太陽能微動力生態(tài)浮島技術(shù)在水體修復中的應用

劉宇爽，劉 瑾，趙 海，王文泊，運志強

(沈陽工程學院 新能源學院，遼寧 沈陽 110136)

目前，水污染已經(jīng)成為一個亟待解決的問題。隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，大量生活污水和工業(yè)廢水排入環(huán)境，造成受納水體污染，嚴重影響水生生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和水資源的利用，還直接危害人類的身體健康[1]。國內(nèi)許多學者開展了用生態(tài)浮島技術(shù)修復城市河道、湖泊、養(yǎng)殖水體的研究[2]。有學者與1991年即開展了用生態(tài)浮島治理城區(qū)污染河道實驗[3]。人工浮島系統(tǒng)作為一種應用于池塘或湖泊污染的污水處理技術(shù)，對治理水體污染有積極的影響。1998年開展的生態(tài)浮島對無錫市五里湖修復工作，發(fā)現(xiàn)對水體N、P去除效率很高[4]。本實驗介紹了一種新型浮島：太陽能微動力生態(tài)浮島，旨在利用太陽能電池板收集太陽能的能量轉(zhuǎn)變?yōu)槠貧庀到y(tǒng)的動能，帶動曝氣頭工作，使水體達到一個間斷或持續(xù)充氧的目的。它主要機能可以歸納為四個方面:(1)水質(zhì)凈化；(2)提供動物的生存和棲息的空間；(3)改善景觀；(4)對岸邊起到消波保護的作用[5]。

1 實驗

1.1 實驗植物

部分浮島植物如鳳眼蓮、水花生、蘆葦?shù)仍谏L過程中能分泌克化學物質(zhì)[6]。但植物的選取須得依據(jù)本地環(huán)境和溫度等因素選取適宜的生態(tài)浮島中復合植物。植物選取如下：

黃菖蒲6棵；旱傘草4棵；水葫蘆4棵 ；水芙蓉6棵。

空心竹：直徑2cm 長1.5m的空心竹：5根 ；直徑1cm 長1.5m的空心竹：10根。

1.2 實驗設(shè)備

小鋸子：1把 ；砍竹刀：1把 ；

魚線：2捆；水盆：2個；太陽能電池板：1塊 ；曝氣頭：4個； 12v蓄電池:1塊； 繼電器:1塊；太陽能充電保護器:1塊； 竹竿：1根。

1.3 實驗試劑

COD測定所需儀器及試劑：

(1)沸水浴裝置(酒精燈、三角架和250mL燒杯)，25mL酸式滴定管、鐵架臺、萬分之一天平、250mL錐形瓶、10mL移液管、250mL容量瓶、吸耳球、塑料滴管、玻璃棒和100mL量筒。

(2)試劑：0.02 mol/L高錳酸鉀標準溶液、0.002 mol/L高錳酸鉀標準溶液, 0.005mol/L草酸鈉標準溶液、3mol/L硫酸溶液和試驗水樣。

溶解氧測定所需儀器及試劑:

(1)儀器：便攜式溶氧儀；溶解氧電極；燒杯；玻璃棒；溫度計。

(2)試劑：試驗水樣，自來水；蒸餾水；硫代硫酸鈉(化學純)。

總氮測定所需儀器及試劑:

(1)儀器：紫外分光光度計，10mm石英化色皿、醫(yī)用手提式蒸氣滅菌器和具玻璃磨口塞比色管25mL。

(2)試劑：無氮化合物的純水，氫氧化鈉溶液、堿性過硫酸鉀溶液、鹽酸溶液、硝酸鉀標準溶液、硝酸鉀標準使用溶液和硫酸溶液，試驗水樣。

總磷測定所需儀器及試劑:

(1)儀器：分光光度計，50mL比色管和10mm比色皿。

(2)試劑：抗壞血酸溶液，硫酸溶液、鉬酸銨溶液、硝酸鉍溶液、磷標準儲備溶液和磷標準使用溶液，試驗水樣。

氨氮測定所需儀器及試劑:

(1)儀器：分光光度計，pH計、20mm比色皿和50mL比色管。

(2)試劑：納氏試劑，酒石酸鉀鈉溶液、銨標準儲備溶液和銨標準使用溶液，試驗水樣。

2 實驗方法

2.1 制作載體

用竹刀把一根直徑為2cm的1.5m長的空心竹劈成長為20cm的一份的空心竹共兩份，在空心竹兩端用小鋸子豁開長1cm寬0.5cm的小口。用竹刀劈成長16cm的一份空心竹共兩份，在空心竹兩端各自留長1cm寬0.5cm的小竹片，用劈好的四份空心竹固定成一個矩形，利用魚線穩(wěn)定，載體即完成。

2.2 取水樣

選取沈陽工程學院墨香池里的水樣，用水盆多次取水樣。帶回實驗室。

2.3 植物的培育

把植物分散移植在載體上，載體竹片上有小口，用于扦插植物，把載體放入裝有試驗水體的水盆之中，使植物的根系能扎入水中，并向水中延伸，吸收水分和其他營養(yǎng)。

2.4 浮島的搭建

在實驗室中找到一個有光照的位置來放置實驗設(shè)備。將繼電器，太陽能電池板、蓄電池和曝氣頭連接起來。分別進行單倍曝氣量為2×3.5L/min和雙倍曝氣量為4×3.5L/min的比較實驗，將曝氣頭置放于載體的底部。利用太陽能供給能量，給曝氣系統(tǒng)提供微動力使其工作，為植物進行間歇性的供氧活動。

至此，本實驗的所有工作都已準備好。

3 實驗結(jié)果與討論

(1)COD實驗數(shù)據(jù)及處理情況圖

圖1 COD實驗數(shù)據(jù)及處理情況圖

COD數(shù)據(jù)分析：剛開始測量時，COD的單倍曝氣，雙倍曝氣的初始值都是121mg/L，隨著曝氣時間和光照時間的增加，COD值呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，單倍曝氣：121,120,118,114,110……92,90,89,90(mg/L)，在150個小時內(nèi)，COD去除率達到了25.7%；雙倍曝氣：121,119,117,110……78,77,78,78(mg/L),在同樣的時間里，COD去除率達到了35.5%。

(2)溶解氧實驗數(shù)據(jù)及處理情況圖

剛開始測量時，DO的單倍曝氣，雙倍曝氣的初始值都是4.3mg/L，隨著曝氣時間和光照時間的增加，DO值呈現(xiàn)上升的趨勢，并逐漸穩(wěn)定。單倍曝氣下DO的數(shù)值變化情況:4.3，5.0，5.5，5.9…7.2，7.3，7.3，7.3(mg/L)；雙倍曝氣下DO的數(shù)值變化情況：4.3,5.2,5.7,6.3…7.5,7.7,7.8,7.8(mg/L)。

圖2 溶解氧實驗數(shù)據(jù)及處理情況圖

(3)總氮實驗數(shù)據(jù)及處理情況圖

圖3 總氮實驗數(shù)據(jù)及處理況圖

單倍曝氣和雙倍曝氣下總氮的起始值都是49mg/L，隨著光照時間和曝氣時間的增加，總氮含量呈下降趨勢，49,47,33,25,22,21,19(mg/L)，除氮效率為61.2%；雙倍曝氣下的總氮含量為：49,46,39,34,29,26,25(mg/L),除氮效率為71.4%。通過調(diào)節(jié)曝氣比例的充氧能力，使氧化溝內(nèi)形成好氧段和缺氧段，在好氧段總氮的去除率高，反之在缺氧段總氮的去除率低，所以雙倍曝氣的充氧濃度大不一定對除氮效果就好，還可能造成缺氧問題。

(4)總磷實驗數(shù)據(jù)及處理情況圖

圖4 總磷實驗數(shù)據(jù)及處理情況圖

剛開始測量時，總磷的單倍曝氣，雙倍曝氣的初始值都是4.5mg/L，在單倍曝氣下總磷的含量：4.5,4.2,3.6,2.7,1.5,0.9,0.8(mg/L),除磷效率為82.2%。

在雙倍曝氣下總磷的含量為：4.5,4.3,3.9,3.4,2.9,2.7,2.6(mg/L)，除磷效率為42.2%。

(5)氨氮實驗數(shù)據(jù)及處理情況圖

氨氮的起始值都是37mg/L，隨著光照時間的增加，氨氮含量是隨之下降的。單倍曝氣下的氨氮含量為：27,23,19,15,11,9,7(mg/L)。

雙倍曝氣下的總氮含量為：27,22,16,12,8,6,5(mg/L)。太陽能微動力人工浮島對氨氮有良好的去除效果，由數(shù)據(jù)得知，雙倍曝氣下氨氮的去除率為81.5%，單倍曝氣下氨氮的去除率為74.1%。

圖5 氨氮實驗數(shù)據(jù)及處理情況圖

4 結(jié)論

(1)太陽能微動力人工浮島系統(tǒng)對污染水體中的COD、氨氮、總氮和總磷有很大的凈化效果。

(2)曝氣的比例對人工浮島凈化水體的效果有很大影響。

(3)太陽能微動力生態(tài)浮島相比于其他傳統(tǒng)的水處理工藝，擁有很多的優(yōu)勢，更加符合社會發(fā)展和經(jīng)濟效益的需要。

[1] 馮 靖，梁自立，姚富鵬.水體污染對人體健康的影響及防治[J].山東化工，2011,40(7)：70-73.

[2] 童國璋，葉旭紅.生態(tài)浮島技術(shù)概述及應用前景[J].江西科學,2010,28 (4) :470-472.

[3] 宋翔莆，鄒國燕，吳偉明.浮床水稻對富營養(yǎng)化水體中氮、磷的去除效果及規(guī)律研究[J].環(huán)境科學學報，1998,18(5)：489-494.

[4] 井艷文，胡秀琳，許志蘭，等.利用生物浮床技術(shù)進行水體修復研究與示范[J].北京水利，2003(6)：20-22.

[5] 林佳沐，張飲江，朱文彬.人工浮動綠島對上海白蓮涇水體氮、磷去除效果的研究[J].上海水產(chǎn)大學，2008,35(1):23-27.

[6] 李鋒民，胡洪營.蘆葦抑藻化感物質(zhì)的分離及其抑制蛋白核小球藻效果研究[J].環(huán)境科學，2004(5):89-92.

(本文文獻格式：劉宇爽，劉瑾，趙海，等.太陽能微動力生態(tài)浮島技術(shù)在水體修復中的應用[J].山東化工，2018，47(02)：137-138，143.)