不同基質配比的生態基質箱對黑臭水體處理效果

蔡官軍，劉早紅，徐 晨，詹 健

(南昌大學a.工程建設學院；b.資源與環境學院，江西 南昌 330031)

隨著我國城鎮化推進和國民經濟的高速發展，我國工業生產廢水和生活污水等大量排入河道，導致河道出現黑臭現象日益加劇，大量黑臭水體導致水生動植物、微生物大量死亡[1]，不僅威脅生態安全，還嚴重影響居民正常生產生活和身心健康發展，因此，如何高效凈化黑臭水體已經成為了城市環境保護的重要任務之一[2]。

近年來，許多地區采用常規處理方法(物理法、化學法和生物法)用于黑臭水體的治理，研究表明[2]，化學處理技術可以在短時間內迅速降低污染物，但并不能從根本上解決水體黑臭的問題，并且容易引發二次污染。由于許多老城區的排污管線錯綜復雜,明管暗管無法全部截留，補水清淤措施繁瑣[3]。郭煒超[4]等研究了生態基質箱中基質級配方式對黑臭水體處理效果影響，其中正反級配均對TN、TP的去除有顯著效果，基質對水生植物有脅迫作用，但并未對基質配比對黑臭水體修復效果進行研究。各種技術手段的綜合運用已經成為處理黑臭水體的關鍵技術[4]。

因此，研究不同基質配比對生態基質箱處理黑臭水體的效果有重要意義，本實驗采用的生態基質箱是一種利用活性炭、氧化鋁、沸石等基質營造出水生植物+微生物生長的環境條件，使基質箱為微生物的生長和繁殖提供碳源和載體，在基質箱底泥上種植水生植物燈芯草，它集中了生態沉床和人工濕地的優點，且集中了物理吸附(天然吸附材料+物理材料吸附)、生物吸附(水生植物吸附)、微生物修復等技術的優點，形成了一種“天然河道水體+多功能生態沉床+水生植物”的原位處理技術體系，是黑臭水體處理的一種綜合治理技術[4]。基質箱可以根據水體污染程度的差異來靈活調節吃水深度，解決水生植物不易扎根生長、水體透明度低等一系列缺點，能達到有效去除多種污染物的目的[5]。我們通過設置不同基質配比的生態基質箱進行黑臭水體的處理分析，探究其對黑臭水體處理效果的比較以及對水生植物的生長影響，期望為后期治理農村黑臭水體提供重要參考依據。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

水生植物選取燈芯草，植株初始均高為(23.5±0.5) cm，單株平均株重為(0.126±0.005) g，實驗前用自來水洗去根莖部泥土，再用去離子水清洗3遍，然后用稀釋好的營養液對燈芯草馴化1周，再用營養液和人工模擬污水配制成1：1的混合液對燈芯草馴化1周，實驗中營養液采用霍格蘭(Hoagland)濃縮營養液[5]，其富含氮、磷、鉀必要元素以及鐵、鈣、錳、鋅、硼等微量元素，稀釋的營養液：霍格蘭濃縮營養液:水為1:1000，水生植物與底泥均采自南昌大學園區內池塘。

實驗所用塑料箱、塑料板、沸石(粒徑3～6 mm)、氧化鋁(粒徑4～6 mm)、活性炭(3～5 mm)均在網上采購。

1.2 水質分析

1.3 實驗方法

1.3.1 實驗設計

實驗在室內進行，采用模擬太陽光LED燈下培養進行，實驗裝置自行設計(圖1)。裝置每天照射燈光12 h，基質箱分為底泥層和基質層兩部分，設計實驗裝置(圖1)。生態基質箱規格為18 cm×18 cm×18 cm，基質箱四面布有16個均勻透水孔，小孔孔徑為2.5 mm，底泥層裝有5cm底泥，基質層自下由上放入3種吸附基質分別為沸石、氧化鋁、活性炭，這3種基質粒徑均大于透水孔孔徑，且將3種基質用紗布隔開，基質箱頂部蓋板打有4個4 cm圓形孔洞，每個孔洞種植10株燈芯草，最后將基質箱置于長740 mm×寬535 mm×高415 mm的140 L白色水箱中，每個箱內注入100 L模擬人工污水。設置5組實驗處理裝置分別為：空白組(只含有水樣)、對照組(在基質箱中僅用底泥種植燈芯草)、實驗1組(底泥里栽種40株燈芯草，在底泥上鋪設8 cm基質，由下到上基質配比為1：2：1)、實驗組2(底泥里栽種40株燈芯草，在底泥上鋪設8 cm基質，由下到上基質配比為1:1:2)、實驗組3(底泥里栽種40株燈芯草，在底泥上鋪設8cm基質，由下到上基質配比為2:1:1)，為排除溶解氧、溫度等因素對試驗的影響，將裝置放在室內，且對水箱進行曝氣，曝氣量2.5 L·min-1。

實驗于2020年10月05日～12月12日，馴化周期為14 d，實驗處理周期為40 d，共耗時54 d，每5 d采集1次水樣，共8次，且每次于采集日下午6點采集水樣，每次采集3個100 mL平行水樣，并根據水箱水量蒸發損耗情況用去離子水補充，以維持水體總體積和鹽度條件保持不變，植物樣品分別于實驗處理前后采集。

圖1 生態基質箱示意圖Figure 1 Schematic diagram of ecological substrate box

1.3.2 實驗主要檢測指標與檢測方法

實驗運行中，每5 d采集水樣測定TN、TP、NH4-N、CODCr、PH等指標，實驗前后采集裝置中栽種的燈芯草，利用分析天平稱量鮮重和干重，用直尺測量燈心草高度，利用水樣采集器采集水面下8～12 mm處水樣，上述水質指標測定時均參照《水與廢水水質測定方法》[6]，并每組實驗采集3個水樣取平均值，比較每個組分水體中各指標值的變化情況，比較空白組、對照組、實驗組處理前后燈心草的鮮重、株高、含氮量與含磷量的變化情況。

根據黃麗芬[7]等和郭煒超[4]等計算污染物去除率及植物吸收對氮磷去除的貢獻率的方法，公式為:污染物去除率η=(C0-C1)/C0×100%;水體氮(磷)削減量Δmw=(C0-C1)×V;每克植物氮(磷)積累量Δm=m0-m1;植物對氮(磷)去除貢獻γ=Δm/Δmw×100%。式中:C0和C1分別為初始和試驗結束時的污染物濃度(mg·L-1);m0和m1分別為初始和試驗結束時的平均含氮和磷量(mg·g-1);V為水樣的體積100 L。

1.3.3 數據統計分析

實驗結果用SPSS 17.0進行分析，不同基質配比在生態基質箱中處理黑臭水體效果比較采用單因素方差分析(n=5,Duncan法)，并對方差分析結果用Excel2010進行作圖表示，作圖采用Origin 8.5軟件作圖。

2 生態基質箱的不同基質配比對人工模擬廢水的處理效果比較

2.1 不同生態基質箱對水體中pH的影響

從圖2分析可得，不同處理裝置的pH差異較大，各裝置的pH在前20 d均呈明顯上升趨勢，并且在第20 d后，各裝置的pH達到最大值，之后趨于平衡，其原因為實驗1，2，3組主要受基質特性的作用[6，8]，3個實驗組的水質均為堿性，pH范圍在7.84～8.19；而空白組和對照組的pH略有升高，根據分析，是由于人工曝氣、植物的光合作用、底泥的微生物作用[9-10]對水體的pH變化均有影響，但影響不大。對各裝置實驗數據進行統計分析，3個實驗組的出水pH不存在顯著性差異(P>0.05)，說明不同基質配比及燈芯草的種植對處理后的污水pH無顯著性影響，而空白組、對照組、實驗組對處理后的污水pH存在顯著性差異(P<0.05)。

t/d圖2 不同裝置水體pH的變化曲線Figure 2 Variation curve of pH in different devices

2.2 CODCr去除效果

從圖3分析可得，各實驗裝置處理后的污水CODCr濃度均呈下降趨勢，之后基本趨于平衡。其中空白組裝置，僅依靠裝置曝氣作用[11]，處理后水質CODCr去除率最低，只有66.14%。而對照組、實驗1，2，3組的去除率均高于空白組，去除率分別為84.20%，85.70%，86.06%和85.31%。在實驗15 d之前，各實驗裝置的CODCr濃度均迅速下降，并在20 d時達到最低值。通過圖中我們發現，在25 d之后，CODCr濃度略微上升，在光學顯微鏡下分析水樣，此時發現水體中有部分藻類生長，我們分析是由于藻類進行光合作用和自身就是有機物的原因[10-11]，導致水體CODCr略微上升的。總之，對照組和實驗組能夠有效去除水體中CODCr濃度，經統計分析，對照組和實驗組對水中的CODCr的處理效果無顯著性差異(P>0.05)，說明不同基質配比對CODCr的處理效果影響甚微。

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2.3 TN去除效果

從圖4分析可得，各實驗裝置處理后水質的TN濃度均呈下降趨勢,且去除率不斷升高，其中空白組裝置，僅依靠裝置曝氣作用[12]，故處理后水質TN去除率最低，僅有11.70%。對照組、實驗1，2，3組的去除率均高于空白組，去除率分別為20.35%，58.55%，63.95%，66.45%，故可以看出各裝置中實驗3組對TN去除效果最好。從圖中可以看出，3個實驗組裝置在前5 d時，TN濃度驟然下降，可能此時對TN的去除起決定性作用的是各組基質材料的吸附作用[13]，實驗組在20 d之后幾乎呈直線型下降趨勢，可能該時期內基質箱中的微生物處于對數生長期，微生物的生長繁殖快、代謝活力快，繼而能夠大量去除水中的氮素[14]。經統計分析，3個實驗組對水體中的TN處理效果存在顯著性差異(P<0.05)，實驗3組的裝置對TN的去除能力明顯高于其他實驗組。

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2.5 TP去除效果

由圖6分析可得，各實驗裝置處理后水質的TP濃度均呈下降趨勢，且去除率不斷升高，在實驗第40 d時，空白組、對照組、實驗1，2，3組對TP的去除率分別為27.75%，31.25%，62.75%，66.26%，64.74%。經統計分析，空白組、對照組、實驗1，2，3組對水體中TP的處理效果均存在顯著性差異(P<0.05)，實驗組對TP去除率遠高于空白組和對照組，其中實驗2組對水體中TP的去除率最高，是由于實驗2組的基質配比中活性炭最多，且活性炭對磷元素的吸收能力優于氧化鋁和沸石[19-20]。

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3 生態基質箱中不同基質配比對植物生長以及N、P積累量的比較

3.1 生態基質箱中不同基質配比對植物生長的影響

經過實驗觀察，對照組，實驗1，2，3組基質箱中燈芯草均在實驗周期內存活，由表1可知，各裝置內的燈芯草單株鮮重、干重以及單株高度均存在不同程度增加，經統計分析，對照組，實驗1，2，3組的燈芯草單株鮮重、單株干重、單株高度增量均存在顯著性差異(P<0.05)，其中實驗1，2，3組的燈芯草單株鮮重、單株干重、單株高度增量不存在顯著性差異(P>0.05)，根據數據發現，在生態基質箱中將燈芯草直接植入底泥中更有助生長[20-21]。

表1 不同基質配比對燈芯草生長的影響Table 1 The effect of different substrate ratios on the growth of Juncus

3.2 生態基質箱中不同基質配比對燈芯草N、P的積累量以及植物去除N、P貢獻率的影響

參照衛小松、夏品華、袁果[21]等的方法，各生態基質箱中燈芯草對氮、磷直接吸收所起的貢獻率用燈芯草對TN、TP的吸收量占生態基質箱總的TN、TP去除量的比例來表示,公式為Mp/∑(Cstar-Cover)OT,Mp為生態基質箱對TN、TP的吸收量，Cstar-和Cover分別為實驗開始和實驗結束的ρ(TN)、ρ(TP)，V為基質箱水體體積，T表示實驗進行的時間。由表2可得，實驗3組中的燈芯草對TN的積累量(36.67±3.22) mg·g-1最高，但對照組的燈芯草對水體中TN去除貢獻率(24.18±3.22)%最高，實驗2組中的燈芯草對TP的積累量(10.11±0.85) mg·g-1最高，但對照組的燈芯草對水體中TP去除貢獻率(33.11±4.01)%最高。其中我們看到，燈芯草對TN、TP的積累量與水體中TN、TP總削減量成正比關系，而燈芯草去除污染物的貢獻率與水體中TN、TP總削減量不成比例關系。對此我們得出，對照組中的燈芯草雖然能夠去除一定量的TN和TP，但生態基質箱中的非植物因素對污染物的去除率要遠遠高于燈芯草的吸收作用，這與郭煒超[2]等人研究結論基本一致。

表2 不同基質配比對燈芯草N、P積累量以及去除貢獻率Table 2 Contribution rate of different substrate ratios on the accumulation of N and P and the removal rate

4 討論

4.1 生態基質箱的不同基質級配對黑臭水體的處理效果

水體中CODCr含量的去除，主要是通過植物根系的吸收和吸附、微生物降解。由于植物根系和基質材料能夠很好的為微生物提供碳源和載體，提高微生物富集[23]，富集的微生物是去除水體中CODCr的主體。因此，對照組和3個實驗組的CODCr的去除無顯著性差異。

水體中磷的去除，主要通過植物的吸收同化、基質吸附、沉降作用、微生物的新陳代謝等作用[23-25]。由于植物對磷的去除效率較低，且基質中的Ca2+、Mg2+、Al3+等離子與磷酸鹽能夠產生沉淀，因此在磷元素的去除中占主導地位的是基質吸附與沉降作用[27]，故對照組和實驗組的磷元素去除存在顯著性差異，由于活性炭對磷元素的吸附能力優于氧化鋁和沸石[23，28]，故實驗2組對磷元素的去除效果最好。

4.2 生態基質箱的不同基質級配對N、P積累量的比較

經實驗分析，燈芯草植株單株高度和株重有所增加，且生長狀況良好，基質的不同配比影響燈芯草對N、P的吸收和轉化；燈芯草在生長時，會受到基質的擠壓和脅迫，繼而阻礙燈芯草對N、P的吸收和去除[28]，因此，對照組的燈芯草的單株株重和株高增長最快。經統計分析，3個實驗組的燈芯草單株株重和株高不存在顯著性差異，但是對照組和3個實驗組的植物單株株重和株高存在顯著性差異。生態基質箱中的非植物因素對TN、TP去除的貢獻率要遠高于燈芯草對N、P的吸收和轉化的，其主要原因是基質的吸附、微生物的降解和吸附使N、P下降[29]。因此，優化生態基質箱結構和基質的形式，改進植物的種植方式和類別以提高非植物因素的作用可以提高對T、P的去除效率。綜上所述，生態基質箱能夠很好的去除水中TN、TP，并且可以改變不同基質配比來去除不同污染物濃度，改變植物的種植方式和種類，可以提高生態基質箱處理黑臭水體的處理能力。

5 結論

(3)生態基質箱中的非植物因素對TN、TP去除貢獻率遠高于水生植物燈芯草對N、P的轉化和吸收，對照組的燈芯草生長狀態最好，基質對水生植物生長具有脅迫作用。

(4)不同基質配比對水體在TN、TP的積累量存在顯著性差異，其中基質沸石、活性鋁、活性炭配比為2:1:1的基質箱對TN的去除貢獻率高于其他實驗組，基質配比為1:1:2對TP的去除貢獻率高于其他實驗組，繼而可以根據水體N、P的比例來選用不同沸石、活性鋁、活性炭的基質不同配比的生態基質箱。