不同基质配比的生态基质箱对黑臭水体处理效果

蔡官军，刘早红，徐 晨，詹 健

(南昌大学a.工程建设学院；b.资源与环境学院，江西 南昌 330031)

随着我国城镇化推进和国民经济的高速发展，我国工业生产废水和生活污水等大量排入河道，导致河道出现黑臭现象日益加剧，大量黑臭水体导致水生动植物、微生物大量死亡[1]，不仅威胁生态安全，还严重影响居民正常生产生活和身心健康发展，因此，如何高效净化黑臭水体已经成为了城市环境保护的重要任务之一[2]。

近年来，许多地区采用常规处理方法(物理法、化学法和生物法)用于黑臭水体的治理，研究表明[2]，化学处理技术可以在短时间内迅速降低污染物，但并不能从根本上解决水体黑臭的问题，并且容易引发二次污染。由于许多老城区的排污管线错综复杂,明管暗管无法全部截留，补水清淤措施繁琐[3]。郭炜超[4]等研究了生态基质箱中基质级配方式对黑臭水体处理效果影响，其中正反级配均对TN、TP的去除有显著效果，基质对水生植物有胁迫作用，但并未对基质配比对黑臭水体修复效果进行研究。各种技术手段的综合运用已经成为处理黑臭水体的关键技术[4]。

因此，研究不同基质配比对生态基质箱处理黑臭水体的效果有重要意义，本实验采用的生态基质箱是一种利用活性炭、氧化铝、沸石等基质营造出水生植物+微生物生长的环境条件，使基质箱为微生物的生长和繁殖提供碳源和载体，在基质箱底泥上种植水生植物灯芯草，它集中了生态沉床和人工湿地的优点，且集中了物理吸附(天然吸附材料+物理材料吸附)、生物吸附(水生植物吸附)、微生物修复等技术的优点，形成了一种“天然河道水体+多功能生态沉床+水生植物”的原位处理技术体系，是黑臭水体处理的一种综合治理技术[4]。基质箱可以根据水体污染程度的差异来灵活调节吃水深度，解决水生植物不易扎根生长、水体透明度低等一系列缺点，能达到有效去除多种污染物的目的[5]。我们通过设置不同基质配比的生态基质箱进行黑臭水体的处理分析，探究其对黑臭水体处理效果的比较以及对水生植物的生长影响，期望为后期治理农村黑臭水体提供重要参考依据。

1 材料和方法

1.1 实验材料

水生植物选取灯芯草，植株初始均高为(23.5±0.5) cm，单株平均株重为(0.126±0.005) g，实验前用自来水洗去根茎部泥土，再用去离子水清洗3遍，然后用稀释好的营养液对灯芯草驯化1周，再用营养液和人工模拟污水配制成1：1的混合液对灯芯草驯化1周，实验中营养液采用霍格兰(Hoagland)浓缩营养液[5]，其富含氮、磷、钾必要元素以及铁、钙、锰、锌、硼等微量元素，稀释的营养液：霍格兰浓缩营养液:水为1:1000，水生植物与底泥均采自南昌大学园区内池塘。

实验所用塑料箱、塑料板、沸石(粒径3～6 mm)、氧化铝(粒径4～6 mm)、活性炭(3～5 mm)均在网上采购。

1.2 水质分析

1.3 实验方法

1.3.1 实验设计

实验在室内进行，采用模拟太阳光LED灯下培养进行，实验装置自行设计(图1)。装置每天照射灯光12 h，基质箱分为底泥层和基质层两部分，设计实验装置(图1)。生态基质箱规格为18 cm×18 cm×18 cm，基质箱四面布有16个均匀透水孔，小孔孔径为2.5 mm，底泥层装有5cm底泥，基质层自下由上放入3种吸附基质分别为沸石、氧化铝、活性炭，这3种基质粒径均大于透水孔孔径，且将3种基质用纱布隔开，基质箱顶部盖板打有4个4 cm圆形孔洞，每个孔洞种植10株灯芯草，最后将基质箱置于长740 mm×宽535 mm×高415 mm的140 L白色水箱中，每个箱内注入100 L模拟人工污水。设置5组实验处理装置分别为：空白组(只含有水样)、对照组(在基质箱中仅用底泥种植灯芯草)、实验1组(底泥里栽种40株灯芯草，在底泥上铺设8 cm基质，由下到上基质配比为1：2：1)、实验组2(底泥里栽种40株灯芯草，在底泥上铺设8 cm基质，由下到上基质配比为1:1:2)、实验组3(底泥里栽种40株灯芯草，在底泥上铺设8cm基质，由下到上基质配比为2:1:1)，为排除溶解氧、温度等因素对试验的影响，将装置放在室内，且对水箱进行曝气，曝气量2.5 L·min-1。

实验于2020年10月05日～12月12日，驯化周期为14 d，实验处理周期为40 d，共耗时54 d，每5 d采集1次水样，共8次，且每次于采集日下午6点采集水样，每次采集3个100 mL平行水样，并根据水箱水量蒸发损耗情况用去离子水补充，以维持水体总体积和盐度条件保持不变，植物样品分别于实验处理前后采集。

图1 生态基质箱示意图Figure 1 Schematic diagram of ecological substrate box

1.3.2 实验主要检测指标与检测方法

实验运行中，每5 d采集水样测定TN、TP、NH4-N、CODCr、PH等指标，实验前后采集装置中栽种的灯芯草，利用分析天平称量鲜重和干重，用直尺测量灯心草高度，利用水样采集器采集水面下8～12 mm处水样，上述水质指标测定时均参照《水与废水水质测定方法》[6]，并每组实验采集3个水样取平均值，比较每个组分水体中各指标值的变化情况，比较空白组、对照组、实验组处理前后灯心草的鲜重、株高、含氮量与含磷量的变化情况。

根据黄丽芬[7]等和郭炜超[4]等计算污染物去除率及植物吸收对氮磷去除的贡献率的方法，公式为:污染物去除率η=(C0-C1)/C0×100%;水体氮(磷)削减量Δmw=(C0-C1)×V;每克植物氮(磷)积累量Δm=m0-m1;植物对氮(磷)去除贡献γ=Δm/Δmw×100%。式中:C0和C1分别为初始和试验结束时的污染物浓度(mg·L-1);m0和m1分别为初始和试验结束时的平均含氮和磷量(mg·g-1);V为水样的体积100 L。

1.3.3 数据统计分析

实验结果用SPSS 17.0进行分析，不同基质配比在生态基质箱中处理黑臭水体效果比较采用单因素方差分析(n=5,Duncan法)，并对方差分析结果用Excel2010进行作图表示，作图采用Origin 8.5软件作图。

2 生态基质箱的不同基质配比对人工模拟废水的处理效果比较

2.1 不同生态基质箱对水体中pH的影响

从图2分析可得，不同处理装置的pH差异较大，各装置的pH在前20 d均呈明显上升趋势，并且在第20 d后，各装置的pH达到最大值，之后趋于平衡，其原因为实验1，2，3组主要受基质特性的作用[6，8]，3个实验组的水质均为碱性，pH范围在7.84～8.19；而空白组和对照组的pH略有升高，根据分析，是由于人工曝气、植物的光合作用、底泥的微生物作用[9-10]对水体的pH变化均有影响，但影响不大。对各装置实验数据进行统计分析，3个实验组的出水pH不存在显著性差异(P>0.05)，说明不同基质配比及灯芯草的种植对处理后的污水pH无显著性影响，而空白组、对照组、实验组对处理后的污水pH存在显著性差异(P<0.05)。

t/d图2 不同装置水体pH的变化曲线Figure 2 Variation curve of pH in different devices

2.2 CODCr去除效果

从图3分析可得，各实验装置处理后的污水CODCr浓度均呈下降趋势，之后基本趋于平衡。其中空白组装置，仅依靠装置曝气作用[11]，处理后水质CODCr去除率最低，只有66.14%。而对照组、实验1，2，3组的去除率均高于空白组，去除率分别为84.20%，85.70%，86.06%和85.31%。在实验15 d之前，各实验装置的CODCr浓度均迅速下降，并在20 d时达到最低值。通过图中我们发现，在25 d之后，CODCr浓度略微上升，在光学显微镜下分析水样，此时发现水体中有部分藻类生长，我们分析是由于藻类进行光合作用和自身就是有机物的原因[10-11]，导致水体CODCr略微上升的。总之，对照组和实验组能够有效去除水体中CODCr浓度，经统计分析，对照组和实验组对水中的CODCr的处理效果无显著性差异(P>0.05)，说明不同基质配比对CODCr的处理效果影响甚微。

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2.3 TN去除效果

从图4分析可得，各实验装置处理后水质的TN浓度均呈下降趋势,且去除率不断升高，其中空白组装置，仅依靠装置曝气作用[12]，故处理后水质TN去除率最低，仅有11.70%。对照组、实验1，2，3组的去除率均高于空白组，去除率分别为20.35%，58.55%，63.95%，66.45%，故可以看出各装置中实验3组对TN去除效果最好。从图中可以看出，3个实验组装置在前5 d时，TN浓度骤然下降，可能此时对TN的去除起决定性作用的是各组基质材料的吸附作用[13]，实验组在20 d之后几乎呈直线型下降趋势，可能该时期内基质箱中的微生物处于对数生长期，微生物的生长繁殖快、代谢活力快，继而能够大量去除水中的氮素[14]。经统计分析，3个实验组对水体中的TN处理效果存在显著性差异(P<0.05)，实验3组的装置对TN的去除能力明显高于其他实验组。

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2.5 TP去除效果

由图6分析可得，各实验装置处理后水质的TP浓度均呈下降趋势，且去除率不断升高，在实验第40 d时，空白组、对照组、实验1，2，3组对TP的去除率分别为27.75%，31.25%，62.75%，66.26%，64.74%。经统计分析，空白组、对照组、实验1，2，3组对水体中TP的处理效果均存在显著性差异(P<0.05)，实验组对TP去除率远高于空白组和对照组，其中实验2组对水体中TP的去除率最高，是由于实验2组的基质配比中活性炭最多，且活性炭对磷元素的吸收能力优于氧化铝和沸石[19-20]。

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3 生态基质箱中不同基质配比对植物生长以及N、P积累量的比较

3.1 生态基质箱中不同基质配比对植物生长的影响

经过实验观察，对照组，实验1，2，3组基质箱中灯芯草均在实验周期内存活，由表1可知，各装置内的灯芯草单株鲜重、干重以及单株高度均存在不同程度增加，经统计分析，对照组，实验1，2，3组的灯芯草单株鲜重、单株干重、单株高度增量均存在显著性差异(P<0.05)，其中实验1，2，3组的灯芯草单株鲜重、单株干重、单株高度增量不存在显著性差异(P>0.05)，根据数据发现，在生态基质箱中将灯芯草直接植入底泥中更有助生长[20-21]。

表1 不同基质配比对灯芯草生长的影响Table 1 The effect of different substrate ratios on the growth of Juncus

3.2 生态基质箱中不同基质配比对灯芯草N、P的积累量以及植物去除N、P贡献率的影响

参照卫小松、夏品华、袁果[21]等的方法，各生态基质箱中灯芯草对氮、磷直接吸收所起的贡献率用灯芯草对TN、TP的吸收量占生态基质箱总的TN、TP去除量的比例来表示,公式为Mp/∑(Cstar-Cover)OT,Mp为生态基质箱对TN、TP的吸收量，Cstar-和Cover分别为实验开始和实验结束的ρ(TN)、ρ(TP)，V为基质箱水体体积，T表示实验进行的时间。由表2可得，实验3组中的灯芯草对TN的积累量(36.67±3.22) mg·g-1最高，但对照组的灯芯草对水体中TN去除贡献率(24.18±3.22)%最高，实验2组中的灯芯草对TP的积累量(10.11±0.85) mg·g-1最高，但对照组的灯芯草对水体中TP去除贡献率(33.11±4.01)%最高。其中我们看到，灯芯草对TN、TP的积累量与水体中TN、TP总削减量成正比关系，而灯芯草去除污染物的贡献率与水体中TN、TP总削减量不成比例关系。对此我们得出，对照组中的灯芯草虽然能够去除一定量的TN和TP，但生态基质箱中的非植物因素对污染物的去除率要远远高于灯芯草的吸收作用，这与郭炜超[2]等人研究结论基本一致。

表2 不同基质配比对灯芯草N、P积累量以及去除贡献率Table 2 Contribution rate of different substrate ratios on the accumulation of N and P and the removal rate

4 讨论

4.1 生态基质箱的不同基质级配对黑臭水体的处理效果

水体中CODCr含量的去除，主要是通过植物根系的吸收和吸附、微生物降解。由于植物根系和基质材料能够很好的为微生物提供碳源和载体，提高微生物富集[23]，富集的微生物是去除水体中CODCr的主体。因此，对照组和3个实验组的CODCr的去除无显著性差异。

水体中磷的去除，主要通过植物的吸收同化、基质吸附、沉降作用、微生物的新陈代谢等作用[23-25]。由于植物对磷的去除效率较低，且基质中的Ca2+、Mg2+、Al3+等离子与磷酸盐能够产生沉淀，因此在磷元素的去除中占主导地位的是基质吸附与沉降作用[27]，故对照组和实验组的磷元素去除存在显著性差异，由于活性炭对磷元素的吸附能力优于氧化铝和沸石[23，28]，故实验2组对磷元素的去除效果最好。

4.2 生态基质箱的不同基质级配对N、P积累量的比较

经实验分析，灯芯草植株单株高度和株重有所增加，且生长状况良好，基质的不同配比影响灯芯草对N、P的吸收和转化；灯芯草在生长时，会受到基质的挤压和胁迫，继而阻碍灯芯草对N、P的吸收和去除[28]，因此，对照组的灯芯草的单株株重和株高增长最快。经统计分析，3个实验组的灯芯草单株株重和株高不存在显著性差异，但是对照组和3个实验组的植物单株株重和株高存在显著性差异。生态基质箱中的非植物因素对TN、TP去除的贡献率要远高于灯芯草对N、P的吸收和转化的，其主要原因是基质的吸附、微生物的降解和吸附使N、P下降[29]。因此，优化生态基质箱结构和基质的形式，改进植物的种植方式和类别以提高非植物因素的作用可以提高对T、P的去除效率。综上所述，生态基质箱能够很好的去除水中TN、TP，并且可以改变不同基质配比来去除不同污染物浓度，改变植物的种植方式和种类，可以提高生态基质箱处理黑臭水体的处理能力。

5 结论

(3)生态基质箱中的非植物因素对TN、TP去除贡献率远高于水生植物灯芯草对N、P的转化和吸收，对照组的灯芯草生长状态最好，基质对水生植物生长具有胁迫作用。

(4)不同基质配比对水体在TN、TP的积累量存在显著性差异，其中基质沸石、活性铝、活性炭配比为2:1:1的基质箱对TN的去除贡献率高于其他实验组，基质配比为1:1:2对TP的去除贡献率高于其他实验组，继而可以根据水体N、P的比例来选用不同沸石、活性铝、活性炭的基质不同配比的生态基质箱。