復(fù)合型生態(tài)浮床凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體實(shí)驗(yàn)研究

汪奇 苑永魁 曹玉成

摘 ?要：通過(guò)49d的室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，研究了3種不同構(gòu)造的復(fù)合型生態(tài)浮床對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化效果。結(jié)果表明，整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，A浮床（香菇草+火山巖浮球填料）、B浮床（狐尾藻+海綿浮球填料）和C浮床（黃花水龍+組合填料）總磷最大去除負(fù)荷分別達(dá)到13.33、17.29和18.17mg/（d.m2），氨氮最大去除負(fù)荷分別達(dá)到64.92、75.53和84.38 mg/（d.m2），COD最大去除負(fù)荷分別達(dá)到619.45、614.06和1050.18 mg/（d.m2）。研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合型生態(tài)浮床的污染凈化能力受到浮床構(gòu)造和底物濃度的影響。

關(guān)鍵詞：復(fù)合型生態(tài)浮床;富營(yíng)養(yǎng)化水體;水生植物;生物填料

中圖分類(lèi)號(hào) S641.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2019）05-0146-04

Abstract：In this work，three integrated ecological floating bed systems，the AFB （planted with Hydrocotyle vulgaris and suspending volcanic rock as biofilm carrier），BFB （planted with Myriophyllum verticillatum L and suspending sponge as biofilm carrier） and CFB （planted with Jussiaea stipulacea Ohwi and suspended with combined biofilm carrier），were constructed to study their purifying effeciecies for treatment of eutrophic freshwater.The AFB，BFB and CFB was fould to have a biggest removal efficience of 13.33、17.29 and 18.17mg/（d.m2） for TP purification，64.92、75.53 and 84.38mg/（d.m2） for ammonium nitrogen purification，and 619.45、614.06 and 1050.18mg/（d.m2） for COD.The results indicated that the purifying capacities of the integrated ecological floating bed systems are affected by the system construction and the substrate concentraction as well.

Key words：The integrated ecological floating bed systems;Eutrophic freshwater;Hydrophyte;Biofilm carrier

生態(tài)浮床是富營(yíng)養(yǎng)水體治理工程經(jīng)常采用的一種生態(tài)工程技術(shù)，但傳統(tǒng)的生態(tài)浮床對(duì)水質(zhì)的凈化主要依靠植物的吸收作用，凈化能力十分有限[1-3]。近年來(lái)眾多研究與工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，復(fù)合型生態(tài)浮床（在植物浮床下懸掛生物填料）較傳統(tǒng)的植物浮床具有更好的水質(zhì)凈化效果，但現(xiàn)行技術(shù)基本應(yīng)用在美人蕉、菖蒲等高稈挺水植物上，在實(shí)際應(yīng)用中往往存在植物易倒伏、維護(hù)管理難度大等問(wèn)題[4-6]。此外，作為復(fù)合型生態(tài)浮床系統(tǒng)重要組件的生物填料，其性能好壞（如比表面積、生物親生性等）很有可能對(duì)其凈化能力產(chǎn)生影響[7-9]。

筆者以3種不同類(lèi)型的低矮型抗倒伏水生植物（沉水植物穗狀狐尾藻、低矮型挺水植物香菇草和漂浮植物黃花水龍）和3種生物填料（組合填料、火山巖浮球和海綿浮球）為供試材料，構(gòu)建出3套復(fù)合型生態(tài)浮床系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)研究其對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體（劣Ⅴ類(lèi)水）的凈化效果，并從污染物去除負(fù)荷角度探討各浮床系統(tǒng)的凈化潛力，以期為復(fù)合型生態(tài)浮床的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 供試植物 考慮到挺水植物容易倒伏、后期維護(hù)管理難度大等問(wèn)題，本研究選取穗狀狐尾藻（Myriophyllum verticillatum L）、香菇草（Hydrocotyle vulgaris）和黃花水龍（Jussiaea stipulacea Ohwi）3種低矮型水生植物為研究對(duì)象。3種供試植物分別屬于不同的科、屬，其生長(zhǎng)習(xí)性也有所不同。

1.1.2 供試生物膜填料 選取組合填料、火山巖浮球和海綿浮球3種填料，均購(gòu)置于宜興市嘉源環(huán)保科技有限公司。3種供試填料主要特征見(jiàn)表1。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)用水 實(shí)驗(yàn)以浙江農(nóng)林大學(xué)東湖水為原水，用葡萄糖、硫酸銨、硝酸鈉和磷酸二氫鉀人工配制出磷超標(biāo)的劣Ⅴ類(lèi)水作為實(shí)驗(yàn)用水，經(jīng)配制的實(shí)驗(yàn)用水水質(zhì)指標(biāo)：總磷濃度為0.5mg/L，氨氮濃度為2mg/L，COD濃度為40mg/L。

1.2 復(fù)合型生態(tài)浮床的構(gòu)建 近年來(lái)通過(guò)水生態(tài)修復(fù)工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，由于植物根部增殖生長(zhǎng)的擠壓作用，采用塑料浮板式生態(tài)浮床極易導(dǎo)致塑料浮板變形破損和植物倒伏。另外調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，塑料浮板式人工浮床也不利于水生生物特別是微型動(dòng)物的附著生長(zhǎng)（由于浮板及其配套種植盆的阻隔）。另一方面，塑料浮板式生態(tài)浮床普通存在建造成本較高、植物根區(qū)效應(yīng)受限等問(wèn)題。此外，考慮到在塑料浮板式浮床單元下懸掛生物填料在實(shí)際應(yīng)用中存在施工難度大等問(wèn)題，本研究采用竹排方式構(gòu)建復(fù)合式生態(tài)浮床。首先用成年竹材排列固定形成竹排，竹排間距為20cm，然后在竹排上定植水生植物，并在竹排下懸掛生物填料。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案 實(shí)驗(yàn)裝置由復(fù)合型生態(tài)浮床和塑料桶組成，塑料桶直徑為1.0m、高1.1m，每桶泵入實(shí)驗(yàn)用水850L。裝水后將上述復(fù)合型生態(tài)浮床置于塑料桶中，各桶浮床上定植植物各1.0kg（鮮重），懸掛生物填料8條（每條長(zhǎng)1.0m）。

為初步分析植物和生物填料對(duì)水質(zhì)凈化效果的影響，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)3種構(gòu)型的復(fù)合型生態(tài)浮床系統(tǒng)（浮床面積為0.79m2）：系統(tǒng)1是以香菇草和火山巖浮球?yàn)楣┰嚥牧希ê?jiǎn)稱(chēng)A浮床），系統(tǒng)2是以狐尾藻和海綿浮球填料為供試材料（簡(jiǎn)稱(chēng)B浮床），系統(tǒng)3是以黃花水龍和組合填料為供試材料（簡(jiǎn)稱(chēng)C浮床），每組凈化系統(tǒng)設(shè)置2個(gè)重復(fù)，并設(shè)置無(wú)復(fù)合型生態(tài)浮床系統(tǒng)的空白對(duì)照組。

試驗(yàn)于浙江農(nóng)林大學(xué)平山實(shí)驗(yàn)基地溫室大棚中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)周期共計(jì)49d（2018年5～6月），每隔7d取樣1次，測(cè)定總磷、氨氮和COD濃度。

1.4 水樣分析 試驗(yàn)中水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)總磷、氨氮和COD按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》（第四版）所規(guī)定的方法進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 總磷去除效果 圖1是3套不同構(gòu)造浮床系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)期間TP濃度變化和去除情況，圖2為整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間（49d）TP的平均去除負(fù)荷。

復(fù)合型人工浮床系統(tǒng)中磷的去除機(jī)理主要為植物的吸收、微生物的同化作用和聚磷菌的過(guò)量攝磷作用以及填料的物理化學(xué)作用，因而其去磷能力不僅受到水質(zhì)本身、水文條件、季節(jié)變化等外部因素的影響，也有可能受到植物種類(lèi)及填料類(lèi)型的影響。由圖2和圖3可知，3種浮床系統(tǒng)中TP的變化規(guī)律基本一致，試驗(yàn)前14d，總磷去除效果不明顯，14～35d總磷去除效果明顯提高，去除負(fù)荷較前14d增加了4.0倍（A浮床）、5.4倍（B浮床）和5.5倍（C浮床），最大去除負(fù)荷達(dá)到13.33mg/（d.m2）（A浮床第21d）、17.29mg/（d.m2）（B浮床第35d）和18.17mg/（d.m2）（C浮床第21d）。35d以后，受低濃度底物限制，總磷去除效果又明顯下降。整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，B浮床和C浮床總磷平均去除負(fù)荷無(wú)顯著差別，分別為6.874和6.803mg/（d.m2），但均高于A浮床（6.506mg/（d.m2））。

2.2 氨氮去除效果 3種構(gòu)造浮床在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間氨氮濃度和去除率的變化以及平均去除負(fù)荷分別見(jiàn)圖3和圖4。與TP的去除規(guī)律類(lèi)似，3種構(gòu)造浮床系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)前期和后期對(duì)氮氮的去除能力均較低，但實(shí)驗(yàn)后期略好于實(shí)驗(yàn)初期（圖3）。實(shí)驗(yàn)第14～35d氨氮去除能力明顯增加，平均去除負(fù)荷較前14d增加了7.2倍（A浮床）、10.8倍（B浮床）和19.3倍（C浮床），最大氨氮去除負(fù)荷達(dá)到64.92mg/（d.m2）（A浮床第21d）、75.53mg/（d.m2）（B浮床第35d）和84.38mg/（d.m2）（C浮床第21d）。至35d以后，氨氮去除負(fù)荷又明顯下降。整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，3種構(gòu)造浮床系統(tǒng)氨氮平均去除負(fù)荷無(wú)顯著差別（圖4），分別為27.30（A浮床）、28.52（B浮床）和27.43mg/（d.m2）（C浮床）。

2.3 COD去除效果 不同于營(yíng)養(yǎng)鹽的去除，3種浮床系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)初期就表現(xiàn)出較好的COD去除能力（圖5），但在實(shí)驗(yàn)?zāi)┢贑OD去除能力明顯下降。實(shí)驗(yàn)第14d，A、B和C3種浮床的COD去除負(fù)荷最高，分別達(dá)到619.45、614.06和1050.18mg/（d.m2），較第35d分別增加了5.5倍、4.0倍和8.3倍。由圖6可知，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，B和C浮床之間COD平均去除負(fù)荷無(wú)顯著差別（分別為431.4和443.32mg/（d.m2）），但均明顯高于A浮床（414.34mg/（d.m2））。

3 小結(jié)

筆者以3種不同類(lèi)型的低矮型水生植物（穗狀狐尾藻、香菇草和黃花水龍）和3種生物膜填料（組合填料、火山巖浮球和海綿浮球）為供試材料，構(gòu)建出香菇草+火山巖浮球（A浮床）、狐尾藻+海綿浮球填料（B浮床）和黃花水龍+組合填料（C浮床）共3套復(fù)合型生態(tài)浮床系統(tǒng)，通過(guò)49d的室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)研究了3套浮床系統(tǒng)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化效果和時(shí)間規(guī)律。結(jié)果表明：

（1）與實(shí)驗(yàn)中期相比，3套復(fù)合式生態(tài)浮床系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)初期（第0～14d）和末期（第35～49d）對(duì)總磷和氨氮的去除能力較低，表明復(fù)合型生態(tài)浮床對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的凈化能力既受到初期適應(yīng)性的影響，又受到底物濃度的限制。

（2）整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，A、B、C3套浮床系統(tǒng)總磷最大去除負(fù)荷分別達(dá)到13.33、17.29和18.17mg/（d.m2），平均去除負(fù)荷分別為6.51、6.87和6.80mg/（d.m2）;氨氮最大去除負(fù)荷分別達(dá)到64.92、75.53和84.38mg/（d.m2），平均去除負(fù)荷分別為27.30、28.52和27.43mg/（d.m2）;COD最大去除負(fù)荷分別達(dá)到619.45、614.06和1050.18mg/（d.m2），平均去除負(fù)荷分別為414.34、431.45和443.32mg/（d.m2）。

（3）對(duì)比3種不同構(gòu)造浮床系統(tǒng)對(duì)污染物的去除能力，盡管在長(zhǎng)時(shí)間尺度上差別不大，但在短時(shí)間尺度上存在明顯差別。

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（責(zé)編：徐世紅）