靜安區彭越浦河道生態浮島+曝氣充氧組合工藝增強河道凈化能力研究

李瀅瑩

（上海市靜安區河道水政管理所，上海市 200072）

0 引 言

人工生態浮島是一種經過人工設計建造、漂浮于水面上，供動植物和微生物生長、繁衍、棲息的生態設施。除此之外，生態浮島還可以用來降解水中的有機污染物、氮和磷等污染物，從而實現水體透明度提高，水質指標改善、水中藻類抑制、水體富營養化減輕等目標。隨著水體中氮磷等富營養元素的超量排放[1]。利用生態浮島對河道進行水質改善已成為一項重要的工程技術手段。生態浮島對水質凈化最主要的功效是利用植物的根系吸收水中的污染物，特別是氮磷等富營養元素，減輕水體由于封閉或自循環不足帶來的富營養化現象。近年人工浮島的園林水景景觀功能得以開發利用，使人工生物浮島技術成為一項多功能的實用技術：即水體凈化和環境景觀美化。

河道曝氣技術是根據河流受到污染后缺氧的特點，人工向水體中充入空氣（或氧氣），加速水體復氧過程，以提高水體的溶解氧水平，恢復和增強水體中好氧微生物的活力，使水體中的污染物質得以凈化，從而改善河流的水質[2]。河道曝氣技術已成為目前對黑臭水體凈化的重要手段。但單一的人工曝氣仍面臨著：能耗大、效果差，尚難解決底泥污染等一系列問題。

為克服曝氣充氧技術單一的缺點，本文研究了一種生態浮島+曝氣充氧組合工藝以充分發揮各工藝特點，旨在為利用生態浮島治理富營養化水體提供理論研究，為后續工程提供實踐指導。

1 試驗裝置與方案

實驗用的單體浮島見圖1。

圖1 試驗裝置（單位：cm）

單體浮島可通過周邊相互扣接方式進行組合。組合后浮島在下方1 m處使用尼龍繩吊接曝氣頭部，以組合成生態浮島-曝氣聯合凈化設備。

測試時，試驗裝置通過鎖鏈固定河道圍欄處。為防止水中雜物對試驗的干擾，在設備周邊設置間隙為1 cm，深度為1 m的不銹鋼條形格柵。

設置三組平行試驗：1#試驗為生態浮島+曝氣充氧聯合凈化設備；2#試驗單獨設置生態浮島；3#試驗單獨設置曝氣裝置。

2 試驗地點與測試方法

本試驗在上海市靜安區彭越浦河道進行（見圖2），試驗時間為2018年5月3日至6月8日，試驗持續35 d。

圖2 靜安區彭越浦生態浮島與曝氣充氧現場照片

每隔3 d取裝置中的水樣，連續檢測水體總磷（TP）與氨氮（NH4+-N）濃度變化。其中，TP測定采用鉬銻分光光度法、NH4+-N測定采用納氏試劑分光光度法。

3 結果與討論

3.1 各試驗組對TP的去除效果

生態浮島對水體中TP去除機理為：浮島中植物的根系對顆粒態磷的攔截與截留、根系與附著在其上的細菌通過協同作用實現對有機磷的礦化、根系對磷的吸附以及顆粒態磷的沉降。而曝氣充氧對水體中TP的去除機理為：好氧環境中，聚磷菌（PAOs）對磷的過量吸收[3]。不同試驗組對TP去除效果見圖3和圖4。

圖3 試驗期間TP的變化

圖4 不同組合的TP去除率

三個試驗條件下均獲得了較好的TP去除效果：組合工藝的TP在試驗前半段由0.52 mg/L快速下降至0.11 mg/L，去除率達80.3%。在試驗后半段，TP濃度維持在穩定狀態，在0.10 mg/L左右波動。當試驗截止時，TP濃度為0.11 mg/L，試驗階段TP的去除率為78.84%。生態浮島在試驗前18 d內呈現出TP濃度持續下降的趨勢，這與曝氣試驗的現象較為類似。在上述試驗階段內，生態浮島+曝氣試驗中的總磷分別由0.52 mg/L和0.51 mg/L下降至0.31 mg/L和0.33 mg/L。均出現了快速的下降趨勢，這可能是由于：一方面，隨著時間推移，生態浮島植物根系（或微生物）已適應（或掛膜成功）了原位環境，開始充分發揮協同作用從而對TP有著較好的吸收效果；另一方面，曝氣提升了水體中的溶解氧，增強了好細菌（特別是聚磷菌）的代謝活性，強化了對TP的吸收。在18 d后，生態浮島對TP的去除持續進行，TP濃度由0.31 mg/L繼續下降至0.23 mg/L，隨著時間推移，可能植物根系與細菌協同作用持續加強，促進了對磷的吸收。而曝氣對TP的去除并未獲得顯著效果，可能是在水體空間區域內細菌數量與活性受水體遷移或水中碳源缺乏的影響，以至于不能形成穩定的聚磷菌富集，從而無法持續性地對磷過量吸收。而組合工藝則可以利用根系或細菌的生物膜來實現對聚磷菌的固定化以提高對TP的去除。

綜上，對TP的去除效果依次為：生態浮島（去除率78.46%）、生態浮島（去除率55.77%）、曝氣充氧（去除率44.23%）。

3.2 各試驗組對NH4+-N的去除效果

生態浮島對NH4+-N的去除主要通過植物根系吸收和硝化菌的氨氧化作用來實現。曝氣充氧對NH4+-N去除主要通過硝化細菌轉化與吹脫作用[4]。不同試驗組對TP去除效果見圖5和圖6。

圖5 試驗期間NH4+-N的變化

圖6 不同組合的NH4+-N去除率

在不同的試驗中，NH4+-N濃度均出現了不斷下降的趨勢。其中，組合工藝與曝氣充氧的變化趨勢較為類似：在0～15 d內，NH4+-N迅速下降，分別由6.87 mg/L和6.89 mg/L下降至1.11 mg/L和1.34 mg/L。可能是因為短時間內，較大曝氣量實現了對水中氨的吹脫。在剩余的試驗時間內（16～33 d），NH4+-N濃度維持在較為穩定的水平。試驗結束時NH4+-N濃度分別為：0.91 mg/L和0.97 mg/L。生態浮島對NH4+-N的去除效能弱于其他兩組：在試驗階段NH4+-N濃度沒有出現快速下降的趨勢，而是由6.37 mg/L緩慢降至結束時的1.77 mg/L。出現這種情況可能是由于：生態浮島對NH4+-N的主要去除方式是通過根系與硝化菌來完成，根系的吸收與吸附需要一定時間進行過度與適應，而硝化細菌為自養細菌，代謝速度較慢，決定了提升氨氧化的效果不如單純地曝氣。而隨著試驗的進行，根系的吸收能力與細菌的代謝能力開始提升使生態浮島對NH4+-N的去除能力呈現出穩定升高的趨勢[5]。

綜上，對NH4+-N的去除效果依次為：生態浮島（去除率86.80%）、生態浮島（去除率75.16%）、曝氣充氧（去除率85.85%）。

4 結 論

（1）通過在生態浮島下方吊接曝氣設備方式形成了生態浮島與曝氣充氧的組合工藝。

（2）生態浮島+曝氣充氧組合工藝、生態浮島和曝氣充氧對TP的去除率分別為：78.46%、55.77%、44.23%。組合工藝可以實現初期對TP的快速去除。

（3）生態浮島+曝氣充氧組合工藝、生態浮島和曝氣充氧對NH4+-N的去除率分別為：86.80%、75.16%、85.85%。組合工藝與曝氣充氧可以實現初期對NH4+-N的快速去除。