人工沉床對(duì)COD的凈化效果及其影響因素研究

李金中 ，李學(xué)菊 ，劉學(xué)功 ，楊 潔 ，時(shí)紹緯

（1.南開(kāi)大學(xué)，天津 300071；2.天津市水利科學(xué)研究院，天津 300061）

近年來(lái)，環(huán)境污染尤其是水污染的加劇，促進(jìn)了多種生物—生態(tài)水體修復(fù)技術(shù)的發(fā)展，以水生植物為核心的生物生態(tài)水體修復(fù)技術(shù)已成為當(dāng)前水環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1－5]，許多植物的耐污及治污能力被發(fā)現(xiàn)[6－18]，多種以大型水生植物為核心的污水處理和水體修復(fù)生態(tài)工程技術(shù)被開(kāi)發(fā)[19－22]。事實(shí)證明，以高等水生植物為核心的生物生態(tài)水處理技術(shù)具有低投資、低能耗等諸多優(yōu)點(diǎn)。

人工沉床技術(shù)是遵循生態(tài)系統(tǒng)的自身原理，以恢復(fù)生態(tài)學(xué)人為設(shè)計(jì)和自我修復(fù)理論為基礎(chǔ)，突出人為干擾在整個(gè)修復(fù)過(guò)程中的主導(dǎo)作用，以生態(tài)結(jié)構(gòu)重建與功能恢復(fù)為最終目的而設(shè)計(jì)的一種生物—生態(tài)水體原位修復(fù)技術(shù)。該技術(shù)利用沉床載體和人工基質(zhì)營(yíng)造適宜大型水生植物生長(zhǎng)的環(huán)境條件，并在人工沉床載體上種植大型水生植物，通過(guò)水生植物群落的構(gòu)建，達(dá)到修復(fù)受損水體生境、進(jìn)而恢復(fù)水生生物群落和水生生態(tài)系統(tǒng)的目的。與傳統(tǒng)的水底直接種植方法相比，該技術(shù)由于利用其浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以根據(jù)植物的生長(zhǎng)情況和水位的變化人為調(diào)控植物在水面下的深度，從而有效地解決了水深大、水位變化大、透明度低、夏季藻類及浮萍泛濫等不利因素對(duì)植物生長(zhǎng)的制約[1]。

人工沉床系統(tǒng)對(duì)水體的凈化是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物過(guò)程，既包括植物的吸收、植物及填料的物理吸附和沉降[23－26]，也包括根部釋氧和微生物降解等作用[27]，部分水生植物甚至還有生物化感和克菌的效果[28]。該技術(shù)目前正處于起步階段，國(guó)內(nèi)外已報(bào)道的文獻(xiàn)極少。本研究在天津市外環(huán)河建立人工沉床示范工程，并通過(guò)示范工程長(zhǎng)達(dá)1年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，對(duì)該技術(shù)對(duì)COD的凈化效果及其影響因素進(jìn)行系統(tǒng)研究，并建立了人工沉床系統(tǒng)COD降解模型。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 示范工程水域背景資料

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)在天津市外環(huán)河河道內(nèi)進(jìn)行，外環(huán)河是天津市區(qū)的一條重要景觀河道，兩側(cè)邊坡已護(hù)砌，坡降為 1∶3，河面寬度 30 m 左右，水深 2～3 m，水位變化較大。受兩岸生活污水及面源影響，河道水質(zhì)較差，為劣Ⅴ類水體，化學(xué)需氧量及氮、磷含量高，夏季經(jīng)常爆發(fā)藻類和浮萍，水體透明度極低，在河底直接栽植水生植物極難成活。為此，本研究利用人工沉床技術(shù)在外環(huán)河建立了水環(huán)境改善示范工程，實(shí)驗(yàn)河段長(zhǎng)度為450 m。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

人工沉床主要由以下四部分組成：①受力載體構(gòu)件；②植物種植箱體及填充基質(zhì)；③高等水生植物；④浮力調(diào)節(jié)構(gòu)件。其基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

示范區(qū)內(nèi)共有50個(gè)沉床，每個(gè)沉床尺寸為6 m×6 m，種植植物有黑三棱、香莆、水蔥、蘆葦和睡蓮，睡蓮種植間距為60 cm×60 cm（行距×株距），其他植物種植間距為40 cm×40 cm（行距×株距）。每種植物的種植水深按30、50和80 cm 3個(gè)深度進(jìn)行組合。

植物種植時(shí)間為2007年8月，在實(shí)驗(yàn)河段排成一列，床與床間隔2 m，床體距岸1 m。

1.3 水樣分析測(cè)定

實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)水流平緩，流速約為82.05 m/d，水流經(jīng)實(shí)驗(yàn)區(qū)的總時(shí)間為5～6 d左右，無(wú)明顯死水區(qū)，因此水樣采樣點(diǎn)設(shè)置時(shí)無(wú)需考慮存在特殊點(diǎn)位影響的情況。本次實(shí)驗(yàn)按水流方向在實(shí)驗(yàn)河段內(nèi)均勻布設(shè)8個(gè)取樣斷面，水流自進(jìn)水?dāng)嗝骈_(kāi)始依次流經(jīng)8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面所對(duì)應(yīng)的停留時(shí)間見(jiàn)表1。

表1 取樣斷面對(duì)應(yīng)的停留時(shí)間

監(jiān)測(cè)時(shí)分別在每個(gè)斷面取一個(gè)水樣，取樣深度為水面下0.5 m。取樣時(shí)間自2007年10月開(kāi)始，至2008年9月結(jié)束，取樣頻率為7 d取1次。COD分析采用COD快速測(cè)定儀（HE－9906，德國(guó)）。

2 結(jié)果討論

2.1 沉床系統(tǒng)對(duì)COD的總體去除效果

COD去除率是水體流經(jīng)人工沉床系統(tǒng)后COD削減量占進(jìn)水COD負(fù)荷的百分比，計(jì)算公式如下：

式中：η 為COD去除率 （%）；C進(jìn)和C出分別為COD的進(jìn)水濃度和出水濃度（mg/L）。

實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)水?dāng)嗝婧统鏊當(dāng)嗝鍯OD濃度變化及示范區(qū)COD總體去除率變化如圖2所示。

從圖2可以看出，實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)水COD濃度從2007年10月到2008年9月期間波動(dòng)較大，總體上呈下降趨勢(shì)，出水水質(zhì)變化與進(jìn)水水質(zhì)變化規(guī)律基本一致，且出水中COD濃度均明顯低于進(jìn)水中COD濃度。

實(shí)驗(yàn)區(qū)COD的去除率受進(jìn)水濃度波動(dòng)和氣溫變化的影響，有一定的波動(dòng)現(xiàn)象。總體變化趨勢(shì)為：10月至11月上旬COD去除率均呈上升趨勢(shì)；而11月中下旬以后COD去除率開(kāi)始下降，12月至次年2月COD的去除率達(dá)到最低，在5%～10%左右；而2月至5月份COD的去除率迅速上升，到5月底以后，去除率基本達(dá)到平穩(wěn)階段，在30%到35%之間波動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)區(qū)出水水質(zhì)變化與進(jìn)水水質(zhì)變化規(guī)律基本一致的主要原因是：目前外環(huán)河污染負(fù)荷較大，已超出人工沉床系統(tǒng)的凈化能力，此時(shí)進(jìn)水濃度的增加，必然導(dǎo)致系統(tǒng)出水濃度的增加。

污染物去除率隨季節(jié)變化的主要原因是：10月份植物處于種植初期，此時(shí)植物生物量及密度都較低，對(duì)污染物的去除效果并不明顯，而10月至11月上旬，雖然氣溫不斷下降，但此時(shí)仍能適合植物生長(zhǎng)，隨著植物生物量的增加和植物密度的增大，人工沉床系統(tǒng)對(duì)COD的去除率呈上升趨勢(shì)。而進(jìn)入11月下旬后，植物已基本進(jìn)入休眠期，而且受氣溫影響微生物活動(dòng)也明顯減弱，表現(xiàn)出對(duì)COD的去除率明顯下降。自2月至5月，隨著氣溫的回升，植物進(jìn)入萌芽和快速生長(zhǎng)階段，而且此時(shí)微生物活動(dòng)也迅速加強(qiáng)，表現(xiàn)出系統(tǒng)對(duì)COD的去除率迅速上升；到5月份后，水生植物生長(zhǎng)基本達(dá)到穩(wěn)定階段，而且微生物活動(dòng)也基本達(dá)到最大，因此系統(tǒng)對(duì)COD的去除率基本保持穩(wěn)定。

2.2 進(jìn)水濃度與去除速率相關(guān)性分析

COD去除速率是指單位面積沉床植物在單位時(shí)間內(nèi)所去除的COD質(zhì)量，計(jì)算公式如下：

式中：PCOD為 COD 去除速率〔g/（m2·d）〕；Q 為水流流量（m3/d）；A 為植物面積（m2）；其他符號(hào)同上。

根據(jù)示范工程進(jìn)水?dāng)嗝婧统鏊當(dāng)嗝娴腃OD濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果，分別利用指數(shù)、線性與冪函數(shù)3種數(shù)學(xué)模型對(duì)植物生長(zhǎng)期（3—10月）和冬季（11—2月）兩個(gè)時(shí)段內(nèi)的進(jìn)水COD濃度與去除速率進(jìn)行擬合，分析進(jìn)水COD濃度變化對(duì)去除速率的影響，結(jié)果分別如圖3—8所示。

由圖3—8可以看出，植物生長(zhǎng)期內(nèi)人工沉床系統(tǒng)對(duì)COD的去除速率與進(jìn)水濃度的相關(guān)性較高，而從線性、指數(shù)和冪函數(shù)3種回歸趨勢(shì)來(lái)看，其相關(guān)關(guān)系更符合指數(shù)增長(zhǎng)的規(guī)律，即對(duì)COD的去除速率隨著進(jìn)水濃度的增加呈指數(shù)上升，復(fù)相關(guān)系數(shù)（R2）可達(dá)到0.9以上。而冬季人工沉床系統(tǒng)對(duì)COD去除速率與進(jìn)水濃度基本不相關(guān)，不論從線性、指數(shù)還是冪函數(shù)3種類型的回歸趨勢(shì)來(lái)看，其復(fù)相關(guān)系數(shù)（R2）均在 0.5以下。

造成上述現(xiàn)象的主要原因如下：

（1）水生植物發(fā)達(dá)的根系與水體接觸面積很大，形成一道密集的過(guò)濾層，當(dāng)水流經(jīng)過(guò)時(shí)，懸浮態(tài)有機(jī)物和不溶性膠體會(huì)被根系吸附或截留而去除。此外，人工沉床系統(tǒng)中的水生植物通過(guò)釋氧和輸氧作用為好氧微生物提供氧源，其根系和葉片為微生物附著提供良好的界面，形成根際微生態(tài)環(huán)境和葉片微生態(tài)環(huán)境。在植物根區(qū)及葉片附近，形成一個(gè)好氧微生物區(qū)，而根區(qū)及枝葉以外則形成厭氧或兼氧區(qū)。這樣，水體流經(jīng)沉床實(shí)驗(yàn)區(qū)時(shí)反復(fù)經(jīng)過(guò)厭氧和好氧的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)COD的去除。因此，人工沉床系統(tǒng)對(duì)COD的去除機(jī)理不僅包括沉降過(guò)濾作用，同時(shí)也包括植物與微生物的協(xié)同凈化作用，COD去除速率隨進(jìn)水濃度的變化是以上兩種機(jī)理綜合作用的結(jié)果。

（2）植物生長(zhǎng)期內(nèi)，不僅溫度適宜微生物生長(zhǎng)，而且植物旺盛的新陳代謝為根際和葉片表面附著的微生物提供了充足的氧源，微生物對(duì)COD的降解能力較高，進(jìn)水中COD濃度的升高促進(jìn)了微生物繁殖和代謝活動(dòng)，表現(xiàn)出沉床系統(tǒng)對(duì)COD的去除速率隨著進(jìn)水濃度的升高而增大，而且相關(guān)性較高。

（3）冬季植物進(jìn)入休眠期后，其輸氧和光合釋氧速率也隨之下降，為好氧微生物提供的氧量相對(duì)減少，而且隨著水溫的下降，微生物活性明顯降低，對(duì)COD的降解功能大大減弱。冬季沉床系統(tǒng)對(duì)COD的去除主要依靠沉降過(guò)濾作用，而這種沉降過(guò)濾主要去除懸浮態(tài)和不溶性膠體態(tài)的COD，對(duì)溶解態(tài)的COD去除效果甚微。因此，表現(xiàn)出沉床系統(tǒng)對(duì)COD的去除速率與進(jìn)水濃度的相關(guān)性減少。

2.3 COD濃度隨水力停留時(shí)間的變化規(guī)律

根據(jù)人工沉床實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的COD濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果及其對(duì)應(yīng)的停留時(shí)間，利用回歸方法分析了人工沉床實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)COD濃度隨停留時(shí)間的變化關(guān)系，結(jié)果如圖9所示。

由圖9可以看出，水體在人工沉床實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)，COD濃度的變化與水力停留時(shí)間呈現(xiàn)出極高相關(guān)性，復(fù)相關(guān)系數(shù)（R2）均在0.9以上，變化規(guī)律均符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。因此，對(duì)于人工沉床系統(tǒng)，可以建立如下水質(zhì)預(yù)測(cè)模型：

式中：C（t）為停留時(shí)間為 t時(shí)的 COD 濃度（mg/L）；C0為進(jìn)水COD濃度（mg/L）；k為一級(jí)動(dòng)力學(xué)衰減系數(shù)（d－1）；t為停留時(shí)間（d）。

該模型中的k值是一個(gè)與地區(qū)、季節(jié)和植物種類有關(guān)的參數(shù)，對(duì)于某一特定的沉床系統(tǒng)而言，該值是基本穩(wěn)定的。對(duì)于北方地區(qū)，以黑三棱、香莆、水蔥、蘆葦和睡蓮組合的人工沉床系統(tǒng)中，植物生長(zhǎng)期k值為 0.04～0.06 d－1，冬季 k 值為 0.01～0.02 d－1。

3 結(jié)論

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）植物生長(zhǎng)期（3—10月份）人工沉床系統(tǒng)對(duì)COD的去除率較高，在停留時(shí)間為6 d時(shí)，COD的去除率可達(dá)到30%～35%。而冬季（11—2月份）植物進(jìn)入休眠期后，人工沉床系統(tǒng)對(duì)COD的去除率也隨之下降，但仍有一定的去除效果，在停留時(shí)間為6 d時(shí)對(duì)COD的去除率為5%～10%。

（2）植物生長(zhǎng)期內(nèi)人工沉床系統(tǒng)對(duì)COD的去除速率與進(jìn)水濃度的相關(guān)性較高，其相關(guān)關(guān)系符合指數(shù)增長(zhǎng)的規(guī)律，即對(duì)COD的去除速率隨著進(jìn)水濃度的增加呈指數(shù)上升，復(fù)相關(guān)系數(shù)（R2）可達(dá)到0.9以上。而冬季人工沉床系統(tǒng)對(duì)COD去除速率與進(jìn)水濃度的相關(guān)性較低，復(fù)相關(guān)系數(shù)在0.5以下。

（3）人工沉床區(qū)內(nèi)COD濃度的變化與水力停留時(shí)間呈現(xiàn)出極高相關(guān)性，其相關(guān)關(guān)系符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，即COD濃度隨著停留時(shí)間的增加呈指數(shù)衰減，復(fù)相關(guān)系數(shù)（R2）在 0.99 以上。

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