復合浮床對農家樂污水污染物的去除效果

孫鵬　崔康平　許為義

摘要：為研究不同類型復合浮床對農家樂污水的凈化效果，通過構建纖維填料浮床（A）、彈性立體填料浮床（B）、傳統(tǒng)浮床（C）3種不同浮床，考察不同類型浮床對農家樂污水的凈化能力，分析其對污染物的去除轉化規(guī)律。結果表明，纖維填料浮床對于污水中的TN、NH+4-N、CODCr、TP具有較好的去除效果，去除率分別為76.5%、86.9%、819%、80.8%，明顯高于傳統(tǒng)浮床，差異顯著（P<0.05）。同時，浮床A內部的微生物量高于浮床B，可見纖維填料更利于微生物的富集。在植物吸收、填料吸附和微生物協同作用下的纖維填料復合浮床可以更高效處理農家樂生活污水。

關鍵詞：生態(tài)浮床；纖維填料；微生物量；農家樂污水

中圖分類號： X52 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0529-04

百二河水庫作為湖北省十堰市重要的飲用水水源地，其上游河段作為該地區(qū)的旅游規(guī)劃區(qū)，沿途餐飲業(yè)發(fā)展十分迅速。該地區(qū)由于處于山區(qū)，經濟發(fā)展相對落后，受限于環(huán)保意識淡薄、污水處理基礎設施缺乏及居住分散等，導致該地區(qū)大量農家樂生活污水未經任何處理而直接排入百二河河道，嚴重威脅下游百二河水庫的水質安全。因此，采取有效措施高效治理農家樂污水具有重要的現實意義[1-3]。復合生態(tài)浮床因造價低廉、運行簡單、具有較好的景觀效益等優(yōu)點，成為一種應用較廣的生態(tài)處理技術[4-7]。目前對生態(tài)浮床技術的大量研究都集中于浮床植物的的篩選以及對富營養(yǎng)化湖泊、池塘等水體的治理方面，而對于作為主體工藝處理農家樂生活污水及與纖維材料組合應用的研究較少。本研究以菖蒲與纖維填料組合構建復合生態(tài)浮床，通過立體填料浮床和傳統(tǒng)浮床對農家樂生活污水進行處理，考察其對污染水體中污染物的凈化效果，遴選出處理效果較好的浮床系統(tǒng)，以期為十堰市百二河及其周邊農村地區(qū)的分散式點源污染治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗植物

菖蒲（Acorus calamus L.），別稱白菖蒲、藏菖蒲。多年生草本，根狀莖粗壯。耐寒，忌干旱，根系為須根系，非常發(fā)達，植株再生能力較強，近年來研究發(fā)現其有較強的耐污性能，且具有良好的生態(tài)景觀和抗病毒能力，因此作為生態(tài)浮床的植物物種，廣泛用于治理污染河道、富營養(yǎng)化湖泊等。試驗植物采用陸地育苗后，移栽到置于河面上的傳統(tǒng)生態(tài)浮床上培育至生長盛期備用，菖蒲幼苗取自湖北省漢庫匯水流域水質安全保障工程人工示范基地。

1.2 試驗水體

農家樂排放生活污水水質因不同季節(jié)差異較大。試驗研究污水采用9月份百二河沿途某農家樂的化糞池出水，為了提高系統(tǒng)的抗沖擊性，在化糞池出水的基礎上輔以相應的配水，使水質調節(jié)至如表1所示。

1.3 試驗填料

試驗采用2種填料，分別是纖維填料（孔隙率為90%，比表面積為350 m2/m3）和彈性立體填料（孔隙率為95%，比表面積為150 m2/m3）。纖維填料底部具有水草條狀仿生結構，柔軟纖細，濕潤率高，有利于微生物迅速掛膜。中上部填料成立體網格條帶狀使用，垂直放置在水中，擴展立體空間和生物附著基點，作用范圍大，增加生物質傳遞，有效增強硝化和反硝化效率，水處理效果明顯增強。立體填料則是將絲條穿插固著在耐腐、高強度的中心繩上，絲條呈立體均勻排列輻射狀態(tài)，既能掛膜，又能有效切割氣泡，提高氧的轉移速率和利用率。2種填料均購自湖北山鼎環(huán)保科技股份有限公司（圖1）。

1.4 試驗方法

試驗容器是長×寬×高為80 cm×60 cm×50 cm的水箱。浮床框架采用聚乙烯泡沫板，規(guī)格為30 cm×30 cm。試驗設4組處理，每組處理設3個重復，分別為復合浮床A、復合浮床B、傳統(tǒng)浮床C和空白對照D。浮床覆蓋率約為38%，填料長度約為30 cm，密度為30串/m2。試驗裝置結構如圖2所示。試驗開始前，選取培養(yǎng)備用的菖蒲，并進行莖葉和根部修剪，使之性狀保持基本一致。同時對2種填料用生活污水進行人工掛膜，掛膜期間采用間歇式曝氣，每隔4 h曝氣1 h，水力停留時間HRT=2 d，試驗期間溫度為19～28 ℃，直至生物膜成型（約10 d左右），開始試驗。試驗開始時，復合浮床A為上方種植菖蒲，下方懸掛有纖維填料；復合浮床B為上方種植菖蒲，下方懸掛彈性立體填料；浮床C只種植植物，下方無填料；輔以空白對照D。

1.5 樣品采集和分析

試驗期間，每隔3 d采用五點法于水面下20 cm進行取樣并測定水質，并在試驗后測定水體中的細菌總量。分別在試驗開始和結束時測量菖蒲的生長狀況。水質指標TN含量、TP含量、氨態(tài)氮含量和化學需氧量的測定根據《水和廢水監(jiān)測分析方法》[8]，總氮含量采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，總磷含量采用鉬酸銨分光光度法，氨態(tài)氮含量采用納氏試劑分光光度法，化學需氧量采用重鉻酸鉀法，水中的細菌總量采用平板涂布法，菖蒲的株高和根長采用標準卷尺測定。生物量的測定采用重量法。試驗開始后每隔2～3 d用自來水補充蒸發(fā)水體保持水位。

1.6 數據分析

數據采用SPSS 17.0、Microsoft Excel 2010和SigmaPlot 12.5 軟件進行處理，并采用One-Way ANONY 分析不同處理組的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 對水體氮素去除效果分析

氨態(tài)氮是含氮有機物氧化分解的初步產物，是水體污染的重要標志之一，主要是以NH3和NH4+的形式存在，主要通過植物吸收、NH3揮發(fā)及生物硝化作用去除[9]。由圖3可知，A、B、C等3組系統(tǒng)對水中的氨態(tài)氮去除效果較好。3組系統(tǒng)氨態(tài)氮濃度分別由最初的21.4、20.8、20.6 mg/L降低到出水的2.8、5.2、8.3 mg/L，去除率分別為86.9%、75%和597%，A系統(tǒng)與空白對照D差異顯著（P<0.05），對污水中的氨態(tài)氮具有很明顯的削減作用。A的去除效果最好是因為系統(tǒng)內部有更豐富的微生物，而微生物是水體污染物凈化的主要參與者。同時，菖蒲發(fā)達的根系向水體中傳遞更多的氧，為硝化反應提供了必要條件，氨態(tài)氮的去除率與水體中的溶解氧呈正相關關系[10]。另外，植物對氨態(tài)氮存在一定量的吸收，植物能夠直接利用水體中游離的氨態(tài)氮合成自身所需物質，在一定程度上降低了水中氨態(tài)氮的濃度。

由圖4可知，A、B、C等3組處理系統(tǒng)對污水中的總氮具有較明顯的去除效果，A系統(tǒng)與對照組差異顯著（P

氮素是水生生物必需的營養(yǎng)因素，也是引起水體富營養(yǎng)化的限制性因素之一[11]。研究結果表明，水體中氮素的去除主要靠微生物的硝化-反硝化作用，而污染水體中參與氮循環(huán)的微生物大量附著在植物根系或填料位點上，確保了硝化-反硝化的順利進行[12-14]。通過對TN的去除率可以看出植物及空白對照組對總氮的去除效果不佳，空白對照組主要通過水體中分散的微生物進行代謝活動，植物組則通過植物吸收及附著的微生物作用進行，復合浮床處理組效率遠高于植物和空白對照組，說明微生物的代謝活動是TN去除的主要機制。A系統(tǒng)較另外3組的凈化效果更好，體現在以下幾個方面，（1）填料作為微生物的載體，其形態(tài)特征對于微生物的吸附、生長及脫落過程有重要影響。生物填料的材質、比表面積大小、布水布氣性能、強度、密度等因素直接影響廢水處理的效率。A浮床系統(tǒng)的生物填料巨大的比表面積和濕潤性增加了生物附著點位及攔截功能，能將水體中的含氮顆粒物等進行攔截和吸附，同時，寬闊的表面積充分擴展了立體空間，彌補了植物根系短小導致的微生物量少和截濾功能不足等缺點，隨著系統(tǒng)內部微生物種類和數量的增加，生物膜逐漸成熟，世代周期較長的硝化菌的增加為氨態(tài)氮的硝化作用提供了基本條件[15]，確保氨態(tài)氮的高效去除；另外，在夜晚或植物晚期生理活動較弱時，系統(tǒng)內附著的微生物也可高效作用，使系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定。（2）A浮床系統(tǒng)內生物膜連片生長，胞外多聚物使得一些具有互利關系的微生物距離更近，形成了包括細菌、真菌和藻類（在有光條件下）、原生動物和后生動物在內的微生物共生體，從而形成了一種復雜穩(wěn)定的生態(tài)體系。在填料內部形成一個個封閉厭氧空間，而由于根部泌氧作用，封閉空間周圍又處于好氧環(huán)境，使生物膜從外向內形成好氧-厭氧分布，使系統(tǒng)內部的好氧細菌、兼性細菌和厭氧細菌能夠在不同空間內同時進行硝化-反硝化，提高了去氮效率[16]。植物則通過根系釋放糖類及氨基酸等物質，調節(jié)水體的pH值，增加水體的異質性，促進微生物的生長。植物和填料的聯合使用，在一定程度上會改變填料表面生物膜的微生物結構性質，加速生物膜的更新、促進DO在水中的傳遞。以上生態(tài)要素組合最終促使復合系統(tǒng)高效去氮。

2.2 對水體TP 去除效果分析

近年來，隨著對富營養(yǎng)化水體控氮除磷這一領域的深入研究，在理論和實踐方面均有了新的突破。最近北美和我國的研究共同證明了富營養(yǎng)化治理無需控氮，只需控磷。浙江省杭州市西湖的引水配水工程中開展了控磷、不控氮試驗，證明了集中控磷對富營養(yǎng)化湖泊有良好的控藻效果[17]，因此如何有效地降低水體中TP濃度一直都是研究的重點和難點。

由圖5可知，A、B、C等3組處理系統(tǒng)對污水中TP具有較好的去除作用。總磷的濃度去除率分別為80.70%、5986%、42.31%。A系統(tǒng)與空白處理差異性顯著（P<005），與傳統(tǒng)浮床和B系統(tǒng)相比，也有較高的去除率。試驗過程中，TP濃度開始下降較快，后期恢復平穩(wěn)，然后呈現波動式下降，這與浮床系統(tǒng)對TP的去除機理有關。一般來說，總磷的去除包括植物吸收、物理沉降、根系及填料攔截、基質吸附和微生物的降解[18-19]。試驗初期總磷濃度下降速率較快是由于受到沉降作用及攔截作用，導致含磷顆粒物減少，有研究發(fā)現，試驗初期磷素的去除主要以物理攔截、沉降和吸附為主。系統(tǒng)A中較高的磷素去除，是因為植物的吸收、填料攔截、沉降及微生物共同作用的結果。其中，植物無法直接吸收和利用有機磷及溶解性較差的磷酸鹽，只有通過微生物轉化為溶解態(tài)磷酸鹽才能被植物和微生物吸收，對磷的吸收作用較低，除磷作用不明顯，復合系統(tǒng)填料的網絮狀結構形態(tài)豐富了微生物種類和數量，使得系統(tǒng)中磷素含量持續(xù)降低并且優(yōu)于其他幾組試驗。至于在試驗過程中植物吸收、填料的吸附和微生物聚磷的去除貢獻率還需進一步研究。

2.3 對水體化學需氧量去除效果分析

由圖6可知，A、B、C等3組浮床系統(tǒng)對水體中有機物具有明顯的去除效果，試驗過程中，CODCr含量均呈下降趨勢。A、B、C、空白4組系統(tǒng)對COD去除率分別為81.9%、61.8%、42.9%、12.2%。A系統(tǒng)與空白相比對CODCr具有明顯的削減作用，與對照組差異顯著（P<0.05）。水體中有機物的降解受到水溫、溶解氧、微生物的種類、數量等多種因素影響，通過厭氧降解、缺氧降解和好氧降解等不同方式進行降解[20-21]。浮床A顯著增加了系統(tǒng)內微生物的數量和種類，這些微生物通過自身的新陳代謝進行降解污水中的有機物，使之濃度降低；植物對CODCr的降解作用則比較有限，主要依靠根系上富集的微生物來實現降解作用，菖蒲發(fā)達的根系促進了好氧微生物的生長，消耗大量有機物。

2.4 水體中的微生物分析

微生物是生態(tài)浮床系統(tǒng)脫氮除磷的主要執(zhí)行者，微生物的數量與凈化效果呈正相關[22]。試驗結束對4組系統(tǒng)的細菌數量進行檢測，分別為7.6×1011、5.3×1011、3.4×1010、21×1010 CFU/m3。可以看出A和B復合浮床內微生物的含量明顯高于植物組和空白對照組，植物組浮床比空白含有更多的微生物。說明填料的存在為微生物提供了良好的附著空間，纖維填料較大的比表面積更利于微生物的富集，同時，植物根部為微生物的生長提供了載體環(huán)境，其分泌物可以有效促進某些氮磷菌的生長[23]。復合處理組與植物組的細菌增量多于植物組與空白組的細菌增量，進一步說明填料的存在對于微生物繁殖起到促進作用，對水中污染物的去除率也顯著較高，驗證了微生物在整個污染物去除中起核心作用。

2.5 植物生長狀況分析

試驗過程中菖蒲生長情況見表2。由表2可知，菖蒲在不同試驗階段生長狀況良好，其中，纖維填料復合浮床的菖蒲生長狀況要優(yōu)于立體填料復合浮床，立體填料浮床優(yōu)于植物對照組。說明微生物對植物產生了積極影響，豐富的微生物群落通過代謝作用，產生的小分子物質促進了植物對營養(yǎng)元素的吸收，植物茂盛生長的同時根系向水體中分泌大量的有機物，這類分泌物中包含大量的有機酸、氨基酸和活性酶等，反過來促進了微生物的生長。植物對氮磷的固定與植物的生物量呈正相關[24]，植物生物量越大，對氮磷的固定能力越強，凈化水質效果越好。

2.6 植物、填料和微生物之間的關系分析

在復合浮床系統(tǒng)中，植物、微生物和填料的單獨作用和之間的協同作用使復合浮床對污水的凈化效率明顯高于傳統(tǒng)浮床和對照組。植物的存在對于維持微生物的生長和系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有較大貢獻，同時自身還能吸收氮磷等營養(yǎng)元素[25]。植物通過根系的泌氧作用提高水體中的溶解氧含量，為硝化細菌提供好氧環(huán)境，根系向水中分泌有機物促進了微生物的生長，加速其釋放和轉化[26]。填料自身通過巨大的比表面積可以對水體中的污染物進行吸附攔截，是微生物理想的附著對象，通過代謝作用改變營養(yǎng)元素的形態(tài)促進植物對營養(yǎng)元素的吸收。微生物在污染物去除過程中起著核心作用，包括去除初期的生物物理吸附和后期的生物降解，而且對于植物的生長也有積極的作用[27]。

3 小結

（1）復合浮床系統(tǒng)對污染水體具有較好的凈化效果，其中，纖維填料浮床比彈性立體填料浮床對污染水體中污染物的凈化效果更好，CODCr、氨態(tài)氮、總氮、總磷的去除率分別為81.9%、86.9%、76.5%、80.8%。凈化效果遠遠高于空白對照，差異顯著（P<0.05）。（2）復合浮床增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，拓展了立體空間，能有效降低因植物衰敗或生命活動微弱時其對浮床系統(tǒng)的沖擊，對水體中污染物具有穩(wěn)定且良好的去除效果。纖維填料浮床內部生物量高于彈性填料浮床，微生物是水體脫氮除磷的主要媒介，對比去除率發(fā)現微生物在整個過程中起到主導作用。（3）復合浮床能實現水生植物與微生物的有效結合，優(yōu)勢互補，可實現污染物的高效降解，同時投資低，維護簡單，還兼有一定的景觀效果，具有很好的應用價值。

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