靜安區(qū)彭越浦河道生態(tài)浮島+曝氣充氧組合工藝增強河道凈化能力研究

李瀅瑩

（上海市靜安區(qū)河道水政管理所，上海市 200072）

0 引 言

人工生態(tài)浮島是一種經(jīng)過人工設計建造、漂浮于水面上，供動植物和微生物生長、繁衍、棲息的生態(tài)設施。除此之外，生態(tài)浮島還可以用來降解水中的有機污染物、氮和磷等污染物，從而實現(xiàn)水體透明度提高，水質(zhì)指標改善、水中藻類抑制、水體富營養(yǎng)化減輕等目標。隨著水體中氮磷等富營養(yǎng)元素的超量排放[1]。利用生態(tài)浮島對河道進行水質(zhì)改善已成為一項重要的工程技術手段。生態(tài)浮島對水質(zhì)凈化最主要的功效是利用植物的根系吸收水中的污染物，特別是氮磷等富營養(yǎng)元素，減輕水體由于封閉或自循環(huán)不足帶來的富營養(yǎng)化現(xiàn)象。近年人工浮島的園林水景景觀功能得以開發(fā)利用，使人工生物浮島技術成為一項多功能的實用技術：即水體凈化和環(huán)境景觀美化。

河道曝氣技術是根據(jù)河流受到污染后缺氧的特點，人工向水體中充入空氣（或氧氣），加速水體復氧過程，以提高水體的溶解氧水平，恢復和增強水體中好氧微生物的活力，使水體中的污染物質(zhì)得以凈化，從而改善河流的水質(zhì)[2]。河道曝氣技術已成為目前對黑臭水體凈化的重要手段。但單一的人工曝氣仍面臨著：能耗大、效果差，尚難解決底泥污染等一系列問題。

為克服曝氣充氧技術單一的缺點，本文研究了一種生態(tài)浮島+曝氣充氧組合工藝以充分發(fā)揮各工藝特點，旨在為利用生態(tài)浮島治理富營養(yǎng)化水體提供理論研究，為后續(xù)工程提供實踐指導。

1 試驗裝置與方案

實驗用的單體浮島見圖1。

圖1 試驗裝置（單位：cm）

單體浮島可通過周邊相互扣接方式進行組合。組合后浮島在下方1 m處使用尼龍繩吊接曝氣頭部，以組合成生態(tài)浮島-曝氣聯(lián)合凈化設備。

測試時，試驗裝置通過鎖鏈固定河道圍欄處。為防止水中雜物對試驗的干擾，在設備周邊設置間隙為1 cm，深度為1 m的不銹鋼條形格柵。

設置三組平行試驗：1#試驗為生態(tài)浮島+曝氣充氧聯(lián)合凈化設備；2#試驗單獨設置生態(tài)浮島；3#試驗單獨設置曝氣裝置。

2 試驗地點與測試方法

本試驗在上海市靜安區(qū)彭越浦河道進行（見圖2），試驗時間為2018年5月3日至6月8日，試驗持續(xù)35 d。

圖2 靜安區(qū)彭越浦生態(tài)浮島與曝氣充氧現(xiàn)場照片

每隔3 d取裝置中的水樣，連續(xù)檢測水體總磷（TP）與氨氮（NH4+-N）濃度變化。其中，TP測定采用鉬銻分光光度法、NH4+-N測定采用納氏試劑分光光度法。

3 結(jié)果與討論

3.1 各試驗組對TP的去除效果

生態(tài)浮島對水體中TP去除機理為：浮島中植物的根系對顆粒態(tài)磷的攔截與截留、根系與附著在其上的細菌通過協(xié)同作用實現(xiàn)對有機磷的礦化、根系對磷的吸附以及顆粒態(tài)磷的沉降。而曝氣充氧對水體中TP的去除機理為：好氧環(huán)境中，聚磷菌（PAOs）對磷的過量吸收[3]。不同試驗組對TP去除效果見圖3和圖4。

圖3 試驗期間TP的變化

圖4 不同組合的TP去除率

三個試驗條件下均獲得了較好的TP去除效果：組合工藝的TP在試驗前半段由0.52 mg/L快速下降至0.11 mg/L，去除率達80.3%。在試驗后半段，TP濃度維持在穩(wěn)定狀態(tài)，在0.10 mg/L左右波動。當試驗截止時，TP濃度為0.11 mg/L，試驗階段TP的去除率為78.84%。生態(tài)浮島在試驗前18 d內(nèi)呈現(xiàn)出TP濃度持續(xù)下降的趨勢，這與曝氣試驗的現(xiàn)象較為類似。在上述試驗階段內(nèi)，生態(tài)浮島+曝氣試驗中的總磷分別由0.52 mg/L和0.51 mg/L下降至0.31 mg/L和0.33 mg/L。均出現(xiàn)了快速的下降趨勢，這可能是由于：一方面，隨著時間推移，生態(tài)浮島植物根系（或微生物）已適應（或掛膜成功）了原位環(huán)境，開始充分發(fā)揮協(xié)同作用從而對TP有著較好的吸收效果；另一方面，曝氣提升了水體中的溶解氧，增強了好細菌（特別是聚磷菌）的代謝活性，強化了對TP的吸收。在18 d后，生態(tài)浮島對TP的去除持續(xù)進行，TP濃度由0.31 mg/L繼續(xù)下降至0.23 mg/L，隨著時間推移，可能植物根系與細菌協(xié)同作用持續(xù)加強，促進了對磷的吸收。而曝氣對TP的去除并未獲得顯著效果，可能是在水體空間區(qū)域內(nèi)細菌數(shù)量與活性受水體遷移或水中碳源缺乏的影響，以至于不能形成穩(wěn)定的聚磷菌富集，從而無法持續(xù)性地對磷過量吸收。而組合工藝則可以利用根系或細菌的生物膜來實現(xiàn)對聚磷菌的固定化以提高對TP的去除。

綜上，對TP的去除效果依次為：生態(tài)浮島（去除率78.46%）、生態(tài)浮島（去除率55.77%）、曝氣充氧（去除率44.23%）。

3.2 各試驗組對NH4+-N的去除效果

生態(tài)浮島對NH4+-N的去除主要通過植物根系吸收和硝化菌的氨氧化作用來實現(xiàn)。曝氣充氧對NH4+-N去除主要通過硝化細菌轉(zhuǎn)化與吹脫作用[4]。不同試驗組對TP去除效果見圖5和圖6。

圖5 試驗期間NH4+-N的變化

圖6 不同組合的NH4+-N去除率

在不同的試驗中，NH4+-N濃度均出現(xiàn)了不斷下降的趨勢。其中，組合工藝與曝氣充氧的變化趨勢較為類似：在0～15 d內(nèi)，NH4+-N迅速下降，分別由6.87 mg/L和6.89 mg/L下降至1.11 mg/L和1.34 mg/L。可能是因為短時間內(nèi)，較大曝氣量實現(xiàn)了對水中氨的吹脫。在剩余的試驗時間內(nèi)（16～33 d），NH4+-N濃度維持在較為穩(wěn)定的水平。試驗結(jié)束時NH4+-N濃度分別為：0.91 mg/L和0.97 mg/L。生態(tài)浮島對NH4+-N的去除效能弱于其他兩組：在試驗階段NH4+-N濃度沒有出現(xiàn)快速下降的趨勢，而是由6.37 mg/L緩慢降至結(jié)束時的1.77 mg/L。出現(xiàn)這種情況可能是由于：生態(tài)浮島對NH4+-N的主要去除方式是通過根系與硝化菌來完成，根系的吸收與吸附需要一定時間進行過度與適應，而硝化細菌為自養(yǎng)細菌，代謝速度較慢，決定了提升氨氧化的效果不如單純地曝氣。而隨著試驗的進行，根系的吸收能力與細菌的代謝能力開始提升使生態(tài)浮島對NH4+-N的去除能力呈現(xiàn)出穩(wěn)定升高的趨勢[5]。

綜上，對NH4+-N的去除效果依次為：生態(tài)浮島（去除率86.80%）、生態(tài)浮島（去除率75.16%）、曝氣充氧（去除率85.85%）。

4 結(jié) 論

（1）通過在生態(tài)浮島下方吊接曝氣設備方式形成了生態(tài)浮島與曝氣充氧的組合工藝。

（2）生態(tài)浮島+曝氣充氧組合工藝、生態(tài)浮島和曝氣充氧對TP的去除率分別為：78.46%、55.77%、44.23%。組合工藝可以實現(xiàn)初期對TP的快速去除。

（3）生態(tài)浮島+曝氣充氧組合工藝、生態(tài)浮島和曝氣充氧對NH4+-N的去除率分別為：86.80%、75.16%、85.85%。組合工藝與曝氣充氧可以實現(xiàn)初期對NH4+-N的快速去除。