可持续利用生物浮床对水质改善技术的研究

马 飞，赵 岩

（新蔡县环境保护局，河南 新蔡 463500）

面对水体富营养化问题逐步加剧的现状，以硬化河床为主的水体治理方式难以有效抑制水生生态的逐步恶化，同时也会影响水体生态景观，破坏生物生存环境，削弱水体的自净能力。生物浮床属于无土栽培技术之一，是指利用高分子材料作为载体，通过人工方法在被污染水域的水面之上种植植物，基于植物根系的吸收及吸附作用，利用根系的物质转化功能，通过植物体收获去除水体中的氮磷含量，进而改善水质、美化水体，并获得良好的水体植物或改良后陆生植物种植收益。

1 淹没式组合生态浮床水质改善装置的设计

本文提出的淹没式组合生态浮床应用的是组合形式，浮板上方设置浮块，并将装有填料的种植蓝安放于浮板之上预设的孔中，利用种植篮填料栽种浮床植物，并在浮板之下以悬挂形式设置人工水草。此装置的优势在于浮板可完全被水淹没，既能减少浮床白色污染，也可掩盖人工前迹，实现水质净化的同时起到水体景观改善效果。

1.1 装置形状设计

浮床单体边长应设置为2~3 m，此种设计可使搬运更为便利，且更便于施工。本文所设计的淹没式组合生态浮床改善装置应用的是长方形浮板。

1.2 结构材料选择及尺寸确定

采用聚乙烯泡沫塑料制作浮板，其上设置三行四列圆孔，直径为20.5 cm，种植美人蕉及黄菖蒲两种植物的种植篮之间距离应为40 cm，浮板长约1.5 m，宽为1.1 m，浮板上设有高3 cm、厚1.5 cm、尺寸与浮板一致的加强筋。采用外径上口20 cm、下孔150 cm、高约15 cm的圆柱形种植篮，篮口翻边外径应为22 cm。选用粒径介于5~20 mm之间的陶粒、蛭石作为种植篮填料。于浮板加强筋下侧悬挂与浮板长度一致的4条人工水草，每条6串。填料丝长度应以6 cm为宜，维纶丝固定框长约15 cm，各串人工水草间预留25 cm距离。其上设置4个仿生形态上凸浮块，以保持浮床平衡性与美观性。

2 可持续利用生物浮床水质改善效果分析

2.1 水质改善效果研究方法

2.1.1 实验材料

实验选取3种水生植物，分别是黄菖蒲、美人蕉以及西伯利亚鸢尾。人工水草以维纶醛化丝材料制成，维纶丝嵌固采取的是平行排列方式。

2.1.2 实验装置

如图1所示，以河道中悬浮的围隔箱作为实验装置，将泡沫塑料安放其中作为浮床载体，并于其中安装种植篮，下方悬挂人工水草。共选用5个围隔箱，1号及2号围隔箱分别栽种黄菖浦及美人蕉，栽种数量分别为3~5株/篮与1~3株/篮，3号栽种西伯利亚鸢，栽种数量为6~9株/篮。4号箱不栽种植物，仅下方悬挂与1、2、3号箱体同等数量的人工水草，5号箱只设置泡沫塑料板以作为对照。以水泵及软管经围隔箱底部设置的PVC穿孔管向箱中注水，并在底部进水孔之上设置出水孔。黄菖蒲重金属去除实验时以高50 cm、上径及下径分别为35 cm与30 cm的两个塑料桶作为实验容器，栽种黄菖蒲数量为1棵。

图1 生物浮床动态试验装置

2.1.3 实验方法

本次实验历时半年，自3种试验植物栽种完成后开始，采取静态－动态－静态的实验方法。静态实验是指向围隔箱中引入河道水，而后每3天从箱内取水1次并在实验室完成水质检测，待箱内水质达到标准后将水体排出河道再重新取水注入，每30天为1个实验周期，共计6个实验批次。动态实验是利用水泵持续将河水由一端注入围隔箱并从另一端流进河道，水在箱体内停留3 d左右。每日测定箱内进水及出水的水质。两种实验方法所检测指标相同。

2.1.4 测定方法及所用仪器

以过硫酸钾消解－钼锑抗分光光度法测定TP含量，以碱性过硫酸钾消解－紫外分光光度法测定TN含量，采用酸性高锰酸钾法测定高锰酸盐指数（CODMn）、利用纳氏试剂光度法、紫外分光光度法分别测定氨氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N），而后采用铂钴标准比色法测定色度，再以二苯碳酰二肼分光光度法测定重金属。以经0.45μm滤膜过滤后用钼锑抗分光光度法测定溶性正磷（SRP）。实验所用仪器为电子天平、紫外分光光度仪、可见分光光度计、便捷式溶解氧仪，除此之外还需准备烘箱、恒温水浴锅、PH计等其他测定工具。

2.2 实验效果分析

2.2.1 溶解性正磷去除效果

磷酸盐沉降、固结于人工水草表面以及植物吸收可溶性磷是利用生物浮床去除正磷酸盐的主要途径。实验过程中实验箱内每升水的SRP浓度最低为0.3 mg，最高为0.6 mg。六批次实验中SRP的去除过程分析图如图2所示。

图2 各实验批次SRP去除对比

静态实验中，黄菖蒲平均去除率高达91.17 mg/（m2.d）。西伯利亚鸢尾的平均去除速率仅为31.26 mg/（m2.d）。美人蕉各次静态实验前二周SRP去除速度较快，平均去除速率为34.26 mg/（m2.d）。而人工水草静态实验阶段去除速率由慢转快，平均去除率为21.23 mg/（m2.d）。3种浮床植物及人工水草的SRP去除均率高于空白箱，黄菖蒲去除能力最强，美人蕉及西伯利亚鸢尾居于中等，而人工水草的去除能力最差。

2.2.2 总磷去除效果

总磷去除方面主要依托于浮床植物及人工水草根系滞留颗粒态磷，以根际微生物矿化吸收有机磷，或是通过颗粒态磷的沉淀去除TP。实验期间水围隔箱内每升水中含有TP的含量介于0.5~0.8 mg之间。静态实验中，黄菖蒲及西伯利亚鸢尾平均去除率分别为94.35 mg/（m2.d）与37.59 mg/（m2.d）。美人蕉去除速率总体平稳，平均去除速率为36.51 mg/（m2.d）。人工水草TP去除率前期较慢，后期加快，最后一个实验批次受气温下降影响去除速度有所下降，总平均去除率为42.73 mg/（m2.d）。空白实验箱的TP效率效果最低值为24%，最高值为58.01%。总体来看，TP去除能力方面，黄菖蒲仍居首位，西伯利亚鸢尾位居第二，美人蕉第三，人工水草能力稍差。

2.2.3 氨氮去除效果

植物吸收、硝化反应以及氨挥发是水体中氨氮去除的主要途径。实验期间水样每升水中含有3~7 mg的NH4+-N。黄菖蒲平均去除率为504.93 mg/（m2.d）。而西伯利亚或鸢尾去除率仍出现了由低至高的转变，实验期间的平均去除速率为14.25 mg/（m2.d）。美人蕉的去除速度相对平稳，平均去除速率为273.90 mg/（m2.d）。人工水草的平均去除率为183.92 mg/（m2.d），而空白实验箱的去除率为32.07%~99.85%，动态实验几乎无效果。黄菖蒲的NH4+-N去除能力最强，美人蕉与西伯利亚鸢尾分别第二及第三，人工水草去除能力最差。

2.2.4 硝态氮去除效果

如图3所示，由于原水中不存在硝态氨，因而需将NaNO3投入箱体以便实验。仅针对第五个月及第六个月监测硝态氮，其含量在3~6 d内下降速度较快。第五个月因水温偏高，有机物被氧化降解，水中溶解氧被消耗，硝化作用中止，浮床植物围隔箱中的NO3--N逐渐消除，因空白箱及人工水草中微生物含量不足，因此NO3--N含量较高。最后一个实验阶段，水温下降，美人蕉箱内NO3--N完全消除，西伯利亚鸢尾箱中NO3--N的下降速度较快转慢，其他箱内NO3--N含量在下降后纷纷提升。说明美人蕉的硝态氮吸收能力最强。

图3 浮床植物及人工水草对NO3--N去除过程

2.2.5 总氮去除效果

植物总氮去除主要是以根系滞留、根际微生物吸收以硝化反硝化作用为途径。黄菖蒲在总氮去除方面，静态实验期内前两个月速度较快，后两个月速度下降。动态实验期间TN去除率为29.18 mg/（m2.d）。实验期间平均去除率为749.19 mg/（m2.d）。西伯利亚鸢及美人蕉的静态实验去除平均速率分别为365.49 mg/（m2.d）与383.39 mg/（m2.d）。人工水草去除速度为485.12 mg/（m2.d），空白实验箱去除效果不佳，动态实验阶段未见明显效果。说明总氮去除方面，黄菖蒲去除能力最强，美人蕉及西伯利亚鸢居中且差别不大，人工水草能力最低。

2.2.6 CODMn去除效果

高锰酸钾去除方面，是通过根际微生物活动实现CODMn降解，水温、水体中所含微生物类别及数量、溶解氧浓度大小均会影响CODMn去除效果。经分析，黄菖蒲对CODMn的去除效果最为理想，去除率为47.86%，而人工水草及西伯利亚鸢尾的去除率分别为25.25%与19.60%，与空白箱的CODMn去除率22.97%差别不大，说明这两个浮床植物在CODMn去除方面未发挥作用。而美人蕉的去除效果为36.04%，对CODMn去除效果位居第二。总体来看，生物浮床及人工水草对CODMn的去除效果并不理想。

2.2.7 色度改善效果

如图4所示，色度监测主要集中于实验开始的前两个月静态实验及第三个月的动态实验阶段，静态实验阶段黄菖蒲色度去除率为39.11%与42.37%，动态实验阶段色度未发生明显变化。说明，生物浮床在色度去除方面效果并不显著。

图4 浮床植物及人工水草对色度的去除效果

2.2.8 重金属去除能力

重金属浓度测定表明，黄菖蒲在重金属吸附方面效果更佳。通过配置浓度铬含量不一的水样观测黄菖蒲在重金属铬方面的吸收效果发现，初始浓度分别为1.16 mg/L及2.05 mg/L时，黄菖蒲对六价铬的吸收特性曲线较为相似，意味着黄菖蒲的重金属铬去除能力相对稳定，但后一浓度值下，黄菖蒲叶子由绿转黄，说明其生长特性因浓度增加而发生了改变。

2.3 植物体内N、P含量分析

N、P去向分析中，可将植株收割后烘干碾碎，并取部分进行消解测定。根据测定结果发现，黄菖蒲水上部分茎叶及果实中含有N、P总量为13.02 mg/g，水下部根系总含量则为2.52 mg/g，而美人蕉水上部分及水下部N、P总量分别为4.81 mg/g与2.36 mg/g，西伯利亚鸢尾的水上部及水下部N、P含量则分别是5.42 mg/g与2.38 mg/g。这说明，N、P元素主要累积于植物的水上部分，因而只需割除植物茎叶及果实，便可取得较为理想的N、P去除效果。

3 结束语

经本文实验验证，淹没式组合生态浮床种植装置对水质改善具有良好效果，所引种的3个水生植物当中，在溶解性正磷酸盐、总磷、氨氮、总氮去除方面，黄菖蒲的去除效果均为最佳，美人蕉、西伯利亚鸢尾及人工水草去除效果稍差，并且氮磷主要积累于植物的水上部分，因而去除水体中的N、P时只需收割植物水上部分即可。可持续利用生物浮床水质改善技术，既能有效改善水体效果，也可减少对水中氮及有机污染物含量，在富营养化水体中氮磷去除方面效果显著，可以黄菖蒲作为生物浮床主要栽种植物，并以西伯利亚鸢作为点缀，可取得理想水质改善及景观效果。