纖維素物質(zhì)在生態(tài)浮床中的應(yīng)用與發(fā)展*

曹文平

（徐州工程學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院　江蘇徐州221111）

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纖維素物質(zhì)在生態(tài)浮床中的應(yīng)用與發(fā)展*

曹文平

（徐州工程學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院江蘇徐州221111）

摘要生態(tài)浮床是一種無(wú)占地、環(huán)境友好、集水體美化和污染物去除為一體的生態(tài)修復(fù)工程。首先分析了組合式生態(tài)浮床的原理、特點(diǎn)和弊端，以及生態(tài)浮床技術(shù)的研究現(xiàn)狀，引出了濕地槽式生態(tài)浮床的概念；其次闡述了纖維素物質(zhì)在生態(tài)浮床領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展；最后探討了纖維素物質(zhì)在生態(tài)浮床領(lǐng)域應(yīng)用急需解決的難題。為生態(tài)浮床技術(shù)的發(fā)展和革新提供參考。

關(guān)鍵詞纖維素生態(tài)浮床生態(tài)修復(fù)工程濕地式生態(tài)浮床

Application and Development of the Cellulose Material in the Ecological Floating Beds System

CAO Wenping
（School of Environmental Engineering，Xuzhou Institute of Technology Xuzhou，Jiangsu 221111）

Abstract The ecological floating beds system is an integrated bioremediation engineering involved no occupation，environ-mental friendly，water landscaping and pollutants removal．Firstly the principle，characteristics，shortcomings and applica-tion research of combined ecological floating beds are investigated in this paper and wetland ecological floating beds are intro-duced．Then，the application research and development of the cellulose material in the ecological floating beds system is an-alyzed．Lastly the application and research problem of the cellulose material in the ecological floating beds system is de-scribed．It can provide references for the development and reform of the ecological floating beds system．

Key Words cellulose material ecological floating beds bioremediation engineering wetland ecological floating beds

0　引言

生態(tài)浮床水體修復(fù)原理，是基于植物同化和植物根圈微生物生物氧化協(xié)同去除水體中的目標(biāo)污染物［1－3］。生態(tài)浮床有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是生態(tài)浮床在國(guó)內(nèi)外并沒(méi)有大規(guī)模應(yīng)用，主要問(wèn)題就是生態(tài)浮床仍然存在修復(fù)效果較差的問(wèn)題，特別是傳統(tǒng)的生態(tài)浮床，而且在低溫季節(jié)或植物枯萎季節(jié)往往維護(hù)困難或水質(zhì)二次污染［4－6］。為此，業(yè)內(nèi)人士進(jìn)行了較為廣泛的研究和實(shí)驗(yàn)，取得了一定的成果［7］。

1組合式生態(tài)浮床

1．1組合式生態(tài)浮床的工作原理

所謂組合式生態(tài)浮床就是將水處理生物膜技術(shù)和傳統(tǒng)的生態(tài)浮床修復(fù)技術(shù)進(jìn)行組合，發(fā)揮生物膜的氧化分解作用、根系微生物的氧化分解作用、植物同化吸收作用以實(shí)現(xiàn)在傳統(tǒng)生態(tài)浮床基礎(chǔ)上的效果強(qiáng)化［8－9］。周小紅等引入“生態(tài)場(chǎng)”的概念并利用數(shù)學(xué)模型的方式證實(shí)組合式生態(tài)浮床的“生態(tài)場(chǎng)”強(qiáng)度明顯強(qiáng)于傳統(tǒng)的生態(tài)浮床，利用輻射生態(tài)場(chǎng)的方式對(duì)浮床周邊的污染物進(jìn)行強(qiáng)化和降解［10－11］。

1．2組合式生態(tài)浮床結(jié)構(gòu)和水處理生物載體

組合式生態(tài)浮床結(jié)構(gòu)通常是將水生植物懸掛在泡沫板上，將各種人工合成填料（惰性的）懸掛在泡沫板的下面，起到提高生態(tài)浮床系統(tǒng)微生物吸附面的最初目的，達(dá)到水質(zhì)凈化強(qiáng)化目的。在組合式生態(tài)浮床中水生植物和人工合成填料（惰性的）僅僅是一種組合修復(fù)模式，而水生植物和人工合成填料之間交互作用非常缺乏，使水生植物和人工合成填料各自的修復(fù)作用沒(méi)有得到疊加，類似于“各自為營(yíng)”。當(dāng)然對(duì)于生態(tài)浮床系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其中生物量、生物種群都得到大大提高［4，6，8，12］。

1．3組合式生態(tài)浮床的弊端

組合式生態(tài)浮床的弊端也較為明顯。其一，人工合成的惰性填料在修復(fù)受污染河水過(guò)程中存在掛膜速度慢或難以掛膜的問(wèn)題［13］；其二，植物和人工合成填料相對(duì)獨(dú)立分離，植物生長(zhǎng)和人工合成填料表面生物膜的更新以及增殖都是互不協(xié)調(diào)的［14］；其三，地表水體C／N比偏低，水體脫氮往往不能獲得充足的碳源供反硝化利用，所以水體的脫氮效果普遍偏慢［15］。

2生態(tài)浮床研究現(xiàn)狀

2．1改造生態(tài)浮床在水中的空間位置以穩(wěn)定水體修復(fù)效果

為了提高生態(tài)浮床中植物低溫季節(jié)良好的保溫效果和生長(zhǎng)，引進(jìn)耐低溫的水生植物構(gòu)建了生態(tài)懸浮床技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)浮床的整體浮力和水體的保溫特點(diǎn)，將生態(tài)浮床由漂浮式變?yōu)閼腋∮谒履骋簧疃?，保證生態(tài)浮床一年四季的正常運(yùn)行。

2．2濕地槽式生態(tài)浮床

所謂濕地槽式生態(tài)浮床就是將生態(tài)浮床做成漂浮的生態(tài)浮床，植物和植物基質(zhì)交互在一起種入槽池中，也利用浮體進(jìn)行浮起。即植物和基質(zhì)能“親密”接觸和交互作用，植物得到基質(zhì)的保護(hù)，植物的光合作用在根系和基質(zhì)交匯處形成良好的好氧、缺氧和厭氧的微環(huán)境，有利于脫氮和除磷［1，7］。

孫連鵬等［16］利用固定細(xì)胞化技術(shù)將反硝化細(xì)菌進(jìn)行包埋固定，結(jié)合強(qiáng)制曝氣手段，強(qiáng)化生態(tài)浮床系統(tǒng)的脫氮過(guò)程和效果；李淼等［17］利用原子束輻照強(qiáng)化技術(shù)促進(jìn)水體中氮和磷的凈化效果；李先寧等［2］將濾食性動(dòng)物引入組合式生態(tài)浮床中，利用濾食性動(dòng)物的作用提高了水體的可生化性，提高了水體的修復(fù)效果和速率。

3纖維素物質(zhì)在生態(tài)浮床中的應(yīng)用

3．1纖維素物質(zhì)在脫氮過(guò)程中的應(yīng)用

纖維素物質(zhì)在脫氮過(guò)程中顯示出碳源補(bǔ)充和脫氮效果。熊劍鋒等［18］證實(shí)，梧桐樹(shù)葉浸出液中含有大量的低分子脂肪酸。孫雅麗等［19］證實(shí)，朽木浸出液中含有大量的揮發(fā)性脂肪酸。文輝等［20］利用可生物降解材料去除低C／N比的城市污水廠尾水，取得了良好的效果。周磊等［21］利用竹絲去除高濃度硝酸鹽和低COD的化工廢水，也取得了良好的脫氮效果。

3．2纖維素物質(zhì)在浮床植物生長(zhǎng)方面的研究

傳統(tǒng)的生態(tài)浮床中植物根系都是懸浮在水體中，不容易吸收到底泥中的微量元素，而且容易受到魚(yú)類吞噬，導(dǎo)致生態(tài)浮床中植物出現(xiàn)黃葉和病蟲(chóng)害。

本課題組對(duì)比研究稻草、竹絲、陶粒為基質(zhì)的平行生態(tài)浮床中植物的生長(zhǎng)情況，以及植物體內(nèi)主要酶（POD，葉綠素，CAT和MDA），發(fā)現(xiàn)以竹絲和稻草為基質(zhì)的生態(tài)浮床中的植物生長(zhǎng)速率、主要植物酶明顯優(yōu)于陶粒為基質(zhì)的生態(tài)浮床，而且有基質(zhì)的生態(tài)浮床中的植物均優(yōu)于無(wú)基質(zhì)的生態(tài)浮床［22］。

4纖維素物質(zhì)在生態(tài)浮床技術(shù)中急需解決的問(wèn)題

4．1缺乏較為系統(tǒng)的研究

以稻草、竹絲等作為生態(tài)浮床中的基質(zhì)有一些研究成果，但是沒(méi)有進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究，因?yàn)椴煌闹参锖蜕L(zhǎng)在不同地區(qū)的植物存在較大的差異，如何在研究和工程應(yīng)用中摒除這些缺陷，需要對(duì)纖維素物質(zhì)進(jìn)行較為廣泛的研究，采用動(dòng)力學(xué)方法和修正方式等手段，使不同的纖維素物質(zhì)作為基質(zhì)時(shí)能得到較好的應(yīng)用和調(diào)控。

4．2纖維素表面微生物和纖維素作用機(jī)理

纖維素作為浮床基質(zhì)后在其表面形成較為復(fù)雜的生物膜和微生物種群，由于纖維素物質(zhì)可生物降解，吸附在其表面的微生物如何與纖維素物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，即微生物和纖維素物質(zhì)如何交互作用。本課題組通過(guò)微生物種群分析發(fā)現(xiàn)，纖維素物質(zhì)（稻草基質(zhì)）表面形成的微生物種群中具有大量的能分解有機(jī)物的種群，其中Cytophaga hutchinsonii ATCC 3340（具有結(jié)晶纖維素分解菌，具有分解纖維素、木質(zhì)素的能力）和Novosphingobium aromaticivorans DSM 12444（具有分解難降解有機(jī)物的能力）微生物占細(xì)菌總數(shù)的8%。

4．3纖維素作為基質(zhì)時(shí)如何維護(hù)穩(wěn)定的生物量

纖維素物質(zhì)作為基質(zhì)時(shí)，由于生物降解會(huì)隨著時(shí)間的推移不斷減少，纖維素量的減少也伴隨著微生物附著面減少，如何維護(hù)好纖維素物質(zhì)的量是維護(hù)好浮床基質(zhì)生物量的關(guān)鍵。如何準(zhǔn)確地計(jì)算出天然纖維素的損失率和補(bǔ)充方法，也成為纖維素物質(zhì)在浮床系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵。

5　結(jié)論

生態(tài)浮床技術(shù)的發(fā)展取決于生物、生態(tài)、化學(xué)、材料和環(huán)境等多學(xué)科的交叉和融合，其中纖維素物質(zhì)多數(shù)屬于農(nóng)業(yè)廢棄物，其作為基質(zhì)和生物載體對(duì)生態(tài)浮床技術(shù)的應(yīng)用、科研和研制以及優(yōu)化等都是非常有價(jià)值的，對(duì)提高生態(tài)浮床的修復(fù)效果、植物生長(zhǎng)環(huán)境和脫氮能力等效果明顯。

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收稿日期：（2015－04－17）

作者簡(jiǎn)介曹文平，1979年生，江西九江人，博士，副教授，主要研究方向：水環(huán)境生態(tài)修復(fù)。

*基金項(xiàng)目：住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012－K7－14），江蘇省青藍(lán)工程優(yōu)秀青年骨干教師（蘇教2012［39］）。