生物柵對(duì)巢湖西環(huán)城河景觀水凈化效果的研究

徐震，劉紹根

(安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引言

城市景觀用水之所以成為各大城市建設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容，是因?yàn)槌鞘芯坝^用水本身具有一定的價(jià)值，如景觀價(jià)值、生態(tài)價(jià)值等。大部分景觀水是由河流和湖泊等天然水或由人工建筑構(gòu)成的封閉水體形成的，用于娛樂(lè)等一系列居民活動(dòng)。這種水體還具有一些缺點(diǎn)，例如容易受到污染，穩(wěn)定性較差和水環(huán)境容量較小，自凈能力差等[1]。景觀水的生態(tài)修復(fù)是為了盡可能的去除水中污染物、恢復(fù)原有生態(tài)系統(tǒng)的樣貌[2]。而在城市河道生態(tài)修復(fù)治理過(guò)程中，各種修復(fù)技術(shù)因?yàn)楸旧砭哂谐杀据^低、修復(fù)效果好等眾多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用；不過(guò)，與單一的生態(tài)修復(fù)技術(shù)相比，一些復(fù)雜的組合生態(tài)修復(fù)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)不僅是效果更好，而且能使多種單一的修復(fù)技術(shù)求同存異發(fā)揮出其更好的治理能力和穩(wěn)定性，實(shí)踐證明，景觀水體的生態(tài)治理已經(jīng)取得令人欣慰的效果[3～7]。

生物柵技術(shù)是把動(dòng)植物、微生物以及一些必要的生態(tài)元素協(xié)調(diào)統(tǒng)一起來(lái)完成該項(xiàng)技術(shù)的去污治理能力[8～11]。生物柵作為全新高效的生態(tài)工程技術(shù)，具有一些其他傳統(tǒng)生物技術(shù)沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)，不僅降低了工程投資，而且裝置本身還易于運(yùn)行、便于管理，是生態(tài)修復(fù)工程的首選技術(shù)[11]。

目前，生物柵技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用非常廣泛，楊清海利用生物柵技術(shù)處理麗娃河富營(yíng)養(yǎng)化景觀水體研究，對(duì) COD、TN、TP的去除率達(dá) 57.6%、60.8%、82.4%；王國(guó)芳等以空心菜、三角帆蚌、人工介質(zhì)構(gòu)建生物柵處理湖水，發(fā)現(xiàn)加入三角帆蚌后人工介質(zhì)上生物活性明顯提高，提高了去除污染物的效果；李偉等通過(guò)搭建組合生態(tài)浮床來(lái)太湖梅梁灣湖水，結(jié)果表明TN、TP的平均去除率在50%以上。

巢湖市西環(huán)城河景觀水體的治理原先利用植被修復(fù)、生態(tài)岸坡、植石生態(tài)法等技術(shù)，通過(guò)濱岸景觀設(shè)計(jì)及植物的配置達(dá)到對(duì)景觀水體的凈化修復(fù)。為了更加美化景觀水環(huán)境，在原來(lái)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建生物柵系統(tǒng)，分析植物和填料在系統(tǒng)中去除污染物分別起到的作用，遴選出適合于處理巢湖當(dāng)?shù)鼐坝^水體的水生植物，為今后示范工程的建設(shè)和應(yīng)用生物柵技術(shù)修復(fù)城市景觀水體提供可靠的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與基本方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料選擇

通過(guò)查閱文獻(xiàn)及對(duì)西環(huán)城河周邊的實(shí)地調(diào)查，本論文選定水生植物為美人蕉、鳶尾，選取生長(zhǎng)狀況基本一致的植物，植物來(lái)源于丁崗河濕地公園，挖回沖洗根部污泥，移栽到試驗(yàn)水體中，種植在裝置中，為了使植物不傾倒，采用棉布包裹固定在定植孔內(nèi)。選擇組合填料(醛化纖維材料)作為本試驗(yàn)的填料，填料安裝上之前需經(jīng)過(guò)清水沖洗再用實(shí)驗(yàn)用水沖洗，方可安裝于實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

小試裝置采用長(zhǎng)方體外框架，尺寸為1 000 mm×500 mm×600 mm，有效水深500 mm。生物柵裝置示意圖1。組合填料纖維長(zhǎng)50 mm。試驗(yàn)裝置內(nèi)放置供植物栽種床體，床體上有6個(gè)定植孔，每個(gè)定植孔內(nèi)可種植1～2株植物，每個(gè)定植孔下面有1串組合填料，每串上有掛5個(gè)盤(pán)片，每個(gè)盤(pán)片選用直徑80 mm，每個(gè)盤(pán)片上掛有8個(gè)長(zhǎng)50 mm的纖維填料，每串上盤(pán)片間隔70 mm。裝置正面設(shè)置4個(gè)采樣口，每個(gè)取樣口間隔10 cm，最下端取樣口位于裝置底端10 cm處(做實(shí)驗(yàn)取水樣時(shí)可以從距離水面10 cm處的取樣口取水)。待生物柵系統(tǒng)組裝完成后，各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)等到植物根系和所掛填料充分交織后(長(zhǎng)出三級(jí)根系并與填料發(fā)生盤(pán)旋)再開(kāi)始進(jìn)行，填料與植物根系交織見(jiàn)圖2。

圖1 生物柵裝置示意圖

圖2 植物根系與填料交織

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)共設(shè)4組水箱，第1、2組水箱設(shè)置有植物和填料，植物為美人蕉、鳶尾，第3組只裝有填料沒(méi)有植物，第4組只裝有植物沒(méi)有填料，植物采用美人蕉；生物柵設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間為8 d，試驗(yàn)過(guò)程中每天取樣一次進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)指標(biāo)時(shí)需注意，每個(gè)樣本做3組平行監(jiān)測(cè)，每項(xiàng)監(jiān)測(cè)結(jié)果取3組數(shù)據(jù)的平均值。主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)為CODCr、TP、TN、氨氮，監(jiān)測(cè)指標(biāo)均按文獻(xiàn)[12]的所給方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過(guò)比較4組處理組的生物柵系統(tǒng)處理去除率，對(duì)選中植物和填料的處理能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從而選擇出適合環(huán)城河的生物柵系統(tǒng)。

本次試驗(yàn)小試裝置放置在環(huán)城河邊的污水泵站中，方便于裝置進(jìn)水及換水，水質(zhì)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室安置在篆池新村后污水處理廠中，小試裝置現(xiàn)場(chǎng)圖如圖3所示。

圖3 生物柵小試裝置現(xiàn)場(chǎng)圖

試驗(yàn)用原水用西環(huán)城河河水，進(jìn)裝置時(shí)用污水提升泵打入水箱，再由水箱通過(guò)重力流方式進(jìn)入各個(gè)裝置箱。

2 結(jié)果與分析

巢湖市西環(huán)城河水質(zhì)如表1所示：

表1 巢湖市西環(huán)城河進(jìn)水水質(zhì) 單位：mg/L

2.1 對(duì)CODCr的去除效果

生物柵中，主要通過(guò)植物新長(zhǎng)出的根部的吸收作用，通過(guò)填料、植物根部微生物自身的代謝作用等作用來(lái)去除有機(jī)物。每次試驗(yàn)監(jiān)測(cè)COD指標(biāo)做3組平行重復(fù)對(duì)照試驗(yàn)，結(jié)果取3組平均值，得出圖4；圖4是處理組在設(shè)定周期內(nèi)COD濃度和COD去除率的變化情況；由圖可以看出，對(duì)COD的去除率中，填料組為19.1%，美人蕉+填料組為53.5%，鳶尾+填料組為47.1%，而人工浮島組達(dá)32.6%；試驗(yàn)前期可發(fā)現(xiàn)人工浮島組對(duì)COD的去除效果基本與植物+填料組沒(méi)什么明顯的區(qū)別，這是因?yàn)樵囼?yàn)初期組合填料上的生物膜不是很成熟，待系統(tǒng)中微生物種類和數(shù)量越來(lái)越豐富時(shí)，生物柵組就明顯比人工浮島組的處理效果要好；由此可以得出：(1)生物柵組對(duì)有機(jī)物的去除效果優(yōu)于人工浮島組，說(shuō)明人工浮島添加了組合填料增加了系統(tǒng)內(nèi)的微生物數(shù)量與種類，增強(qiáng)了微生物與水生植物以及填料之間的協(xié)作作用，促進(jìn)了系統(tǒng)對(duì)景觀水體中有機(jī)物的降解。這與徐功娣等試驗(yàn)得出的結(jié)論一致。(2)植物對(duì)有機(jī)物的去除是美人蕉要優(yōu)于鳶尾。由于美人蕉根系比鳶尾發(fā)達(dá)，與填料充分交織在一起增大了與污染物的接觸面積，促進(jìn)了美人蕉生物柵更好的去除水中有機(jī)物，與吳卿、王美等[13]得出的美人蕉是生物柵優(yōu)勢(shì)植物的實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。

圖4 處理組COD指標(biāo)濃度變化及去除率圖

2.2 對(duì)TP的去除效果

生物柵系統(tǒng)通過(guò)植物對(duì)磷的吸收、組合填料對(duì)磷的吸附、聚磷菌的攝磷機(jī)制等等實(shí)現(xiàn)環(huán)城河河水中磷的去除。每次試驗(yàn)監(jiān)測(cè)TP指標(biāo)做3組平行重復(fù)對(duì)照試驗(yàn)，結(jié)果取3組平均值，得出圖5。圖5為處理組TP指標(biāo)的濃度以及去除率變化情況。由圖可以看出，環(huán)城河水中TP的去除率中，在填料組為52%，在美人蕉+填料組的去除率則高達(dá)75%，在鳶尾+填料組去除率達(dá)69%，稍遜色于美人蕉系統(tǒng)；處理組兩種植物對(duì)TP的去除分別為23%、17%，基本符合Hadada H R等[14]試驗(yàn)得出植物對(duì)TP的去除率一般在5%～20%。而人工浮島組對(duì)TP的去除只有22.5%，由此可以看出，組合填料對(duì)TP的去除比植物單獨(dú)作用效果要好；美人蕉對(duì)TP的去除效果要優(yōu)于鳶尾，說(shuō)明美人蕉生物柵系統(tǒng)更適于景觀水體對(duì)TP的去除。這與吳卿等試驗(yàn)得出結(jié)論一致。

由圖5還可以發(fā)現(xiàn)，生物柵處理組在試驗(yàn)初期處理效果就明顯優(yōu)于人工浮島組，這是由于在試驗(yàn)初期系統(tǒng)中填料就已經(jīng)與植物根系形成了復(fù)雜的“網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)”[15]，攔截了很大部分的不溶性的磷；到了試驗(yàn)中期，附著在這“網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)”上的如聚磷菌等菌種起到了決定性作用，使得生物柵組對(duì)TP的去除效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于人工浮島組。

圖5 處理組TP指標(biāo)濃度變化及去除率圖

隨著試驗(yàn)時(shí)間的推移，會(huì)發(fā)現(xiàn)各組對(duì)TP的去除率一直在升高，但是增長(zhǎng)幅度越來(lái)越小，這是因?yàn)樵谠囼?yàn)周期內(nèi)，沒(méi)有對(duì)成熟的植物進(jìn)行裁剪收割，植物對(duì)磷的吸收以及填料對(duì)不溶性磷的吸附逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)，若對(duì)試驗(yàn)后期對(duì)植物進(jìn)行收割裁剪，會(huì)讓系統(tǒng)的去除效率更進(jìn)一步提升。

由此可以得出結(jié)論：(1)生物柵系統(tǒng)對(duì)TP的去除效率遠(yuǎn)優(yōu)于人工浮島組和填料組(2)美人蕉生物柵系統(tǒng)對(duì)TP的處理效果要好于試驗(yàn)其他處理組。

2.3 對(duì)TN的去除效果

生物柵系統(tǒng)主要通過(guò)植物吸收、硝化與反硝化、組合填料的吸附作用等的途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水中總氮的去除；每次試驗(yàn)監(jiān)測(cè)TP指標(biāo)做3組平行重復(fù)對(duì)照試驗(yàn)，結(jié)果取3組平均值，得出圖6。圖6為處理組TN指標(biāo)的濃度以及去除率變化情況。由圖中可以看出，對(duì)環(huán)城河TN去除率中，填料組達(dá)到了55.5%，而生物浮島組去除率則為48.2%，而美人蕉+填料組的去除率高達(dá)83.9%，鳶尾+填料組去除率達(dá)78.9%，也稍遜色于美人蕉組，這與吳卿等研究不同植物生物柵系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)凈化效果的研究結(jié)論相同。由于水體存在著自凈功能，對(duì)TN的去除也有著很大的幫助，資料顯示依靠水體本身的自凈能力對(duì)TN的去除率也可達(dá)到27.4%～27.8%[16]。

由圖可看出，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，生物柵對(duì)水中TN去除效果始終優(yōu)于人工浮島組，而且過(guò)程中差距也是越來(lái)越大的，主要因?yàn)樯飽畔到y(tǒng)內(nèi)填料上附著著大量細(xì)菌，它們可以將水中的含氮有機(jī)物轉(zhuǎn)化為可供植物直接利用的無(wú)機(jī)氮化合物，從而使得生物柵裝置水中TN含量很低。

圖6 處理組TN指標(biāo)濃度變化及去除率圖

在本實(shí)驗(yàn)中，水生植物對(duì)水中TN的去除率在20.32%～28.4%，由此可見(jiàn)水生植物是生物柵系統(tǒng)必不可少的元素之一，王國(guó)芳等[17]研究表明，在組合型生態(tài)浮床試驗(yàn)中，填料、植物、水生動(dòng)物對(duì)TN的去除貢獻(xiàn)率分別為48.5%、22.2%、29.3%，同樣應(yīng)證了水生植物對(duì)生物柵系統(tǒng)的重要性。植物加強(qiáng)了生物柵對(duì)TN的吸收，填料上所形成的表面積巨大的生物膜與根系交織，形成適合去除TN的好氧—缺氧—厭氧環(huán)境，這增強(qiáng)了微生物的硝化與反硝化作用，也就提高了生物柵對(duì)TN的去除率。

由上可得出結(jié)論：(1)生物柵系統(tǒng)處理TN的效果優(yōu)于人工浮島組和填料組(2)美人蕉生物柵系統(tǒng)是處理景觀水中TN的最優(yōu)選擇。

2.4 對(duì)氨氮的去除效果

生物柵系統(tǒng)主要通過(guò)植物根部的吸收、微生物發(fā)生硝化反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)城河中氨氮的去除；每次試驗(yàn)監(jiān)測(cè)氨氮指標(biāo)做3組平行重復(fù)對(duì)照試驗(yàn)，結(jié)果取3組平均值，得出圖7。圖7為處理組氨氮指標(biāo)的濃度以及去除率變化情況。。由圖可以看出，對(duì)水中的氨氮去除率中，填料組達(dá)到53.3%，而美人蕉+填料組去除率達(dá)88.2%，鳶尾+填料組去除率達(dá)80.4%，而生物浮島組的則只有40.9%。由此，對(duì)生物柵進(jìn)行合適的植物種植可以較好的提高對(duì)水中氨氮的去除。在試驗(yàn)周期的的前3天對(duì)氨氮的去除效果最好，是因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)各單元此時(shí)的溶解氧含量相對(duì)比較高，在好氧環(huán)境下氨氮可以轉(zhuǎn)化為硝酸鹽與亞硝酸鹽，從而使水中氨氮得以較多的去除。

圖7 處理組氨氮指標(biāo)濃度變化及去除率圖

由圖中可以看出，在生物柵處理組和人工浮島處理組對(duì)比中，生物柵處理組的凈化效果要優(yōu)于人工浮島組，這是因?yàn)樵诮M合填料上形成的生物膜上生物量越來(lái)越豐富，世代周期較長(zhǎng)的硝化細(xì)菌增強(qiáng)了對(duì)氨氮的硝化作用，同時(shí)隨著試驗(yàn)的推進(jìn)，植物根系分泌氧的作用增強(qiáng)也促進(jìn)了硝化過(guò)程的進(jìn)行；另一方面，填料與根系交織密集處形成了缺氧空間，為反硝化作用提供了必要的條件[16]。因此，大大增強(qiáng)了對(duì)水體氨氮的去除效果。

由此可得出結(jié)論：(1)生物柵系統(tǒng)處理氨氮的效果優(yōu)于人工浮島組和填料組(2)美人蕉生物柵系統(tǒng)是處理景觀水中氨氮的最優(yōu)選擇。

3 結(jié)論

生物柵系統(tǒng)對(duì)巢湖市居巢區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化水體中的CODCr、TP、TN、氨氮均有較為理想的去除效果。且CODCr、TP、TN、氨氮四項(xiàng)指標(biāo)均可達(dá)到國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。

各實(shí)驗(yàn)組對(duì)巢湖市居巢區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化景觀水體中的CODCr、TP、TN、氨氮四項(xiàng)指標(biāo)去除率會(huì)隨實(shí)驗(yàn)選定的停留時(shí)間增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，但是越到試驗(yàn)后期污染物的去除率增長(zhǎng)的會(huì)越來(lái)越慢，說(shuō)明生物柵系統(tǒng)的去污能力達(dá)到一極限，對(duì)檢測(cè)的四項(xiàng)指標(biāo)CODCr、TP、TN、氨氮的去除率分別為 47.1%～53.5%、69%～75%、78.9%～83.9%、80.4%～88.2%。實(shí)驗(yàn)組得出結(jié)論中，美人蕉作為處理效果最好的理想植物，不僅除污能力強(qiáng)，而且景觀效果好，可以作為巢湖環(huán)城河治理的首選植物。