立體生態(tài)模塊處理杭州市玉皇山南基金小鎮(zhèn)水體氮的效果

裴建川，張書廷，楊金艷，張 進(jìn)

（1.天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072；2.浙江農(nóng)林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，浙江杭州311300）

玉皇山南基金小鎮(zhèn)位于杭州市，小鎮(zhèn)內(nèi)自然景觀優(yōu)美，景觀層次豐富。設(shè)計(jì)中水系水源來自于白渠，但由于白渠周邊施工，水系補(bǔ)水源頭暫時(shí)中斷，導(dǎo)致水體缺乏活力。目前，水系主要來自于玉皇山雨水，因落差較大，水體下流過程中沖刷地表而攜帶大量污染物，導(dǎo)致氮過高，加上小鎮(zhèn)內(nèi)部極個(gè)別生活污水間斷性排放至水體，水體氮進(jìn)一步升高。氮是引起水華的重要驅(qū)動(dòng)因子［1］，小鎮(zhèn)景觀水系多處水體出現(xiàn)綠藻水華現(xiàn)象。這對(duì)小鎮(zhèn)整體環(huán)境非常不利，急需治理。目前水體氮治理主要有物理-化學(xué)法［2］、生物法［3－4］、生物-生態(tài)復(fù)合法［5－6］等，以復(fù)合法最為常用。該法將微生物凈化與植物凈化相結(jié)合，在除氮的同時(shí)兼具景觀美化作用，尤其適用于城市景觀水體修復(fù)，但一般表現(xiàn)形式為人工濕地、人工生態(tài)浮島等，占地面積較大［7］，施工周期較長，在大型辦公娛樂休閑地區(qū)的景觀水體應(yīng)用受限。模塊化技術(shù)［8－9］可簡(jiǎn)化生產(chǎn)環(huán)節(jié)、降低成本，在第三次產(chǎn)業(yè)革命后逐漸成為主導(dǎo)技術(shù)。為此開發(fā)高效、價(jià)格低廉、易施工的模塊化治理技術(shù)，對(duì)城市景觀水體修復(fù)治理意義重大。本研究根據(jù)玉皇山南基金小鎮(zhèn)綜合環(huán)境及水系實(shí)際情況，在污染較為嚴(yán)重的副景觀區(qū)采用了挺水植物模塊、微生物填料模塊、沉水植物模塊，復(fù)合組成的立體生態(tài)模塊，對(duì)水體進(jìn)行修復(fù)。開展立體生態(tài)模塊去除該水系氮的性能研究，旨在探索立體生態(tài)模塊除氮能力和機(jī)制，植物及生物填料類型對(duì)氮去除效果影響及模塊最佳長度，為城市大型復(fù)雜景觀污水的研究與應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 研究地區(qū)與方法

1.1 研究區(qū)概況

場(chǎng)址位于杭州市玉皇山南基金小鎮(zhèn)（30.21°N，120.15°E）的副景觀區(qū)（圖1）。該區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，光照充足，雨水充沛。2015年，全年平均氣溫為17.3℃，年總降水量為1 947.6 mm，年總?cè)照諘r(shí)數(shù)為1 358.5 h。

圖1 實(shí)驗(yàn)區(qū)地理位置示意圖Figure 1 Geographical location of the experiment

1.2 實(shí)驗(yàn)水樣

以玉皇山南基金小鎮(zhèn)水系中污染較為嚴(yán)重的副景觀區(qū)水體作為治理對(duì)象，如圖1。該水體通過主景觀區(qū)利用泵水房補(bǔ)給水，水流極緩，水深為1.5～2.0 m，進(jìn)水污染物質(zhì)量濃度變化較大，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。根據(jù)GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》可知：水質(zhì)處于五類水以下（劣Ⅴ類水）。

表1 治理前玉皇山南基金小鎮(zhèn)水系水質(zhì)Table 1 Water quality of Yuhuang Shannan Fund Town before treatment

1.3 模塊技術(shù)設(shè)計(jì)

立體生態(tài)模塊由挺水植物模塊、沉水植物模塊及微生物填料模塊組成，各模塊設(shè)計(jì)如下：①挺水植物模塊。選取香蒲Typha orientalis，美人蕉Canna indica，千屈菜Lythrum salicaria，構(gòu)建3種挺水植物模塊。模塊大小：長×寬×高為1.75 m×1.00 m×0.20 m，以竹竿（內(nèi)徑D=6～8 cm）為支撐邊，上面放置聚乙烯塑料浮板（長0.33 m×寬0.33 m×高0.06 m），浮板內(nèi)套軟花盆（上口徑0.15 m，下口徑0.11 m，高0.13 m），花盆內(nèi)鋪設(shè)0.10 m厚的陶粒，陶粒平均粒徑為2.2 cm。植物種植于花盆內(nèi)，栽植密度為16株·m－2。②沉水植物模塊。選取狐尾藻Myriophyllum verticillatum，竹葉眼子菜Potamogeton malaianus，伊樂藻Elodea nuttallii，構(gòu)建3種沉水植物模塊。模塊尺度：長×寬×高為1.75 m×1.00 m×0.50 m，以竹竿（內(nèi)徑D=4～6 cm）為支撐邊，上面布設(shè)紗網(wǎng)袋（100目），網(wǎng)袋內(nèi)鋪設(shè)0.15 m厚的陶粒，陶粒平均粒徑為2.2 cm。沉水植物栽植于網(wǎng)內(nèi)，栽植密度為25株·m－2。③微生物填料模塊。選取碳纖維草（比表面積=1 000 m2·g－1）， 立體超細(xì)纖維草（比表面積=8 000 m2·m－3）， 構(gòu)建 2 個(gè)微生物填料模塊。 生物填料模塊為長方體（長1.75 m×寬1.00 m×高0.50 m），框架用竹竿（內(nèi)徑D=4～6 cm）搭建，人工水草鋪設(shè)體積率為5%。

將上述3種模塊按照微生物填料模塊→沉水植物模塊→挺水植物模塊的順序從下至上固定，復(fù)合成18個(gè)立體生態(tài)模塊。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

18個(gè)立體生態(tài)模塊建成后，放置于透明的有機(jī)玻璃（厚度T=2 mm）反應(yīng)器（長1.85 m×寬1.10 m×高1.40 m）內(nèi)，與周圍水體隔離，安裝于玉皇山基金小鎮(zhèn)副景觀區(qū)水系。其中進(jìn)水口位于反應(yīng)器一側(cè)頂端直通入下部，在距離立體生態(tài)模塊進(jìn)水口端0.30，0.70和1.85 m處，距離立體生態(tài)模塊底部0.25，0.75和1.10 m處，設(shè)采水管（直徑d=2.0 cm），共計(jì)9個(gè)，采水管不采樣時(shí)處于閉管狀態(tài)，出水口為9號(hào)采樣口，如圖2所示。另設(shè)1個(gè)空白組。

先試運(yùn)行1.5個(gè)月，2016年5月13日起向模塊進(jìn)水，系統(tǒng)運(yùn)行2個(gè)月，至2016年7月12日結(jié)束。進(jìn)水方式：用流量泵將副景觀區(qū)水抽至立體生態(tài)模塊，通過模塊進(jìn)水口均勻持續(xù)進(jìn)水，每個(gè)模塊進(jìn)水量均為15.00 m3·d－1，水力負(fù)荷為7.37 m·d－1。運(yùn)行期內(nèi)每周采集1次水樣，5月13日14:00第1次采樣，以后隔6 d在14:00采樣1次，共采集9次水樣。實(shí)驗(yàn)期間現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定模塊內(nèi)pH值和水溫。采集后的水樣放置于采集瓶，其中入水口處水樣為進(jìn)水水質(zhì)，9號(hào)采集管出水樣為出水水質(zhì)，1～3號(hào)采集管抽取10.00 mL混勻?yàn)?.30 m處水樣，4～6號(hào)采集管抽取10.00 mL混勻?yàn)?.70 m處水樣，7～9號(hào)采集管抽取10.00 mL混勻?yàn)?.85 m處水樣。做好標(biāo)記放于冰盒內(nèi)運(yùn)至分析室存于0℃冰箱內(nèi)。24 h內(nèi)完成分析。

采集水樣主要測(cè)試指標(biāo)有總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、pH值（酸堿度）、溫度，分析方法采用文獻(xiàn)［10］所述方法，其中總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，銨態(tài)氮采用靛酚藍(lán)比色法，硝態(tài)氮采用酚二磺酸分光光度法， pH 值采用電極法， 溫度采用溫度計(jì)法。 平均質(zhì)量濃度 ρ平均=（ρ1＋ρ2＋ρ3＋…＋ρn）/n， 其中：ρ表示質(zhì)量濃度，ρ1為第1次采集水樣所測(cè)的質(zhì)量濃度，ρ2為第2次采集水樣所測(cè)得質(zhì)量濃度，其他以此類推。 去除率=（ρ進(jìn)水－ρ出水）/ρ進(jìn)水×100%。

圖2 立體生態(tài)模塊示意圖Figure 2 Diagram of vertical ecological modules

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)去除污水總氮及耐沖擊負(fù)荷分析

由表2可知：實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，進(jìn)水總氮質(zhì)量濃度平均為5.60 mg·L－1。經(jīng)立體生態(tài)模塊后，香蒲-伊樂藻-碳纖維草復(fù)合立體生態(tài)模塊總氮質(zhì)量濃度平均為0.13 mg·L－1，低于其他立體生態(tài)模塊（0.22～1.48 mg·L－1）及空白組（3.87 mg·L－1）。 香蒲-伊樂藻-碳纖維草復(fù)合立體生態(tài)模總氮平均去除率為 97.61%， 高于其他立體生態(tài)模塊（73.58%～96.10%）及空白組（30.87%）。對(duì)于銨態(tài)氮而言，香蒲-伊樂藻-碳纖維草復(fù)合立體生態(tài)模塊出水總氮質(zhì)量濃度平均為0.04 mg·L－1，低于其他立體生態(tài)模塊（0.08～0.88 mg·L－1）及空白組（1.96 mg·L－1）。香蒲-伊樂藻-碳纖維草復(fù)合立體生態(tài)模塊的銨態(tài)氮平均去除率為98.68%，高于其他立體生態(tài)模塊（71.05%～97.37%）及空白（35.53%）。而對(duì)硝態(tài)氮，去除效果仍以香蒲-伊樂藻-碳纖維草復(fù)合立體生態(tài)模塊最好，去除率為96.97%，高于其他立體生態(tài)模塊（63.93%～93.11%）及空白（20.50%）。

顯著性分析（表2）發(fā)現(xiàn)：立體生態(tài)模塊與空白組相比較，對(duì)總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮去除率呈極顯著差異，而且植物和生物填料類型對(duì)去除率有一定影響?？瞻椎目偟|(zhì)量濃度平均去除率極顯著低于立體生態(tài)模塊（P＜0.01）。在18個(gè)復(fù)合立體生態(tài)模塊中，香蒲-伊樂藻-碳纖維草（97.64%），美人蕉-伊樂藻-碳纖維草（96.02%），香蒲-伊樂藻-立體超細(xì)纖維草（93.05%）3種復(fù)合立體生態(tài)模塊對(duì)總氮去除效果最好，其中去除率最高的香蒲-伊樂藻-碳纖維草復(fù)合立體生態(tài)模塊總氮平均去除率比空白組高70.61%。18個(gè)立體生態(tài)模塊中，除香蒲-狐尾藻-碳纖維草、香蒲-竹葉眼子菜-碳纖維草、香蒲-狐尾藻-立體超細(xì)纖維草、美人蕉-狐尾藻-碳纖維草、美人蕉-竹葉眼子菜-碳纖維草、千屈菜-狐尾藻-碳纖維草、千屈菜-伊樂藻-立體超細(xì)纖維草7個(gè)復(fù)合立體生態(tài)模塊外，其他復(fù)合立體生態(tài)模塊均呈顯著差異（P＜0.05），這說明所選植物及生物填料不但能促進(jìn)總氮去除，而且種類對(duì)總氮去除率也有一定影響。通過比較可知，由伊樂藻構(gòu)建的沉水植物模塊在所有模塊中對(duì)總氮的去除率提高效果最顯著；挺水植物模塊中香蒲模塊對(duì)總氮的去除率最高，其次是美人蕉，千屈菜降解率最低；碳纖維草模塊對(duì)總氮的去除率高于立體超細(xì)纖維草模塊。對(duì)于銨態(tài)氮質(zhì)量濃度，空白組和18個(gè)立體生態(tài)模塊組兩者差異達(dá)顯著水平（P＜0.01），其中香蒲-伊樂藻-碳纖維草等14個(gè)立體生態(tài)模塊又與立體生態(tài)模塊整體呈顯著差異。這說明不同植物及生物填料對(duì)銨態(tài)氮去除率影響比對(duì)總氮去除率顯著?？瞻捉M硝態(tài)氮去除率和立體生態(tài)模塊同樣呈極顯著差別。在18個(gè)立體生態(tài)模塊中，去除率與模塊整體呈顯著差異達(dá)72.00%，同樣說明植物和生物填料類型對(duì)硝態(tài)氮去除率有一定影響。

副景觀區(qū)水體總氮質(zhì)量濃度波動(dòng)較大，分別為3.02～10.87 mg·L－1，表明不同立體生態(tài)模塊的抗沖擊負(fù)荷能力差異顯著。最高總氮進(jìn)水質(zhì)量濃度發(fā)生在2016年5月13日（10.87 mg·L－1），空白組的總氮去除率為19.96%，立體生態(tài)模塊的總氮去除率為66.51%～95.22%。最低總氮進(jìn)水質(zhì)量濃度發(fā)生在2016年5月20日（3.02 mg·L－1），而空白的總氮去除率為29.80%，立體生態(tài)模塊的總氮去除率為62.58%～94.70%。對(duì)比可見：總氮去除率，除空白組相差較大外，進(jìn)水負(fù)荷對(duì)立體生態(tài)模塊影響不大。說明立體生態(tài)模塊具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力，對(duì)質(zhì)量濃度波動(dòng)較大的水體保持較高的去除率。

可見，副景觀區(qū)污水通過立體生態(tài)模塊凈化后總氮降低，18個(gè)立體生態(tài)模塊的平均出水質(zhì)量濃度參照GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，總氮已達(dá)Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（1.5 mg·L－1）。但其出水水質(zhì)總氮尚未達(dá)到Ⅲ類地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，一般不能直接作為接觸性娛樂性景觀用水。故對(duì)于副景觀區(qū)，可以采取曝氣充氧＋立體生態(tài)模塊工藝，再加上后續(xù)副景觀區(qū)塘邊緩沖帶，以保障副景觀區(qū)的水質(zhì)。

表2 不同立體生態(tài)模塊進(jìn)水氮質(zhì)量濃度及去除率（平均值）Table 2 Concentration and removal rate of nitrogen in various vertical ecological modules

2.2 各形態(tài)氮的質(zhì)量濃度沿長度變化趨勢(shì)分析

選取對(duì)總氮降解率最高的3組（香蒲-伊樂藻-碳纖維草、香蒲-伊樂藻-立體超細(xì)纖維草、美人蕉-伊樂藻-碳纖維草復(fù)合立體生態(tài)模塊），考察各形態(tài)氮質(zhì)量濃度的沿長度變化。由圖3A和圖3B可見：立體生態(tài)模塊中總氮、銨態(tài)氮質(zhì)量濃度均呈沿長度降低之勢(shì)，且距出水口越近去除效果越好。由圖3C可知：雖各立體生態(tài)模塊硝態(tài)氮質(zhì)量濃度均低于進(jìn)水，但立體生態(tài)模塊在0.70 m后質(zhì)量濃度下降更明顯，而空白組硝態(tài)氮質(zhì)量濃度穩(wěn)定下降，變化曲線形狀與總氮和銨態(tài)氮相似。立體生態(tài)模塊全程無硝態(tài)氮積累，這與僅采用植物凈化的效果不同［11－14］。這可能和立體生態(tài)模塊位于最低端的微生物填料模塊的反硝化作用更強(qiáng)，促進(jìn)了硝態(tài)氮的還原有關(guān)。香蒲-伊樂藻-碳纖維草復(fù)合立體生態(tài)模塊在0.30，0.70和1.85 m處所取水樣的總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮質(zhì)量濃度低于空白組，香蒲-伊樂藻-立體超細(xì)纖維草和美人蕉-伊樂藻-碳纖維草復(fù)合立體生態(tài)模塊，在3個(gè)立體生態(tài)模塊中最低。

2.3 pH值及植物、生物填料對(duì)去除氮效果分析

選取去除率最高的3組（香蒲-伊樂藻-碳纖維草、香蒲-伊樂藻-立體超細(xì)纖維草、美人蕉-伊樂藻-碳纖維草復(fù)合立體生態(tài)模塊），考察pH值變化趨勢(shì)及各子模塊對(duì)增強(qiáng)氮去除效果。由圖3D可見：實(shí)驗(yàn)期各模塊酸堿度為pH 7.15～7.40?？瞻捉M沿長度pH值均大于或等于pH 7.39且曲線變化幅度相對(duì)較小，尾端pH值有一定升幅，而香蒲-伊樂藻-碳纖維草、香蒲-伊樂藻-立體超細(xì)纖維草、美人蕉-伊樂藻-碳纖維草復(fù)合立體生態(tài)模塊pH值均小于空白，pH值隨長度增加均小幅度下降，其原因可能為立體生態(tài)模塊中的挺水植物和沉水植物泌氧功能，通過立體生態(tài)模塊中植物根系輸氧能力和沉水植物光合作用使模塊內(nèi)挺水植物模塊和沉水植物模塊水體氧含量增加，硝化作用增強(qiáng)，釋放了大量的質(zhì)子，導(dǎo)致pH值沿長度下降，且低于空白組的pH值，這種變化趨勢(shì)與黃季超等［11］研究結(jié)果相似。因反應(yīng)系統(tǒng)pH值均小于pH 7.50，故實(shí)驗(yàn)過程氨揮發(fā)可以忽略［12］。以此推斷，實(shí)驗(yàn)過程立體生態(tài)模塊中氮的去除可能主要靠硝化/反硝化、厭氧氨氧化和植物光合作用，通常在有氧條件下，水體氮一部分經(jīng)過銨鹽→亞硝酸鹽→硝酸鹽的過程轉(zhuǎn)化為水溶鹽，含氮鹽在缺氧條件下經(jīng)過硝酸鹽→亞硝酸鹽→一氧化氮→一氧化二氮→氮?dú)廪D(zhuǎn)化為氣態(tài)氮；一部分氮在缺氧條件下經(jīng)過銨鹽→氮?dú)庵苯咏?jīng)過厭氧氨氧化作用轉(zhuǎn)化為氣體［15］。硝化菌最佳酸堿度為pH 7.0～8.6，反硝化菌和厭氧氨氧化菌酸堿度為pH 7.0～8.0［14－15］。pH值監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：立體生態(tài)模塊中pH值在此范圍內(nèi)，適合氮降解細(xì)菌的生長繁殖。在后期，為了深入探究反應(yīng)過程pH值呈現(xiàn)這種變化的原因，可增設(shè)溶解氧（DO），微生物種類及數(shù)量等指標(biāo)監(jiān)測(cè)，來論證現(xiàn)在的推斷。

種植了植物和生物填料的立體生態(tài)模塊的脫氮效果優(yōu)于空白組。主要原因：①立體生態(tài)模塊的水流受植物生長和生物填料影響，水流受到阻滯，延長停留時(shí)間；②植物生長吸收硝態(tài)氮和銨態(tài)氮；③挺水植物根系、沉水植物和生物填料為模塊中微生物生長提供了繁殖場(chǎng)所［16－18］，根系和生物填料會(huì)創(chuàng)造有利于多種微生物生長的小環(huán)境，在沉水植物及挺水植物根莖附近會(huì)形成有氧小環(huán)境，形成硝化好氧區(qū)，在遠(yuǎn)離沉水植物和挺水植物根莖、模塊最底部的生物填料模塊形成反硝化、氨氧化缺氧區(qū)。

本研究植物初始平均株高為香蒲1.56 m，美人蕉2.02 m，伊樂藻1.45 m，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)植物平均株高為香蒲1.75 m，美人蕉1.32 m，而伊樂藻已覆蓋整個(gè)沉水植物模塊（長1.75 m×寬1.00 m×高0.50 m）紗網(wǎng)袋，并且分別于2016年5月27日和6月17日進(jìn)行收割，水體氮鹽可通過光合作用作為營養(yǎng)物質(zhì)暫時(shí)儲(chǔ)存于植物［19］。長勢(shì)最好的香蒲和伊樂藻對(duì)氮的去除效果最好。挺水植物和沉水植物組合成水生植物群落，比單一水生植物氮磷去除率更好。劉足根等［20］研究表明：鄉(xiāng)土種穗花狐尾藻Myriophyllum spicatum+狹葉香蒲Typha angustifolia的鑲嵌組合對(duì)總氮、硝態(tài)氮的去除率分別達(dá)52.96%和61.74%，比單一生活型水生植物氮磷去除率更高，且凈化效果更為穩(wěn)定。所以，可選這些植物生長到一定季節(jié)，適時(shí)收割植物部分莖和葉，以達(dá)到對(duì)氮良好的去除效果。

挺水植物和沉水植物的泌氧功能在立體生態(tài)模塊凈化污水過程中發(fā)揮著重要作用。通過模塊內(nèi)植物根系和沉水植物莖葉的輸氧，使其周圍形成一個(gè)有氧區(qū)，而距離較遠(yuǎn)的區(qū)域形成缺氧、厭氧區(qū)，為好氧、厭氧微生物提供生存條件［21］。水中銨態(tài)氮去除發(fā)生的硝化反應(yīng)，與水中溶解氧有很大關(guān)系。硝化過程所需的氧主要為水中溶解氧，泌氧能力較強(qiáng)的植物可向模塊水體輸送更多氧氣，有利于硝化作用增強(qiáng)，促進(jìn)除氮能力。香蒲、伊樂藻、美人蕉3種植物都有很強(qiáng)的泌氧能力［22－24］，且存活率和生長情況與本研究的其他3種（千屈菜、竹葉眼子菜、狐尾藻）相比較，表現(xiàn)出更好的長勢(shì)，這可能是這3種復(fù)合立體生態(tài)模塊去除氮效率較高的原因之一。

生物填料比表面積大、空隙率高，能讓微生物在固體表面附著生長形成生物膜，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的生物處理［25］。生物膜中的微生物可以利用污水中溶解氧和有機(jī)物促進(jìn)自身生長繁殖，同時(shí)生物膜逐漸增厚，形成厭氧區(qū)［26］。水中硝態(tài)氮的去除主要在厭氧區(qū)進(jìn)行，香蒲-伊樂藻-碳纖維草、香蒲-伊樂藻-立體超細(xì)纖維草、美人蕉-伊樂藻-碳纖維草復(fù)合立體生態(tài)模塊脫氮過程中均未出現(xiàn)硝酸根積累的現(xiàn)象，這與僅單純用植物凈化相比，關(guān)鍵因素可能因?yàn)樘幱诘讓拥纳锾盍夏K處于缺氧環(huán)境，又對(duì)反硝化菌有較好的吸附作用，促使反硝化菌在其表面形成生物膜。有研究表明［27］：在較低負(fù)荷下硝化功能菌屬Dechloromonas相對(duì)豐度的增加可能是引起填料生物膜反硝化脫氮能力提高的重要原因。為了深入了解生物填料對(duì)除氮的影響，可增設(shè)監(jiān)測(cè)生物填料模塊總氮、有機(jī)溶解氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮等各類氮質(zhì)量濃度變化。

2.4 模塊最佳長度分析

模塊長度受多因素影響，比如降水量、植物品種、生物填料類型等。本研究以玉皇山南基金小鎮(zhèn)景觀水水質(zhì)凈化為目的，以不同挺水植物、沉水植物、生物填料模塊為控制變量，根據(jù)污水污染物降解和沿長度去除率變化確定生態(tài)立體模塊最佳長度。用Origin 2017分析軟件，根據(jù)立體生態(tài)模塊對(duì)景觀污水中氮的實(shí)際去除效果，分別擬合香蒲-伊樂藻-碳纖維草、香蒲-伊樂藻-立體超細(xì)纖維草、美人蕉-伊樂藻-碳纖維草復(fù)合立體生態(tài)模塊總氮、銨氮、硝態(tài)氮的去除率和沿長度距離，表明總氮、銨氮、硝態(tài)氮和沿長度距離呈顯著的指數(shù)關(guān)系（圖4和表3），所得擬合公式如表3。

圖3 立體生態(tài)模塊下總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和pH值沿長度的變化Figure 3 TN,NH4+-N,NO3--N concentration and pH change along flow direction in vertical ecological modules

擬合結(jié)果（表3）顯示：立體生態(tài)模塊長度與污染物去除效果呈正相關(guān)，但受水體功能限制，不能將水體表面全部覆蓋。玉皇山南基金小鎮(zhèn)景觀水域區(qū)總面積僅6 700 m2。為此，在有限的水域面，達(dá)到用立體生態(tài)模塊控制副景觀區(qū)污水的最佳效果，確定立體生態(tài)模塊最佳長度。根據(jù)表3擬合公式，計(jì)算出去除率為85.00%時(shí)的值，為不同模塊復(fù)合條件下的最佳長度。結(jié)果表明：在本實(shí)驗(yàn)條件及周期內(nèi)，總氮去除率為85.00%時(shí)，最佳立體生態(tài)模塊長度為香蒲-伊樂藻-碳纖維草1.34 m，美人蕉-伊樂藻-碳纖維1.44 m，香蒲-伊樂藻-立體超細(xì)纖維草1.64 m，空白+∞。香蒲-伊樂藻-碳纖維草、美人蕉-伊樂藻-碳纖維、香蒲-伊樂藻-立體超細(xì)纖維草相比空白，讓總氮去除率提升至85.00%成為可能?？梢娏Ⅲw生態(tài)模塊能顯著提高水系除氮效果，合理的長度設(shè)計(jì)可有效減少水域面積覆蓋度，增加水系景觀的親水性。

圖4 立體生態(tài)模塊下總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮沿長度的去除率變化Figure 4 TN,NH4+-N and NO3--N removal rate change along flow direction in vertical ecological modules

表3 不同立體生態(tài)模塊的除氮最佳長度Table 3 Fitted optimal length of vertical ecological modules for nitrogen removal

3 結(jié)論

立體生態(tài)模塊能有效凈化景觀水體中的氮且具有一定的抗沖擊負(fù)荷能力。實(shí)驗(yàn)運(yùn)營期內(nèi)，立體生態(tài)模塊對(duì)總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮去除率均明顯高于空白組，且呈極顯著差異（P＜0.01）。立體生態(tài)模塊中當(dāng)進(jìn)水總氮平均質(zhì)量濃度為5.60 mg·L－1，出水總氮最低質(zhì)量濃度平均值為香蒲-伊樂藻-碳纖維草復(fù)合立體生態(tài)模塊的0.13 mg·L－1，該模塊平均去除率為97.61%。其余模塊出水氮質(zhì)量濃度為0.22～1.48 mg·L－1，空白組出水氮質(zhì)量濃度為3.87 mg·L－1，均高于該模塊。

植物種類和生物填料類型對(duì)氮的凈化效果有一定影響。18個(gè)1.85 m長立體生態(tài)模塊，總氮平均去除率為73.58%～97.61%，銨態(tài)氮平均去除率為71.05%～98.68%，硝態(tài)氮平均去除率為63.93%～96.97%，且分別有11個(gè)（總氮）、14個(gè)（銨態(tài)氮）、13個(gè)（硝態(tài)氮）模塊與立體生態(tài)模塊組呈顯著差異（P＜0.05）。其中3種挺水植物模塊中香蒲模塊對(duì)總氮去除率最高，沉水植物模塊中伊樂藻模塊對(duì)總氮去除率最高，生物填料模塊中碳纖維模塊對(duì)總氮去除率高于立體超細(xì)纖維模塊。對(duì)總氮去除率前3種復(fù)合模塊類型為香蒲-伊樂藻-碳纖維草97.61%，美人蕉-伊樂藻-碳纖維96.10%，香蒲-伊樂藻-立體超細(xì)纖維草92.61%，去除率均與整體均呈極顯著差異（P＜0.01）。

立體生態(tài)模塊pH值在模塊運(yùn)行過程中呈現(xiàn)不同程度的降低，但均處在硝化/反硝化、厭氧氨氧化的最佳pH值范圍內(nèi)，這可能為氮的生化作用提供了較好的外在條件。后續(xù)可通過溶解氧、微生物種類及數(shù)量等的數(shù)據(jù)檢測(cè)來證實(shí)。

植物和生物填料種類對(duì)確定立體生態(tài)模塊最佳長度有一定影響。不同植物和生物填料復(fù)合成的立體生態(tài)模塊最佳長度不同，對(duì)總氮去除率越高的植物模塊和生物填料模塊復(fù)合成的立體生態(tài)模塊最佳長度越短，反之增長。在總氮去除率達(dá)85.00%時(shí)，在除氮效果前3的模塊中，香蒲-伊樂藻-碳纖維草最佳長度為1.34 m，美人蕉-伊樂藻-碳纖維為1.44 m，香蒲-伊樂藻-立體超細(xì)纖維草為1.64 m。這不但提高了水體凈化能力，而且有效減少水體覆蓋度。最佳長度可為立體生態(tài)模塊技術(shù)在景觀水系修復(fù)工程應(yīng)用提供參考。