复合型生态浮床净化富营养化水体实验研究

汪奇 苑永魁 曹玉成

摘  要：通过49d的室内模拟实验，研究了3种不同构造的复合型生态浮床对富营养化水体的净化效果。结果表明，整个实验周期内，A浮床（香菇草+火山岩浮球填料）、B浮床（狐尾藻+海绵浮球填料）和C浮床（黄花水龙+组合填料）总磷最大去除负荷分别达到13.33、17.29和18.17mg/（d.m2），氨氮最大去除负荷分别达到64.92、75.53和84.38 mg/（d.m2），COD最大去除负荷分别达到619.45、614.06和1050.18 mg/（d.m2）。研究发现，复合型生态浮床的污染净化能力受到浮床构造和底物浓度的影响。

关键词：复合型生态浮床;富营养化水体;水生植物;生物填料

中图分类号 S641.1文献标识码 A文章编号 1007-7731（2019）05-0146-04

Abstract：In this work，three integrated ecological floating bed systems，the AFB （planted with Hydrocotyle vulgaris and suspending volcanic rock as biofilm carrier），BFB （planted with Myriophyllum verticillatum L and suspending sponge as biofilm carrier） and CFB （planted with Jussiaea stipulacea Ohwi and suspended with combined biofilm carrier），were constructed to study their purifying effeciecies for treatment of eutrophic freshwater.The AFB，BFB and CFB was fould to have a biggest removal efficience of 13.33、17.29 and 18.17mg/（d.m2） for TP purification，64.92、75.53 and 84.38mg/（d.m2） for ammonium nitrogen purification，and 619.45、614.06 and 1050.18mg/（d.m2） for COD.The results indicated that the purifying capacities of the integrated ecological floating bed systems are affected by the system construction and the substrate concentraction as well.

Key words：The integrated ecological floating bed systems;Eutrophic freshwater;Hydrophyte;Biofilm carrier

生態浮床是富营养水体治理工程经常采用的一种生态工程技术，但传统的生态浮床对水质的净化主要依靠植物的吸收作用，净化能力十分有限[1-3]。近年来众多研究与工程实践发现，复合型生态浮床（在植物浮床下悬挂生物填料）较传统的植物浮床具有更好的水质净化效果，但现行技术基本应用在美人蕉、菖蒲等高秆挺水植物上，在实际应用中往往存在植物易倒伏、维护管理难度大等问题[4-6]。此外，作为复合型生态浮床系统重要组件的生物填料，其性能好坏（如比表面积、生物亲生性等）很有可能对其净化能力产生影响[7-9]。

笔者以3种不同类型的低矮型抗倒伏水生植物（沉水植物穗状狐尾藻、低矮型挺水植物香菇草和漂浮植物黄花水龙）和3种生物填料（组合填料、火山岩浮球和海绵浮球）为供试材料，构建出3套复合型生态浮床系统。在此基础上，通过室内模拟实验研究其对富营养化水体（劣Ⅴ类水）的净化效果，并从污染物去除负荷角度探讨各浮床系统的净化潜力，以期为复合型生态浮床的设计应用提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 供试植物 考虑到挺水植物容易倒伏、后期维护管理难度大等问题，本研究选取穗状狐尾藻（Myriophyllum verticillatum L）、香菇草（Hydrocotyle vulgaris）和黄花水龙（Jussiaea stipulacea Ohwi）3种低矮型水生植物为研究对象。3种供试植物分别属于不同的科、属，其生长习性也有所不同。

1.1.2 供试生物膜填料 选取组合填料、火山岩浮球和海绵浮球3种填料，均购置于宜兴市嘉源环保科技有限公司。3种供试填料主要特征见表1。

1.1.3 实验用水 实验以浙江农林大学东湖水为原水，用葡萄糖、硫酸铵、硝酸钠和磷酸二氢钾人工配制出磷超标的劣Ⅴ类水作为实验用水，经配制的实验用水水质指标：总磷浓度为0.5mg/L，氨氮浓度为2mg/L，COD浓度为40mg/L。

1.2 复合型生态浮床的构建 近年来通过水生态修复工程实践发现，由于植物根部增殖生长的挤压作用，采用塑料浮板式生态浮床极易导致塑料浮板变形破损和植物倒伏。另外调查研究发现，塑料浮板式人工浮床也不利于水生生物特别是微型动物的附着生长（由于浮板及其配套种植盆的阻隔）。另一方面，塑料浮板式生态浮床普通存在建造成本较高、植物根区效应受限等问题。此外，考虑到在塑料浮板式浮床单元下悬挂生物填料在实际应用中存在施工难度大等问题，本研究采用竹排方式构建复合式生态浮床。首先用成年竹材排列固定形成竹排，竹排间距为20cm，然后在竹排上定植水生植物，并在竹排下悬挂生物填料。

1.3 实验方案 实验装置由复合型生态浮床和塑料桶组成，塑料桶直径为1.0m、高1.1m，每桶泵入实验用水850L。装水后将上述复合型生态浮床置于塑料桶中，各桶浮床上定植植物各1.0kg（鲜重），悬挂生物填料8条（每条长1.0m）。

为初步分析植物和生物填料对水质净化效果的影响，实验设计3种构型的复合型生态浮床系统（浮床面积为0.79m2）：系统1是以香菇草和火山岩浮球为供试材料（简称A浮床），系统2是以狐尾藻和海绵浮球填料为供试材料（简称B浮床），系统3是以黄花水龙和组合填料为供试材料（简称C浮床），每组净化系统设置2个重复，并设置无复合型生态浮床系统的空白对照组。

试验于浙江农林大学平山实验基地温室大棚中进行，实验周期共计49d（2018年5～6月），每隔7d取样1次，测定总磷、氨氮和COD浓度。

1.4 水样分析 试验中水质常规指标总磷、氨氮和COD按照《水和废水监测分析方法》（第四版）所规定的方法进行分析。

2 结果与分析

2.1 总磷去除效果 图1是3套不同构造浮床系统在实验期间TP浓度变化和去除情况，图2为整个实验期间（49d）TP的平均去除负荷。

复合型人工浮床系统中磷的去除机理主要为植物的吸收、微生物的同化作用和聚磷菌的过量摄磷作用以及填料的物理化学作用，因而其去磷能力不仅受到水质本身、水文条件、季节变化等外部因素的影响，也有可能受到植物种类及填料类型的影响。由图2和图3可知，3种浮床系统中TP的变化规律基本一致，试验前14d，总磷去除效果不明显，14～35d总磷去除效果明显提高，去除负荷较前14d增加了4.0倍（A浮床）、5.4倍（B浮床）和5.5倍（C浮床），最大去除负荷达到13.33mg/（d.m2）（A浮床第21d）、17.29mg/（d.m2）（B浮床第35d）和18.17mg/（d.m2）（C浮床第21d）。35d以后，受低浓度底物限制，总磷去除效果又明显下降。整个实验期间，B浮床和C浮床总磷平均去除负荷无显著差别，分别为6.874和6.803mg/（d.m2），但均高于A浮床（6.506mg/（d.m2））。

2.2 氨氮去除效果 3种构造浮床在整个实验期间氨氮浓度和去除率的变化以及平均去除负荷分别见图3和图4。与TP的去除规律类似，3种构造浮床系统在实验前期和后期对氮氮的去除能力均较低，但实验后期略好于实验初期（图3）。实验第14～35d氨氮去除能力明显增加，平均去除负荷较前14d增加了7.2倍（A浮床）、10.8倍（B浮床）和19.3倍（C浮床），最大氨氮去除负荷达到64.92mg/（d.m2）（A浮床第21d）、75.53mg/（d.m2）（B浮床第35d）和84.38mg/（d.m2）（C浮床第21d）。至35d以后，氨氮去除负荷又明显下降。整个实验期间，3种构造浮床系统氨氮平均去除负荷无显著差别（图4），分别为27.30（A浮床）、28.52（B浮床）和27.43mg/（d.m2）（C浮床）。

2.3 COD去除效果 不同于营养盐的去除，3种浮床系统在实验初期就表现出较好的COD去除能力（图5），但在实验末期COD去除能力明显下降。实验第14d，A、B和C3种浮床的COD去除负荷最高，分别达到619.45、614.06和1050.18mg/（d.m2），较第35d分别增加了5.5倍、4.0倍和8.3倍。由图6可知，在整个实验期间，B和C浮床之间COD平均去除负荷无显著差别（分别为431.4和443.32mg/（d.m2）），但均明显高于A浮床（414.34mg/（d.m2））。

3 小结

笔者以3种不同类型的低矮型水生植物（穗状狐尾藻、香菇草和黄花水龙）和3种生物膜填料（组合填料、火山岩浮球和海绵浮球）为供试材料，构建出香菇草+火山岩浮球（A浮床）、狐尾藻+海绵浮球填料（B浮床）和黄花水龙+组合填料（C浮床）共3套复合型生态浮床系统，通过49d的室内模拟实验研究了3套浮床系统对富营养化水体的净化效果和时间规律。结果表明：

（1）与实验中期相比，3套复合式生态浮床系统在实验初期（第0～14d）和末期（第35～49d）对总磷和氨氮的去除能力较低，表明复合型生态浮床对营养盐的净化能力既受到初期适应性的影响，又受到底物浓度的限制。

（2）整个实验周期内，A、B、C3套浮床系统总磷最大去除负荷分别达到13.33、17.29和18.17mg/（d.m2），平均去除负荷分别为6.51、6.87和6.80mg/（d.m2）;氨氮最大去除负荷分别达到64.92、75.53和84.38mg/（d.m2），平均去除负荷分别为27.30、28.52和27.43mg/（d.m2）;COD最大去除负荷分别达到619.45、614.06和1050.18mg/（d.m2），平均去除负荷分别为414.34、431.45和443.32mg/（d.m2）。

（3）对比3种不同构造浮床系统对污染物的去除能力，尽管在长时间尺度上差别不大，但在短时间尺度上存在明显差别。

参考文献

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（责编：徐世红）