Green Origio生態(tài)系統(tǒng)對景觀水體水質(zhì)的維持和改善

張 波，劉亞瓊，何義亮

（上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240）

在城市建設(shè)時，將水景引入生活小區(qū)、公園和園林等成為城市美化環(huán)境經(jīng)常采用的措施。但是景觀水一般面積小，水體容量小，自凈能力差，而且一般是流動性比較差的封閉水體，容易受到污染，如果不采取有效措施進(jìn)行管理，勢必導(dǎo)致水體不同程度的污染，甚至?xí)鹚w富營養(yǎng)化，從而失去了美化環(huán)境的功能，變成新的污染源。因此尋找合適的措施保護(hù)景觀水水質(zhì)，防止其水質(zhì)污染勢在必行[1]。

目前的景觀水處理技術(shù)主要有物理技術(shù)、化學(xué)技術(shù)和生物生態(tài)處理技術(shù)等。應(yīng)用物理技術(shù)和化學(xué)技術(shù)控制景觀水污染不具有可持續(xù)性，尤其化學(xué)技術(shù)容易造成二次污染，因此目前對于景觀水處理應(yīng)用生物生態(tài)技術(shù)較多[2-8]。生態(tài)技術(shù)主要是將微生物、高等植物及高等動物等單獨生物技術(shù)進(jìn)行組合，充分利用自然凈化與各類生物在功能上相輔相成的協(xié)同作用來凈化水質(zhì)，是當(dāng)前景觀水處理技術(shù)的研究開發(fā)熱點。

Green Origio生態(tài)處理系統(tǒng)是一種由表層植物床和底層微生物床構(gòu)成的復(fù)合生態(tài)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有占地面積小，一次性投資低、容易管理等優(yōu)點，在農(nóng)村分散生活污水上已有成功應(yīng)用[9]。本文應(yīng)用Green Origio生態(tài)處理系統(tǒng)處理微污染景觀水，考察該系統(tǒng)對小型河湖區(qū)微污染景觀水的水質(zhì)提升和維系作用。

1 Green Origio生態(tài)處理

1.1 GreenOrigio生態(tài)系統(tǒng)的工藝流程

Green Origio生態(tài)系統(tǒng)的工藝介紹及其流程參見[9]，其中填充填料及水培植物均與[9]相同。Green Origio生態(tài)系統(tǒng)由TANK1和TANK2兩個罐體構(gòu)成。TANK1為封閉式，TANK2為開放性體系，兩者均為不透水的圓柱形結(jié)構(gòu)。TANK1內(nèi)置立式填料網(wǎng)，供厭氧菌掛膜生長。內(nèi)部環(huán)形水流，柱體側(cè)邊進(jìn)水，環(huán)形繞流一周后，進(jìn)入中部。TANK2為開放式，當(dāng)水流從TANK1泵出，從TANK2圓柱體一側(cè)邊進(jìn)入，仍然為環(huán)形繞流，繞行一周后從中部出水。TANK2箱體內(nèi)置低功率穿孔曝氣機(jī)，補(bǔ)充箱體含氧量，供根際植物呼吸代謝。TANK2種植水生植物花葉蘆竹、西伯利亞鳶尾、黃菖蒲、再力花和美人蕉等，箱體內(nèi)置填料網(wǎng)，供好氧菌掛膜生長，同時固定植物根系。

1.2 試驗水質(zhì)

湖區(qū)面積約400 m2，Green Origio生態(tài)處理系統(tǒng)通過提升水泵，將整個湖區(qū)由靜變動，如圖1所示。整條小河劃分為六個小區(qū)域，分別用1～6的阿拉伯?dāng)?shù)字表示，兩圓圈從左至右分別是Green Origio生態(tài)處理系統(tǒng)的TANK1和TANK2。試驗分別在進(jìn)水口（inlet），TANK1中部泵水處（以 T1代替），TANK2環(huán)繞一周末端（以T2代替）和出水口（outlet）四處取樣。每個采樣點取3個平行樣。

圖1 Green Origio生態(tài)處理系統(tǒng)園區(qū)安裝示意圖Fig.1 Location Diagramof Green Origio System

1.3 分析指標(biāo)及方法

分析指標(biāo)包括CODCr、氨氮、TP、葉綠素和細(xì)胞總數(shù)，前三種常規(guī)指標(biāo)采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法測定[10]，其中COD采用重鉻酸鉀法、氨氮采用納氏試劑比色法、TP采用鉬銻抗分光光度法。葉綠素和細(xì)胞總數(shù)采用多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀HYDROLab進(jìn)行測定。對Green Origio生態(tài)處理系統(tǒng)進(jìn)水400 L/h預(yù)運行試驗，待水質(zhì)穩(wěn)定再從600、1 100 L/h進(jìn)行流速優(yōu)化試驗。根據(jù)所測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)處理湖水的最大污水負(fù)荷。系統(tǒng)預(yù)運行一個月，取樣周期為7 d，流速優(yōu)化試驗為期3個月，每一種流速下系統(tǒng)運行一個月，取樣周期為7 d。

2 結(jié)果與討論

2.1 GreenOrigio生態(tài)處理系統(tǒng)的預(yù)運行

Green Origio生態(tài)處理系統(tǒng)安裝完畢后開始取樣，取樣時間集中在4到11月，取樣周期為7 d，流量為260～400 L/h。在四處取樣點監(jiān)測系統(tǒng)水質(zhì)狀況，包括 CODCr、N－N 和 TP，從此三種水質(zhì)指標(biāo)確定系統(tǒng)何時達(dá)到穩(wěn)定運行狀態(tài)。由于園區(qū)新建，污染較輕，水質(zhì)指標(biāo)濃度偏低，CODCr低于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類水，水質(zhì)波動不明顯，故視為穩(wěn)定出水。重點監(jiān)測N－N和TP在預(yù)運行中的處理效果，保證穩(wěn)定的出水濃度值和去除率。

圖2 系統(tǒng)預(yù)運行時N－N的處理效果Fig.2 N－N Concentrations during Pretreatment

2.2 系統(tǒng)正常運行時對N-N和TP的去除效果

Green Origio生態(tài)處理系統(tǒng)經(jīng)過前期預(yù)運行，出水效果穩(wěn)定。隨后提高系統(tǒng)的進(jìn)水負(fù)荷，進(jìn)行了系統(tǒng)最大進(jìn)水負(fù)荷的監(jiān)測試驗。系統(tǒng)正常運行時，N－N 的進(jìn)水負(fù)荷分別在 0.016 5～0.050 9 mg/L·h之間波動，TP 的進(jìn)水負(fù)荷在 0.033～0.039 5 mg/L·h之間波動，流速按照600和1 100 L/h運行，水力停留時間（HRT）分別按照10和20 h進(jìn)行穩(wěn)定運行試驗。每一種工況運行一個月，取樣周期為7 d，試驗數(shù)據(jù)采用平均值分析檢測結(jié)果。

圖3 系統(tǒng)預(yù)運行時TP的處理效果Fig.3 TP Concentrations during pretreatment

圖4 不同水力停留時間下NN的處理效果Fig.4 N-N Concentrations at Different HRT

其次分析TP的變化。由圖5可知湖區(qū)TP進(jìn)水濃度受暴雨影響，略有差別。當(dāng)HRT為20 h時，進(jìn)水濃度偏低，在這種情況下，低流速去除率仍然高于高流速去除率。當(dāng)HRT分別為20和10 h時，出水濃度分別為0.18和0.19 mg/L，均滿足地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)湖、庫區(qū)Ⅴ類水。分析得出在總磷進(jìn)水濃度較低時，小河水體得到了進(jìn)一步的優(yōu)化。隨著流速的提高，去除率降低，這說明進(jìn)水濃度偏低時，系統(tǒng)中植物和微生物仍然可以把磷當(dāng)成營養(yǎng)元素吸收，去除能力隨著流速的提升有下降趨勢。

2.3 系統(tǒng)正常運行時對葉綠素和細(xì)胞總數(shù)的去除效果

系統(tǒng)穩(wěn)定運行期間，為了防止湖區(qū)水質(zhì)富營養(yǎng)化，選取葉綠素和細(xì)胞總數(shù)兩參數(shù)，考察系統(tǒng)對二者的處理水平。使用多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀HYDRO Lab對四處取樣點進(jìn)行葉綠素和細(xì)胞總數(shù)測定，周期7 d，根據(jù)儀器的準(zhǔn)確度和誤差范圍，擬采用濃度變化趨勢反映Green Origio生態(tài)處理系統(tǒng)對葉綠素和細(xì)胞總數(shù)的去除。

如圖6所示在系統(tǒng)穩(wěn)定運行期間，葉綠素去除效果顯著。雖然進(jìn)水葉綠素濃度不穩(wěn)定，但出水濃度逐漸遞減。根據(jù)出水葉綠素濃度可得出水水質(zhì)走勢多項式趨勢線斜率為負(fù)，走勢良好。而葉綠素是湖區(qū)富營養(yǎng)化程度的重要參數(shù)之一，由此可以標(biāo)志Green Origio生態(tài)處理系統(tǒng)對葉綠素有去除潛力。

圖6 葉綠素隨時間變化示意圖Fig.6 Chlorophyll Changes with Time

從Inlet到TANK1是葉綠素降低的主要階段。由圖6可知幾乎每個時間點都可以去除50%以上。葉綠素的去除相應(yīng)的表征了藻類的部分去除，而藻類的生物去除途徑主要包括以下幾種：生物膜的吸附和附著，微生物對藻類的氧化分解、顆粒填料的機(jī)械去除藻類和生物絮凝作用、原生動物對藻類的捕食作用、脫落生物膜對藻類的絮凝沉淀作用。在本階段，柱形濾料網(wǎng)附著生物膜，生物膜對藻類起到絮凝作用和氧化分解作用，另外生物膜對藻類的吸附和附著作用也會起到一定的去除作用。從TANK1到TANK2，植物龐大的根系對藻類的去除也可以解釋為什么葉綠素迅速下降。植物根系盤根錯節(jié)，產(chǎn)生數(shù)量巨大厭氧和好氧微環(huán)境，豐富了生物種類的多樣性，不僅有好氧、厭氧和兼性厭氧細(xì)菌、真菌生物，還由于生物的多樣化，原生動物也可生存其中，甚至有水生的螺類和少數(shù)軟體動物，增加了對藻類的捕食作用。

如圖7所示在系統(tǒng)穩(wěn)定運行期間，細(xì)胞總數(shù)明顯減少。在水質(zhì)濃度偏低的情況下，湖水中主要生長低等生物，低等生物包括所有藍(lán)綠藻，所以以細(xì)胞總數(shù)的變化間接反映了藍(lán)綠藻的變化。由圖7可知細(xì)胞總數(shù)從inlet到outlet，減少趨勢明顯。而且出水細(xì)胞總數(shù)隨著時間的延長，有逐漸降低的趨勢。在藍(lán)綠藻占湖水中總生物比例不變的情況下，間接反映了藍(lán)綠藻的數(shù)量明顯減少，而且沒有受到進(jìn)水水質(zhì)變化的影響，出水細(xì)胞總數(shù)濃度穩(wěn)定在低值。

圖7 細(xì)胞總數(shù)隨時間變化示意圖Fig.7 Phycocyanin Changes with Time

由以上可知在CODCr較低情況下，HRT分別為20和10 h時，氨氮可以從地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ類、Ⅲ類水，降解至0.06 mg/L，滿足地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)。TP出水濃度分別為0.18和0.19 mg/L，均滿足地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)湖、庫區(qū)Ⅴ類水。TP的控制濃度應(yīng)該和當(dāng)?shù)氐乃|(zhì)量保護(hù)相關(guān)[11]。封閉湖水極易發(fā)生富營養(yǎng)化，許多湖泊中營養(yǎng)物質(zhì)的積累是由出水控制的[12]。以葉綠素和細(xì)胞總數(shù)兩參數(shù)表征富營養(yǎng)化程度，監(jiān)測結(jié)果表明Green Origio生態(tài)處理系統(tǒng)對葉綠素和細(xì)胞總數(shù)有明顯的去除效力。

3 結(jié)論與建議

（1）Green Origio生態(tài)處理系統(tǒng)對景觀水能夠起到維持水質(zhì)，以及進(jìn)一步優(yōu)化水質(zhì)的作用。經(jīng)過系統(tǒng)處理后，氨氮能夠滿足地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)，TP能夠滿足地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)湖、庫區(qū)Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，并且該系統(tǒng)對葉綠素和細(xì)胞總數(shù)也具有明顯的去除效果。

（2）為保證出水水質(zhì)的穩(wěn)定性，Green Origio生態(tài)處理系統(tǒng)安裝完畢后，在低濃度景觀水進(jìn)行調(diào)試時，建議進(jìn)行至少一個月預(yù)運行。

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