植物和基质在生态浮床去除农村地表径流氮磷中的作用

沈舒婷 耿卓凡 李 想 吕锡武

(东南大学能源与环境学院， 南京 210096)(东南大学无锡太湖水环境工程研究中心， 无锡 214135)

地表径流中过量的氮磷通过富营养化对水质产生显著的有害影响.在农村地区，由于缺乏管理或排水及污水处理设施，大量生活污水和畜禽粪便仍未得到处理[1-2].此外，化肥和农药的过度施用也导致农田中氮磷的积累[3].氮磷通过直接排放、农田径流和降雨进入受纳水体.特别是在降雨期间，雨水径流会加剧由侵蚀和浸出所产生的氮磷的输出[4].因此，农村地表径流通常来源分散复杂、水量及污染负荷波动大，并且污水收集及处理受限于农村的环境及经济技术水平，亟需合理有效的地表径流处理方法.

生态浮床(FTW)作为一种水体原位生态修复技术受到广泛关注.FTW通过截滤、植物吸收、基质吸附和微生物降解可以有效去除水中的污染物.FTW具有简单、低成本且无需额外占用土地的优势，能够适应水深和流量的变化，对水体和生物多样性的影响小[10]，这些特征恰好满足处理农村地表径流的需求.陈华等[11]通过构建含有玉米芯基质或陶粒基质的组合浮床探究了系统的脱氮效果.母玉敏等[12]的研究表明，组合式浮床在低温下对TN的去除率为31.4%～67.6%.迄今为止，多数研究仅对耦合不同植物或基质的组合式生态浮床的总体性能做出评价[13-14]，而对生态浮床中各组成对污染物去除的作用鲜有探讨.还有一些研究集中在预负载高效污染物降解微生物的生态浮床，以强化其对富营养化水体[13]、污水厂尾水[15]、养殖废水[16]或工业废水[17]的处理，而针对水质波动较大的农村地表径流的研究较少，并且缺少关于污染物浓度水平对生态浮床性能影响的探究.

本文构建了由不同元素组成的生态浮床，主要目的是：① 探究生态浮床处理氮、磷2种污染物浓度水平的农村地表径流的性能；② 研究植物和基质在去除不同形态氮磷中的作用；③ 评价植物割茬对于生态浮床脱氮除磷性能的影响.

1 材料与方法

1.1 实验装置构建

于东南大学无锡太湖水环境工程研究中心(31.48 N，120.37 E)，采用聚丙烯板构建了4组浮床装置(见图1)，分别命名为FTW-AR、FTW-S、FTW-P和FTW-PS.装置尺寸为120 cm×30 cm×70 cm(长×宽×高)，有效水深50 cm，总体积180 L.浮床采用带定植篮的7 cm厚的高密度聚乙烯浮筏.FTW-AR中仅设置人造根，通过在浮垫底部附着成束的支状聚酯纱(涤纶纱)以模仿植物根系形态.将27束均长为18.3 cm的涤纶纱(每束35～40根涤纶纱线)附着在浮垫底部，提供与种植组相似的根系密度和表面积.FTW-S中仅设置基质置于篮筐中.基质选用建筑固废加气混凝土块(粒径2～3 cm，质量3 500 g，堆积密度450 g/L)，填充高度为9 cm.加气混凝土块是一种轻质多孔材料，包含非晶态和结晶铝硅酸盐的混合物以及质量分数38.4%的SiO2、32.1%的CaO、19.5%的Al2O3、3.08%的Fe2O3和1.18%的MgO等.FTW-P中仅设置植物.选择香根草是因为其根系发达，耐受性强，生物安全性较好，且是当地可用的[18].FTW-PS中包含植物和基质，香根草被种植于基质中.FTW-PS中采用了与FTW-S相同的基质配置.FTW-P和FTW-PS中种植的香根草的密度为75株/m2，覆盖率约70%.实验在各实验组运行2个批次后开始，香根草在约14 d的时间内适应环境，并在实验前统一割茬，留茬高度(24.5±3) cm.

(a) FTW-AR

(b) FTW-S

(c) FTW-P

(d) FTW-PS

1.2 实验运行

该系统以序批模式运行，共5个批次，每批次的水力停留时间(HRT)为8 d.实验分为2个阶段：阶段1共3个批次，每天进行水样采集和分析，以更好地了解系统的短期动态；阶段2是在对FTW-P和FTW-PS中的植物进行割茬后，系统继续运行2个批次.这期间分别在第0、1、3、5、7天进行水样采集和分析，以探究植物收割对浮床系统去除氮磷的影响.

1.3 实验用水

对于实际的农村地表径流，氮磷浓度水平可能在高和低之间波动，这取决于许多因素，如人类活动、降雨、灌溉和施肥措施[3，19].通过在自来水中添加葡萄糖、氯化铵(NH4Cl)、硝酸钾(KNO3)、磷酸二氢钾(KH2PO4)、三聚磷酸钠(Na5P3O10，STPP)、腺苷-5′-单磷酸一水合物(C10H16N5O8P，AMP)和微量元素来模拟高低浓度的地表径流.其中，KH2PO4用于模拟溶解态活性磷(SRP)，而STPP和AMP用于模拟溶解态非活性磷(SNRP).STPP是一种代表性的酸水解磷，常作为助剂或添加剂[20].有机磷通常以植物或动物组织、核酸、核苷酸和水生生物体内的磷脂的形式存在于天然水体中.AMP是一种含有磷脂键的天然有机磷，普遍存在于生物细胞内，可被生物利用[21].此外，为了模拟径流中大量存在且不易沉淀的细悬浮颗粒，将超细的高岭土以质量浓度55 mg/L(高浓度)及25 mg/L(低浓度)添加到合成废水中.采用2个1 000 L的塑料罐作为混合罐，用于地表径流的批量配制.为了促进快速混匀，使用顶置式搅拌器以高混合速率将污水完全混合均质2 h，然后使用计量泵(AKS803，SEKO)将配水添加到装置中.在每个批次之间，保留沉积物并排水，然后重新注入新的模拟径流.每个批次开始时的水质见表1.表中，COD为化学需氧量，TDP为总溶解磷.

表1 实验原水的初始质量浓度 mg/L

1.4 采样与水质分析

为了更准确地评价每个浮床系统中的水质，沿着每个装置的长度方向建立3个等距采样点，并分别在每个采样点的2个不同的水深处(水面下5及30 cm处)采集50 mL水样，最后将获得的6个水样合为一个样品进行分析.每次取样后，采用便携式溶解氧仪(JPSJ-605F，中国)原位监测不同取样点的溶解氧及水温.然后，补充自来水至标准水位(50 cm)以弥补蒸发和蒸腾的损失.

1.5 数据分析及统计方法

数据以平均值或平均值±标准差的形式表示.利用Origin和Microsoft Excel进行计算和统计分析，p<0.05为有统计学意义的证据.

水样中溶解态非活性磷和颗粒磷(PP)的浓度(C)根据下式进行计算：

C(SNRP)=C(TDP)-C(SRP)

(1)

C(PP)=C(TP)-C(TDP)

(2)

2 结果与讨论

2.1 各实验组物理参数的变化

各实验组进水和出水的物理参数如表2所示，数据以同一浓度处理下的2个阶段所有批次的平均值±标准差表示(样本数n=5).FTW-S和FTW-PS的pH值呈波动上升趋势，FTW-P的pH值则呈下降趋势.各实验组中pH值的变化可能是多种因素共同作用的结果.有机物和氨氮氧化产生的净质子量均可使pH值降低.FTW-S及FTW-PS的pH值极大地受到了基质的影响，这是由于加气块中CaO的不断溶解产生大量OH-，使得pH值不断升高.FTW-P中pH值的降低可能是植物根系的酸性分泌物[23]所导致，FTW-PS中pH值略低于FTW-S的现象可加以证明.此外，与FTW-AR和FTW-S相比，种植组中植物的存在有效地降低了出水浊度，这表明活植株的存在相较人造根及基质的物理截滤对颗粒态污染物的去除发挥了更显著的作用.植物根系分泌物促进了生物膜的发展或介导了颗粒物的凝结和絮凝，导致在种植组中形成更大、更容易沉降的絮凝体[24].由于进水中存在大量耗氧物质，各组出水的溶解氧(DO)浓度均呈现不同程度的降低.但低浓度下FTW-AR中的DO浓度有所升高，这可能是由于进水中耗氧物质相对较少且FTW-AR中耗氧物质转化率较低，从而减少了DO的消耗.另一个可能的原因是FTW-AR较为开阔的水面为大气复氧提供了有利条件[25].植物根系泌氧作用对DO浓度的提升在高浓度下并不明显，而在低浓度下较为明显.

表2 实验进水和出水的物理参数

2.2 生态浮床对不同形态氮的去除

(a) FTW-AR

(b) FTW-S

(c) FTW-P

(d) FTW-PS

(a) FTW-AR

(b) FTW-S

(c) FTW-P

(d) FTW-PS

2.3 生态浮床对不同形态磷的去除

生态浮床中有效的磷去除途径包括微生物和植物生物量的同化、基质吸附及沉淀等[25].各实验组在高、低浓度下TP浓度的短期动态变化及相应的去除率如图5所示.考虑到进水中存在大量细悬浮颗粒，各组的TP浓度在每个批次的第1～2天内快速下降，这可能是由于磷的快速吸附与沉淀[30].FTW-AR中TP浓度在每批次的中后期较为平稳，时有上升趋势，而其余的3个实验组中的TP浓度则表现出持续的不同程度的下降.相比FTW-AR，基质的存在使TP的去除率在高、低浓度下分别提高了33.0%和1.9%，植物的存在使TP的去除率在高、低浓度下分别提高了40.5%和18.0%.在高浓度下，FTW-PS对TP的去除性能最佳，平均出水质量浓度为(0.73±0.08) mg/L，去除率为(76.4±2.0)%；在低浓度下，FTW-P对TP的去除性能最佳，平均出水质量浓度为(0.12±0.00) mg/L，去除率为(87.9±1.4)%.这表明植物在低磷条件下的除磷性能优于基质.原因之一是较低的初始磷浓度会导致吸附驱动力及吸附速率的下降，从而影响基质对磷的吸附量.其次，FTW-PS中植物的存在降低了pH值并减少了Ca-P的形成[24]，即根系附近的局部pH值较低可能溶解了部分Ca-P络合物，从而影响了FTW-PS对磷的去除.此外，割茬使FTW-P中TP去除率在高、低浓度下分别下降了35.7%和21.1%，使FTW-PS中TP去除率在高、低浓度下分别下降了9.4%和18.1%.可以发现，割茬对FTW-PS在高浓度下的TP去除率的影响最小.基质的存在一定程度上减小了割茬对系统的影响，提高了系统的稳定性.

(a) 高浓度下TP的浓度变化

(b) 低浓度下TP的浓度变化

(c) 高浓度下TP的去除率

(d) 低浓度下TP的去除率

各实验组在高、低浓度下对不同形态磷的转化与去除效果存在差异(见图6).在高浓度下，FTW-AR中由于缺乏有效的磷去除途径，例如微生物和植物生物量的同化和基质吸附[31]，加之NRP转化形成的SRP，使得SRP去除率较低，甚至出现了SRP浓度增加的现象.植物在去除水中磷的贡献总是存在争论[32].在本研究中，与FTW-AR相比，植物的存在显著提高了SRP的去除(p<0.05)，在高、低浓度下SRP的去除率分别为65.8%和60.0%，这优于刘雪等[33]在实验中获得的45%的磷去除率.董怡华等[34]的研究发现，茭白、香蒲和芦苇在HRT为16 d后磷去除率分别为76.6%、64.7%和76.8%.基质在高浓度下同样提高了SRP的去除(p<0.05).但在低浓度下，FTW-S和FTW-PS中SRP去除率均较低，这可能是由于实验期间基质对磷的吸附未饱和，其吸附量受吸附动力学影响较大.因此，较低的初始磷浓度会导致吸附驱动力和速率降低，从而降低了一个批次内基质对SRP的吸附量.此外，较高的NRP转化率导致更多的磷以SRP的形式返回水中，最终降低了SRP的去除效率.

(a) 高浓度

(b) 低浓度

各实验组对于PP均有较好的去除效果，去除率从67.1%～98.0%不等.大量PP是通过快速沉淀和植物根系或基质填料的截滤从水中除去.活植物的存在进一步提高了PP的去除效率，这与浊度的变化相一致(见表2).一方面，活植物根系发达，能过滤大量悬浮颗粒；另一方面，植物根系分泌物能够促进生物膜的发展及颗粒物的絮凝和沉淀，并减少沉积物再悬浮[38].但不能排除会出现在植物生长或衰败过程中，分解的植物组织可能会增加PP浓度的现象.

3 结论

1) 研究结果表明，生态浮床以其较高的水质适应性，适用于农村地表径流的原位处理.污染物浓度水平的变化对生态浮床的性能有明显影响.FTW-PS在高浓度下去除氮磷的性能较为优异，而FTW-P在低浓度下去除氮磷的性能较为优异.植物在低污染物浓度条件下可能相较基质发挥了更为重要的污染物去除作用.植物和基质的组合可以获得稳定且优异的脱氮除磷效果.

3) 割茬短暂降低了植物对氮磷的去除效率，并且这种影响对于磷的去除更为显著.植物割茬使FTW-P中TP去除率在高、低浓度下分别下降了35.7%和21.1%，使FTW-PS中TP去除率在高、低浓度下分别下降了9.4%和18.1%.