地表水的生物基浮床原位强化净化技术

李晓雅，崔康平，许为义，洪天求，慈曾福，王 斌

(1．合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽合肥 230009;2．合肥市排水管理办公室，安徽合肥 230001)

近年来，我国地表水体氮磷超标造成了地表水的富营养化和水生系统的破坏，严重制约了经济和社会的发展［1-4］。生态浮床技术能够很好地去除水体的氮磷等营养元素，且具备原位修复能力，成本低，维护简便，植物资源可作为食品和饲料回收再利用、不产生二次污染等优点［5-8］。但传统的生态浮床，主要依靠水生植物吸收水体中的氮磷和有机质，其净化效果易受植物生长期和生物量的限制。本试验在普通浮床的基础上，充分利用“生物强化理论”，构建了由植物、填料和微生物构成的组合型人工浮床，模拟其对河道水体的净化作用，为地表水氮磷的净化作用提供科学依据。

1 材料与方法

1．1 供试植物

综合考虑植物的净化能力、成活率、景观价值等，对比常用浮床植物资料，确定选取鸢尾、菖蒲、千屈菜、伞草和美人蕉五种浮床植物作为研究对象。试验用植物取自巢湖湿地，选取生长状况良好，长势较为均匀的植株清洗后在原水中预培养两周，原水取自南淝河某城市污水处理厂排水口下游50 m河水。

1．2 生物基

试验用硝化菌、反硝化菌、氨化细菌来自某城市污水处理厂回流井的污泥，经筛选富集而得［9-12］。竹炭经研磨，过100目筛子，用蒸馏水反复洗涤烘干，放入干燥器中冷却至室温，密封保存备用。以1．5%海藻酸钠加CaCO3粉末为包埋体，添加竹炭为固定载体，菌体以1∶1∶1的比例混合制得生物基，使所得生物基同时具备包埋法和吸附法的双重特点［13］。

1．3 试验装置

图1 试验装置Fig．1 Diagram of Experimental Facility

试验装置的主体部分由厚0．8 cm的有机玻璃制成，水槽尺寸为50 cm×15 cm×12 cm。距离水槽5 cm处设置一段溢流堰，有效水深为10 cm，如图1所示。植物依托浮板固定在水槽内，生物基以尼龙网固定在植物根系附近。该试验包括11个试验水槽，其中1#～5#分别为放置鸢尾、菖蒲、千屈菜、伞草和美人蕉五种浮床植物及适量生物基的组合浮床，6#～10#为放置等量的鸢尾、菖蒲、千屈菜、伞草和美人蕉的普通浮床，11#为水体自然降解的空白对照，植株密度为100株/m2。设置试验水槽左端进水，右端出水，通过调节进出水流量设定各试验水槽的水体交换时间为3 d。原水中 TN为5．85～6．12 mg/L、NH3-N 为 5．14 ～ 6．01 mg/L、TP 为0．31～ 0．44 mg/L、COD 为 42 ～ 55 mg/L、pH 为7．3。为避免天气(主要是雨水)的影响，在自然温度下进行室内试验。试验过程中，由于蒸发，植物吸收及蒸腾作用会导致水量减少，每日用蒸馏水及时进行补充，确保总水量不变。

1．4 水样采集及测试方法

试验时间自驯化后的植物移栽入水槽开始计算，开始时间为2014年4月15日，结束时间为2014年5月1日。试验中选取具有代表性的植株，观察记录植物的生长情况。前6 d，每天上午10:00取样，之后，每2 d在同一时间段内取样一次。每次均在水槽的上部、中部和下部固定位置取样并混合均匀，以消除取样误差，取样体积为100 mL，测试水质指标。水质项目包括进出水的 TN、NH3-N、TP、COD，测定方法均为国家标准方法［14］。

2 结果与分析

2．1 植物生长状况

试验前后植株生长情况如表1所示。

表1 植株试验前后生长情况Tab．1 Plant Growth State of Pre-Experiment and Post-Experiment

由表1可知试验中各组植物生长良好，美人蕉生长旺盛，呈墨绿色，根茎叶均得到良好发育。株高生长率达到32．2%，根长生长率达到96．5%，有较多新根出现，根须纤长，且白而密，是四种植物中根长增长最多的植物。鸢尾水面以上部分生长率为17．2%，长势良好，叶色呈鲜绿色，根长生长率达68．8%，根状茎粗壮，新生长出的根须较美人蕉更坚韧。菖蒲株高生长率达40．5%，外皮黄褐色，稍扁，具芳香气味，根长生长率为80．8%，新生根呈毛发状。千屈菜茎直立，多分枝，但在试验水体中株高只增加了4．4%，根长增加了12．9%，是5种供试植物中长势最弱的，因培养期间出现了病虫害。伞草茎杆挺直，细长的叶片簇生于茎顶成辐射状，试验期间株高增加了22．1%，根长增加了37．9%，长势旺盛。试验结束后，5种植物继续在水中培养，生长状况良好，后期陆续开花。

2．2 2种浮床对水体净化作用

2．2．1 对TN的净化效果

2种浮床对TN的净化效果如图2、图3和表2所示。

图2 组合浮床对TN的去除效果Fig．2 Effect of Combined Floating Bed on TN Removal

图3 普通浮床对TN去除效果Fig．3 Effect of Ordinary Floating Bed on TN Removal

表2 不同试验条件下五种植物对水体TN的去除率Tab．2 Removal Rates of TN by Five Plants under Different Experimental Conditions

由图2、图3和表2可知随着处理时间的延长，TN均有所下降，试验进行到第10 d，水体TN趋于平稳。其中5种未添加生物基的普通生态浮床的出水TN介于2．36～3．58 mg/L;而添加了生物基的浮床的出水TN介于0．81～1．2 mg/L。千屈菜去除效果略差，根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)，可知其他四种组合生态浮床出水TN可达Ⅲ类标准要求，其中生物基和美人蕉的联合作用对TN的去除率最大，达到了86．5%。在浮床系统中，植物根系发挥了巨大作用，一方面通过截留、过滤去除污染物;另一方面，网状结构的根系为微生物提供了良好的生存环境，故根系较发达的美人蕉、菖蒲和鸢尾对TN有较大且稳定的去除率。空白对照组最终的TN去除率为28．9%。去除水体中氮通过沉积、植物吸收、生物硝化和反硝化等途径实现，其中生物硝化和反硝化是一条主要途径［15］，而元素本身的降解、沉淀、固结、挥发等均能降低自身的浓度，使污水得到净化［16］，因此对照中的TN亦有所下降。

2．2．2 对NH3-N的净化效果

2种浮床对NH3-N的净化效果如图4、图5和表3所示。

图4 组合浮床对NH3-N的去除效果Fig．4 Effect of Combined Floating Bed on NH3-N Removal

图5 普通生物浮床对NH3-N的去除效果Fig．5 Effect of Ordinary Floating Bed on NH3-N Removal

表3 不同试验条件下5种植物对水体NH3-N的去除率Tab．3 Removal Rates of NH3-N by Five Plants under Different Experimental Conditions

氨化细菌可把部分有机氮转化为NH3-N，NH3-N的主要去除途径是硝化和反硝化作用的连续反应及植物的吸收作用。由图4、图5可知空白对照组和2类生态浮床的NH3-N均呈不同程度的下降趋势。其中空白对照组的最终NH3-N为3．97 mg/L，仍处于较高水平，可见水体自净能力有限。未添加生物浮基的普通浮床的NH3-N为2．16～3．22 mg/L;添加生物基的浮床的NH3-N为0．35～1．15 mg/L。除千屈菜以外，其他4种组合浮床的出水NH3-N均达Ⅲ类标准要求。由表3可知生物基和美人蕉的组合浮床对NH3-N的去除率最大，达到93．7%。添加生物基以后，对NH3-N的去除率平均提高了34．5%，这说明系统中的微生物群体起到了很好的去除NH3-N的作用。处理初期，水体溶解氧含量较高，硝化作用占据主导地位，NH3-N下降较快，随着溶解氧的逐渐减少及NH3-N的下降，硝化作用减弱，在氨化细菌的作用下，NH3-N曲线呈上升后趋于平稳趋势。

2．2．3 对TP的净化效果

两种浮床对TP的净化效果如图6、图7和表4所示。

图6 组合浮床对TP的去除效果Fig．6 Effect of Combined Floating Bed on TP Removal

图7 普通生态浮床对TP的去除效果Fig．7 Effect of Ordinary Floating Bed on TP Removal

表4 不同试验条件下5种植物对水体TP的去除率Tab．4 Removal Rates of TP by Five Plants under Different Experimental Conditions

磷可通过以下3种方式去除:一是磷酸盐沉降并固结在载体表面;二是植物对可溶性磷的吸收;三是固定化菌体的吸收利用。由图6、图7可知随着时间的延长，TP总体呈下降趋势，在第7 d前后，达到最小浓度。未添加生物基的普通浮床的TP为0．21～0．32 mg/L;添加了生物基的组合浮床的TP为0．09～0．23 mg/L。其中美人蕉组合浮床对TP的去除效果达到了Ⅱ类水体要求。菖蒲、鸢尾、伞草三种组合浮床对TP的去除效果达到Ⅲ类标准要求。由表4可知添加生物基以后，TP的去除率平均提高了34．0%，可以认为是生物基中的竹炭发挥了吸附作用，另外部分细菌的生长繁殖也要消耗一部分含磷物质。

2．2．4 COD 的净化效果

不同试验条件下的COD去除效果如图8所示。

COD是衡量水中有机物质量浓度的指标，所以COD质量浓度越大，污染越严重［17］。由图8可知，5种植物对COD都有一定的去除作用，以美人蕉为最佳。组合浮床中，COD主要通过微生物降解、植物吸收、无机载体吸附等形式去除。添加了生物基的美人蕉、鸢尾和菖蒲去除COD的效果比较好，出水水质达到Ⅲ类水体要求。而伞草和千屈菜对COD的去除效果稍逊色。

3 结论与讨论

图8 不同试验条件下的COD去除效果Fig．8 Effect of Five Plants on COD Removal under Different Experimental Conditions

(1)鸢尾、菖蒲、千屈菜、伞草和美人蕉均能适应受污染水体，都能有效吸收水体中的氮磷等污染物质。5种植物构建的普通生态浮床对TN、NH3-N、TP和COD的平均去除率分别为51．1%、51．2%、28．4%和43．6%，其中以美人蕉为最佳，菖蒲、鸢尾、伞草次之，千屈菜最差。

(2)添加了生物基以后的组合生态浮床，可明显提高对水质的净化效果，5种组合生态浮床对TN、NH3-N、TP和 COD的平均去除率分别为84．1%、85．6%、62．6% 和 72．4%，其中生物基与美人蕉、鸢尾、菖蒲的组合系统，可使出水水质达到Ⅲ类水体要求，美人蕉-生物基对TP的去除效果达到Ⅱ类水体要求。

(3)当植物生长时，通过根系为微生物提供必要的生活场所。同时，微生物的生长繁殖，增强了对污染物的降解，为植物提供了更加优越的生长空间，试验中添加的竹炭也起到了吸附作用，植物-微生物-无机载体联合体系促进了污染物的快速降解、转化。该原位修复技术可有效去除地表水中的氮磷等营养物质，又可美化水域景观，若能加人工曝气或进行合理的浮床植物组合，相信会有更好的处理效果。

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