人工生態浮場處理廢水的研究及應用

蔣 雅

(湖南省永州生態環境監測中心，湖南 永州 425002)

1 引言

水體污染，特別是農村廣闊水域的污染問題是當今世界面臨的最主要的環境問題之一，其有發展快、危險大和治理難等特點。目前，我國主要湖泊90%以上已處于中營養和富營養的狀態[1]，而氮、磷已成為一些重要湖泊的主要污染物[2]。近年來，特別是“十三五”期間城市生活污水的集中式處理廠發展迅速，多年的實踐表明，當前我國的絕大部分污水處理廠存在投資大、運轉費用高等問題[3]，如何有效地解決廣大農村區域的以有機物為主的分散型污染正成為“十四五”期間乃至將來的熱點課題。近年利用人工浮床栽種濕生植物治理富養化水體的研究屢見報道[4，5]。通過多年的觀察比較，發現在浸水面掛滿菌膜的浮床上栽種合適的植物組成的綜合生態場對污染化水體具有很強的凈化作用，在對42種植物進行試種的基礎上，選擇6種生長良好的植物進行試驗，定量地研究其對污染水體的凈化作用，尤其對水體中氮、磷、COD的降解作用，以期找出一條解決廣大農村地區水體污染問題的生態之路。

2 試驗材料與方法

2.1 浮床制造

選用100 cm×100 cm×6 cm的平板泡沫，將泡沫浸水面制成多孔蜂窩狀，泡沫背水面按間距5 cm，孔徑2 cm打孔，植物栽種前的60 d將泡沫的浸水面浸在污水廠的兼性塘里，蜂窩狀的孔內掛滿菌膜后才栽種植物。

2.2 試驗方法

試驗在湖南農村兩污水池塘內進行，A池塘面積約800 m2，A池塘除下雨補水外，沒有污水進塘，也沒有污水流出，平均水深約1.4 m；B池塘面積約800 m2，平均水深1.5 m，B池塘每天有農業面源污水流入和流出，水位基本控制不變，水體處于流動狀態。試驗從2020年5月16日開始至2020年7月26日結束，每個池塘人工生態綜合場栽培總面積約600 m2。

試驗地處湘南丘陵，試驗期間(6～8月份)氣溫高(日平均溫度26 ℃以上)，降水量較大，日照充足(每年平均的夏季日照時數達677.5 h)，正是該地植物生長的最佳時期，試驗用種苗除水稻和空心菜在田間育苗外，其他的美人蕉、蘆葦、水芹、狐尾藻均為在野外采集的野生種苗，種苗選擇生長良好、無病蟲害、處在營養生長期的植株。試驗期間未施任何肥料和農藥，植物營養完全來源于水體，在A、B池塘中，6種植物各種了100 m2。試驗期間密切觀察植物的生長狀況，觀察泡沫浸水面菌團和植物根系的生長情況，統計植物的成活率和生物量；按照生物統計調查的方法采集植物樣品，按照“生物污染監測”[6]的方法制備植物樣品；檢測植物樣品中的含水率、氮、磷等指標，監測A池塘前后水質的變化。

成活率：30 d后成活植株數/栽種植株數，成活植株數是指栽培30 d后植株明顯增加，有新葉抽出的桿株。植物的含水率用重量法測定，植物體氮含量用凱氏定氮法(因植物體內硝態氮含量很低，凱氏氮基本上能代表其總氮)測定，植物體總磷含量用鉬銻比色法。池塘水質指標的分析方法[7]：化學需氧量用重鉻酸鹽法、五日化學需氧量用稀釋與接種法、總氮納氏試劑光度法、總磷用鉬銻抗光度法 、砷和汞用冷原子熒光法、鉛和鎘用原子吸收分光光度法、鉻(六價)用二苯碳酰二肼分光光度法。

3 結果分析

3.1 池塘試驗前水質

池塘試驗前水質情況列于表1。

表1 試驗前池塘水質情況 mg/L

3.2 試驗期內的氣候因素

從氣象部門調查得知，試驗期正是湘南的溫度高、濕度大、降水量多、日照長的時期，特別適合植物生長，試驗期的氣溫、降水、日照列于表2。

表2 試驗期內的氣候因素

3.3 植物的成活率及生長量

經統計，人工生態綜合場栽培植物的成活率及在70 d的生長期內的生物生長量(鮮重)如表3所示。

表3 植物的成活率及生長量

從表3中可以看出，所栽種的6種植物都有較高的成活率，水稻、美人蕉、空心菜、水芹、狐尾藻的成活率接近100%，這些植物均是濕生植物，在試驗栽培時，選用的種苗生長勢較好，特別水芹在野外已經生長得高、壯，栽培時將其大部分葉片剪掉，以提高成活率。兩個池塘相比較，處于流動狀態池塘的植物的成活率和生長量稍高。不同植物之間，水稻和空心菜的成活率較高，空心菜和水芹的生長量較高。

3.4 植物的凈化作用分析

3.4.1 池塘的水質變化

由于池塘B每天有水流入和流出(流入口和流出口處于異端)，水體始終處于流動狀態，無法用監測水質變化來直接表明對水體的凈化效果，然而，基于這6種植物均無固氮作用，假設植物體內氮磷含量在栽培前后是一致的(即使不一致，其差別也不會太大，而且栽培前植株較小，由此產生的差異可以忽略不計)，因此可以用植物體增長的氮、磷含量來表示植物從水體中吸收的氮、磷量。由于池塘A在試驗過程中除了下雨外，沒有水流入和流出，通過監測試驗前后的水質變化可近似地反映出人工生態綜合場對污水的凈化作用，同時通過試驗池塘水體體積變化和濃度變化以及栽培植物對氮、磷的吸收率，分析水體的氮、磷和植物中的氮、磷轉移關系，采收時A池塘的水位下降了0.6 m，B池塘的水位變化很少，采收時池塘水質情況見表4。

從表4中可以看出：通過栽種植物和菌膜的的凈化作用，A池塘的水質從劣V類變成接近Ⅲ類水質標準，南方常見植物中的水稻、美人蕉、空心菜、蘆葦、水芹對富營養化的污水有較強的凈化作用，A池

表4 試驗結束時池塘水質情況 mg/L

水中的TN、TP分別減少了52.26 kg、6.61 kg。A池水中的氮、磷主要發生以下變化：下雨時雨水和池塘周邊的水量地表徑流(集雨面積約100 m2)進入池塘，增加一部分氮、磷，池塘水的揮發帶走極少量的氮，池塘水中氮、磷量的減少主要是栽種植物的吸收作用以及泡沫浸水面微生物的吸附、同化作用所致。

3.4.2 植物體的含水率及體內氮、磷含量

對6種栽培植物分別測定了其體內總氮、總磷含量和含水率，其總氮和總磷含量所測結果為干重含量，通過含水率換算成鮮重含量，結果如表5所示。

表5 植物的含水率及體內氮、磷含量

從表5可以看出，植物干重氮、磷含量以空心菜最高，但由于其含水率也是最高的，其鮮重中氮、磷含量并不是很高，鮮重中氮磷含量最高的是蘆葦，其次是水稻，A池塘和B池塘中栽培的植物不管是含水率還是干、鮮重中氮、磷含量相差不大。從表5中可以算出，在A池塘中水稻、美人蕉、空心菜、蘆葦、水芹、狐尾藻從水中吸收的總氮分別為7.047 kg、2.090 kg、4.891 kg、4.352 kg、6.654 kg、5.626 kg，6種植物從水中共吸收的總氮量為30.659 kg，與A池塘中試驗前后總氮量的變化基本一致；水稻、美人蕉、空心菜、蘆葦、水芹、狐尾藻從水中吸收的總磷分別為0.856 kg、0.200 kg、0.693 kg、1.0911 kg、0.823 kg、0.627 kg，6種植物從水中吸收的總磷為4.290 kg。這個數字和A池塘中試驗前后總磷量的變化基本一致。在B池塘中水稻、美人蕉、空心菜、蘆葦、水芹、狐尾藻從水中吸收的總氮量分別為7.946 kg、2.738 kg、5.696 kg、14.898 kg、7.182 kg、6.143 kg，6種植物從水中共吸收總氮量為44.603 kg，從水中吸收總磷量分別為1.092 kg、0.280 kg、0.707 kg、1.638 kg、0.974 kg、0.718 kg，6種植物從水中共吸收總磷量為5.409 kg。在A、B兩種不同流態的池塘里相等面積的相同植物從水中吸收的氮、磷量相差不大，處流動狀態、不斷有水補充的B池塘稍高。

3.4.3 6種植物對富營養水體的凈化作用

從表3和表5可以估算出6種植物對氮、磷的吸收量及對富營養化體的凈化效果，如表6所示。

表6 植物對污染水體的凈化作用

我國《地表水環境質量標準-GB3838-2002》中規定湖泊、水庫V類水質標準：總氮為2 mg/L、總磷為0.2 mg/L，而Ⅲ類水質標準：總氮1 mg/L、總磷0.05 mg/L。以此可以推算每平方米的人工生態綜合場可以將水從V類水質凈化為Ⅲ類水質的水量(表6)。從表1、表4、表5、表6中不難看出，這幾種南方常見植物對氮、磷的吸收量都較大，同時對水體中的COD、BOD5等都有較大的降解作用。考慮到水體富營養化的主要限制因子是磷，因此以總磷計的凈化效果來看，這6種植物中蘆葦、水稻、水芹的凈化效果較佳。當然，本試驗是在水質狀況遠劣于V類水中進行的，至于水體比試驗水體富營養化程度低的水體中這6種植物是否生長得這么好，以及實際水體中的底泥情況、水體中的重金屬含量在本次試驗中均未考慮。

4 結論

水污染自從人類誕生時就出現了，只不過那時的污染靠水體的自然凈化能力即可解決[7]。從環境的角度來看，水體富營養化是由于水體中氮、磷等營養元素過度富集而導致水生生態系統初級生產力增高的異常現象；但從資源的角度來看，水體營養是一種不可多得的農業資源。目前我國湖泊面積持續下降、湖泊水質惡化[8]，如何有效利用這些資源既是面臨的挑戰，也是機遇。人工生態綜合場栽培農作物的水上農業資源化治理富營養化水體模式是一種很好的選擇。但單一的浮床很難將較差的水質(例劣V類水體等)在短時內處理達到Ⅲ類水體，如何高效利用該技術還有許多工作要做，下一步研究的重點：一是有針對性地研究、篩選出針對不同污染類別的特征植物高效處理不同的污染水體；二是研究植物與浮床菌團的共生、協同作用，利用不同的菌團匹配不同的植物；三是研究生態浮床與污水處理的其他工程的結合方式，可將生態浮床作為地表水環境(特別是農村廣大區域)改善的工程技術，亦可作為污染源深度處理技術；四是對這些植物作為食品或飼料的安全性進行進一步研究，以提高處理效果和實用價值。

本試驗只對部分植物進行了試驗，實際上有許多的植物對特定的污染物有不同的特定的凈化作用，而凈化的效率又與浮床的材質、制作方式、培養的菌團、地理位置、氣象條件、水體中的污染物類別及濃度等有關，例：可直接用塑料網(代替浮床)作為狐尾藻的支撐架處理廢水(結合周邊景觀環境的需要可設計為一特定景觀)[9]；水芹菜可作為水岸植物處理農村水溪的輕微污染水體等。因此在實際工程應用中可因地制宜，將污水處理、作物生產、景觀設計等有機結合，通過不斷實踐總結出較佳的工程參數，取得較好的環境效益、生態效益、經濟學效益。