3種天然材料改造直立式護岸對河道水質凈化能力的影響

吳鳳環,潘偉斌,王照宜(華南理工大學環境與能源學院,廣東廣州510006)

3種天然材料改造直立式護岸對河道水質凈化能力的影響

吳鳳環,潘偉斌,王照宜
(華南理工大學環境與能源學院,廣東廣州510006)

在具有直立式護岸的人工模擬河道中,把蠔殼、竹片和椰殼纖維墊3種天然材料分別直接覆蓋在護岸表面,以研究其對提高河道自凈能力的影響。結果表明：試驗啟動21 d后,3種材料覆蓋后河道COD去除率分別達到93%,74%,94%,高于對照組的60%；NH3-N的去除率均達到95%,高于對照組的59%；NO-3-N質量濃度在3種材料護岸和對照護岸分別升高至5.9mg/L,5.0mg/L, 5.8mg/L和3.9mg/L,而TP去除率分別達到71%,37%,78%,對照組為64%,3種材料對提高河道水質凈化能力均有明顯效果。竹片表面附著的微生物磷脂含量和脫氫酶活性最大,分別為12 nmol/cm和45.0μg/(mL·h),分別是蠔殼的3.4和1.6倍,是椰殼纖維墊的4.8和4.5倍,3種天然材料均能為微生物附著生長和繁殖提供空間,促進河道中污染物的降解。

直立式混凝土護岸；蠔殼；竹片；椰殼纖維墊；河道自凈能力；人工模擬河道；水質凈化試驗

隨著城市化的發展,很多河流被渠化,用混凝土襯砌將渠道封閉后,河中生物、微生物由于失去了賴以生存的環境而難以存活,河流原有的生態系統遭到破壞,水體自凈能力降低[1-2],因此,以最小的工程代價對現有的渠化護岸進行生態改造、恢復河流自凈能力具有重要現實意義。針對直立式混凝土護岸,考慮到既不大規模改造其護岸結構,又不顯著減少河道過水斷面,在硬質護岸基礎上進行生態修復是當前的研究重點[3]。在目前已有的護岸改造新技術中,比較適合應用在直立式護岸的技術有：鐵絲網與碎石復合種植基[4]、仿木樁護岸[5]、石籠護岸、山石護岸、土壤固化劑等。筆者建立人工模擬河道,在河道直立護岸上覆蓋天然材料,通過分析蠔殼、竹片和椰殼纖維墊3種天然材料對護岸凈化水質的效果及對材料附著微生物的影響,為選擇合適的材料對直立式混凝土護岸進行生態改造,提高河道自凈能力提供理論依據和實踐參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

在護岸覆蓋懸掛的材料是水質凈化的關鍵,需在不影響河流原有使用功能的基礎上實現水質凈化。生態護岸材料需要符合以下要求：不影響河流泄洪、排澇功能,屬于自然生態材料,具有生物親和性,表面粗糙,比表面積大。因此,選擇蠔殼、竹片和椰殼纖維墊等3種天然材料為生態護岸的實驗材料。

蠔殼的物理構造為角質層、棱柱層、珍珠層組成,蠔殼表面主要是葉片結構,含大量互相連通的2～10μm微孔,具有較強的吸附能力,已經作為一種吸附劑被用作染料廢水及生活污水的處理[6]。從海鮮市場收集廢棄蠔殼,用水將蠔殼表面泥沙和附著物洗凈,用鐵絲把粗糙面向外的蠔殼固定在護岸邊壁。

我國竹類資源豐富。竹子因其成本低,可再生,環境污染低,可自身降解,已經成為水處理材料的研究熱點。竹子材質天然,具有良好的生物親和性[7],是一種具有應用潛力的材料,目前以竹纖維為原料制備成的新型竹纖維生物膜載體對水處理的效果比較穩定[8]。從市場購買竹子,截成0.2m長的竹筒,從中部剖開成兩半,洗凈后使竹片凸面向外垂直固定在護岸邊壁。

椰殼纖維是椰子果實的副產品,可通過機械加工處理得到。椰殼纖維具有粗細適中、長度范圍合理、重量輕、強度高、彈性好、透水性強的特點,容易形成密集而大小合理的網孔結構,動植物在網孔中生長,網孔能創造一個透氣、保水、調溫的環境,可以為其生長提供良好的條件,纖維含水性好,5年之內不腐爛,適合用于湖泊、河流和水渠護岸。把椰殼纖維墊裁剪成寬0.2m的條狀直接敷蓋在河道的直立邊壁,用夾子固定。

將3種天然材料(20 cm×10 cm)分別置于1 000 mL清水中浸泡5 d,考察材料對有機物、NH3-N和TP的溶出特性。蠔殼、竹片和椰殼纖維墊溶出COD的質量濃度分別是14mg/L,27mg/L,41mg/L,溶出NH3-N的質量濃度分別是0.8mg/L,0.8mg/L,2.5 mg/L,溶出TP的質量濃度分別是0.09mg/L,0.8 mg/L,0.8mg/L。可以看出,用清水浸泡3種材料后均會溶出天然有機物質和氮磷營養鹽。

1.2 河道模擬裝置

試驗所使用的河道模擬裝置依據國內外對河工模型制作經驗設計,并進行了驗證試驗。由驗證試驗結果分析可知,本系統中的河工模型能夠較好地模擬原型河道,有一定的實用性,具體設計和驗證過程見文獻[9]。該裝置根據城市河道直立式混凝土護岸的構筑形態、河流流量、流速,采用相似原理設計成U形河道模型,模擬河道采用不銹鋼板制成,垂直邊壁與河床的粗糙系數較小,符合實際河道特征。河道長6.08m,寬0.45m,高0.20m,有效水深0.09m,彎道半徑0.375m,有效容積0.22m3,兩直段的端部分別為進水口和出水口,進水口設置布水板,均勻布水,采用溢流堰出水。河道模擬裝置見圖1。

圖1 河道模擬裝置平面圖(單位：mm)

1.3 試驗方法和原水水質

取珠江廣州市番禺區新造河段的河水作為試驗用水,在模擬河道中循環流動,共進行3個周期(每個周期7～10 d)的實驗,1個周期結束后更換河水。采用自然掛膜,第1周期為材料的掛膜啟動階段,第2、3周期為模擬河道運行階段。采用4個相同的模擬裝置,其中1個不放置材料作為空白對照組,其他3個分別放入蠔殼、竹片和椰殼纖維墊,作為護岸邊壁材料的試驗組。進水流量為1 000 L/h,流速為0.7 cm/s,原水水質范圍：籽(COD)為16.26～21.26mg/L,籽(NH3-N)為4.10～7.01mg/L,籽(TP)為0.18～0.45 mg/L,pH值為7.26～7.40,水溫為19～22℃。

1.4 分析項目及方法

選取的水質檢測指標主要有COD、NH3-N、NO-3-N、TP,生物指標主要有生物量和脫氫酶活性。水質指標測定COD采用重鉻酸法,NH3-N采用納氏試劑光度法,NO-3-N采用紫外分光光度法,TP采用鉬銻抗分光光度法;取出河道材料,用無菌刷把其表面附著的生物膜刮下制成附著微生物樣品[10],采用磷脂法[11]和三苯基四氮唑氯化物比色法[12]分別測定生物量、脫氫酶活性。采用SPSS 11.0軟件,使用單因素方差分析對數據進行顯著性分析(P＜0.05差異顯著),采用Origin 8.0軟件和Excel軟件進行繪圖及圖件制作。

2 結果與討論

2.1 水質凈化效果

2.1.1 有機物的去除效果

3種護岸材料對有機污染物的去除情況見圖2。由圖2可見,隨著試驗時間的延長,護岸對有機物的凈化效果更加明顯,第3周期運行6d后,蠔殼、竹片和椰殼纖維墊護岸對水體COD的去除率分別由第2周期第7天的72%,36%,79%提高至93%,74%, 94%;而相同條件下對照組在兩個時期去除率分別是57%和60%。其中蠔殼和椰殼纖維墊護岸的凈化效果較好,顯著高于對照(p＜0.05),可能是由于蠔殼和椰殼纖維表面粗糙,對有機污染物有較大的攔截、吸附和過濾作用。微生物生長與繁殖所需要的碳源與能源由有機物供給,因此會消耗水中有機物[13],第2周期試驗運行的第2天,竹片自身溶出的天然有機物大于微生物降解或吸附去除的有機物,COD去除率先下降后上升,可以看出竹片覆蓋的護岸對水體有機物有凈化效果。雖然椰殼纖維墊有機物的溶出量也很高,其吸附能力卻較強,因此對COD的去除率較高。

2.1.2 對NH3-N和NO-3-N的去除效果

3種護岸材料對NH3-N的凈化效果如圖3。由圖3可見,試驗初期,NH3-N均有明顯的下降,這與NH3-N的揮發特性有關[14],3種材料與對照間去除率差別不大,隨著運行時間的延長,覆蓋材料的護岸優勢開始體現,因為生物膜逐漸形成,除了材料的物理化學吸附,材料表面微生物的硝化和反硝化作用逐漸增強[15],NH3-N的去除率也逐漸增高,第2周期5 d后蠔殼、竹片、椰殼纖維墊試驗組NH3-N去除率分別達到84%,90%,81%,高于對照組的74%。第3周期第6天3種材料護岸對NH3-N的去除率均接近95%,而對照組只有59%,顯著性分析結果顯示,覆蓋材料的護岸在第3周期前5 d對NH3-N去除率顯著高于對照(p＜0.05)。整體上3種材料護岸對NH3-N的去除效果由高到低依次是竹片、蠔殼和纖維墊。

圖2 不同周期不同護岸材料對COD的去除率

圖3 不同周期不同護岸材料對NH3-N的去除率

水中NH3-N濃度下降時,-N濃度在升高。由圖4可見,試驗第3周期,對照組N濃度上升得最慢,可能因為材料表面形成的生物膜微生物硝化作用比較強,在有氧條件下,NH3-N在硝酸菌的作用下被進一步氧化成-N[16],在第4天蠔殼、竹片和椰殼纖維墊護岸的水體中N質量濃度由原水的2.8mg/L分別提高至5.9mg/L,5.0mg/L和5.8mg/L,對照組為3.9mg/L。3種材料護岸的河水中-N濃度均先快速升高,4 d后在蠔殼與椰殼纖維墊護岸平緩地下降,5 d后在竹片護岸快速下降,試驗結束時蠔殼、竹片、椰殼纖維墊和對照組-N的質量濃度分別是5.9mg/L,2.3mg/L,5.7 mg/L和5.8mg/L。一些研究發現,微環境的存在是硝化和反硝化同時發生的主要原因,在一定厚度的生物膜上,因為氧無法滲透,生物膜內部形成厭氧環境,因此隨著時間的延長,材料上的生物膜內部形成厭氧環境發生反硝化作用[17],使蠔殼、椰殼纖維墊和竹片河道的-N濃度逐漸降低。可能由于竹片附著生物膜厚度較大,膜內反硝化作用較強,對N的去除效果最好。

圖4 第3周期不同護岸材料對-N的凈化效果

2.1.3 對TP的去除效果

3種材料護岸對TP的去除效果如圖5所示。第2和第3周期實驗前4天,蠔殼、竹片和椰殼纖維墊護岸對TP的去除率分別達到68%,15%,80%和71%,37%,78%,相同條件下對照組為61%和64%,分析結果顯示對照組對TP的去除率與竹片、椰殼纖維護岸有顯著差異(p＜0.05),與蠔殼護岸差異不明顯(p＞0.05),可以看出,椰殼纖維墊的凈化效果最好。一些研究[18]發現TP的去除主要依靠材料對吸附在懸浮顆粒的磷進行攔截,使其沉入水底,加上試驗水體流動較慢,在一定程度也減少了沉入水底的磷的釋放。隨著裝置運行時間的延長,對照組中TP去除效率逐漸增高,主要是由于河流泥沙沉淀作用,降低了水中TP濃度。竹片護岸在試驗2～3 d后,水中TP的濃度開始升高,隨后微生物生長和代謝消耗水中溶解性磷,當消耗的磷濃度大于竹片溶出磷物質時,TP的濃度逐漸降低,說明竹片護岸對于水質也有凈化作用。

2.2 3種材料附著生物量和生物活性比較

2.2.1 附著生物量

附著生物量是描述材料上附著微生物特性的重要參數。3種材料上附著生物量的變化情況見圖6。由圖6可見,竹片的附著微生物磷脂含量最大,與蠔殼和椰殼纖維墊有顯著差異(p＜0.05),達到12 nmol/cm,試驗前期竹片上附著生物量增長較明顯,到第9天突然下降,可能是由于中途換水,導致生物膜脫落。蠔殼和椰殼纖維墊上附著的生物量低于竹片,僅為3.5nmol/cm和2.5nmol/cm,而且變化趨于平緩。3種材料均為可生物降解的天然材料,為微生物的生長和繁殖創造了有利的條件,以材料為載體,通過護岸材料的物理吸附過濾作用[19-21],聚集較高的生物量進行有機物降解、氨化和硝化等生化作用,達到提高水體自凈能力的目的[14]。

圖5 不同周期不同護岸材料對TP的凈化效果

圖6 附著生物量變化情況

2.2.2 附著微生物活性

生物處理的凈化作用效果主要決定于生物量與生物活性[22],生物量只能反映微生物量的多寡,不能反映其活性,本研究選擇脫氫酶活性[23]作為反映微生物活性指標。3種材料的附著微生物脫氫酶活性見圖7。竹片上附著的微生物活性最大,與其生物量相對應,其次是蠔殼,兩者在第9天呈現快速增長趨勢,15 d后分別達到45.0μg/(mL·h)和28.6 μg/(mL·h)。椰殼纖維墊上的附著微生物活性一直處于緩慢上升狀態,到第9天基本不發生變化,穩定為10.0μg/(mL·h)。竹片含有較高的附著微生物量和活性,有利于水中的NH3-N和NO-3-N的去除[24],但是蠔殼和椰殼纖維墊對水中COD和TP的去除效果卻比竹片好,一方面可能與材料表面特性有關,前兩者通過吸附作用去除污染物的作用較強;另一方面在水體修復中,N、P是限制微生物活性的重要因素,適當增加污染環境中微生物所需要的成分,可促使土著微生物迅速增長[25],由于在試驗周期內竹片本身釋放出營養物質在供微生物生長同時,也增加了水中有機物和營養物的濃度。一些研究[26]還表明某些生物膜結構不同會導致微生物活性不同,本研究中竹片表面附著的微生物活性高,這可能與材料的結構和性質對某些活性較高的微生物具有較強的親和性有關[27],具體原因需進一步研究探討。

圖7 附著微生物脫氫酶活性

3 結論

a.采用蠔殼、竹片和椰殼纖維墊3種天然材料作護岸對提高水質自凈能力均有一定效果。第3個周期運行6 d后,3種材料覆蓋的護岸對COD的去除率分別是93%,74%,94%,高于對照組的60%;第3周期運行5 d后,3種材料NH3-N的去除率均接近95%,高于對照組的59%;NO-3-N的質量濃度在第3周期第4天分別上升為5.9mg/L,5.0mg/L和5.8mg/L,對照組為3.9mg/L,試驗結束時分別又達到5.9mg/L,2.3mg/L和5.7mg/L,對照組為5.8 mg/L;TP在模擬裝置運行的第3周期4 d后的去除率分別達到71%,37%,78%,對照組為64%。

b.3種材料表面附著的微生物磷脂含量和活性存在差異,竹片上附著微生物磷脂含量最大,最高達到12 nmol/cm,蠔殼和椰殼纖維墊上附著的生物量顯著低于竹片,為3.5 nmol/cm和2.5 nmol/cm。竹片上附著的微生物脫氫酶活性最大,其次是蠔殼,第3周期15d時分別達到45.0μg/(mL·h)和28.6 μg/(mL·h),而椰殼纖維墊附著的生物活性穩定為10.0μg/(mL·h),3種天然材料均能為微生物附著生長和繁殖提供空間,促進污染物的降解,相對于蠔殼和椰殼纖維墊,竹片更易于富集微生物。

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Influences of three naturalmaterials on self鄄purification capacity of rivers w ith vertical revetments

WU Fenghuan,PAN W eibin,WANG Zhaoyi
(College of Environment and Energy,South China University of Technology,Guangzhou 510006,China)

In order to study the influences of three naturalmaterials(oyster shells,bamboo pieces,and coirmats) on improvement of the self-purification capacity of riverswith vertical revetments,these naturalmaterialswere used to cover the surface of the vertical revetment in an artificial river.The results show that,after the experiments lasted for 21 days,the removal rates of COD with the three kinds of revetments reached 93%,74%,and 94%, respectively,higher than the level of60%in the control river.The removal rates of NH3-N with the three kinds of revetments all reached 95%,higher than the level of 59%in the control river.The concentrations of NO-3-N with the three kinds of revetments increased to 5.9 mg/L,5.0 mg/L,and 5.8 mg/L,respectively,while that in the control river increased to 3.9 mg/L.The removal rates of TP with the three kinds of revetments reached 71%, 37%,and 78%,respectively,while that in the control river reached 64%.The three kinds of revetments played a significant role in improving the self-purification capacity of the river.The lipid phosphorus content and dehydrogenase activity(DHA)of themicrobial film on the surface of bamboo pieces were 12 nmol/cm and 45.0 μg/(mL·h),respectively,3.4 and 1.6 times higher than those of oyster shells,and 4.8 and 4.5 times higher than those of coirmats,respectively.These three naturalmaterials can provide a habitat formicrobial growth and reproduction,and can promote the degradation of pollutants in rivers.

vertical concrete revetment;oyster shells;bamboo pieces;coir;river self-purification;artificial river; water purification experiment

X171.4

A

1004 6933(2014)05 0032 06

2014 04 21編輯：徐娟)

10.3969/j.issn.1004 6933.2014.05.006

吳鳳環(1988—),女,碩士研究生,研究方向為生態工程與環境修復。E-mail：wufenghuan3721@163.com

潘偉斌,副教授。E-mail：ppwbpan@scut.edu.cn