組合浮島對富營養(yǎng)化水體生態(tài)修復(fù)的研究

押玉榮，劇曉晨，王曉磊，王偉燕，袁云飛，韓墨菲，吳江渤，李小亞

(1.嘉誠環(huán)保工程有限公司，石家莊 050000；2.河北省污水治理與資源化工程技術(shù)研究中心，石家莊 050000)

城市內(nèi)河是城市景觀生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，維持著生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[1]。隨著城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，過量含有N、P及有機(jī)污染物廢水排入河道，超過水體的自凈能力，造成水體的富營養(yǎng)化，致使藻類大量繁殖，降低水體的溶解氧，水體中生物死亡，生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞。

浮島技術(shù)是一種改善河道生態(tài)富營養(yǎng)化的技術(shù)，其以高分子材料為載體，水生植物種植于載體上。植物一方面直接吸收利用水體中的N、P等營養(yǎng)元素，供植物自身生長，植物收割后，其可作為微生物發(fā)酵的原料生產(chǎn)沼氣，實(shí)現(xiàn)能源的循環(huán)利用，水體中的N、P等營養(yǎng)元素被吸收后，逐漸緩解水體的富營養(yǎng)化程度。另一方面，水生植物的根系為微生物提供了可附著的載體，生物種類的多樣性強(qiáng)化了浮島的凈化能力[2,3]。許多學(xué)者對傳統(tǒng)浮島凈化機(jī)理進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)水生植物對水體的凈化發(fā)揮一定效果[4,5]。但單純依靠植物凈化河道效果不顯著，主要因?yàn)椋褐参锷L的限制性條件較多，在低溫條件下，植物根部負(fù)載的微生物數(shù)量、活性降低，導(dǎo)致植物生長緩慢，對營養(yǎng)物質(zhì)吸收速率下降，難以達(dá)到理想的凈化效果[6-8]；浮床中的高分子載體一般承載挺水植物，挺水植物只能利用水體表層N、P等元素供自身生長，對于較深水體，難以凈化[9]。為此，本研究以浮島技術(shù)為基礎(chǔ)，輔以微生物固定化技術(shù)和曝氣充氧技術(shù)，構(gòu)建了搭載有微生物載體、曝氣裝置的組合浮島。采用靜態(tài)試驗(yàn)和現(xiàn)場觀測相結(jié)合的方式，對比考察組合浮島和傳統(tǒng)浮島對污染水體的處理效果，探討微生物量及水體復(fù)氧對富營養(yǎng)化水體的修復(fù)效果，為組合浮島技術(shù)的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)水樣

試驗(yàn)水樣取自保定市某河段，其主要污染源有周邊生活污水、雨水徑流污染及底泥中的營養(yǎng)物質(zhì)釋放，試驗(yàn)水質(zhì)如表1所示。

1.1.2 試驗(yàn)容器

試驗(yàn)容器采用方形塑料箱，長51 cm、寬40 cm、高27 cm，總?cè)莘e約為55 L，試驗(yàn)時(shí)加入40 L的水樣。

1.1.3 供試載體

供試載體為33 cm×33 cm×5 cm的聚乙烯浮板，浮板中部鏤空，可放置用于固定水生植物的種植籃。

1.1.4 水生植物

水生植物選用黃菖蒲，取自保定某河段的人工浮島，黃菖蒲長勢良好，株高40 cm左右，根長在25 cm左右，將植物帶回試驗(yàn)場地用蒸餾水沖去根部泥土后，選取性狀基本一致的植株進(jìn)行試驗(yàn)。

1.1.5 微生物載體

微生物載體選用平面填料，該填料已在試驗(yàn)前25 d放置于保定某河段進(jìn)行掛膜處理。生物膜呈黃褐色，刮取生物膜鏡檢，顯微鏡下菌膠團(tuán)厚實(shí)緊密，并且可見輪蟲、鐘蟲、楯纖蟲等微生物，生物膜性狀良好。生物膜鏡檢見圖1。

圖1 生物膜鏡檢Fig.1 Microscopic examination of biofilm

1.1.6 曝氣裝置

曝氣裝置選用剛玉曝氣頭，曝氣泵選用雙頭變頻曝氣泵，試驗(yàn)時(shí)調(diào)節(jié)曝氣量至6 L/min。

1.2 試驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)合現(xiàn)場觀測的方式進(jìn)行研究。靜態(tài)實(shí)驗(yàn)周期為22 d(2017年10月18日至11月10日)，共設(shè)置4組試驗(yàn)：1個(gè)空白對照組和3個(gè)處理組，處理組分別為組合浮島組、傳統(tǒng)浮島組和單純曝氣組。組合浮島組為本試驗(yàn)的主要研究對象，設(shè)置傳統(tǒng)浮島組和單純曝氣組是為了與組合浮島組進(jìn)行對比分析，并且可考察水生植物與曝氣復(fù)氧對污染水體的處理效果的影響。組合浮島組與傳統(tǒng)浮島組的覆蓋率(植物投影面積與水域面積的比值)約為40%。為了與傳統(tǒng)浮島保持相同實(shí)驗(yàn)條件，模擬植物在日常條件下的生長狀態(tài)，組合浮島組與單純曝氣組采用間歇曝氣模式，6∶00至17∶00進(jìn)行曝氣，17∶00至第二天6∶00不曝氣。各裝置試驗(yàn)條件見表2。

表2 各裝置試驗(yàn)材料種類Tab.2 Type of experimental materials for each experimental device

注：表中，√代表配置有對應(yīng)試驗(yàn)材料；×代表沒有配置對應(yīng)的試驗(yàn)材料。

現(xiàn)場觀測地點(diǎn)位于保定市某河段(實(shí)驗(yàn)周期為2017年10月30日-2017年11月10日)，此處河道全長29 km，寬20 m左右，水深約1.4 m，選取河道長度為70 m河段作為觀測區(qū)，觀測區(qū)東側(cè)護(hù)坡有排污管道，水流流向?yàn)樽詵|向西。在觀測區(qū)安裝有一塊尺寸為12 m×9 m的組合浮島，將組合浮島放置的河段為試驗(yàn)河段，試驗(yàn)河段下游25 m處放置傳統(tǒng)浮島作為對照河段，兩種浮島覆蓋率為20%，每隔3 d進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)分別布設(shè)在組合浮島與傳統(tǒng)浮島的上、下游斷面。

1.3 監(jiān)測指標(biāo)與方法

2 結(jié)果與分析

2.1 各試驗(yàn)組對CODCr去除效果

如圖2所示，隨著時(shí)間的推移，3個(gè)處理組的CODCr降解曲線雖有所波動，但整體呈下降趨勢。其中，組合浮島組下降趨勢最明顯，由最初的54.18 mg/L下降至18.54 mg/L，去除率達(dá)65.78%；傳統(tǒng)浮島組次之，CODCr由51.17 mg/L下降至22.57 mg/L，去除率為55.89%；單純曝氣組對CODCr的降解效果最差，從54.67 mg/L下降至37.62 mg/L，去除率為31.19%。而空白對照組的降解曲線趨勢相對平緩，處理后CODCr為51.84 mg/L，去除率為4.64%。

圖2 各試驗(yàn)組對CODCr去除效果Fig.2 Removal effects on CODCr by each experimental group

CODCr的降解主要通過微生物的代謝作用完成的，且植物對COD的降解也是通過其根系間附著的微生物活動完成的[11]。組合浮島體系中微生物主要有2類：①植物根系中附著的微生物，該微生物的營養(yǎng)來源為植物根部分泌的有機(jī)物質(zhì)[12]及河水中有機(jī)物。②組合浮島加掛填料，填料上負(fù)載大量微生物且微生物生長狀況良好，填料浸沒于河水中，不與植物根系接觸，微生物營養(yǎng)來源為河水中有機(jī)物。傳統(tǒng)浮島主要通過根系中的微生物活動對有機(jī)物進(jìn)行降解，單純曝氣組通過水體中游離的微生物降解有機(jī)物。組合浮島微生物數(shù)量多，且大多數(shù)微生物可直接利用河水中有機(jī)物供自身新陳代謝，其對河水中COD去除率最高。

并且，通過單純曝氣組與空白對照組的比較，也一定程度的說明了曝氣復(fù)氧有助于水體CODCr的降解。而曲線上下波動的原因可能是3個(gè)試驗(yàn)組DO過高，達(dá)到10 mg/L，加劇了微生物的內(nèi)源代謝進(jìn)程，使微生物釋放出更多的溶解性產(chǎn)物[13]，釋放的有機(jī)物又隨即被其他微生物降解。

2.2 各試驗(yàn)組對去除效果

圖3 各試驗(yàn)組對去除效果Fig.3 Removal effects on by each experimental group

2.3 各試驗(yàn)組對TN去除效果

由圖4可知，空白對照組總氮去除率為15.21%。傳統(tǒng)浮島組與單純曝氣組對TN的去除效果接近，傳統(tǒng)浮島組的TN由11.41 mg/L降至7.23 mg/L，TN去除率為36.63%，單純曝氣組的TN由11.28 mg/L降至至6.07 mg/L，TN去除率為46.19%，而組合浮島組對TN的處理效果較差，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)的TN濃度為10.86 mg/L，去除率為5.4%。

圖4 各試驗(yàn)組對TN去除效果Fig.4 Removal effects on TN by each experimental group

圖5 生物膜鏡檢(試驗(yàn)后期)Fig.5 Microscopic examination of biofilm in the late experiment

2.4 現(xiàn)場觀測

圖6 試驗(yàn)河段和對照河段水體中CODCr去除效果Fig.6 Removal of CODCr in studied reach and control reach

圖7 試驗(yàn)河段和對照河段水體中去除效果Fig.7 Removal of in studied reach and control reach

圖8 試驗(yàn)河段和對照河段水體中TN去除效果Fig.8 Removal of TN in studied reach and control reach

11月7日，在同一條河段，從生長勢來看，組合浮島中黃菖蒲葉片粗壯，顏色呈綠色，傳統(tǒng)浮島的黃菖蒲大部分已經(jīng)萎蔫，葉片顏色呈黃色，如圖9所示。

圖9 河道中組合浮島于傳統(tǒng)浮島植物生長狀況Fig.9 The plant growth between combination of ecological floating bed and traditional bed

綜合組合浮島與傳統(tǒng)浮島對水體COD、總氮、氨氮的降解效果及植株生長情況，組合浮島對河道的凈化能力整體高于傳統(tǒng)浮島，主要由于組合浮島體系中曝氣系統(tǒng)為水體提供溶解氧的同時(shí)，通過氣體的攪拌作用使植物根系中微生物、填料上附著微生物與河水進(jìn)行充分接觸，促進(jìn)該區(qū)域的物質(zhì)擴(kuò)散和物質(zhì)平衡，使得組合型浮島中的浮床植物和根際微生物可高效的直接吸收利用河道的營養(yǎng)物質(zhì)[16]，植物生長勢較強(qiáng)。植物良好的生長狀態(tài)也可促進(jìn)其根系對水體中營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，及根系微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的降解，兩者相互促進(jìn)，進(jìn)一步提高了組合浮島對污染水體的修復(fù)能力。

3 結(jié) 語

(2)靜態(tài)試驗(yàn)表明，組合浮島植物根系的對水體的充氧作用及曝氣裝置對水體曝氣的雙重增氧作用，溶解氧過高，導(dǎo)致微生物解體且水體內(nèi)C/N比失衡，傳統(tǒng)浮島出水TN濃度低于組合浮島。

(3)現(xiàn)場觀測表明，組合浮島裝配有微生物載體和曝氣裝置后，其對COD、氨氮、TN處理效果遠(yuǎn)高于對照河段，組合浮島可在污染水體治理方面發(fā)揮良好的作用。