組合生態(tài)浮床設(shè)計(jì)及強(qiáng)化水體污染物降解試驗(yàn)研究

(凌源市水資源管理辦公室，遼寧 朝陽 122500)

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

研究地點(diǎn)位于遼寧省凌源市，雨熱同期，降水充沛，氣候溫和，暑熱期長，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均總降水量482.4mm，極端最低氣溫為-27.9℃，極端最高氣溫為43.3℃，多年平均氣溫8.7℃。試驗(yàn)研究富營養(yǎng)化水體凈化模擬池為自然開放露天場地，場地面積為243m2，水深1.6m，池底鋪砌為混凝土，無魚草共生。池內(nèi)沉積物和上覆水來自試驗(yàn)場內(nèi)養(yǎng)雞場糞便沼氣發(fā)酵池后的氧化塘塘水，富養(yǎng)化水體凈化模擬池沉積物平均厚度為22cm，水深1.2m，穩(wěn)定期為兩周。模擬池上覆水水質(zhì)指標(biāo)初始值，見表 1。參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)，該上覆水水質(zhì)富營養(yǎng)化狀況較為嚴(yán)重，TP、NH4-N、TN和COD等指標(biāo)屬于劣V類。

表1 模擬池上覆水水質(zhì)指標(biāo)初始值

1.2 供試植物

選取5種生長習(xí)性不同的植物(水稻、再力花、千屈菜、菖蒲和美人蕉)作為研究對象。試驗(yàn)用水稻為龍稻18，性喜溫濕、短日照，穗分化適溫27℃左右，本地適合生長時(shí)間為4—10月。再力花不耐寒，喜陽光充足、溫暖水濕的氣候環(huán)境，在微堿性的土壤中生長良好，花期適宜溫度為23—26℃，生長適宜溫度為21—29℃，本地適合生長時(shí)間為4—9月。千屈菜性喜光照充足、水濕、溫暖、通風(fēng)好的環(huán)境，比較耐寒，多生長在溝邊、河邊、水旁濕地和沼澤地，可在旱地栽培，生長適宜溫度21—31℃，南北各地均可露地越冬，本地適合生長時(shí)間為3—11月。菖蒲不耐寒，性喜濕潤溫暖，適宜生長的溫度為21—26℃，溫度低于10℃時(shí)將暫停生長，本地生長周期為4—10月。美人蕉為多年生宿根草本植物，忌干燥、不耐寒，性喜濕潤溫暖，適宜生長的溫度為23—26℃，溫度低于8℃時(shí)將暫停生長，本地適合生長周期為4—10月。以上植物均適合開春后4月至當(dāng)年夏季9月在本地生長。

1.3 組合型生態(tài)浮床的構(gòu)建

在模擬池放置生態(tài)浮床，池兩端安裝造浪-輸送系統(tǒng)和水循環(huán)增氧系統(tǒng)，如圖1所示。通過時(shí)控開關(guān)控制運(yùn)行時(shí)間，運(yùn)行頻率兩系統(tǒng)交替運(yùn)行1h，試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)重復(fù)。選用充氣式浮法種植盤60cm×60cm×10cm，每個(gè)種植盤有9個(gè)種植杯來栽培株型高度一致，生長良好的浮床植物。模擬池單元中充氣式多功能種植盤共栽種水稻45株、再力花36株、千屈菜36株、菖蒲36株、美人蕉36株，生態(tài)浮床面積覆蓋率約為25%，浮床植物種植密度40株/m2。試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)重復(fù)和3個(gè)空白對照重復(fù)。圖2為浮床植物長勢。

圖1 組合型生態(tài)浮床布局

圖2 浮床植物長勢

1.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)均在自然溫度和光照下進(jìn)行，浮床植物于2017年4月中旬移栽，栽種后觀察植物成活率情況，試驗(yàn)于2017年4—9月間進(jìn)行，為消除水分自然蒸發(fā)損失和植物蒸騰作用對試驗(yàn)效果的影響，定期補(bǔ)充稀釋到一定濃度的氧化塘塘水。通過水質(zhì)采樣器采集水面0.6m下處水樣于西林瓶中，取樣時(shí)間在上午10時(shí)左右，每隔7d取樣一次。水質(zhì)指標(biāo)的分析參考國家標(biāo)準(zhǔn)檢測方法，見表2。

表2 檢測指標(biāo)及方法

1.5 營養(yǎng)狀態(tài)評價(jià)

以Chla、SD、TP、TN和COD五項(xiàng)因子為評價(jià)指標(biāo)，采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)對水體的富營養(yǎng)化狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)，營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算公式如下：

TLI(Chla)=10(2.5+1.086lnChla)

(1)

TLI(SD)=10(5.118-1.940lnSD)

(2)

TLI(TP)=10(9.436+1.624lnTP)

(3)

TLI(TN)=10(5.453+1.694lnTN)

(4)

TLI(COD)=10(0.109+2.661lnCOD)

(5)

(6)

式中Wj——第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重；

TLI(j)——第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；

TLI(Σ)——綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 上覆水中COD的去除效果

上覆水中COD質(zhì)量濃度變化如圖3所示，可以看出：組合型生態(tài)浮床作用下模擬池中上覆水中COD的去除效果比較明顯，對照池和模擬池35～42d內(nèi)上覆水COD質(zhì)量濃度較為接近，48d開始模擬池上覆水COD質(zhì)量濃度下降趨勢明顯，主要是由于浮床植物進(jìn)入生長旺盛期，生物量逐漸增大，對懸浮物的吸附作用及有機(jī)物的吸收利用增強(qiáng)，有效降低了水體中有機(jī)物質(zhì)的含量。在試驗(yàn)后期，浮床中有機(jī)物根系腐敗、分解導(dǎo)致模擬池上覆水中COD質(zhì)量濃度下降速度趨于緩慢。試驗(yàn)期間，對照池上覆水中COD質(zhì)量濃度由初始值10.92mg/L降低到7.48mg/L，去除率為31.50%，呈小幅下降趨勢；模擬池上覆水中COD質(zhì)量濃度由初始值10.92mg/L降低到4.87mg/L，去除率為55.41%，去除率明顯高于對照池，去除效果比較明顯。

圖3 上覆水中COD質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)變化

2.2 上覆水中TN的去除效果

上覆水中TN質(zhì)量濃度變化如圖4所示，可以看出：對照池和模擬池上覆水中TN質(zhì)量濃度在前49d變化趨勢比較接近，主要是由上覆水中生物降解和懸浮固體下沉造成的。49d后上覆水中TN質(zhì)量濃度下降速度明顯加快，主要是由于浮床植物根系的截濾作用能去除大量懸浮有機(jī)物，同時(shí)藻類的自沉降作用進(jìn)一步降低了TN質(zhì)量濃度。而對照池上覆水中TN質(zhì)量濃度變化主要集中在前49d，后期變化較小，由初始值4.03mg/L降低到2.64mg/L，去除率為34.49%；模擬池上覆水中TN質(zhì)量濃度由初始值4.03mg/L降低到1.05mg/L，去除率為73.95%，為對照池去除率的2.14倍。這是因?yàn)樯锵趸聪趸饔媚軌蛴行コ偟?，雖然浮床植物吸收所占的比重較小，但是在造浪輸送系統(tǒng)和水循環(huán)增氧系統(tǒng)作用下，為上覆水中好氧微生物的生長和繁殖創(chuàng)造了條件，植物同化和吸收氮素合成有機(jī)氮和蛋白質(zhì)，從而降低了模擬池上覆水中各種無機(jī)或有機(jī)氮，使得TN質(zhì)量濃度大幅下降。

圖4 上覆水中TN質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)變化

2.3 上覆水中的去除效果

圖5 上覆水中質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)變化

2.4 上覆水中的去除效果

圖6 上覆水中質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)變化

2.5 上覆水中TP的去除效果

試驗(yàn)期間對照池和模擬池中TP質(zhì)量濃度變化，如圖7所示?？梢钥闯觯涸谇?8d對照池和模擬池中TP質(zhì)量濃度比較接近，表明該時(shí)間段內(nèi)TP質(zhì)量濃度的降低主要與上覆水中懸浮固體的下沉有關(guān)。隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長，對照池上覆水中TP質(zhì)量濃度變化幅度較小，42～119d時(shí)TP質(zhì)量濃度有小幅升高趨勢，主要與沉積物中TP的釋放有關(guān)，總體上維持在0.22～0.26mg/L波動(dòng)。而模擬池上覆水中TP質(zhì)量濃度由初始值0.25mg/L降低到0.06mg/L，去除率為76%，主要是由于浮床植物根系為微生物提供了龐大的附著面積，對磷的同化作用顯著提高。但試驗(yàn)后期，TP質(zhì)量濃度維持在0.06mg/L左右，基本沒有變化，主要是由于微生物活性降低，同化作用減弱，模擬池組合型生態(tài)浮床有機(jī)物生長趨于緩慢，水稻根系腐敗，喪失對富養(yǎng)化水體生態(tài)修復(fù)功能。

圖7 上覆水中TP質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)變化

2.6 上覆水中SD和Chla的變化特征

對照池和模擬池中SD變化，如圖8所示。可以看出：對照池與模擬池均呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢，但升高幅度存在較大差異。對照池上覆水中SD由初始值0.35m上升到0.44m，上升幅度為24.71%；而組合型生態(tài)浮床作用下對模擬池的SD上升效果明顯，由初始值0.35m上升到0.56m，提高了60%。其中，21～119d之間SD上升幅度較快，一方面因?yàn)樯鷳B(tài)浮床能夠遮擋陽光，降低了光照強(qiáng)度，有效抑制藻類的生長繁殖，通過接觸沉淀作用促使浮游植物沉降；同時(shí)，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長，水體營養(yǎng)含量相對較低，浮床植物生命周期長、個(gè)體大、儲(chǔ)存和吸收營養(yǎng)鹽的能力高于浮游藻類，浮床植物根系能分泌出克藻物質(zhì)，嚴(yán)重影響藻類的生理代謝功能，抑制了藻類大量繁殖，模擬池上覆水的SD顯著提高。

圖8 上覆水中SD動(dòng)態(tài)變化

對照池和模擬池中Chla變化，如圖9所示?？梢钥闯?，模擬池Chla質(zhì)量濃度變化與模擬池上覆水SD提高的原因分析相一致，模擬池上覆水Chla濃度由初始值24.49mg/L降低到4.63mg/L，降低了81.08%。而對照池上覆水氮、磷等元素豐富，促進(jìn)了藻類增長繁殖，Chla質(zhì)量濃度呈現(xiàn)升高趨勢，由初始值24.49mg/L上升到33.38mg/L，上升幅度為36.30%。

圖9 上覆水中Chla質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)變化

2.7 營養(yǎng)狀態(tài)評價(jià)

對照池和模擬池的富養(yǎng)化狀況通過TSI評價(jià)法進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果見表3?？梢钥闯觯囼?yàn)前和試驗(yàn)后對照池的水體營養(yǎng)狀態(tài)均為中度富營養(yǎng)，而試驗(yàn)后模擬池的水體營養(yǎng)狀態(tài)為中營養(yǎng)。對于組合型生態(tài)浮床作用下的模擬池而言，TP、TN、COD和Chla濃度都有大幅下降，水質(zhì)得到明顯改善，營養(yǎng)狀態(tài)由中度富營養(yǎng)降低到中營養(yǎng)，表明組合型生態(tài)浮床對常營養(yǎng)化水體的生態(tài)修復(fù)效果比較顯著。從對照池各單項(xiàng)指標(biāo)來看，雖然TP、TN、COD濃度都有所下降，但Chla由初始值24.49mg/L上升到33.38mg/L，導(dǎo)致TLI值仍處于較高水平。

表3 富營養(yǎng)狀態(tài)評價(jià)結(jié)果

3 結(jié) 論