湿地式浮床去除营养盐的效果及特性研究

寇海涛，彭惠靖，曹文平，2，张卫民，吴 浩，李泽兵，曹建平

（1.东华理工大学水资源与环境工程学院，江西南昌330013；2.江苏莲洋港环保科技有限公司，江苏徐州221111）

大量的含氮、磷营养元素的污水（如污水处理厂尾水、地表径流、农业面源污染和养殖废水等）进入地表水体，氮、磷总量超出地表水体中的自净能力，或沉积在底泥中〔1〕，或溶解在水体中被浮游生物、浮游藻类循环利用〔2〕。由于内源性营养元素排出较少，而外源性营养元素却持续排入，使地表水体中的氮、磷营养元素总量呈逐年增加的趋势，江河湖库受水体富营养化的影响日益加剧〔3〕，我国水污染问题仍然十分严峻。据《2017 中国环境状况公报》可知〔4〕，Ⅰ～Ⅲ类水体比例达到67.9%，还有32.1%的水体未达到标准，主要是总氮、总磷、COD 等超标。富营养化水体的主要危害有〔5-6〕：（1）发黑发臭发绿的现象，严重影响水体表观和生态环境安全；（2）水体氮磷含量过高，藻类疯长，水体中藻毒素急剧增加；（3）水体富营养化和河水流速较慢的影响下，外源物质淤积和水生植物蔓延，湖泊向沼泽演变。

富营养化地表水体不同于工业污水、生活污水等点源污染污水，外源和内源污染物均无法完全切断，一般采用原位生物修复法。传统生态浮床可以净化受污染水体，其中生态浮床因其水质适应范围广，水面美化效果明显，具有一定的资源化利用价值，但修复效果十分有限〔7-10〕。湿地式浮床是近些年来发展起来的新型组合生态浮床，湿地式浮床原理是：利用填料作为水生植物生长基质，强化水生植物的生长，水生植物反过来促进填料表面微生物增殖，提高浮床系统内微生物量，达到同化吸收和生物降解双重强化的目的〔11-13〕。填料作为湿地式浮床的核心，承担着改善水生植物生长、强化微生物富集等作用，其特性决定了湿地式浮床的净化效果和特性。在完全相同的条件下，本研究对比研究了两种不同基质的湿地式生态浮床对TN、TP 和COD 的去除效果和特性，分析了其作用机理；同时采用指示性微生物观察和扫描电镜表征方法分析了丝竹和塑料基质表面生物膜特征，查找不同基质的湿地式浮床净化效果产生的微观差异。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验装置见图1。

图1 湿地式浮床系统结构

湿地式浮床由浮床框体、野生芹菜和填料基质组成，浮床框体采用丝竹编制而成（内径190 mm、高180 mm），填料基质深140 mm，透水性能良好，浮床框体四周安装2 个高为220 mm 的空心浮球，为湿地式浮床提供浮力。野生芹菜移植到浮床框体内，填料基质作为野生芹菜生长基质， 填料基质淹没深度＞25 mm。

浮床框体内种植野生水芹，每个浮床框体内平均种植4 株野生水芹，横竖间距为20 mm。野生水芹取自南昌市（江西省）南昌钢铁集团有限公司附近野外污水沟渠中，株高30 cm 左右，并具有较为丰富的根系结构，小心洗净根系土壤后移植到浮床基质中。

试验水箱尺寸为700 mm×500 mm×580 mm，水箱内装试验用水，其有效水深290 mm，有效体积102 L，将湿地式浮床置于其中构建生态浮床系统，浮床水面覆盖率约为8.4%。

1.2 填料基质

本研究分别选用塑料基质和丝竹作为植物生长基质，均为常见的生物膜生长介质。塑料基质是人工合成的高聚物材料，其直径为20 mm，堆积密度为1.2 g/cm3，孔隙率90%，比表面积325 m2/m3。丝竹填料是一种天然纤维素材料，由毛竹加工而成，是尺寸为25 mm×2 mm×1 mm 的长方体，堆积密度为2.2 g/cm3，孔隙率88%，比表面积288 m2/m3。填料堆积体积约为7 060 cm3。

1.3 试验水质

试验用水为人工配制的模拟水，属劣Ⅴ类水体。将1.4 g 氯化铵、0.4 g 磷酸二氢钾、8 g 维维豆奶溶解在250 mL 的自来水中，在充分溶解的条件下，注入试验水箱中，搅拌均匀，稳定1 h 后取水样测水质，试验用水COD 为80.75 mg/L，TN 为5.60 mg/L，NH4+-N 为4.30 mg/L，TP 为0.71 mg/L。

1.4 试验方法

设置2 组平行的湿地式浮床，一组为塑料基质湿地式浮床（WFB-PS），另一组为丝竹基质的湿地式浮床（WFB-BS），两组湿地式浮床均安装微孔曝气装置，强化水体的充氧。

野生水芹于2018 年10 月15 日移栽，并进行培养驯化，栽种后观察植物成活率及生长情况。试验于2018 年11 月15 日—2019 年4 月30 日进行，试验期间水温6.0～17.0 ℃，每天定时补充自来水至水位刻度线，水体交换周期是5 d，5 d 为1 个批次，全部换新鲜污水。通过水质采样器采集水面下80 mm 处水样于锥形瓶中，取样时间在上午10 时左右。

水质测定方法：总氮，碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法；氨氮，纳氏试剂比色法；硝酸盐，酚二磺酸分光光度法；亚硝酸盐，N-（1-萘基）-乙二胺光度法；总磷，钼酸铵分光光度法；COD，COD 快速测定仪，北京连华永兴科技发展有限公司提供。

取出WFB-PS 和WFB-BS 中生物膜生长情况良好的基质，在连续冷冻干燥6 h 后，迅速进行扫描电镜表征分析（FEI Nova Nano SEM 450），扫描电镜表征在东华理工大学核资源与环境教育部重点实验室完成。指示性微生物分析采用可摄像显微镜进行（Axio Scope.A1），其具体做法是：手工剥离基质表面生物膜，并将生物膜溶于蒸馏水中，滴加于载玻片上观察其中的菌胶团、原生动物和微型后生动物等。

2 试验结果与分析

2.1 COD 去除效果

试验期间COD 变化如图2 所示。

图2 COD 变化分析

由图2 可知，WFB-PS和WFB-BS 进水COD 分别为（80.75±2.91）、（80.77±3.39）mg/L，出水COD 分别为（20.11±3.02）、（14.62±3.62）mg/L，去除率分别为75.14%±3.20%和81.96%±4.07%。 相比于WFBPS，WFB-BS 对COD 去除率要高出9.08%，WFB-PS和WFB-BS 变化趋势基本一致。

前5 个批次，WFB-BS 对COD 的去除率达到84.84%±0.44%，COD 从（80.44±3.46）mg/L 下降到（11.40±0.77）mg/L；而前9 个批次，WFB-PS 对COD去除率达到78.69%±0.92%，COD 从（81.03±2.83）mg/L 下降到（17.27±1.01）mg/L。随着水温降低，由17.0 ℃下降到13.8 ℃，平均温度为14.5 ℃，两个湿地式浮床对COD 去除率均降低，第17 个批次达到最低，WFB-PS 去除率为67.80%，WFB-BS 去除率为73.64%。从第18 个批次开始，水温逐渐升高，两个湿地式浮床对COD 的去除率又逐渐增大，WFBPS 由67.80%上升到75.65%，WFB-BS 由73.64%上升到87.42%。

总体上，WFB-BS 对COD 去除率始终高于WFBPS，这是由于，一方面丝竹基质具有好的生物亲和性和亲水性，其表面的生物膜量要多于塑料基质；另一方面丝竹基质比塑料基质能促进野生水芹生长，WFB-BS 内野生水芹同化吸收效果强，同时生长旺盛的野生水芹反过来能提高其根系微生物量和活性，提高污染物降解效果。

2.2 脱氮效果

试验期间脱氮效果如图3 所示。

图3 脱氮效果分析

从图3（a）可知，WFB-PS 和WFB-BS 进水TN 为（5.60±0.19）、（5.62±0.15）mg/L，对应的出水TN 分别为（2.34±0.26）、（2.01±0.25）mg/L，去除率分别为58.19%±5.28%和64.02%±4.98%。相比于WFB-PS，WFB-BS对TN 去除率要高出10.02%，WFB-PS 和WFB-BS 变化趋势基本一致，先慢后快，最后趋于稳定。前8 个批次中，两个浮床的TN 去除率接近，两者均处于培养驯化过程。从第9 个批次开始，WFB-BS 对TN 的去除率开始优于WFB-PS，随着时间的推移，优势越来越明显。相比于塑料基质，丝竹基质属于天然纤维素物质，生物亲和性和亲水性好，生物膜形成时间更短，所以生物脱氮速度快；另外，丝竹组织能释放出一定量的有机酸强化碳源供给，而WFB-PS 中只有内源碳，并无外加碳源供给。

从 图3（b）可 知，WFB-PS 和WFB-BS 进 水NH4+-N 为（4.30±0.08）、（4.29±0.15）mg/L，对应的出水NH4+-N 分别为（1.27±0.10）、（1.03±0.17）mg/L，去除率分别为70.50%±2.28%和76.10%±3.90%。相比于WFB-PS，WFB-BS 对NH4+-N 去除率要高出7.94%。WFB-PS 和WFB-BS 对NH4+-N 的去除率始终高于WFB-PS。硝化菌属于生长周期长、环境敏感的微生物，表面粗糙和良好的生物亲和性使丝竹更利于硝化菌的增殖和富集。试验过程中丝竹基质表面的微生物膜明显多于塑料基质。

从图3（c）和图3（d）可知，WFB-PS 和WFB-BS出水NO3--N 分别为（0.22±0.09）、（0.19±0.07）mg/L，出水NO2--N 分别为（0.20±0.14）、（0.18±0.13）mg/L。基质不同，而且产生的NO2--N 富集情况也存在差异。试验过程中发现，丝竹基质表面生物膜明显厚于塑料基质表面，即使在充氧环境下，丝竹基质表面生物膜内仍然容易形成丰富的缺氧微环境，在丝竹释放有机物和内源有机物供给下发生显著的反硝化脱氮过程，NO3--N 转化为氮气等，NO2--N 积累量相对偏低；而塑料基质表面生物膜明显较少，充氧环境下不容易形成稳定的缺氧环境，而且好氧环境下，O2比NO3--N 具有更强的获得电子（来源于有机物）能力，污水中的有机物先被氧化分解，因此污水中的有机物内源碳供给相对不足，所以反硝化脱氮过程相对偏弱，NO2--N 积累量也较大。

2.3 除磷效果

试验期间TP 的去除效果如图4 所示。

图4 TP 浓度变化分析

从 图4 可知，WFB-PS 和WFB-BS 进水TP 为（0.71±0.03）、（0.73±0.02）mg/L，出水TP 分别为（0.26±0.09）、（0.17±0.08）mg/L，去除率分别为64.03%±10.78%和75.62%±10.83%，水体修复对TP 去除的主要途径是：植物吸收、基质吸附和生物降解，基质不同导致TP 去除效果不同可能有以下几个原因：（1）前期研究发现，丝竹基质粗糙的表面结构和复杂的内部孔洞结构使WFB-BS 系统具有更强的TP 吸附效果，而WFB-PS 仅利用表面较少的吸附面进行TP 吸附以致TP 去除效果偏低。（2）试验过程中发现，WFBBS 中水芹生长效果明显优于WFB-PS，因为丝竹基质使用过程中能释放出一些有机物和微量元素，刺激野生水芹的强劲生长，野生水芹同化吸收效果较好；而WFB-PS 中的野生水芹生长效果明显差于WFB-BS 系统，所以植物同化吸收效果偏低。（3）试验过程中发现，丝竹基质表面生物膜量明显优于塑料基质表面，微生物的同化吸收和降解等作用，使得WFB-BS 对TP 的去除效果优于WFB-PS。

2.4 指示性微生物分析

WFB-BS 和WFB-PS 内典型的指示性微生物如图5 所示。图5（a）～图5（c）取自WFB-PS 系统；图5（d）～图5（f）取自WFB-BS 系统。

图5 典型的指示性微生物

由图5 可知，WFB-BS 和WFB-PS 内指示性微生物有相似的特征。从菌胶团来说，丝竹基质和塑料基质表面菌胶团都较黑，因为试验过程中没有对基质表面生物膜进行扰动，相比之下，丝竹基质表面菌胶团发黑更严重，可能是因为丝竹基质表面生物膜更厚，内层生物膜厌氧更加厉害。Yongfeng Cao 等〔14〕利用氧微电极研究发现， 水环境的溶解氧分别为1.5、5.5 mg/L 时，生物膜厚度超过1.2 mm 和2.6 mm后，生物膜内层的溶解氧低于0.5 mg/L。

从原生动物来说，塑料基质表面发现的原生动物种类比丝竹基质表面要丰富、进化程度高等；塑料基质表面发现了最高级的原生动物是钟虫（固着性纤毛虫类），而丝竹基质表面发现的最高级原生动物是盾形虫、草履虫等游泳性纤毛虫类，从指示性微生物进化角度而言，固着性纤毛虫类要比游泳性纤毛虫类进化程度更高，说明塑料基质表面水体更清澈；而丝竹基质表面水体由于丝竹能释放出一定量的有机物要相对差些。这在一定程度上佐证了丝竹基质能释放出有机物的微观事实。

从微型后生动物来说，塑料基质和丝竹基质表面存在的种类相似，主要以生物膜扫除微生物为主，试验过程中对浮床框体内的基质和水生植物没有扰动，生物膜积累较厚，微型后生动物吞噬生物膜，促进生物膜的更新。但是相比之下，丝竹基质表面微型后生动物数量更多、活性更强，因为丝竹基质表面释放的有机物越多，生物膜生长速度越快，生物膜厚度则越厚，从而滋生了更多的微型后生动物以加快生物膜的更新。

2.5 扫描电镜结果分析

两种基质表面生物膜如图6 所示。

图6 基质扫描电镜图

对比图6（a）和图6（b）可知，塑料基质表面具有很多的杆菌，而竹丝基质表面仅发现少量的细菌和大量的胞外物。说明塑料基质不可降解导致生物膜仅能存在于表面；而丝竹基质可生化降解以致大量的微生物“穴居”于孔洞中。

进一步观察丝竹断切面图可知，大量的杆菌“穴居”在丝竹孔洞内，通过孔洞的复杂性和保护性以及氧传递局限性，使丝竹基质孔洞内部和表面能形成更复杂的微环境，容纳更多的微生物和更稳定的微生物系统，这是丝竹基质的湿地式浮床净化效果好的微观原因。

3 结论

（1）WFB-PS 对TN、NH4+-N 和COD 平均去除率为58.19±5.28%、70.50±2.28%和75.14±3.20%；WFBBS 对TN、NH4+-N、COD 平均去除率为64.02±4.98%、76.10±3.90%、81.96±4.07%；WFB-BS 对TN 和COD 有更高的去除率。相比于WFB-PS，WFB-BS 系统内存在更为显著的NH4+-N 和NO3--N 同步转化的现象。

（2）与WFB-PS 比较而言，WFB-BS 系统具有更好的TP 去除效果，主要源于较强的多孔洞丝竹吸附能力和强劲生长的水生植物吸收作用以及丝竹表面数量巨大的生物膜同化等协同作用。

（3）基质决定着湿地式浮床对污染物净化效果，不同的基质因为特性差异，污染物净化效果之间存在较大差异。丝竹因其可生物降解性能释放出一定的有机物刺激水生植物生长，并形成多孔洞结构，强化了微生物生长和碳源供给同时，实现了对微生物增殖和保护的目的。