地表水的生物基浮床原位強化凈化技術

李曉雅，崔康平，許為義，洪天求，慈曾福，王 斌

(1．合肥工業大學資源與環境工程學院，安徽合肥 230009;2．合肥市排水管理辦公室，安徽合肥 230001)

近年來，我國地表水體氮磷超標造成了地表水的富營養化和水生系統的破壞，嚴重制約了經濟和社會的發展［1-4］。生態浮床技術能夠很好地去除水體的氮磷等營養元素，且具備原位修復能力，成本低，維護簡便，植物資源可作為食品和飼料回收再利用、不產生二次污染等優點［5-8］。但傳統的生態浮床，主要依靠水生植物吸收水體中的氮磷和有機質，其凈化效果易受植物生長期和生物量的限制。本試驗在普通浮床的基礎上，充分利用“生物強化理論”，構建了由植物、填料和微生物構成的組合型人工浮床，模擬其對河道水體的凈化作用，為地表水氮磷的凈化作用提供科學依據。

1 材料與方法

1．1 供試植物

綜合考慮植物的凈化能力、成活率、景觀價值等，對比常用浮床植物資料，確定選取鳶尾、菖蒲、千屈菜、傘草和美人蕉五種浮床植物作為研究對象。試驗用植物取自巢湖濕地，選取生長狀況良好，長勢較為均勻的植株清洗后在原水中預培養兩周，原水取自南淝河某城市污水處理廠排水口下游50 m河水。

1．2 生物基

試驗用硝化菌、反硝化菌、氨化細菌來自某城市污水處理廠回流井的污泥，經篩選富集而得［9-12］。竹炭經研磨，過100目篩子，用蒸餾水反復洗滌烘干，放入干燥器中冷卻至室溫，密封保存備用。以1．5%海藻酸鈉加CaCO3粉末為包埋體，添加竹炭為固定載體，菌體以1∶1∶1的比例混合制得生物基，使所得生物基同時具備包埋法和吸附法的雙重特點［13］。

1．3 試驗裝置

圖1 試驗裝置Fig．1 Diagram of Experimental Facility

試驗裝置的主體部分由厚0．8 cm的有機玻璃制成，水槽尺寸為50 cm×15 cm×12 cm。距離水槽5 cm處設置一段溢流堰，有效水深為10 cm，如圖1所示。植物依托浮板固定在水槽內，生物基以尼龍網固定在植物根系附近。該試驗包括11個試驗水槽，其中1#～5#分別為放置鳶尾、菖蒲、千屈菜、傘草和美人蕉五種浮床植物及適量生物基的組合浮床，6#～10#為放置等量的鳶尾、菖蒲、千屈菜、傘草和美人蕉的普通浮床，11#為水體自然降解的空白對照，植株密度為100株/m2。設置試驗水槽左端進水，右端出水，通過調節進出水流量設定各試驗水槽的水體交換時間為3 d。原水中 TN為5．85～6．12 mg/L、NH3-N 為 5．14 ～ 6．01 mg/L、TP 為0．31～ 0．44 mg/L、COD 為 42 ～ 55 mg/L、pH 為7．3。為避免天氣(主要是雨水)的影響，在自然溫度下進行室內試驗。試驗過程中，由于蒸發，植物吸收及蒸騰作用會導致水量減少，每日用蒸餾水及時進行補充，確保總水量不變。

1．4 水樣采集及測試方法

試驗時間自馴化后的植物移栽入水槽開始計算，開始時間為2014年4月15日，結束時間為2014年5月1日。試驗中選取具有代表性的植株，觀察記錄植物的生長情況。前6 d，每天上午10:00取樣，之后，每2 d在同一時間段內取樣一次。每次均在水槽的上部、中部和下部固定位置取樣并混合均勻，以消除取樣誤差，取樣體積為100 mL，測試水質指標。水質項目包括進出水的 TN、NH3-N、TP、COD，測定方法均為國家標準方法［14］。

2 結果與分析

2．1 植物生長狀況

試驗前后植株生長情況如表1所示。

表1 植株試驗前后生長情況Tab．1 Plant Growth State of Pre-Experiment and Post-Experiment

由表1可知試驗中各組植物生長良好，美人蕉生長旺盛，呈墨綠色，根莖葉均得到良好發育。株高生長率達到32．2%，根長生長率達到96．5%，有較多新根出現，根須纖長，且白而密，是四種植物中根長增長最多的植物。鳶尾水面以上部分生長率為17．2%，長勢良好，葉色呈鮮綠色，根長生長率達68．8%，根狀莖粗壯，新生長出的根須較美人蕉更堅韌。菖蒲株高生長率達40．5%，外皮黃褐色，稍扁，具芳香氣味，根長生長率為80．8%，新生根呈毛發狀。千屈菜莖直立，多分枝，但在試驗水體中株高只增加了4．4%，根長增加了12．9%，是5種供試植物中長勢最弱的，因培養期間出現了病蟲害。傘草莖桿挺直，細長的葉片簇生于莖頂成輻射狀，試驗期間株高增加了22．1%，根長增加了37．9%，長勢旺盛。試驗結束后，5種植物繼續在水中培養，生長狀況良好，后期陸續開花。

2．2 2種浮床對水體凈化作用

2．2．1 對TN的凈化效果

2種浮床對TN的凈化效果如圖2、圖3和表2所示。

圖2 組合浮床對TN的去除效果Fig．2 Effect of Combined Floating Bed on TN Removal

圖3 普通浮床對TN去除效果Fig．3 Effect of Ordinary Floating Bed on TN Removal

表2 不同試驗條件下五種植物對水體TN的去除率Tab．2 Removal Rates of TN by Five Plants under Different Experimental Conditions

由圖2、圖3和表2可知隨著處理時間的延長，TN均有所下降，試驗進行到第10 d，水體TN趨于平穩。其中5種未添加生物基的普通生態浮床的出水TN介于2．36～3．58 mg/L;而添加了生物基的浮床的出水TN介于0．81～1．2 mg/L。千屈菜去除效果略差，根據《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)，可知其他四種組合生態浮床出水TN可達Ⅲ類標準要求，其中生物基和美人蕉的聯合作用對TN的去除率最大，達到了86．5%。在浮床系統中，植物根系發揮了巨大作用，一方面通過截留、過濾去除污染物;另一方面，網狀結構的根系為微生物提供了良好的生存環境，故根系較發達的美人蕉、菖蒲和鳶尾對TN有較大且穩定的去除率。空白對照組最終的TN去除率為28．9%。去除水體中氮通過沉積、植物吸收、生物硝化和反硝化等途徑實現，其中生物硝化和反硝化是一條主要途徑［15］，而元素本身的降解、沉淀、固結、揮發等均能降低自身的濃度，使污水得到凈化［16］，因此對照中的TN亦有所下降。

2．2．2 對NH3-N的凈化效果

2種浮床對NH3-N的凈化效果如圖4、圖5和表3所示。

圖4 組合浮床對NH3-N的去除效果Fig．4 Effect of Combined Floating Bed on NH3-N Removal

圖5 普通生物浮床對NH3-N的去除效果Fig．5 Effect of Ordinary Floating Bed on NH3-N Removal

表3 不同試驗條件下5種植物對水體NH3-N的去除率Tab．3 Removal Rates of NH3-N by Five Plants under Different Experimental Conditions

氨化細菌可把部分有機氮轉化為NH3-N，NH3-N的主要去除途徑是硝化和反硝化作用的連續反應及植物的吸收作用。由圖4、圖5可知空白對照組和2類生態浮床的NH3-N均呈不同程度的下降趨勢。其中空白對照組的最終NH3-N為3．97 mg/L，仍處于較高水平，可見水體自凈能力有限。未添加生物浮基的普通浮床的NH3-N為2．16～3．22 mg/L;添加生物基的浮床的NH3-N為0．35～1．15 mg/L。除千屈菜以外，其他4種組合浮床的出水NH3-N均達Ⅲ類標準要求。由表3可知生物基和美人蕉的組合浮床對NH3-N的去除率最大，達到93．7%。添加生物基以后，對NH3-N的去除率平均提高了34．5%，這說明系統中的微生物群體起到了很好的去除NH3-N的作用。處理初期，水體溶解氧含量較高，硝化作用占據主導地位，NH3-N下降較快，隨著溶解氧的逐漸減少及NH3-N的下降，硝化作用減弱，在氨化細菌的作用下，NH3-N曲線呈上升后趨于平穩趨勢。

2．2．3 對TP的凈化效果

兩種浮床對TP的凈化效果如圖6、圖7和表4所示。

圖6 組合浮床對TP的去除效果Fig．6 Effect of Combined Floating Bed on TP Removal

圖7 普通生態浮床對TP的去除效果Fig．7 Effect of Ordinary Floating Bed on TP Removal

表4 不同試驗條件下5種植物對水體TP的去除率Tab．4 Removal Rates of TP by Five Plants under Different Experimental Conditions

磷可通過以下3種方式去除:一是磷酸鹽沉降并固結在載體表面;二是植物對可溶性磷的吸收;三是固定化菌體的吸收利用。由圖6、圖7可知隨著時間的延長，TP總體呈下降趨勢，在第7 d前后，達到最小濃度。未添加生物基的普通浮床的TP為0．21～0．32 mg/L;添加了生物基的組合浮床的TP為0．09～0．23 mg/L。其中美人蕉組合浮床對TP的去除效果達到了Ⅱ類水體要求。菖蒲、鳶尾、傘草三種組合浮床對TP的去除效果達到Ⅲ類標準要求。由表4可知添加生物基以后，TP的去除率平均提高了34．0%，可以認為是生物基中的竹炭發揮了吸附作用，另外部分細菌的生長繁殖也要消耗一部分含磷物質。

2．2．4 COD 的凈化效果

不同試驗條件下的COD去除效果如圖8所示。

COD是衡量水中有機物質量濃度的指標，所以COD質量濃度越大，污染越嚴重［17］。由圖8可知，5種植物對COD都有一定的去除作用，以美人蕉為最佳。組合浮床中，COD主要通過微生物降解、植物吸收、無機載體吸附等形式去除。添加了生物基的美人蕉、鳶尾和菖蒲去除COD的效果比較好，出水水質達到Ⅲ類水體要求。而傘草和千屈菜對COD的去除效果稍遜色。

3 結論與討論

圖8 不同試驗條件下的COD去除效果Fig．8 Effect of Five Plants on COD Removal under Different Experimental Conditions

(1)鳶尾、菖蒲、千屈菜、傘草和美人蕉均能適應受污染水體，都能有效吸收水體中的氮磷等污染物質。5種植物構建的普通生態浮床對TN、NH3-N、TP和COD的平均去除率分別為51．1%、51．2%、28．4%和43．6%，其中以美人蕉為最佳，菖蒲、鳶尾、傘草次之，千屈菜最差。

(2)添加了生物基以后的組合生態浮床，可明顯提高對水質的凈化效果，5種組合生態浮床對TN、NH3-N、TP和 COD的平均去除率分別為84．1%、85．6%、62．6% 和 72．4%，其中生物基與美人蕉、鳶尾、菖蒲的組合系統，可使出水水質達到Ⅲ類水體要求，美人蕉-生物基對TP的去除效果達到Ⅱ類水體要求。

(3)當植物生長時，通過根系為微生物提供必要的生活場所。同時，微生物的生長繁殖，增強了對污染物的降解，為植物提供了更加優越的生長空間，試驗中添加的竹炭也起到了吸附作用，植物-微生物-無機載體聯合體系促進了污染物的快速降解、轉化。該原位修復技術可有效去除地表水中的氮磷等營養物質，又可美化水域景觀，若能加人工曝氣或進行合理的浮床植物組合，相信會有更好的處理效果。

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