浮床技術(shù)還可進(jìn)一步與其他方法結(jié)合進(jìn)行強(qiáng)化，可更好地針對水體富營養(yǎng)化問題使其得到解決。

1 富營養(yǎng)化水體的防治方法

我國越來越重視水體富營養(yǎng)化這一水體污染現(xiàn)象，無論是其所帶來的環(huán)境生態(tài)破壞，經(jīng)濟(jì)效益下降還是景觀觀賞的影響等問題，都是不容小覷的，其成因錯綜復(fù)雜，不能簡單的將其歸為生態(tài)失衡，嚴(yán)重的富營養(yǎng)化不僅會引起水華現(xiàn)象，產(chǎn)生有毒有害氣體和毒素，而且還會引起水中生態(tài)動物的死亡和滅絕，也會對人類的供水安全與日常生活造成重大隱患和威脅。在防治方面，雖然“控源截污、生態(tài)修復(fù)”已形成了水域富營養(yǎng)化治理的主導(dǎo)思想。但對景觀水域富營養(yǎng)化的管理中，不但要避免外來性污染重新匯入水域中，也必須防止內(nèi)源性物質(zhì)重新污染水體。在水域富營養(yǎng)化的治理中，氮、磷成為最大的重要污染，并成為水域富營養(yǎng)化的主體因子，對水域生態(tài)環(huán)境安全造成了重大威脅，并引發(fā)大量的水體環(huán)境事故，極大影響了經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展水平。氮、磷中的主要污染源非常復(fù)雜，不但包含了來自外界污染后流入水域中的氮、磷，也包含了水域的沉積物經(jīng)自我排放后又重新流入水域的氮、磷?，F(xiàn)階段大多使用3種方法來預(yù)防與治理，分別為物理法、化學(xué)法和生物法，現(xiàn)有結(jié)論表明，這3種方法的防治與應(yīng)用方面各有側(cè)重。

1.1 物理法

物理法是指通過機(jī)械的方式進(jìn)行人工凈化富營養(yǎng)化水域。具體方法有底泥疏通、換水稀釋作用、河道內(nèi)深度曝氣、人工方法撈捕、人工造流和引水等。此方法針對受污染水體中的藻類，可進(jìn)行有效徹底去除，持續(xù)效果較久；且人為操作簡單方便，對附近環(huán)境進(jìn)行有效保護(hù)，防止其再次受到污染。主要應(yīng)用區(qū)域是小范圍水體和大規(guī)模水體中的部分水體。利用物理方法在除藻工程前期的準(zhǔn)備階段和大面積除藻的準(zhǔn)備階段中作用效果較明顯；缺點(diǎn)是此階段需要耗費(fèi)巨大的人力、物力與資金，而且無法解決污染根源。對所采用的特定操作技術(shù)及裝置，必須對其實(shí)施定期運(yùn)作保養(yǎng)。

1.2 化學(xué)法

化學(xué)法是指通過往受污染水體中投加不同種類的化學(xué)藥物達(dá)到凈化水體的目的，主要分為化學(xué)除藻和化學(xué)固定2種方法?；瘜W(xué)除藻是指在被污染水域中投加藥物和藻類，與水中污染物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，目前投入使用較多的有二氧化氯、高錳酸鉀、硫酸銅等化學(xué)試劑，可有效消除水域中的藻類進(jìn)而凈化污染水體?；瘜W(xué)固定是指投加化學(xué)混凝劑將氮等污染物質(zhì)固定在水體的底泥上，混凝劑常見的有適用鋁、鈣、鐵，這些混凝劑最大的優(yōu)點(diǎn)是成本十分低廉，且都可以與污染物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成不溶于水的沉淀物質(zhì)?；瘜W(xué)法大多被應(yīng)用于嚴(yán)重藻華水域，或者被當(dāng)作緊急措施用在一些特殊區(qū)域，但由于化學(xué)試劑易殘留和穩(wěn)定，可能會導(dǎo)致積累大量重金屬的情況，以及環(huán)境的再次污染，難以從根源上解決問題。

1.3 生物法

生物法是現(xiàn)階段治理水體富營養(yǎng)化的最高效、最安全、最經(jīng)濟(jì)的方法，主要有人工浮床、生物操縱法、人工濕地法、高等水生植物防治法等。生物法中的水生植物在此技術(shù)中發(fā)揮著重要的功能，不但可以吸附被污染水域中多余的養(yǎng)分，而且還可以明顯減少氮、磷的排放，給微生物的發(fā)育繁衍創(chuàng)造了有利的生存條件，生態(tài)植物產(chǎn)生化感作用可以抑制藻類的生長，并且不產(chǎn)生二次污染。不足之處為見效較慢，不適用于對突發(fā)性水華的治理。在生物法中，應(yīng)用較為廣泛且有效的是人工生態(tài)浮床技術(shù)，浮床技術(shù)不僅對污染水體的凈化處理效果較為顯著，其凈水效率要比同規(guī)模的人工濕地系統(tǒng)高出75%，而且人工浮床可直接利用水體水面面積，管理維護(hù)方便，在應(yīng)用中為當(dāng)?shù)厮驇砹私?jīng)濟(jì)價值、娛樂價值和風(fēng)景游覽價值等。

2 人工浮床治理富營養(yǎng)化水體的強(qiáng)化方法

人工浮床是指通過人工的方式以高分子材料或其他輕質(zhì)建筑材料用作媒介，把水生植物以及經(jīng)過改良后的陸生植被固定在媒介上，由于水生植物本身的新陳代謝也需要吸收氮、磷等養(yǎng)分，而水中的一些重金屬也可能被一些水生植物特性所吸附起來，通過定期收割生長在浮床上的植物，就可以快速有效去除植物所吸收的污染物，與此同時大量的微生物附著在植物根部，整個生物膜開始逐漸形成，當(dāng)污染水經(jīng)過膜表面時，其會對水中的污染物進(jìn)行吸收降解等作用，一些微生物還能過濾掉難以處理的物質(zhì)，如重金屬元素等。此外，人工浮床還可以填設(shè)種植一些具有美化城市景觀作用的植物?？偟膩碚f，人工浮床與其他治理方法相比較，具有工程量較小，維護(hù)運(yùn)行成本低，節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，而對浮床處理效果進(jìn)行強(qiáng)化的方法有很多，如篩選浮床植物、掛設(shè)懸浮填料、機(jī)械曝氣、利用水生動物和太陽能強(qiáng)化等，目的在于提高對污染物質(zhì)的去除效果和節(jié)約能源降低成本等。

2.1 篩選浮床植物

植物生長在人工浮床中占有著非常關(guān)鍵的地位，而氮和磷既是湖泊水域中富養(yǎng)分化的主要因子，也是植被成長所需的必要營養(yǎng)元素，這一步驟既能高效減少地下水體中氮磷的濃度，又可提高溶解性氧的含量水平，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提高水體質(zhì)量、修復(fù)地下水體功能的目的。劉建偉等[1]利用美人蕉、黃菖蒲和水蔥等3種挺水植被，在重度富營養(yǎng)化水域中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，水中的氮、磷等污染物質(zhì)濃度大大降低。而幾種植物組合對水體的凈化功效與單種植物不同，李秀芳等[2]篩選出狐尾藻、金魚藻和篦齒眼子菜組合進(jìn)行6組實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，所有實(shí)驗(yàn)組對去除污染物質(zhì)均有較好效果，尤其是對氨氮，去除率均高達(dá)95%以上。邢春玉等[3]構(gòu)建出水鱉加金魚藻、水鱉加苦草、苦草加穗狀狐尾藻、荇菜加穗狀狐尾藻4組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比，結(jié)果對氮去除率最高的為荇菜加穗狀狐尾藻組，對磷去除率最高的為苦草加穗狀狐尾藻組合，根據(jù)處理水體的不同污染側(cè)重可應(yīng)用相對的植物搭配，同時在此期間也帶來了一定的景觀效益。

2.2 掛設(shè)懸浮填料

為了增強(qiáng)浮床微生物的功能，一些研究者將生物接觸氧化法和浮床技術(shù)相結(jié)合處理富營養(yǎng)化水體，懸浮填料也能給微生物創(chuàng)造良好的附著繁殖環(huán)境，通過其巨大的表面積及附著在上面的微生物對污水進(jìn)行凈化。虞中杰等[4]分別加掛組合填料，球形填料和空白不加掛填料3種浮床進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，分別測出實(shí)驗(yàn)的3個階段污染物的去除情況，結(jié)果表明，掛設(shè)球形填料的人工浮床對氮、磷的去除效果最好，為63.5%和59.5%。馮世敬[5]對比了天然PVFM、NF-PVFM和NF/FA-PVFM在浮床中處理受污染水體物質(zhì)的情況，先對天然纖維復(fù)合PVFM懸浮填料進(jìn)行制備，得出結(jié)果，NF-PVFM的掛膜速度最快且穩(wěn)定，流化態(tài)良好，且較長時間沒有磨耗與破損，對CODCr的去除率高達(dá)94.05%，氮、磷去除率分別為63.30%和70.93%，滿足懸浮填料的技術(shù)要求，具有較好的應(yīng)用前景。目前對懸浮填料的研究不僅要增強(qiáng)填料本身的物理、化學(xué)穩(wěn)定性還有其對浮床中微生物的親和性和親水性能等，還要考慮到填料與浮床結(jié)合的處理污水的效率，以及填料在浮床中的可再生性、可再生性、無二次污染和成本造價等問題，選用具有針對性的新型環(huán)保材料，才能與人工浮床結(jié)合使其治理富營養(yǎng)化水體更加有效，應(yīng)用也更廣泛。

2.3 機(jī)械曝氣強(qiáng)化浮床

機(jī)械曝氣法是利用使氣體與受污染或需要處理的污染物不斷進(jìn)行接觸從而擴(kuò)大接觸范圍的方法，使空氣中的氧直接接觸到水體，同時促使被污染的水和在水中的另一種活性污泥的接觸和攪拌，從而增加水體的氧濃度，并促進(jìn)硝化菌的代謝，從而增加有氮化合物的分解速度。付永勝等、聶玉華、譚劍聰[6-8]自制了由微曝氣系統(tǒng)加人工介質(zhì)加水生植物組成的微曝氣強(qiáng)化生態(tài)浮床，與強(qiáng)化生態(tài)浮床和傳統(tǒng)生態(tài)浮床進(jìn)行對比試驗(yàn)，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下微曝氣強(qiáng)化浮床對CODCr、TN、TP的去除效果分別為59.2%、76.8%、76.2%，明顯高于強(qiáng)化生態(tài)浮床和傳統(tǒng)生態(tài)浮床，而微曝氣強(qiáng)化生態(tài)浮床在7.5L·min-1的曝氣量時處理效果最好，過高或過低的曝氣量都不利于污染物的去除。宋孟鑫[9]通過給人工浮床增加接觸曝氣，與不加曝氣的人工浮床進(jìn)行對比，強(qiáng)化接觸曝氣的人工浮床去除污染物效果十分顯著，經(jīng)過9d的時間，對TP的去除率為99.45%，氨氮的去除率為98.72%，COD的去除率為89.96%。

2.4 水生動物強(qiáng)化浮床

水生動物也可以和人工浮床組合，一些研究人員加入了魚類、濾食性動物和浮游動物等水生動物，其中，魚類通過以低等浮游動植物為食，抑制藻類的生長，從而提高水體的透明度，而浮游動物和濾食性動物則會吞食水中的浮游植物和過濾懸浮顆粒物，通過過濾、消化和排泄等作用來提高顆粒狀有機(jī)物的生物降解性，促進(jìn)有機(jī)氮磷化合物的分解，在整個浮床系統(tǒng)中，豐富了其浮床整體凈化體系，從而增強(qiáng)浮床系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在對富營養(yǎng)化水體進(jìn)行處理中達(dá)到更好的效果。王國芳等[10]對組合型生態(tài)浮床中水生植物單元(空心菜)、水生動物單元(濾食性貝類三角帆蚌)、微生物強(qiáng)化單元(人工介質(zhì))進(jìn)行組合，實(shí)驗(yàn)分析每種單元對污染物的去除貢獻(xiàn)率，發(fā)現(xiàn)水生動物單元對PN的去除率為30.9%，遠(yuǎn)高于其他2個單元，原因是三角帆蚌通過濾食起同化作用去除部分氮，而其濾食及排氨作用為組合型生態(tài)浮床中人工介質(zhì)上生物膜的硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌以及植物的吸收提供了基質(zhì)條件，同時也促進(jìn)了浮床對TN的去除。

2.5 太陽能強(qiáng)化浮床

太陽能人工浮島主要指使用太陽光供給了浮床控制系統(tǒng)中水面循環(huán)流動的能量，一般使用太陽能電池板，是一種環(huán)保節(jié)能的發(fā)電方式，是通過吸收太陽光利用光化學(xué)效應(yīng)或者光電效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)化為電能，從而減少了浮床控制系統(tǒng)的能耗。劉宇爽等[11]提出了太陽能微動力生態(tài)浮島在富營養(yǎng)化水域整治方面的應(yīng)用，太陽能浮床可以控制單倍和雙倍的曝氣量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，太陽能微動力人工浮島系統(tǒng)對污染水域中的COD、總氮和總磷都有較大的凈化效應(yīng)，其中氮、磷去除率分別為71.4%、82.2%，經(jīng)計(jì)算太陽能的轉(zhuǎn)換效率及輸出功率較高，節(jié)約了大量電力能源。太陽能和人工浮床技術(shù)的融合使得整個生產(chǎn)過程中更為節(jié)能，同時也使得人工浮床的應(yīng)用更為豐富化、系統(tǒng)化，對其在今后生態(tài)浮床的發(fā)展與應(yīng)用具有一定的推動意義。現(xiàn)存問題是太陽能在人工浮床中應(yīng)用較少，太陽能板的轉(zhuǎn)換效率、日常保養(yǎng)和成本造價等問題還需進(jìn)一步研究解決。

3 總結(jié)

隨著我國對環(huán)境保護(hù)以及富營養(yǎng)化水體治理的重視，越來越多的學(xué)者將重心放在人工浮床技術(shù)上，用人工浮床技術(shù)處理富營養(yǎng)化水體，無論是在技術(shù)方面、環(huán)保方面、能源方面和經(jīng)濟(jì)效益方面都擁有著良好的表現(xiàn)，綠水青山就是金山銀山，不僅要全力處理已成富營養(yǎng)化的水體，更要從源頭減少污染物的排放，對已修復(fù)的水體還要進(jìn)行更為關(guān)鍵的后期監(jiān)測與維護(hù)，防止其再次污染。然而在人工浮床處理富營養(yǎng)化水體的實(shí)際應(yīng)用中，凈化能力還是沒有達(dá)到理想狀態(tài)的預(yù)期效果，強(qiáng)化方法措施也大多處于模擬試驗(yàn)階段，所以要繼續(xù)結(jié)合其他更行之有效且環(huán)保的方法，將其改進(jìn)和推廣出去，遵循可持續(xù)發(fā)展理念，發(fā)展是要長久的，不僅是要滿足當(dāng)代社會的需求，更要考慮到子孫后代的需求。同時繼續(xù)完善發(fā)展人工浮床技術(shù)，才能保證我國在富營養(yǎng)化水體處理方面走在世界前端。