生物質(zhì)碳源與非生物質(zhì)填料組合生態(tài)浮床凈化水體效果

高小寶， 馬志遠(yuǎn)， 陳曉陽， 伏 炯， 陳士超

(1.同濟(jì)大學(xué) 海洋與地球科學(xué)學(xué)院， 上海 200092； 2.同濟(jì)大學(xué) 物理科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092； 3.同濟(jì)大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 上海 200092)

1 研究背景

人工浮床技術(shù)具有可移動(dòng)、無動(dòng)力、無維護(hù)以及兼具經(jīng)濟(jì)和美觀雙重功能等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于水體原位修復(fù)[1-2]。浮床植物既能吸收水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽，其根部分泌產(chǎn)生的化感物質(zhì)又能抑制藻類，對(duì)美化環(huán)境、凈化水體有重要的作用[3-4]。吳英杰等[5]、Zhang等[6]分別用北美海篷子和水雍菜處理養(yǎng)殖廢水，發(fā)現(xiàn) NH4+—N、NO3-—N和COD均得到了有效削減，去除率在11%～60%之間；彭蕾[7]選取了湖南常見的14種植物在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬處理化糞池生活污水，發(fā)現(xiàn)植物處理組對(duì)NH4+—N、TP和COD的去除率顯著高于無植物的對(duì)照組，填料植物復(fù)合組顯著優(yōu)于單一植物組；王鄭等[8]在處理農(nóng)家樂生活污水時(shí)，發(fā)現(xiàn)美人蕉和球形填料相結(jié)合的復(fù)合型生態(tài)浮床的凈化效果優(yōu)于單一系統(tǒng)?？梢姡参镌谖廴疚锏膬艋^程中發(fā)揮著重要作用，但簡(jiǎn)單的植物浮床由于有機(jī)碳源不足而難以發(fā)揮反硝化作用，對(duì)水體凈化效果相對(duì)較差[9-12]。

復(fù)合型生態(tài)浮床充分利用填料、植物和微生物的協(xié)同作用去除水體中氮、磷、有機(jī)物等污染物，以達(dá)到凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體的目的[13-14]。鄭堯等[15]構(gòu)建了“魚腥草-薄荷-空心菜”三明治模型浮床處理魚塘養(yǎng)殖水取得了較好的效果；Winston等[16]經(jīng)過14個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)燈心草、米草、梭魚草等植物混植搭配的生態(tài)浮床對(duì)兩個(gè)池塘的污染物去除率分別達(dá)到了36%和59%；湯茵琪等[13]通過掛膜將異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌與填料結(jié)合，提高了浮床對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中氮和有機(jī)物的去除效果；王芳等[17]利用玉米芯、稻草等農(nóng)業(yè)廢棄物和水生植物，構(gòu)建了新型立體組合式生態(tài)浮床系統(tǒng)，NH4+—N、TN和 COD的去除率可分別達(dá)到96.77%、95. 51%和77. 75%；姬芬等[18]構(gòu)建集挺水植物、沉水植物和微生物于一體的組合型生態(tài)浮床系統(tǒng)，并對(duì)其技術(shù)工藝周年運(yùn)行效果進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)浮床系統(tǒng)中層介質(zhì)的降解能力占主導(dǎo)地位；王超等[19]和辛在軍等[20]在詳細(xì)回顧生態(tài)浮床技術(shù)構(gòu)建方法和凈化機(jī)理后指出，對(duì)于富營(yíng)養(yǎng)化的處理，要結(jié)合生物共生協(xié)同機(jī)制和硝化與反硝化條件，充分發(fā)揮微生物除污的主導(dǎo)作用。

本研究提出了新型生態(tài)浮床結(jié)構(gòu)，以期通過構(gòu)建框架式無基質(zhì)床體，通過浮床植物的相互組合實(shí)現(xiàn)生物協(xié)同共生，提升浮床植物對(duì)水體污染物的吸收、截留和利用效率；通過浮床植物、生物質(zhì)碳源與非生物填料的有機(jī)組合，創(chuàng)建硝化與反硝化同步反應(yīng)條件，為厭氧環(huán)境供給有機(jī)碳源，促進(jìn)反硝化反應(yīng)，改善水質(zhì)，從而完成富營(yíng)養(yǎng)水體中氮、磷和有機(jī)物的自然降解與控制，為水體富營(yíng)養(yǎng)化控制和水質(zhì)改善提供依據(jù)和支撐。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

2.1.1 有機(jī)和無機(jī)填料 該試驗(yàn)所用的生物質(zhì)碳源填料為玉米芯，無機(jī)填料為沸石。玉米芯是一種常見的農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品，其主要成分為纖維素和半纖維素，具有較大的比表面積，微生物易于附著生長(zhǎng)，反硝化效果理想，且環(huán)保經(jīng)濟(jì)，是生態(tài)浮床系統(tǒng)的理想碳源填料和微生物的理想載體。沸石的吸附和離子交換性能強(qiáng)，對(duì)微生物具有良好的富集作用，可用作硝化和反硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)介質(zhì)。本試驗(yàn)所用沸石粒徑為0.4～0.6 cm，孔隙率為40.31%。

2.1.2 試驗(yàn)用水 試驗(yàn)用水采用人工模擬的重度富營(yíng)養(yǎng)化人工配水。將40 L自來水經(jīng)暴曬后加入水桶中，再加入0.68 g氯化銨(NH4Cl)、1.14 g硝酸鉀(KNO3)、0.39 g磷酸二氫鉀(KH2PO4)以模擬富營(yíng)養(yǎng)化水中氮和磷元素，也為植物根系提供可吸收的氮源和磷源。另外每桶水中加1.37 g葡萄糖(C6H12O6)為微生物提供初始可降解的碳源。水體初始NH4+—N濃度為5.16～6.19 mg/L，NO3-—N濃度為16.23～17.91 mg/L，TP濃度為6.8～7.1 mg/L，COD濃度為42.25～43.20 mg/L，按《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)劃分，屬于Ⅴ類水濃度標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.3 試驗(yàn)植物 試驗(yàn)所用植物為水生美人蕉 (CannaindicaL.)、菖蒲(AcoruscalamusL.)和旱傘草 (Cyperusalternifolius)。水生美人蕉為多年生宿根草本，其根系長(zhǎng)，泌氧能力好，能為好氧微生物提供較適宜的環(huán)境，該植物喜溫暖和充足的陽光，不耐寒；菖蒲為多年生濕生挺水草本，其根狀莖粗壯，具有毛發(fā)狀須根，適應(yīng)范圍廣泛，喜冷涼氣候，耐寒性較強(qiáng)；旱傘草為多年生草本，生物量大且根系發(fā)達(dá)，對(duì)氮、磷吸收效果好，喜溫暖陰濕通風(fēng)良好環(huán)境，耐陰，耐水濕，忌陽光直射和曝曬。

2.1.4 容器和浮床 本試驗(yàn)采用的自行組裝的生態(tài)浮床見圖1。該浮床床體長(zhǎng)、寬各20 cm，由PVC管(直徑d=5 cm)及彎頭構(gòu)成框架結(jié)構(gòu)，用麻繩將定植籃固定于床體中央以便支撐和固定植物根系。本試驗(yàn)所用的水體容器為容積60 L的藍(lán)色聚乙烯材質(zhì)水桶。

圖1 試驗(yàn)采用的自行組裝生態(tài)浮床

2.1.5 供試植物預(yù)備與馴化 選美人蕉、旱傘草、菖蒲為供試植物。在浮床組建前，用清水將植物沖洗干凈，浸泡于試驗(yàn)水中馴化14 d，試驗(yàn)開始時(shí)選取長(zhǎng)勢(shì)較好且高度和根長(zhǎng)一致的植物放置于浮床上開始試驗(yàn)。

2.1.6 碳源復(fù)合填料及制備 碳源復(fù)合填料基本構(gòu)成為玉米芯+沸石，質(zhì)量構(gòu)成為2束玉米芯(約13.27 ± 0.75 g)+ 0.5 kg生物填料沸石(粒徑0.4～0.6 cm)。試驗(yàn)開始前對(duì)玉米芯進(jìn)行預(yù)處理備用。將沸石裝入通透性良好的高分子纖維袋中，每袋0.5 kg，共兩袋，將玉米芯也裝為兩袋。將裝好的材料間隔墜掛于碳源處理組浮床床體四角的PVC彎頭下，以形成覆蓋面較大的高效生物膜凈化區(qū)，另將同樣重量的沸石裝袋懸掛在無碳對(duì)照組浮床床體四角的PVC彎頭下。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)試方法

試驗(yàn)于2019年7月3日開始，8月7日結(jié)束，試驗(yàn)場(chǎng)地選擇在同濟(jì)大學(xué)廢棄開水亭回廊下，回廊上方有遮雨棚，通風(fēng)透氣，光照適宜，有利于植物生長(zhǎng)。試驗(yàn)中除溫度及濕度外基本可以排除外部條件的影響。回廊橫向放置18個(gè)60 L試驗(yàn)水桶，每桶加40 L人工配水，在水體上放置浮床進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)，試驗(yàn)歷時(shí)為36 d。

共設(shè)置6組處理：處理I為“2株菖蒲+2株旱傘草”+ 碳源填料，處理II為“2株美人蕉+2株旱傘草”+ 碳源填料，處理III為“2株美人蕉+2株菖蒲”+ 碳源填料，處理IV為“2株菖蒲+2株旱傘草”+ 沸石填料，處理V為“2株美人蕉+2株旱傘草”+ 沸石填料，處理VI為“2株美人蕉+2株菖蒲”+ 沸石填料，每組處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，試驗(yàn)處理組次詳見表1。為減少植物生長(zhǎng)周期的影響，試驗(yàn)周期設(shè)置為36 d[21]，水溫介于23.8～29.5 ℃，平均水溫為25.7 ℃，適宜浮床植物的正常生長(zhǎng)。

表1 設(shè)計(jì)試驗(yàn)處理組次

試驗(yàn)期間每7 d對(duì)水質(zhì)進(jìn)行采樣并定量分析NH4+—N、NO3-—N、TP和COD含量來計(jì)算其濃度。NH4+—N采用納氏比色法測(cè)定，NO3-—N采用紫外分光光度法測(cè)定，TP采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定，COD采用快速消解分光光度法測(cè)定。試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定工作在同濟(jì)大學(xué)城市污染控制國(guó)家工程研究中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

2.3 數(shù)據(jù)分析

污染水體中NH4+—N、NO3-—N、TP和COD的去除率計(jì)算方法為：

Wi=(C0-Ci)/C0×100%

(1)

式中：Wi為第i天污染物的總?cè)コ?；C0為初始污染物濃度，mg/L；Ci為第i天污染物濃度，mg/L。

所有數(shù)據(jù)均采用 3次重復(fù)的平均值來表示。數(shù)據(jù)處理和繪圖采用Excel 2010和SigmaPlot 12.5統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

3.1 植物生長(zhǎng)狀況

36 d試驗(yàn)期間，浮床植物生長(zhǎng)情況良好，存活率100%。其中，美人蕉在試驗(yàn)期間生長(zhǎng)旺盛，試驗(yàn)之初植株高度為20～22 cm，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)株高平均為58 cm，最高達(dá)70 cm，其根系生長(zhǎng)良好，平均長(zhǎng)度為13.2 cm，最長(zhǎng)達(dá)15 cm；菖蒲在試驗(yàn)期間雖然高度變化不大(初始平均株高20.5 cm，結(jié)束時(shí)平均株高24.5 cm，最高32 cm)，但植株粗度較試驗(yàn)之初幾乎增加1倍，其根系生長(zhǎng)良好，平均長(zhǎng)度為8.67 cm，最長(zhǎng)達(dá)12.7 cm，同時(shí)密度也更繁密；旱傘草生長(zhǎng)較慢，高度變化不明顯(初始平均株高10.5 cm，結(jié)束時(shí)平均株高12.7 cm，最高18.5 cm)，但平均萌生4～5支新莖與15～20支水生根，根系平均長(zhǎng)度7.7 cm，最長(zhǎng)11.2 cm。

整個(gè)試驗(yàn)過程中，加碳源組合的浮床植物生長(zhǎng)狀況整體優(yōu)于無碳組合，表明碳源復(fù)合填料吸附的微生物對(duì)浮床植物的生長(zhǎng)有明顯的促進(jìn)作用。其機(jī)理可能是：碳源的加入有利于提升植物根際微生物數(shù)量、濃度和活性，故加碳源填料的浮床植物生長(zhǎng)狀態(tài)和速率優(yōu)于無碳填料浮床植物；相對(duì)于無碳填料，有碳填料中的玉米芯在作為填料過程中能釋放出Ca2+、Na+、Mg2+等微量元素作為生物酶的激活劑，有利于促進(jìn)根際微生物和植物的生長(zhǎng)。

3.2 對(duì)NH4+—N的凈化效果

銨態(tài)氮(NH4+—N)含量是水體富營(yíng)養(yǎng)化的一個(gè)重要指標(biāo)，NH4+—N的去除途徑包括生物硝化、植物吸收及NH3的揮發(fā)等方式。圖2為試驗(yàn)各處理中NH4+—N濃度隨時(shí)間的變化，圖3為試驗(yàn)各處理中NH4+—N去除率隨時(shí)間的變化。

由圖2、3可知，隨著時(shí)間的推移，各處理的NH4+—N濃度持續(xù)降低，去除率不斷增大。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，加碳源組合的NH4+—N平均去除率為73.0%，無碳組合平均去除率為66.1%，加碳源組合較無碳組合的平均去除率高6.9%，表明加碳源組合去除效果優(yōu)于無碳組合；比較試驗(yàn)結(jié)束時(shí)所有植物組合的去除率發(fā)現(xiàn)，“菖蒲+旱傘草”+碳源組合對(duì)NH4+—N的去除率最高(76.6%)，“美人蕉+菖蒲”+碳源組合次之(71.9%)，“美人蕉+旱傘草”組合最差(60.6%)。在7月10日的各組合中去除率最高的為無碳的“菖蒲+旱傘草”組合，而7月17日及以后，加碳源的“菖蒲+旱傘草”組合去除率始終為各組合中最高。上述結(jié)果表明，植物浮床通過加入復(fù)合碳源填料，使水體中 NH4+—N得到了較好的去除。

圖2 試驗(yàn)各處理中NH4+—N濃度隨時(shí)間的變化 圖3 試驗(yàn)各處理中NH4+—N去除率隨時(shí)間的變化

3.3 對(duì)NO3-—N的凈化效果

硝態(tài)氮(NO3-—N)主要是由富營(yíng)養(yǎng)化水體本身具有的NO3-—N 和硝化菌硝化作用生成的 NO3-—N 組成，主要通過微生物的反硝化作用和植物吸收兩種方式去除。圖4為試驗(yàn)各處理中NO3-—N濃度隨時(shí)間的變化，圖5為試驗(yàn)各處理中NO3-—N去除率隨時(shí)間的變化。

由圖4、5可以看出，各處理NO3-—N的濃度隨時(shí)間推移在逐漸減小，去除率隨時(shí)間推移而不斷增大。加入碳源后浮床對(duì)水體NO3-—N的去除效果有所提升，各加碳源組合對(duì)NO3-—N的平均去除率為88.7%，總體上優(yōu)于無碳組合的平均去除率83.7%。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)對(duì)各加碳源組合進(jìn)行比較，“旱傘草+菖蒲”+碳源組合對(duì)NO3-—N去除率最高，達(dá)到92.6%，“美人蕉+菖蒲”+碳源組合對(duì)NO3-—N去除率最低，為86.1%；對(duì)各無碳組合進(jìn)行比較，“美人蕉+菖蒲”對(duì)NO3-—N去除率最高，為84.5%，“菖蒲+旱傘草”對(duì)NO3-—N去除率最低，為83.0%。

圖4 試驗(yàn)各處理中NO3-—N濃度隨時(shí)間的變化 圖5 試驗(yàn)各處理中NO3-—N去除率隨時(shí)間的變化

3.4 對(duì)TP的凈化效果

磷是水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要控制因素，本試驗(yàn)對(duì)TP的去除方式包括植物根系的吸收、植物的同化、填料的吸附以及微生物的固定等，各試驗(yàn)組合對(duì)TP 的去除效果見圖6、7。

由圖6、7可知，隨著時(shí)間的推移，各組合中TP濃度逐漸降低，去除率逐漸增大。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各加碳源組合的平均去除率為54.4%，顯著優(yōu)于無碳組合的平均去除率36.0%。加碳源組合中“菖蒲+旱傘草”+碳源的去除效果最優(yōu)，達(dá)到60.7%，而無碳組合各處理的去除率相差不大。

圖6 試驗(yàn)各處理中TP濃度隨時(shí)間的變化 圖7 試驗(yàn)各處理中TP去除率隨時(shí)間的變化

3.5 對(duì)COD的凈化效果

水體中COD去除方式包括微生物降解、植物根系截留、填料吸附等，其中微生物降解是最主要的去除方式。試驗(yàn)各處理中COD濃度隨時(shí)間的變化如圖8所示。

由圖8可以看出，各加碳源組合的COD濃度均呈現(xiàn)出試驗(yàn)開始后第1～3周急劇增大，在7月24日形成峰值，隨后第4～5周又急劇下降的現(xiàn)象，最終COD濃度降低至8～28 mg/L，平均去除率為58.7%。各無碳組合的COD濃度隨時(shí)間呈緩慢波動(dòng)減小趨勢(shì)，最終COD濃度降低至2～12 mg/L，平均去除率達(dá)到81.0%。第4～5周各加碳源組合的COD去除速率明顯優(yōu)于無碳組合，表明加碳源組合對(duì)COD有良好的去除效果，但需要對(duì)碳的添加量和預(yù)處理方式進(jìn)行深入研究，以防止碳污染水體。

圖8 試驗(yàn)各處理中COD濃度隨時(shí)間的變化

4 討 論

本試驗(yàn)的目的在于篩選出合適的復(fù)合生物碳源填料以及所選植物中最佳的浮床植物組合，在充分發(fā)揮有益微生物除污主導(dǎo)作用的同時(shí)，結(jié)合生物協(xié)同共生機(jī)制，并利用硝化與反硝化條件對(duì)浮床結(jié)構(gòu)提出新構(gòu)想，以期能大幅度提高生態(tài)浮床對(duì)水體的生態(tài)凈化功能。生物質(zhì)碳源玉米芯所含的大量纖維素、半纖維素和木質(zhì)素在水體中降解釋放出單糖等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是微生物的有益碳源。在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各加碳源組合的COD濃度較無碳組合濃度還高，說明碳源預(yù)處理和精確的加碳量非常重要，因此今后應(yīng)當(dāng)強(qiáng)化碳源預(yù)處理方面的研究，避免因所用碳源不當(dāng)而影響去污效果甚至再度污染水體。

此外，添加生物質(zhì)碳源的“菖蒲+旱傘草”對(duì)NH4+—N、NO3-—N和TP均有最佳的去除效果，碳源對(duì)該植物組合去除NO3-—N和TP的效果提升較為明顯，對(duì)去除NH4+—N的效果提升不明顯。所選碳源復(fù)合填料對(duì)“美人蕉+菖蒲”組合作為浮床植物的促進(jìn)效果不大，即使不加入碳源，該組合對(duì)NO3-—N和TP的去除效果也很好，這可能是浮床植物“美人蕉+菖蒲”對(duì)NO3-—N和TP的吸收量較大所致[7]。加入生物質(zhì)碳源后，“美人蕉+旱傘草”組合對(duì)NH4+—N、NO3-—N和TP的去除效果有明顯提升，說明浮床植物、生物質(zhì)碳源與非生物填料的有機(jī)組合創(chuàng)建了硝化與反硝化同步反應(yīng)條件，加快了植物對(duì)氮的轉(zhuǎn)化和利用，從而改善了水質(zhì)。

5 結(jié) 論

(1)加碳源組合浮床中植物的生長(zhǎng)狀態(tài)和生長(zhǎng)速率明顯優(yōu)于無碳源浮床植物。

(2)所有生物質(zhì)碳源與非生物質(zhì)填料組合生態(tài)浮床的NH4+—N、NO3-—N及TP濃度隨時(shí)間均逐漸減小，去除率隨時(shí)間逐漸增大，加碳源組合的平均去除率均高于無碳組合。加碳源組合中的“菖蒲+旱傘草”+碳源對(duì)NH4+—N 、NO3-—N及TP的去除率最高，該組合可作為水體原位修復(fù)的理想浮床植物組合。

(3)各加碳源組合的COD濃度在第1～3周急劇上升， 4～5周又急劇下降；各無碳組合COD濃度隨時(shí)間呈波動(dòng)減小趨勢(shì)。外加碳源的釋放和生物質(zhì)碳源可為微生物提供充足的養(yǎng)分，但同時(shí)又使COD濃度增大，今后應(yīng)當(dāng)強(qiáng)化碳源預(yù)處理方面的研究，避免因所用碳源不當(dāng)再度污染水體。