不同流速條件下菖蒲浮床攔截細顆粒物效果的研究*

謝科夫 楊 飛 張毅敏，# 荊 立 晁建穎 高月香 錢文翰 劉 鈺

(1.常州大學環境與安全工程學院，江蘇 常州 213164；2.生態環境部南京環境科學研究所，江蘇 南京 210042)

為了增加太湖流域沿湖周邊城市地區用水，并改善太湖水質，減輕其富營養化程度[1-2]，自2002年起，有關部門決定實施“引江濟太”工程，其中新孟河延伸拓浚工程是實施項目之一，要求平水年引江入湖水量25.2億m3。新孟河“引江濟太”引水過程中，大量懸浮顆粒物及其所攜較高濃度的碳、氮、磷將對引水通道上的滆湖及周邊水網的水環境和水生態產生較大影響。顆粒物在輸水過程中，大部分沿程沉降而少量入湖，而其中難沉降、難去除的細顆粒物成為影響滆湖生態環境質量的重要因素。

膠體態物質指的是粒徑介于1～1 000 nm的細顆粒物，真溶解態物質指的是粒徑小于1 nm的細顆粒物[3]。細顆粒物的粒徑分布差異較大，不同粒徑細顆粒物所含的物質組成不盡相同[4]。不穩定的細顆粒物容易發生微觀形貌的改變、聚合以及沉降[5]。由于數量多、種類豐富和比表面積巨大，細顆粒物表面附著了大量的活性基團[6]。這些活性基團能與水體中的營養物等發生強烈的吸附和絡合作用[7]。

切向流超濾技術被認為是分離細顆粒物與大顆粒物的有效方法[8],過去由于過濾技術精度的限制，不同流速條件下菖蒲(Acoruscalamus)對不同粒徑細顆粒物的攔截效果的研究相對較少。本研究以長江引水中的細顆粒物(<1 000 nm)作為研究對象，采用菖蒲浮床作為去除水體細顆粒物的常用生態措施，利用切向流超濾技術對采集的水樣進行粒徑分級，通過室內環形水槽模擬入湖流速，監測了不同流速條件下菖蒲根系生長情況及根系附著物情況，以及菖蒲浮床對水體膠體態、真溶解態碳、氮、磷去除效果的變化情況。

1 材料與方法

1.1 實驗設計

水樣采自長江入水口(32°3′27.8″N， 119°53′42.8″E)，在避光條件下，3 h內運回實驗室進行實驗，溫度為(23±3) ℃、pH為7.91±0.29、DO為(7.62±0.05) mg/L。以珍珠棉板作為浮床，在各板上均勻鉆12個直徑5.0 cm的孔，挑選12株根系長勢一致的菖蒲洗凈并測其初始附著物質量和根長，插于珍珠棉板孔中，將兩塊珍珠棉板固定于環形水槽內。環形水槽通過調節電機頻率設定水流速度，電機頻率為6.5、12.3、16.2 Hz時所對應的流速分別為0.1、0.2、0.3 m/s，以靜止(0 m/s)作為對照組。實驗結束后在固定位置處取水樣，經提取，得到4份含不同粒徑細顆粒物的水樣各100 mL，測出氮、磷和碳量等數據，不同粒徑細顆粒物數據經過差減法處理后得到。0.1、0.2、0.3 m/s流速條件下的實驗過程與對照組一致，實驗周期為18 d。不同粒徑細顆粒物水樣的水質指標見表1，實驗裝置示意圖見圖1。

表1 不同粒徑細顆粒物水樣的水質指標

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device

1.2 實驗方法

1.2.1 水樣的過濾與超濾

水樣通過1.0 μm的定量濾紙(英國Whatman)配合300-4050型抽濾機(美國NALGENE公司)抽濾，然后將過濾完的剩余水樣(<1 000 nm)利用小型切向流超濾系統進行分離。借助不同截留孔徑的超濾膜包(Pellicon 2 PLAC,Millipore)進行過濾，每次過濾完保存100 mL水樣再進行下一次超濾，最后得到4份各100 mL含不同粒徑細顆粒物的水樣，測出氮、磷和碳等數據，含粒徑<1、1～10、10～300、300～1 000 nm細顆粒物水樣的數據經過差減法處理得到。

1.2.2 附著物質量

附著物質量測試方法參考文獻[9]。

1.2.3 水質指標

采用堿性過硫酸鉀氧化/紫外分光光度法測定膠體態氮(CN)、真溶解態氮(UDN)；采用鉬銻抗分光光度法測定膠體態磷(CP)、真溶解態磷(UDP)。膠體態碳(COC)、真溶解態碳(UOC)的測定方法參照文獻[10]。

2 結果與分析

2.1 菖蒲根系附著物質量變化及根系生長情況分析

菖蒲對富營養化水體的修復除植物本身對氮、磷等的吸收作用外，其根際附著物的作用不容忽視[11]。從表2可見，18 d后，對照組菖蒲的附著物質量由0.029 2 g上升到0.039 0 g；0.1 m/s流速條件下，菖蒲的附著物質量由0.030 6 g上升到0.070 2 g；0.2 m/s流速條件下，菖蒲的附著物質量由0.031 5 g上升到0.051 9 g；0.3 m/s流速條件下，菖蒲的附著物質量由0.030 2 g上升到0.059 0 g。0.1 m/s流速下的菖蒲根系附著物質量最多，附著物增長率較高。同時，相較于實驗前，各組菖蒲根系長度分別增長了4.3、5.8、4.8、4.1 cm，0.1 m/s流速下的菖蒲根系生長情況最好。結果表明，適當的流速能促進菖蒲根系對細顆粒物的吸著，并能促進菖蒲根系的生長。

表2 菖蒲根系附著物質量及根系生長變化

2.2 水體碳去除效果分析

在菖蒲浮床的作用下，不同粒徑細顆粒物水樣碳含量均下降。如圖2所示，各流速下菖蒲浮床對碳的去除率隨流速的增加呈先上升后下降的變化趨勢。流速為0、0.1、0.2、0.3 m/s時，菖蒲浮床對碳的去除率分別為24.8%～32.0%、56.4%～71.2%、32.8%～39.3%、11.3%～17.4%，菖蒲浮床對粒徑為300～1 000 nm的COC去除效果較好。菖蒲浮床在各流速下對碳的去除率表現為0.1 m/s流速>0.2 m/s流速>0 m/s流速>0.3 m/s流速，除0.3 m/s外，其余流速對菖蒲浮床去除碳起到了積極的作用。

圖2 流速對菖蒲浮床去除碳的影響Fig.2 Effect of flow rate on carbon removal by Acorus calamus floating bed

2.3 水體磷、氮的去除效果分析

在菖蒲浮床的作用下，氮濃度均有下降。如圖3所示，菖蒲浮床對氮的去除率隨流速的增加呈先上升后下降的變化趨勢。總體而言，菖蒲浮床對300～1 000 nm粒徑的CN去除效果較好，對水體中1～10 nm粒徑的CN去除效果較差。流速為0、0.1、0.2、0.3 m/s時，菖蒲浮床對氮的去除率分別為14.8%～20.9%、36.1%～49.1%、19.5%～32.8%、2.8%～8.6%。菖蒲浮床在各流速下對氮的去除率表現為0.1 m/s流速>0.2 m/s流速>0 m/s流速>0.3 m/s流速，除0.3 m/s外，其余流速對菖蒲浮床去除氮起到了積極的作用。

圖3 流速對菖蒲浮床去除氮的影響Fig.3 Effect of flow rate on nitrogen removal by Acorus calamus floating bed

在菖蒲浮床的作用下，磷的濃度均有下降。如圖4所示，隨著粒徑的減小，菖蒲浮床對磷的去除率大體呈下降趨勢。菖蒲浮床在各流速下對磷的去除率總體表現為0.1 m/s流速>0.2 m/s流速>0 m/s流速>0.3 m/s流速，除0.3 m/s外，其余流速對菖蒲浮床去除磷起到了積極的作用。

圖4 流速對菖蒲浮床去除磷的影響Fig.4 Effect of flow rate on phosphorus removal by Acorus calamus floating bed

3 討 論

3.1 流速對附著物及根系發育的影響

在水生生境中，水文因子是影響水生植物生長的主要因子[12]。有學者研究發現，挺水植物浮床的根系直接浸入水體，莖及根系的生長蔓延不會受到阻礙，生長環境較為寬松，有利于新陳代謝及植株的生長[13]6。在流動水體中，水生植物還會受水體波動作用以及流速等因素的影響[14-15]。一定的流速使得水體的大氣復氧增加，加速DO較高的表層水體向低氧甚至無氧水層的輸送，水體的整體DO水平提高，這為根系附著物增長和根系發育提供了良好的環境[13]6，同時，水流使得菖蒲浮床根系附著物質量增多，根系發育加快[16]，本研究也得到類似的結論。但是有學者發現，較高的流速也會使得根系附著物的附著能力變弱，植物容易吸附飽和，生理活性下降[17]，本研究結論也與之相似，0.1 m/s流速條件下的菖蒲根系生長發育情況更好。本研究還發現，與0.1 m/s流速條件相比，0.2、0.3 m/s流速下菖蒲浮床根系附著物增長量沒有顯著減少，0.3 m/s流速下的增長量甚至比0.2 m/s流速下的有所增加，這種現象可能是由于逆境脅迫引起，有學者研究發現，在逆境脅迫條件下，植物根系分泌物數量一般都明顯增多，而植物根際分泌物是刺激根際微生物繁殖的重要能源和養分源[18-19]。

3.2 流速對碳去除效果的影響

在受到液體分子的撞擊時，直徑很小的顆粒被迫做無規則運動，稱為布朗運動。研究表明，只有當顆粒粒徑足夠小(<1 μm)時，布朗運動才會發生，促使顆粒間發生碰撞形成較大的絮團[20]。本研究中水流促使水中細顆粒物發生頻繁碰撞，有利于細顆粒物絮團的形成[21]，加上菖蒲浮床的攔截，更利于細顆粒物絮團因自生重力而沉降[22]，菖蒲浮床對細顆粒物去除效果得到提升。張慶河等[23]發現當水流剪切力小于絮團間的內部黏結力時，水流剪切強度的增大有利于細顆粒物絮凝的發生和發展；反之，當水流紊動強度超過絮團內部黏結力時，已經形成的絮團會被破壞。MILLIGAN等[24]發現細顆粒絮團的沉降與水流紊動強度有關。本研究發現0.1 m/s流速下菖蒲浮床對COC去除效果最好，可能是因為在本實驗中，0.1 m/s流速下的水流紊動強度最適宜，絮體處于穩定狀態。

3.3 流速對氮、磷去除效果的影響

硝化/反硝化過程是脫氮的主要機理[25]，同時，伴隨著水體擾動作用增強，菖蒲浮床與細顆粒物的接觸頻率增加，阻擋水流的能力增強[26]，植物根系能形成一層較密的過濾層，不溶性細顆粒物會被根系吸附而沉淀下來，本研究也得到類似的結果，在菖蒲浮床的作用下，各粒徑CN的濃度均有下降。流速帶來的沖刷作用還能讓生長至一定厚度的生物膜及時脫落，并促進新生物膜的生長，間接使得CN濃度得到下降，本研究所得結論與之類似。但是0.3 m/s流速下菖蒲浮床對CN的去除效果不如對照組，可能是由于高流速帶來的沖刷作用會使未生長至一定厚度的生物膜脫落[27]，不利于除氮效率的提高。

水流條件下水體中DO增加，聚磷菌大量吸收磷酸鹽合成自身核酸和腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)，逆濃度梯度過量吸磷合成貯能的多聚磷酸鹽顆粒(即異染顆粒)于體內，供其內源呼吸用，除磷效率得到提高[28]。在菖蒲浮床的作用下，各粒徑CP的濃度均有下降。同時，有學者研究發現[29]，較高的流速引發再懸浮，破壞已經生成的絮團或沉淀，影響去除效果，本研究發現0.3 m/s流速下菖蒲浮床對CP去除效果最差，與之一致。

4 結 語

(1) 流速的存在對菖蒲浮床根系附著、根系生長起到促進作用。0.1 m/s流速下的菖蒲根系附著物質量最大。同時，相較于實驗前，各組(0、0.1、0.2、0.3 m/s流速)菖蒲根系分別增長了4.3、5.8、4.8、4.1 cm，0.1 m/s流速下的菖蒲根系生長情況最好。結果表明適宜流速可促進菖蒲根系對細顆粒物的吸著、并能加快其自身的生長。

(2) 不同流速下，菖蒲浮床對碳、氮、磷的去除效果規律表現出相似性，即0.1 m/s流速>0.2 m/s流速>0 m/s流速>0.3 m/s流速。