人工浮島技術(shù)在污水生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用

張婉璐 劉君寒 李 力 李福利

(1.中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所青島 266101;2.山東大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院濟(jì)南 250100;3.中國(guó)科學(xué)院研究生院北京 100049)

人工浮島技術(shù)在污水生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用

張婉璐1,3劉君寒1李 力2李福利1

(1.中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所青島 266101;2.山東大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院濟(jì)南 250100;3.中國(guó)科學(xué)院研究生院北京 100049)

人工浮島是一種污水生態(tài)修復(fù)處理技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)在污染水體設(shè)置漂浮基質(zhì),模仿植物自然生長(zhǎng)規(guī)律,利用植物根,浮島基質(zhì)及植物根際微生物菌群對(duì)污水中各種有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行降解,達(dá)到生態(tài)修復(fù)目的。本文綜述了人工浮島國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,從污水處理效果,處理成本等方面將該技術(shù)和傳統(tǒng)人工濕地進(jìn)行比較,對(duì)人工浮島的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析。

生態(tài)修復(fù);人工浮島;人工濕地

1 人工浮島生態(tài)污水修復(fù)機(jī)理

人工浮島是一種長(zhǎng)有水生植物或陸生植物、可為野生生物提供生境的飄浮島,主要由浮島基質(zhì)、植物和固定系統(tǒng)組成[1]。在水體中設(shè)置人工浮島,浮島上的植物根系能夠吸附和吸收水中的氮、磷等物質(zhì),貯存在植物細(xì)胞中,可以降低水體化學(xué)需氧量 (COD)、總氮 (TN)、總磷 (TP)及重金屬含量。同時(shí),浮島上植物根系擁有巨大的表面積,為水中微生物生長(zhǎng)提供良好固著載體,起到“生物膜載體”的作用。人工浮島具有不同的形狀、構(gòu)造及植物類型,這會(huì)吸引野生動(dòng)物如昆蟲、蝶類、鳥(niǎo)類、兩棲動(dòng)物等在此棲息,從而增加物種多樣性,加快生態(tài)修復(fù)進(jìn)程。

2 人工浮島和傳統(tǒng)人工濕地的比較

2.1 人工浮島與人工濕地的異同

人工浮島、人工濕地,都是將植物種在水中,并用植物系統(tǒng)及根際微生物來(lái)凈化污水或富營(yíng)養(yǎng)化水體。嚴(yán)格來(lái)說(shuō),人工浮島屬于人工濕地的一種。相比而言,人工浮島是一種改進(jìn)的人工濕地技術(shù),可供選擇種植的植物范圍較廣。尤其是陸生植物經(jīng)水生馴化后,能形成比陸生環(huán)境下更發(fā)達(dá)的根系,因而可能具有比傳統(tǒng)人工濕地更好的有機(jī)污染物凈化潛能。傳統(tǒng)人工濕地中,植物種植于濕地的底部,而人工浮島將植物種植于浮墊上,因而植物的生長(zhǎng)不受水域類型和水底地形等條件的限制,人工浮島具有更高的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和其他元素的同化吸收效率。

由于人工浮島可以在較深的水體中運(yùn)作,相比于傳統(tǒng)人工濕地來(lái)說(shuō),這相當(dāng)于延長(zhǎng)了污水的處理時(shí)間,因此具有更高的處理效率。另外由于浮島基質(zhì)的避光作用,在浮墊下方植物根部所形成的生物膜中,優(yōu)勢(shì)微生物主要為細(xì)菌,而傳統(tǒng)人工濕地開(kāi)放的水環(huán)境使附著于植物莖葉上所形成的生物膜的微生物主要有藻類、水生附著生物和細(xì)菌等。另外,人工浮島還具有占用土地少,二次污染弱,作為景觀可操作性更高等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 人工浮島和人工濕地的水體凈化效果

李希等使用混合型植物(美人蕉、燈芯草或菖蒲)人工浮島處理生活污水,發(fā)現(xiàn)植物在處理污水過(guò)程中發(fā)揮重要作用。長(zhǎng)有植物的人工浮島對(duì)生活污水中總氮的去除率在 133～150mgm-2d-1,而對(duì)照組僅為 63mgm-2d-1;對(duì)總磷的去除率在 44～60mgm-2d-1,而對(duì)照組僅為 28mgm-2d-1;人工浮島對(duì) COD的去除率在 1.03～1.07gm-2d-1,而對(duì)照組僅為0.41gm-2d-1[2]。Oostrom在人工濕地處理氮飽和肉類加工廢水的脫氮研究中發(fā)現(xiàn),含有人工浮島的表面流濕地氮的去除效果大約是對(duì)照組的兩倍,平均為 46%～49%(5.2～5.5gNm-2d)。夏季氮的去除率達(dá)到 75%(大約 9.5gN m-2d-1)[3]。

Tanner等通過(guò)對(duì)人工浮島去除微粒、銅和鋅的研究發(fā)現(xiàn),人工浮島對(duì) Cu和 Zn的去除率大約分別為 3.8～6.4mgm-2d-1和 25～88mgm-2d-1[4],這與已報(bào)道的自由表面流人工濕地和水平潛流人工濕地的去除率相近。且人工浮島可在 3天的時(shí)間內(nèi)去除大約 1/3的懸浮微粒。李英杰等在太湖五里湖的治理過(guò)程中,實(shí)施了兩個(gè)人工浮島工程,發(fā)現(xiàn)：工程區(qū)內(nèi)營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度被大幅度消減,濁度從 53.4NTU(NTU指散射濁度單位,表明儀器在與入射光成 90°角的方向上測(cè)量散射光強(qiáng)度)降低到 15.9NTU[1]。人工浮島工程顯著改善了工程區(qū)內(nèi)的水環(huán)境。

余杰等在人工濕地深度處理污水的研究中發(fā)現(xiàn),據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),人工濕地在夏季可去除 6～9kgm-2d-1的 COD,而冬季運(yùn)行時(shí)能去除 16～24.5gm-2d-1的 COD[5]。Vymazal等在不同濕地對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)去除效果的研究中發(fā)現(xiàn),根據(jù)人工濕地的類型及流入量的不同,不同人工濕地對(duì)總氮的去除率在 325～819mgm-2d-1,總磷的去除百分比在61～102mgm-2d-1[6]。巴奇等對(duì)兩級(jí)人工濕地處理有機(jī)物質(zhì)的效果進(jìn)行研究。一級(jí)人工濕地 COD去除率約為 3.31～7.02gm-2d-1,二級(jí)人工濕地COD去除率約為 4.11～6.09gm-2d-1,總?cè)コ蚀笥?90%。一級(jí)人工濕地 NH+4-N去除率約為150～546mgm-2d-1,二級(jí)人工濕地NH+4-N去除率約為 476～581mgm-2d-1,總?cè)コ蚀笥?92%[7]。張海莉等運(yùn)用垂直流人工濕地工藝處理生活污水,濕地植物選用酸模 (學(xué)名：Rumexacetosa Linn)。經(jīng)計(jì)算,COD的去除率大約為 0.48～0.8 mgm-2d-1,NH4+-N約為 114mgm-2d-1,TP的去除率約為 11.4～22.8mgm-2d-1[8]。

在污水生態(tài)修復(fù)過(guò)程中,人工浮島和人工濕地的凈化效果都十分顯著,但由于不同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的得出依附于不同的實(shí)驗(yàn)材料、規(guī)模及檢測(cè)方式,所以無(wú)法將以上結(jié)果進(jìn)行類比。而在同一實(shí)驗(yàn)內(nèi)所得出的部分?jǐn)?shù)據(jù)顯示人工浮島的凈化效果優(yōu)于傳統(tǒng)人工濕地。同時(shí),相比于傳統(tǒng)的人工濕地而言,人工浮島具有不可忽視的優(yōu)越性,這填補(bǔ)了傳統(tǒng)人工濕地的局限性。不過(guò)人工浮島亦有其缺陷如基質(zhì)易降解、外來(lái)物種侵害等等,因此針對(duì)不同污染情況和水體狀況,如能將兩者進(jìn)行合理結(jié)合,很可能會(huì)產(chǎn)生意想不到的凈化效果,從而縮短生態(tài)修復(fù)的周期。

3 人工浮島研究現(xiàn)狀

研究表明,人工浮島對(duì)水體中多種污染物如N、P以及懸浮物質(zhì),具有明顯去除效果 (表 1)。與富營(yíng)養(yǎng)化水體治理的傳統(tǒng)技術(shù)相比,人工浮島的建設(shè)工藝簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本較低。相對(duì)傳統(tǒng)治污技術(shù),人工浮島的工藝費(fèi)用可以節(jié)省 50%以上。不同的人工浮島所采用的基質(zhì)不同,因此浮島造價(jià)相差較大,如云南省環(huán)境科學(xué)研究院試驗(yàn)用植物材料做成的草浮島造價(jià)低至 10～15元/m2[9]。在美國(guó),使用的是可再生材料,價(jià)格相對(duì)較高。評(píng)價(jià)一種人工浮島,要綜合考慮其使用材質(zhì)、使用壽命、處理效果和用途等因素,計(jì)算綜合使用成本。表 2列出了部分常用人工浮島的基本特性。

表 1 各種人工浮島營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)去除效果比較[10]

表 2 當(dāng)前商業(yè)應(yīng)用人工浮島基本特性

4 結(jié)論及展望

人工浮島作為水上的仿陸地生態(tài)系統(tǒng),使水生和陸生植物在一個(gè)系統(tǒng)上得以完美的組合,使昆蟲、蝶類、鳥(niǎo)類、兩棲動(dòng)物類和諧地棲息在同一個(gè)與外界相對(duì)隔離的生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)。相比于傳統(tǒng)人工濕地而言,人工浮島具有種種優(yōu)點(diǎn),有廣闊的應(yīng)用前景。然而人工浮島還有很多可以優(yōu)化的方面,比如材質(zhì)的改良以利于植物及微生物吸附、可降解特異性污染物微生物的引入等。到目前為止,人工浮島作為一種新興的生態(tài)修復(fù)處理技術(shù),主要只是應(yīng)用于富營(yíng)養(yǎng)化水質(zhì)的凈化。不過(guò)隨著人工浮島技術(shù)的逐步發(fā)展成熟,特別是與其他污水處理技術(shù)的結(jié)合,人工浮島將被應(yīng)用到更為廣泛的污水處理和生態(tài)修復(fù)過(guò)程當(dāng)中。

[1]李英杰,金相燦,年躍剛,胡社榮,胡小貞.人工浮島技術(shù)及其應(yīng)用 [J].水處理技術(shù) 2007,33(10)：49～51.

[2]李希,鐵柏清,彭陵文,李高明,李杰峰.混合型植物人工浮島處理生活污水的試驗(yàn)研究 [J].安全與環(huán)境工程2009,16(2)：48～51.

[3]Oostrom,A.J.v.InNitrogenremovalinconstructedwetlands treatingnitrifiedmeatprocessingeffluent[C],Proceedingsof the19944thInternationalConferenceonWetlandSystemsfor WaterPollutionControl,Guangzhou,China,1995：137～147.

[4]Tanner,C.C.,Tom,H.,Floatingtreatmentwetlands-an innovativesolutiontoenhanceremovaloffineparticulates,copperandzinc[C]. InStormwaterConference,National InstituteofWater&AtmosphericResearch,2008.

[5]余杰,田寧寧,錢靖華,李燕林,高成杰.人工濕地在污水深度處理中的應(yīng)用與工程設(shè)計(jì) [J].中國(guó)給水排水2009,25(4)：53～55.

[6]Vymazal,J.,Removalofnutrientsinvarioustypesofconstructedwetlands[J].ScienceoftheTotalEnvironment 2007,380(1～3)：48～65.

[7]巴奇,趙可,包清華,姬洪剛,姜廷亮.季節(jié)性運(yùn)行人工濕地處理生活污水研究 [J].長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2008,31(4)：22～25.

[8]張海莉,胡小兵,戴波.酸模人工濕地處理生活污水的效果研究 [J].環(huán)境科學(xué)與管理 2008,33(10)：100～105.

[9]陳靜,趙祥華,和麗萍.應(yīng)用于滇池海生態(tài)修復(fù)工程的植物浮島制備技術(shù) [J].四川環(huán)境 2006,6(25)：32～34.

[10]Stewart,F.M.,Mulholland,T.,Cunningham,A.B.,Kania,B.G.,T.Osterlund,M.,Floatingislandsasan alternativetoconstructedwetlandsfortreatmentofexcess nutrientsfromagriculturalandmunicipalwastes- results oflaboratory-scaletests[J].LandContamination&Reclamation2008,1(16)：25～33.

X22

A

1673-288X(2010)04-0048-03

國(guó)家十一五重大科技專項(xiàng) (No.2008ZX074220-03)

張婉璐 (1985—),女,河南新鄉(xiāng)人,碩士研究生,主要從事環(huán)境微生物研究。

李福利 (1975—),男,山東滕州人,研究員,研究方向?yàn)橘Y源與環(huán)境微生物學(xué)。