生态悬床技术对河道型微污染水源地水质净化效果研究

蒋欢　 朱斌　 耿海峰等

摘要 以徐州的河道型微污染水源地——小沿河为例，采用生态悬床技术构建水生生态系统，对河道水体进行原位生态净化，研究生态悬床技术对河道型微污染水源地水质净化效果。结果表明，项目实施后，水质得到明显改善，工程区域进出水CODMn、TP、NH3N平均去除率分别达15.25%、26.94%、25.23%，取水口水质基本稳定达到地表水Ⅲ类标准。可见，生态悬床对于河道型微污染水源地中有机物的去除效果不显著，对于总磷、氨氮的去除效果较好。

关键词 河道型水源地；微污染水源水；生态悬床；水质净化

中图分类号 S273 文献标识码

A 文章编号 0517-6611（2014）08-02432-02

Purification of Slightly Polluted Rivertype Water Source with Ecological Suspended Plant Bed

JIANG Huan et al （Shanghai Investigation and Design Institute， Shanghai 200434）

Abstract With rivertype slightly polluted water source of Xuzhou—Xiaoyanhe River as an example， ecological suspended plant beds were adopted to construct an aquatic ecosystem， the purification of slightly polluted rivertype water source with ecological suspended plant bed was studied. The results showed that after the project implementation， water quality has been improved significantly with the average removal efficiency of CODMn， TP and NH3N reaching 6.62%， 25.27% and 25.47%， respectively. Water in the intake has steadily satisfied the environmental quality standards for surface water of class Ⅲ. Ecological suspended plant bed has no significant removal effects on organic matters in rivertype slightly polluted water source， while has obvious removal effect on TP and NH3N.

Key words Rivertype water source； Slightly polluted water； Ecological suspended plant bed； Water purification

河流是我国重要的饮用水水源地，但目前由于生活废水、工业污水的排放，我国河流饮用水源地受到严重污染，全国113个重点环保城市的222个饮用水地表水源的平均水质达标率仅为72%，且合格水源地呈现缩减趋势[1]。2007年7月1日正式施行的《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）水质指标由GB 5749-85的35项增加至106项，其中毒理指标中有机化合物由5项增至53项，对水中微量有机物提出了更加严格的控制要求[2]。传统的给水处理技术主要为混凝、沉淀、过滤、消毒，这些技术主要用于去除水中的悬浮物、浊度、色度，对溶解性有机物的去除效果不佳，而深度处理技术存在投资额大、运行成本高等问题[3]。因此，研究水源地水质提升和保障方法，从根源上解决水厂原水水质问题，对于减少水厂建设改造投资及运行费用、提升饮用水水质、保障人民身体健康具有重大的意义。

利用水生植物净化水质的生态净化方法具有成本低、能耗小、治理效果较好、对环境扰动小、有一定的经济效益和景观价值等优点[4]，因此被应用于河岸护坡、缓冲带、人工浮床、人工濕地等水体净化实践中，并取得了众多成果[5]。人工沉床技术是一种利用沉床载体和人工介质栽植大型水生植物的生态净化技术，可以通过床体升降控制植物在水下的深度，适用于透明度低和水深较大的受污染水体[6]。崔玉川等将微污染水源水定义为受到污染程度较低、水质指标有所降低、但仍可作为饮用水水源的水体[7]。微污染水源水中污染物浓度低，常规给水处理工艺不能有效去除污染物。因此，利用生态净化技术对微污染水源水进行处理是一种合理的解决方案。我国北部城市徐州的河道型微污染水源地——小沿河，采用改良型人工沉床技术——生态悬床技术构建水生生态系统，对河道水体进行原位生态净化。在此，笔者介绍了该工程的背景和技术方案，并对工程的实际净化效果进行分析，为今后类似工程的开展提供经验和参考。

1 材料与方法

1.1 工程背景

小沿河位于铜山区柳新镇李场村北，现为徐州市区主要地表水饮用水源地，河道长度约为15.5 km，宽度50～60 m，河道中心水深5～6 m。小沿河水位主要受上游微山湖水位和河道农灌抽水设施影响，夏季正常水位为32.5～32.6 m，冬季为31.9～32.0 m，河道两侧目前基本无污染源，河水水质主要受上游微山湖来水水质影响。2010年下半年和2011年度小沿河水质较好，除CODMn在夏末、秋初时段有所超标外，其余水质指标相对较好，基本符合地表水Ⅲ类标准。从水质指标可以看出小沿河为典型的微污染水体。

项目实施河道长度约3.1 km，工程范围内的断面较为陡峭，河道中部水深较大，断面的很多区域无法开展传统的水生态修复工程。徐州地处长江以南的北方区域，冬季气候较为寒冷，河道存在结冰问题。河道上游与微山湖相连，水体中有较多的草食性鱼类。

1.2 工程技术方案 此次工程采用的生态悬床是一种悬浮式沉水植物床，由可种植沉水植物的种植床与种植床连接的浮力系统和防护系统组成。在悬床工艺中，悬浮于水中距离水面一定深度的种植床中装有种植基质，为沉水植物提供生长基质和适宜的光照条件。种植床床体位于水面以下，可避免紫外线照射和冬季水面结冰对床体和沉水植物造成伤害。防护系统为一定孔径的渔网，将床体包络其中，防止植物萌发时被河道中草食性鱼类牧食影响生长。种植床上的沉水植物包括夏季种和冬季种，以实现植物季相交替，保证周年净化效果。生态悬床对于水体的净化是一个复杂的物理、化学、生物过程。植物对水体营养物质可以直接吸收并同化为自身组成物质；植物和填料可以对大颗粒污染物进行吸附截留；水生植物的光合作用释放氧气可提高水体溶解氧浓度；植物的化感作用可以抑制藻类和部分致病菌生长；植物为微生物提供附着界面，两者的协同作用可促进污染物的降解[6]。

单个悬床面积为2 m2，12或16个单体连接成排，各排交错布置于河道中央，排间距为4 m，全部共布设242排，共计3 000个悬床单元，总面积6 000 m2。悬床的浮力系统由PPR管和弯头通过热熔法连接成正方形框体，且内部跳虫塑料泡沫，防止浮筒意外进水后造成悬床下沉。种植床系统由床体和载体框架组成，床体使用高密度泡沫板机械压制，下部预留透水孔，便于河水渗入床体基质；载体框架使用PPR管热熔连接而成。种植基质为3层配置，底层为土工布，中层为土壤，上层为碎石层。植物种植形式为苦草、轮叶黑藻和伊乐藻间隔种植，冬季主要靠伊乐藻。

1.3 水质监测分析方法

2012年6月～2013年6月每月对项目实施河道起点和终点进行一次水样采集分析，水样采集点位置为河道断面中心水面以下0.5 m处。水质分析方法分别是有机物采用酸性高锰酸盐氧化法（GB 11892-1989）、总磷采用钼酸铵分光光度法（GB 11893-1989）、氨氮采用纳氏试剂分光光度法（HJ 535-2009）。

2 结果与分析

2.1 生态悬床对水体中有机物（以CODMn表示）的去除效果 由图1可见，

生态悬床对水体中有机物的去除效果不显著，最高去除率为28.66%，不同时段的去除率波动较大，无明显规律性，平均去除率15.25%。该结果与童昌华等的研究结果[8]一致。生态悬床对于有机物的去除途径之一是对水体中含有机物的悬浮物质的吸附和沉降作用，該部分从水体中分离出的有机物与沉水植物凋零的枝叶在被微生物分解的过程中可能释放出新的污染物进入水体，这种动态过程的不平衡性可能导致CODMn随时间的波动[9]。

图1 生态悬床对水体中有机物的去除效果

2.2 生态悬床对水体中总磷的去除效果 图2显示，

生态悬床对水体中总磷的去除效果较为理想，最高去除率为34.32%，平均去除率为26.94%。2012年6～11月的监测数据显示该段时间生态悬床对水体中总磷的去除率与上游来水的总磷浓度呈现一定的正相关性，而从2012年12月～2013年6月总磷去除率与来水浓度无明显关联，且波动较大，可能是由于此阶段来水总磷浓度较低，其他干扰因素占主导地位所致。王丽卿研究表明沉水植物体系对总磷的去除途径有2种，即植物叶片根系的直接吸收同化和沉降吸附[10]。5月中旬小沿河河道边滩水深较浅处大量野生的菹草到达生长末期，且此时水温已经较高，菹草衰败腐烂速率较快，植株体内吸收的磷释放进入水体中，可能是导致5～6月的总磷去除率较低的原因之一。

图2 生态悬床对水体中总磷的去除效果

2.3 生态悬床对水体中氨氮的去除效果 从图3可以看出，

生态悬床对水体中氨氮的去除效果较好，最高去除率为49.32%，平均去除率为25.23%。对比图2和图3可知，上游来水和出水中氨氮的浓度变化与总磷的变化规律相似。James研究指出细菌的降解作用在沉水植物对水体中氮的去除过程中占主导地位[11]。常会庆等研究表明沉水植物附着的固定化微生物的生物作用可促使氮素以气态形式去除[12]。因此，植物不同生长周期、水温、来水水质的影响下，硝化细菌的生物活性和生物量造成氨氮的去除效果随时间产生波动。

图3 生态悬床对水体中氨氮的去除效果

3 结论与讨论

小沿河是徐州市区目前主要的饮用水源地，是典型的微