串聯(lián)式菖蒲浮床去除污染河水氮磷的試驗(yàn)研究

葛銅崗,羅固源,許曉毅,張彥海,曹 佳,舒為群

(1.重慶大學(xué)三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400045;2.第三軍醫(yī)大學(xué)軍事預(yù)防醫(yī)學(xué)院,重慶400038)

人工浮床是一種兼顧治理富營(yíng)養(yǎng)化水體和生態(tài)修復(fù)的方法,由于投資省、運(yùn)行簡(jiǎn)便、處理水體中氮磷的負(fù)荷較大,且可原位凈化水體[1],近年來(lái)受到研究者的普遍關(guān)注[2-4]。菖蒲是一種常見(jiàn)的水生植物,以往人們重點(diǎn)關(guān)注其藥用價(jià)值[5],其在水污染治理中的應(yīng)用研究較少。本文選用菖蒲作浮床植物,在三峽庫(kù)區(qū)次級(jí)河流臨江河回水區(qū)域構(gòu)建串聯(lián)式人工浮床系統(tǒng)處理污染河水,研究其對(duì)污染河水氮磷的去除能力,為三峽庫(kù)區(qū)次級(jí)河流富營(yíng)養(yǎng)化控制提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 供試水體

試驗(yàn)地點(diǎn)位于臨江河回水區(qū)域,污染物主要來(lái)自永川、江津等地排放的工業(yè)廢水、生活污水及沿途農(nóng)業(yè)面源污染源,水體富營(yíng)養(yǎng)化較嚴(yán)重[6]。試驗(yàn)期內(nèi)(2008年6月～2008年8月)的水質(zhì)分析結(jié)果為: COD:25～37 mg/L,TN:6.2～12.7 mg/L,TP: 1.06～4.79 mg/L,DO:2.9～4.0 mg/L。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建與運(yùn)行

本試驗(yàn)構(gòu)建了四級(jí)串聯(lián)人工浮床系統(tǒng)(9.2 m ×2.7 m×1.2 m),各單元運(yùn)行參數(shù)相同,試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。浮床植物均選用菖蒲(Acorus calamus),菖蒲屬于天南星科、菖蒲屬多年生挺水草本植物,喜溫暖濕潤(rùn)環(huán)境,不耐寒,常見(jiàn)于淺水池塘、水溝及溪澗濕地處[7]。試驗(yàn)用植株取自臨江河岸邊,將植株去枯葉,清水洗凈后移栽到浮床上。各級(jí)浮床覆蓋面積均4 m2,覆蓋率60.0%。浮體采用聚苯乙烯泡沫板(1 m×2 m×0.05 m),按20 cm×15 cm的間距打孔。用海綿將選好的植株固定于泡板孔內(nèi),每級(jí)浮床各栽植90株菖蒲。系統(tǒng)靠臨江河回水區(qū)水位落差產(chǎn)生的重力流連續(xù)進(jìn)水,保持進(jìn)水流量約5.28 m3/d,水深約1 m,水力停留時(shí)間為3 d。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)裝置圖

1.3 研究方法

菖蒲于2008年6月11日移栽,定期考察其生長(zhǎng)情況,統(tǒng)計(jì)成活率。針對(duì)菖蒲生長(zhǎng)及形態(tài)特性[7],按分層抽樣方法[8],每隔10d分別在各級(jí)浮床中抽取不同高度范圍的5株菖蒲,測(cè)葉、根長(zhǎng)度。8月底,菖蒲生長(zhǎng)基本停滯,故而對(duì)其收割并測(cè)定葉、莖、根的生物量(以“干重”計(jì),下同)、氮磷含量與積累量。葉、根的長(zhǎng)度先求單株均值,再對(duì)所選5株植物統(tǒng)計(jì)分析,生物量與氮磷含量(包括莖)直接對(duì)所選5株植物統(tǒng)計(jì)分析。將所取樣品(菖蒲葉、莖、根)置于陰涼處晾干,然后在60℃下烘至恒重,即為生物量。將烘干后的樣品用碾磨機(jī)粉碎,過(guò)0.25 mm篩后保存[9],用濃硫酸-過(guò)氧化氫消解[10-11],總氮含量用過(guò)硫酸鉀氧化吸光光度法[10]測(cè)定,總磷含量用釩鉬黃比色法[11]測(cè)定,儀器哈希DR4000UV分光光度計(jì)。

自植物移栽始,每隔5 d于16:00～18:00取進(jìn)水及各級(jí)浮床出水,測(cè)試水質(zhì)指標(biāo)。DO和水溫用便攜儀器sensION6型溶氧儀測(cè)定,TN、TP、COD用哈希便攜儀器DRB200消解器消解,DR/2800型分光光度計(jì)測(cè)定,測(cè)試用藥品為哈希公司生產(chǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物生長(zhǎng)狀況

移栽菖蒲10 d后,各級(jí)浮床植株成活率均大于98%,但植株生長(zhǎng)相對(duì)緩慢,葉、根長(zhǎng)度幾乎沒(méi)有變化,這是因?yàn)橐环矫嬉圃赃^(guò)程勢(shì)必?fù)p傷植株根系,使其難以吸收足夠的水分和營(yíng)養(yǎng),另一方面菖蒲對(duì)泡板浮床也需要適應(yīng);7月初開(kāi)始至8月中旬40 d左右的時(shí)間內(nèi),菖蒲葉、根長(zhǎng)度及數(shù)目增加最快,此間,浮板下面形成了厚約20 cm的根系過(guò)濾層,說(shuō)明菖蒲已適應(yīng)了浮床栽培方式及水體環(huán)境,表現(xiàn)出良好的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì);8月底,菖蒲由于生長(zhǎng)旺盛,在有限的浮床空間中產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)頂D,導(dǎo)致其對(duì)陽(yáng)光、營(yíng)養(yǎng)等的種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng),生長(zhǎng)變緩,枯萎葉片大量增加,故對(duì)其進(jìn)行收割。整個(gè)試驗(yàn)期內(nèi)新葉生長(zhǎng)與老葉枯萎始終并存,需及時(shí)清理老葉并計(jì)重(用單池平均量參與數(shù)據(jù)分析)。各級(jí)浮床菖蒲葉、根長(zhǎng)度隨時(shí)間變化如圖2所示。

圖2 菖蒲葉、根長(zhǎng)變化圖

2.2 浮床系統(tǒng)對(duì)水體TN、TP的去除

水體TN、TP的去除率變化曲線如圖3、4所示。

圖3 浮床系統(tǒng)對(duì)TN的去除

圖4 浮床系統(tǒng)對(duì)TP的去除

由圖3、4可知,試驗(yàn)期間,當(dāng)河水TN為6.2～12.7 mg/L、TP為1.06～4.79 mg/L時(shí),串聯(lián)浮床在水力負(fù)荷為0.30～0.42 m3/(m2·d)(平均0.34 m3/(m2·d))的情況下,對(duì)該水體 TN、TP的去除效果比較穩(wěn)定,平均去除率約為45%、55%,折算成平均去除負(fù)荷分別為1.625 g/(m2·d)、0.394 g/ (m2·d),說(shuō)明菖蒲浮床對(duì)污染河水中氮磷具有良好的去除效果。

各級(jí)浮床的氮磷去除量見(jiàn)表1?？芍?各浮床單元對(duì)水體中氮磷都有一定程度的去除,但去除量在各級(jí)串聯(lián)單元分配不同。其中,TN去除量的分配較為均勻,說(shuō)明 TN在各浮床單元中去除的主要途徑不同,前端主要以沉淀吸附方式去除顆粒態(tài)或部分離子態(tài)氮,而后端水體DO水平較低(0.80～0.91 mg/L),對(duì)根系微生物反硝化脫氮過(guò)程有利;而TP去除量幾乎集中第一級(jí)浮床中,大部分磷可能主要通過(guò)沉淀、吸附的方式被去除,而這種作用在串聯(lián)式浮床系統(tǒng)前端最明顯。

表1 浮床菖蒲氮磷去除量及吸收作用的貢獻(xiàn)

2.3 植物吸收對(duì)浮床系統(tǒng)TN、TP去除的貢獻(xiàn)

根據(jù)菖蒲各器官的氮磷積累量及各浮床單元對(duì)水體氮磷的去除量,可計(jì)算出植物吸收對(duì)浮床菖蒲氮磷去除的貢獻(xiàn),結(jié)果見(jiàn)表1?？芍?菖蒲葉、莖的同化吸收對(duì)氮磷去除的貢獻(xiàn)均明顯大于根,說(shuō)明用浮板栽培方式(可使莖與水體分離)及收割菖蒲葉片,均為移除水體中一部分氮磷的可選方法;植物吸收作用對(duì)除氮的貢獻(xiàn)沿串聯(lián)式浮床系統(tǒng)呈逐級(jí)下降趨勢(shì),而對(duì)除磷的貢獻(xiàn)呈逐級(jí)上升趨勢(shì),說(shuō)明在串聯(lián)式浮床系統(tǒng)中的位置不同,植物吸收作用的貢獻(xiàn)亦不同。

由表1還可知,一級(jí)浮床菖蒲葉、莖的氮積累量對(duì)浮床氮去除總量的貢獻(xiàn)約35%,說(shuō)明用浮板栽培菖蒲及收割其葉片是該級(jí)浮床系統(tǒng)去除水體中氮的主要方式之一;后兩級(jí)浮床菖蒲葉、莖的磷積累量對(duì)浮床磷去除總量的貢獻(xiàn)度約45%,說(shuō)明用浮板栽培菖蒲及收割其葉片也是后兩級(jí)浮床系統(tǒng)去除水體中磷的主要方式之一。

3 結(jié)論

3.1 菖蒲能適應(yīng)浮板栽培方式及連續(xù)流動(dòng)的污染河水,菖蒲浮床系統(tǒng)對(duì)污染河水氮磷去除能力良好,表明應(yīng)用菖蒲浮床治理污染河水是適宜的,可將其作為治理三峽庫(kù)區(qū)次級(jí)河流污染水體的備選技術(shù)。3.2 串聯(lián)浮床對(duì)水體 TN、TP具有穩(wěn)定且良好的去除效果,TN的去除量在各單元分配均勻,而 TP主要在系統(tǒng)的前端去除,表明氮磷在各浮床單元中去除的主要途徑不同。

3.3 植物吸收作用對(duì)浮床菖蒲除氮的貢獻(xiàn)沿串聯(lián)式浮床系統(tǒng)逐級(jí)降低,而對(duì)除磷的貢獻(xiàn)卻逐級(jí)增加,說(shuō)明植物吸收作用的貢獻(xiàn)在串聯(lián)式浮床系統(tǒng)中存在空間分布規(guī)律,對(duì)此,將在以后的研究中深入探討,以期尋求進(jìn)一步提高浮床菖蒲凈水能力的途徑。

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