人工浮島技術在污水生態(tài)修復中的應用

張婉璐 劉君寒 李 力 李福利

(1.中國科學院青島生物能源與過程研究所青島 266101;2.山東大學環(huán)境科學與工程學院濟南 250100;3.中國科學院研究生院北京 100049)

人工浮島技術在污水生態(tài)修復中的應用

張婉璐1,3劉君寒1李 力2李福利1

(1.中國科學院青島生物能源與過程研究所青島 266101;2.山東大學環(huán)境科學與工程學院濟南 250100;3.中國科學院研究生院北京 100049)

人工浮島是一種污水生態(tài)修復處理技術。該技術通過在污染水體設置漂浮基質,模仿植物自然生長規(guī)律,利用植物根,浮島基質及植物根際微生物菌群對污水中各種有機物質進行降解,達到生態(tài)修復目的。本文綜述了人工浮島國內外發(fā)展現(xiàn)狀,從污水處理效果,處理成本等方面將該技術和傳統(tǒng)人工濕地進行比較,對人工浮島的應用前景和發(fā)展趨勢進行了分析。

生態(tài)修復;人工浮島;人工濕地

1 人工浮島生態(tài)污水修復機理

人工浮島是一種長有水生植物或陸生植物、可為野生生物提供生境的飄浮島,主要由浮島基質、植物和固定系統(tǒng)組成[1]。在水體中設置人工浮島,浮島上的植物根系能夠吸附和吸收水中的氮、磷等物質,貯存在植物細胞中,可以降低水體化學需氧量 (COD)、總氮 (TN)、總磷 (TP)及重金屬含量。同時,浮島上植物根系擁有巨大的表面積,為水中微生物生長提供良好固著載體,起到“生物膜載體”的作用。人工浮島具有不同的形狀、構造及植物類型,這會吸引野生動物如昆蟲、蝶類、鳥類、兩棲動物等在此棲息,從而增加物種多樣性,加快生態(tài)修復進程。

2 人工浮島和傳統(tǒng)人工濕地的比較

2.1 人工浮島與人工濕地的異同

人工浮島、人工濕地,都是將植物種在水中,并用植物系統(tǒng)及根際微生物來凈化污水或富營養(yǎng)化水體。嚴格來說,人工浮島屬于人工濕地的一種。相比而言,人工浮島是一種改進的人工濕地技術,可供選擇種植的植物范圍較廣。尤其是陸生植物經水生馴化后,能形成比陸生環(huán)境下更發(fā)達的根系,因而可能具有比傳統(tǒng)人工濕地更好的有機污染物凈化潛能。傳統(tǒng)人工濕地中,植物種植于濕地的底部,而人工浮島將植物種植于浮墊上,因而植物的生長不受水域類型和水底地形等條件的限制,人工浮島具有更高的營養(yǎng)物質和其他元素的同化吸收效率。

由于人工浮島可以在較深的水體中運作,相比于傳統(tǒng)人工濕地來說,這相當于延長了污水的處理時間,因此具有更高的處理效率。另外由于浮島基質的避光作用,在浮墊下方植物根部所形成的生物膜中,優(yōu)勢微生物主要為細菌,而傳統(tǒng)人工濕地開放的水環(huán)境使附著于植物莖葉上所形成的生物膜的微生物主要有藻類、水生附著生物和細菌等。另外,人工浮島還具有占用土地少,二次污染弱,作為景觀可操作性更高等優(yōu)點。

2.2 人工浮島和人工濕地的水體凈化效果

李希等使用混合型植物(美人蕉、燈芯草或菖蒲)人工浮島處理生活污水,發(fā)現(xiàn)植物在處理污水過程中發(fā)揮重要作用。長有植物的人工浮島對生活污水中總氮的去除率在 133～150mgm-2d-1,而對照組僅為 63mgm-2d-1;對總磷的去除率在 44～60mgm-2d-1,而對照組僅為 28mgm-2d-1;人工浮島對 COD的去除率在 1.03～1.07gm-2d-1,而對照組僅為0.41gm-2d-1[2]。Oostrom在人工濕地處理氮飽和肉類加工廢水的脫氮研究中發(fā)現(xiàn),含有人工浮島的表面流濕地氮的去除效果大約是對照組的兩倍,平均為 46%～49%(5.2～5.5gNm-2d)。夏季氮的去除率達到 75%(大約 9.5gN m-2d-1)[3]。

Tanner等通過對人工浮島去除微粒、銅和鋅的研究發(fā)現(xiàn),人工浮島對 Cu和 Zn的去除率大約分別為 3.8～6.4mgm-2d-1和 25～88mgm-2d-1[4],這與已報道的自由表面流人工濕地和水平潛流人工濕地的去除率相近。且人工浮島可在 3天的時間內去除大約 1/3的懸浮微粒。李英杰等在太湖五里湖的治理過程中,實施了兩個人工浮島工程,發(fā)現(xiàn)：工程區(qū)內營養(yǎng)鹽的濃度被大幅度消減,濁度從 53.4NTU(NTU指散射濁度單位,表明儀器在與入射光成 90°角的方向上測量散射光強度)降低到 15.9NTU[1]。人工浮島工程顯著改善了工程區(qū)內的水環(huán)境。

余杰等在人工濕地深度處理污水的研究中發(fā)現(xiàn),據(jù)實際運行經驗,人工濕地在夏季可去除 6～9kgm-2d-1的 COD,而冬季運行時能去除 16～24.5gm-2d-1的 COD[5]。Vymazal等在不同濕地對營養(yǎng)物質去除效果的研究中發(fā)現(xiàn),根據(jù)人工濕地的類型及流入量的不同,不同人工濕地對總氮的去除率在 325～819mgm-2d-1,總磷的去除百分比在61～102mgm-2d-1[6]。巴奇等對兩級人工濕地處理有機物質的效果進行研究。一級人工濕地 COD去除率約為 3.31～7.02gm-2d-1,二級人工濕地COD去除率約為 4.11～6.09gm-2d-1,總去除率大于 90%。一級人工濕地 NH+4-N去除率約為150～546mgm-2d-1,二級人工濕地NH+4-N去除率約為 476～581mgm-2d-1,總去除率大于 92%[7]。張海莉等運用垂直流人工濕地工藝處理生活污水,濕地植物選用酸模 (學名：Rumexacetosa Linn)。經計算,COD的去除率大約為 0.48～0.8 mgm-2d-1,NH4+-N約為 114mgm-2d-1,TP的去除率約為 11.4～22.8mgm-2d-1[8]。

在污水生態(tài)修復過程中,人工浮島和人工濕地的凈化效果都十分顯著,但由于不同實驗數(shù)據(jù)的得出依附于不同的實驗材料、規(guī)模及檢測方式,所以無法將以上結果進行類比。而在同一實驗內所得出的部分數(shù)據(jù)顯示人工浮島的凈化效果優(yōu)于傳統(tǒng)人工濕地。同時,相比于傳統(tǒng)的人工濕地而言,人工浮島具有不可忽視的優(yōu)越性,這填補了傳統(tǒng)人工濕地的局限性。不過人工浮島亦有其缺陷如基質易降解、外來物種侵害等等,因此針對不同污染情況和水體狀況,如能將兩者進行合理結合,很可能會產生意想不到的凈化效果,從而縮短生態(tài)修復的周期。

3 人工浮島研究現(xiàn)狀

研究表明,人工浮島對水體中多種污染物如N、P以及懸浮物質,具有明顯去除效果 (表 1)。與富營養(yǎng)化水體治理的傳統(tǒng)技術相比,人工浮島的建設工藝簡單、運行成本較低。相對傳統(tǒng)治污技術,人工浮島的工藝費用可以節(jié)省 50%以上。不同的人工浮島所采用的基質不同,因此浮島造價相差較大,如云南省環(huán)境科學研究院試驗用植物材料做成的草浮島造價低至 10～15元/m2[9]。在美國,使用的是可再生材料,價格相對較高。評價一種人工浮島,要綜合考慮其使用材質、使用壽命、處理效果和用途等因素,計算綜合使用成本。表 2列出了部分常用人工浮島的基本特性。

表 1 各種人工浮島營養(yǎng)物質去除效果比較[10]

表 2 當前商業(yè)應用人工浮島基本特性

4 結論及展望

人工浮島作為水上的仿陸地生態(tài)系統(tǒng),使水生和陸生植物在一個系統(tǒng)上得以完美的組合,使昆蟲、蝶類、鳥類、兩棲動物類和諧地棲息在同一個與外界相對隔離的生態(tài)系統(tǒng)內。相比于傳統(tǒng)人工濕地而言,人工浮島具有種種優(yōu)點,有廣闊的應用前景。然而人工浮島還有很多可以優(yōu)化的方面,比如材質的改良以利于植物及微生物吸附、可降解特異性污染物微生物的引入等。到目前為止,人工浮島作為一種新興的生態(tài)修復處理技術,主要只是應用于富營養(yǎng)化水質的凈化。不過隨著人工浮島技術的逐步發(fā)展成熟,特別是與其他污水處理技術的結合,人工浮島將被應用到更為廣泛的污水處理和生態(tài)修復過程當中。

[1]李英杰,金相燦,年躍剛,胡社榮,胡小貞.人工浮島技術及其應用 [J].水處理技術 2007,33(10)：49～51.

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X22

A

1673-288X(2010)04-0048-03

國家十一五重大科技專項 (No.2008ZX074220-03)

張婉璐 (1985—),女,河南新鄉(xiāng)人,碩士研究生,主要從事環(huán)境微生物研究。

李福利 (1975—),男,山東滕州人,研究員,研究方向為資源與環(huán)境微生物學。