人工沉床对COD的净化效果及其影响因素研究

李金中 ，李学菊 ，刘学功 ，杨 洁 ，时绍纬

（1.南开大学，天津 300071；2.天津市水利科学研究院，天津 300061）

近年来，环境污染尤其是水污染的加剧，促进了多种生物—生态水体修复技术的发展，以水生植物为核心的生物生态水体修复技术已成为当前水环境技术领域的研究热点[1－5]，许多植物的耐污及治污能力被发现[6－18]，多种以大型水生植物为核心的污水处理和水体修复生态工程技术被开发[19－22]。事实证明，以高等水生植物为核心的生物生态水处理技术具有低投资、低能耗等诸多优点。

人工沉床技术是遵循生态系统的自身原理，以恢复生态学人为设计和自我修复理论为基础，突出人为干扰在整个修复过程中的主导作用，以生态结构重建与功能恢复为最终目的而设计的一种生物—生态水体原位修复技术。该技术利用沉床载体和人工基质营造适宜大型水生植物生长的环境条件，并在人工沉床载体上种植大型水生植物，通过水生植物群落的构建，达到修复受损水体生境、进而恢复水生生物群落和水生生态系统的目的。与传统的水底直接种植方法相比，该技术由于利用其浮力调节系统，可以根据植物的生长情况和水位的变化人为调控植物在水面下的深度，从而有效地解决了水深大、水位变化大、透明度低、夏季藻类及浮萍泛滥等不利因素对植物生长的制约[1]。

人工沉床系统对水体的净化是一个复杂的物理、化学和生物过程，既包括植物的吸收、植物及填料的物理吸附和沉降[23－26]，也包括根部释氧和微生物降解等作用[27]，部分水生植物甚至还有生物化感和克菌的效果[28]。该技术目前正处于起步阶段，国内外已报道的文献极少。本研究在天津市外环河建立人工沉床示范工程，并通过示范工程长达1年的水质监测，对该技术对COD的净化效果及其影响因素进行系统研究，并建立了人工沉床系统COD降解模型。

1 实验材料及方法

1.1 示范工程水域背景资料

现场实验在天津市外环河河道内进行，外环河是天津市区的一条重要景观河道，两侧边坡已护砌，坡降为 1∶3，河面宽度 30 m 左右，水深 2～3 m，水位变化较大。受两岸生活污水及面源影响，河道水质较差，为劣Ⅴ类水体，化学需氧量及氮、磷含量高，夏季经常爆发藻类和浮萍，水体透明度极低，在河底直接栽植水生植物极难成活。为此，本研究利用人工沉床技术在外环河建立了水环境改善示范工程，实验河段长度为450 m。

1.2 实验材料

人工沉床主要由以下四部分组成：①受力载体构件；②植物种植箱体及填充基质；③高等水生植物；④浮力调节构件。其基本结构，如图1所示。

示范区内共有50个沉床，每个沉床尺寸为6 m×6 m，种植植物有黑三棱、香莆、水葱、芦苇和睡莲，睡莲种植间距为60 cm×60 cm（行距×株距），其他植物种植间距为40 cm×40 cm（行距×株距）。每种植物的种植水深按30、50和80 cm 3个深度进行组合。

植物种植时间为2007年8月，在实验河段排成一列，床与床间隔2 m，床体距岸1 m。

1.3 水样分析测定

实验区内水流平缓，流速约为82.05 m/d，水流经实验区的总时间为5～6 d左右，无明显死水区，因此水样采样点设置时无需考虑存在特殊点位影响的情况。本次实验按水流方向在实验河段内均匀布设8个取样断面，水流自进水断面开始依次流经8个监测断面所对应的停留时间见表1。

表1 取样断面对应的停留时间

监测时分别在每个断面取一个水样，取样深度为水面下0.5 m。取样时间自2007年10月开始，至2008年9月结束，取样频率为7 d取1次。COD分析采用COD快速测定仪（HE－9906，德国）。

2 结果讨论

2.1 沉床系统对COD的总体去除效果

COD去除率是水体流经人工沉床系统后COD削减量占进水COD负荷的百分比，计算公式如下：

式中：η 为COD去除率 （%）；C进和C出分别为COD的进水浓度和出水浓度（mg/L）。

实验区进水断面和出水断面COD浓度变化及示范区COD总体去除率变化如图2所示。

从图2可以看出，实验区进水COD浓度从2007年10月到2008年9月期间波动较大，总体上呈下降趋势，出水水质变化与进水水质变化规律基本一致，且出水中COD浓度均明显低于进水中COD浓度。

实验区COD的去除率受进水浓度波动和气温变化的影响，有一定的波动现象。总体变化趋势为：10月至11月上旬COD去除率均呈上升趋势；而11月中下旬以后COD去除率开始下降，12月至次年2月COD的去除率达到最低，在5%～10%左右；而2月至5月份COD的去除率迅速上升，到5月底以后，去除率基本达到平稳阶段，在30%到35%之间波动。

实验区出水水质变化与进水水质变化规律基本一致的主要原因是：目前外环河污染负荷较大，已超出人工沉床系统的净化能力，此时进水浓度的增加，必然导致系统出水浓度的增加。

污染物去除率随季节变化的主要原因是：10月份植物处于种植初期，此时植物生物量及密度都较低，对污染物的去除效果并不明显，而10月至11月上旬，虽然气温不断下降，但此时仍能适合植物生长，随着植物生物量的增加和植物密度的增大，人工沉床系统对COD的去除率呈上升趋势。而进入11月下旬后，植物已基本进入休眠期，而且受气温影响微生物活动也明显减弱，表现出对COD的去除率明显下降。自2月至5月，随着气温的回升，植物进入萌芽和快速生长阶段，而且此时微生物活动也迅速加强，表现出系统对COD的去除率迅速上升；到5月份后，水生植物生长基本达到稳定阶段，而且微生物活动也基本达到最大，因此系统对COD的去除率基本保持稳定。

2.2 进水浓度与去除速率相关性分析

COD去除速率是指单位面积沉床植物在单位时间内所去除的COD质量，计算公式如下：

式中：PCOD为 COD 去除速率〔g/（m2·d）〕；Q 为水流流量（m3/d）；A 为植物面积（m2）；其他符号同上。

根据示范工程进水断面和出水断面的COD浓度监测结果，分别利用指数、线性与幂函数3种数学模型对植物生长期（3—10月）和冬季（11—2月）两个时段内的进水COD浓度与去除速率进行拟合，分析进水COD浓度变化对去除速率的影响，结果分别如图3—8所示。

由图3—8可以看出，植物生长期内人工沉床系统对COD的去除速率与进水浓度的相关性较高，而从线性、指数和幂函数3种回归趋势来看，其相关关系更符合指数增长的规律，即对COD的去除速率随着进水浓度的增加呈指数上升，复相关系数（R2）可达到0.9以上。而冬季人工沉床系统对COD去除速率与进水浓度基本不相关，不论从线性、指数还是幂函数3种类型的回归趋势来看，其复相关系数（R2）均在 0.5以下。

造成上述现象的主要原因如下：

（1）水生植物发达的根系与水体接触面积很大，形成一道密集的过滤层，当水流经过时，悬浮态有机物和不溶性胶体会被根系吸附或截留而去除。此外，人工沉床系统中的水生植物通过释氧和输氧作用为好氧微生物提供氧源，其根系和叶片为微生物附着提供良好的界面，形成根际微生态环境和叶片微生态环境。在植物根区及叶片附近，形成一个好氧微生物区，而根区及枝叶以外则形成厌氧或兼氧区。这样，水体流经沉床实验区时反复经过厌氧和好氧的过程，实现对COD的去除。因此，人工沉床系统对COD的去除机理不仅包括沉降过滤作用，同时也包括植物与微生物的协同净化作用，COD去除速率随进水浓度的变化是以上两种机理综合作用的结果。

（2）植物生长期内，不仅温度适宜微生物生长，而且植物旺盛的新陈代谢为根际和叶片表面附着的微生物提供了充足的氧源，微生物对COD的降解能力较高，进水中COD浓度的升高促进了微生物繁殖和代谢活动，表现出沉床系统对COD的去除速率随着进水浓度的升高而增大，而且相关性较高。

（3）冬季植物进入休眠期后，其输氧和光合释氧速率也随之下降，为好氧微生物提供的氧量相对减少，而且随着水温的下降，微生物活性明显降低，对COD的降解功能大大减弱。冬季沉床系统对COD的去除主要依靠沉降过滤作用，而这种沉降过滤主要去除悬浮态和不溶性胶体态的COD，对溶解态的COD去除效果甚微。因此，表现出沉床系统对COD的去除速率与进水浓度的相关性减少。

2.3 COD浓度随水力停留时间的变化规律

根据人工沉床实验区内8个监测断面的COD浓度监测结果及其对应的停留时间，利用回归方法分析了人工沉床实验区内COD浓度随停留时间的变化关系，结果如图9所示。

由图9可以看出，水体在人工沉床实验区内，COD浓度的变化与水力停留时间呈现出极高相关性，复相关系数（R2）均在0.9以上，变化规律均符合一级动力学方程。因此，对于人工沉床系统，可以建立如下水质预测模型：

式中：C（t）为停留时间为 t时的 COD 浓度（mg/L）；C0为进水COD浓度（mg/L）；k为一级动力学衰减系数（d－1）；t为停留时间（d）。

该模型中的k值是一个与地区、季节和植物种类有关的参数，对于某一特定的沉床系统而言，该值是基本稳定的。对于北方地区，以黑三棱、香莆、水葱、芦苇和睡莲组合的人工沉床系统中，植物生长期k值为 0.04～0.06 d－1，冬季 k 值为 0.01～0.02 d－1。

3 结论

通过以上实验研究，可以得出以下结论：

（1）植物生长期（3—10月份）人工沉床系统对COD的去除率较高，在停留时间为6 d时，COD的去除率可达到30%～35%。而冬季（11—2月份）植物进入休眠期后，人工沉床系统对COD的去除率也随之下降，但仍有一定的去除效果，在停留时间为6 d时对COD的去除率为5%～10%。

（2）植物生长期内人工沉床系统对COD的去除速率与进水浓度的相关性较高，其相关关系符合指数增长的规律，即对COD的去除速率随着进水浓度的增加呈指数上升，复相关系数（R2）可达到0.9以上。而冬季人工沉床系统对COD去除速率与进水浓度的相关性较低，复相关系数在0.5以下。

（3）人工沉床区内COD浓度的变化与水力停留时间呈现出极高相关性，其相关关系符合一级动力学方程，即COD浓度随着停留时间的增加呈指数衰减，复相关系数（R2）在 0.99 以上。

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