復(fù)合式生態(tài)浮床對(duì)校園人工湖的凈化效果

趙賀芳，田迎春，彭永麗，徐天樂

（1.馬鞍山學(xué)院 建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000；2.安徽工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000）

校園人工湖容量小，流動(dòng)性差，易受到不同程度的污染[1].傳統(tǒng)生態(tài)浮床技術(shù)主要依靠水生植物吸收污水中N、P等營(yíng)養(yǎng)鹽供其生長(zhǎng)發(fā)育，具有靈活度高、能耗低、不產(chǎn)生二次污染等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于污水生態(tài)修復(fù)[2-3]，但對(duì)水體凈化效果較差[4].填料作為生物膜載體之一，在抵抗水力沖擊，防堵塞，提升污染物去除效率方面表現(xiàn)突出[5-6].近年來(lái)，被學(xué)者們引入到生態(tài)浮床技術(shù)中，形成“填料-植物”的復(fù)合式生態(tài)浮床.研究表明，復(fù)合式生態(tài)浮床對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中N、P 和有機(jī)物的去除效果顯著[7-8].彭蕾[9]用11 種草本挺水植物、3種木本植物與纖維組合填料構(gòu)建復(fù)合式生態(tài)浮床，對(duì)化糞池生活污水進(jìn)行處理，結(jié)果表明，植物與填料復(fù)合組對(duì)污水中CODcr、TP、TN 的凈化效果明顯優(yōu)于單一植物組.孫鵬等[10]將挺水植物中菖蒲分別與彈性填料、纖維填料組成復(fù)合式生態(tài)浮床，對(duì)農(nóng)家樂生活污水進(jìn)行處理，結(jié)果表明，菖蒲與纖維填料浮床中微生物含量更多，對(duì)污水中TN、NH4

+-N、CODcr、TP具有更好的去除效果.目前有關(guān)水生植物-纖維填料組合而成的復(fù)合式生態(tài)浮床技術(shù)的研究，多側(cè)重于單種水生植物的優(yōu)選[9-11]，還未見將水生植物按照生長(zhǎng)梯度不同組成的階梯植物與填料相結(jié)合構(gòu)成的復(fù)合式生態(tài)浮床對(duì)水體原位修復(fù)的相關(guān)研究.且目前的復(fù)合式生態(tài)浮床技術(shù)多應(yīng)用于生活污水的處理，將此種復(fù)合式生態(tài)浮床用于校園人工湖的研究還未見報(bào)道.因此，本研究在優(yōu)選沉水植物與漂浮植物對(duì)校園人工湖凈化效果試驗(yàn)的基礎(chǔ)上[12-13]，將沉水植物菹草與漂浮植物浮萍進(jìn)行搭配組成階梯植物，并將其與繩型辮帶式纖維填料進(jìn)行組合，研究其對(duì)某高校校園人工湖的凈化效果，以期為復(fù)合式生態(tài)浮床凈化類似景觀污水提供有益的參考.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)植物 試驗(yàn)所用植物為菹草和浮萍.均取自某城市市政公園水塘中.

菹草又名蝦藻、蝦草、麥黃草，為多年生沉水草本植物.其分布廣泛，適應(yīng)性強(qiáng)，適宜生長(zhǎng)于0.5～2.0 m深的凈水池塘、湖泊中[14]，適宜生長(zhǎng)溫度為10～20 ℃[15-16]，一般隨著夏季溫度的升高而停止生長(zhǎng)，同時(shí)形成鱗枝（冬芽）以度過(guò)不適環(huán)境.菹草能夠有效降低污水中TP 含量[17]，抑制藻類生長(zhǎng)，富集污水中重金屬[18-19]，其柔軟莖部對(duì)水中懸浮物去除效果較好[20].

水生漂浮植物浮萍包含紫萍屬、少根紫萍屬、青萍屬、扁無(wú)根萍屬、蕪萍屬共5個(gè)屬，36個(gè)品種，分布于世界各類淡水資源中.它能夠有效去除污水中氮磷、重金屬和有機(jī)污染物[21-24]，不同物種浮萍混養(yǎng)能夠提高浮萍的生長(zhǎng)和抗氧化酶活性[25]，從而有利于植物對(duì)水體的凈化效果，加強(qiáng)植物的生態(tài)修復(fù)功能[26].

1.1.2 試驗(yàn)填料 繩型辮帶式纖維填料（以下簡(jiǎn)稱辮帶式填料）由高強(qiáng)丙綸纖維組成，其形狀類似天然水草，比表面積大，不容易藏污納垢，具有良好的親水、親油性能，有儲(chǔ)氧功能.相較于維倫纖維與塑料環(huán)組成的組合填料，穩(wěn)定運(yùn)行后，辮帶式填料上微生物附著量更多，對(duì)污水中CODcr去除效果更好；與移動(dòng)床生物流化床填料（MBBR填料）相比，辮帶式填料安裝比較方便，且容易固定，使用壽命長(zhǎng)[27].3種填料具體如圖1所示.本研究試驗(yàn)所用辮帶式填料，購(gòu)自淘寶上河南潔康環(huán)保生產(chǎn)廠家.

圖1 辮帶式填料、組合填料和MBBR填料

1.1.3 試驗(yàn)用水 試驗(yàn)用水取自某高校校園人工湖，采樣點(diǎn)設(shè)在學(xué)生宿舍后面的排水口附近.水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及方法根據(jù)國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局編制的《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[28]，具體如表1所示.第一次取樣時(shí)間為2021 年4 月1 日，第二次取樣時(shí)間為2021 年4 月21 日.由于時(shí)間的關(guān)系，未對(duì)受試湖水中pH、DO、色度、濁度等進(jìn)行檢測(cè)分析，僅對(duì)影響植物生長(zhǎng)發(fā)育最典型的CODcr、NH3-N和TP指標(biāo)進(jìn)行了檢測(cè).樣本的檢測(cè)結(jié)果具體如表2所示.

表1 水質(zhì)檢測(cè)方法

表2 兩次取樣原水水質(zhì)指標(biāo)濃度 單位：mg·L-1

由表2 可以看出，由于取樣點(diǎn)在學(xué)生宿舍排污口附近，湖水中CODcr、NH3-N、TP 含量，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中V 類標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定限值：CODcr ≤40 mg·L-1、NH3-N ≤2.0 mg·L-1、TP（以P計(jì)）≤0.2 mg·L-1.

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的“浮萍-菹草-辮帶式填料”組成的復(fù)合式生態(tài)浮床，其示意圖如圖2所示.

圖2 復(fù)合式生態(tài)浮床示意圖

試驗(yàn)前取株高基本一致且長(zhǎng)勢(shì)良好的植物，置于透明水箱中進(jìn)行適應(yīng)性馴養(yǎng)，待植物長(zhǎng)勢(shì)趨于穩(wěn)定后，移栽到試驗(yàn)用透明水箱（長(zhǎng)寬高分別為：25 cm×18 cm×31 cm）中待后續(xù)試驗(yàn)使用.同時(shí)對(duì)辮帶式填料進(jìn)行掛膜.由于試驗(yàn)開始時(shí)氣溫較低，為了提高掛膜效率，用加熱棒控制水溫在20 ℃左右，經(jīng)過(guò)10 d后，生物膜基本成型，開始試驗(yàn).為了彌補(bǔ)蒸發(fā)水分及取樣后的水分損失，每天晚上8 點(diǎn)觀察水位并加清水至初始水位線.

1.3 試驗(yàn)設(shè)置

本研究設(shè)計(jì)兩輪試驗(yàn).第一輪試驗(yàn)，以菹草5 株，浮萍鮮重分別為5、10、15、20 g 作為工況1,以浮萍鮮重為5 g，菹草株樹分別為6、12、18、24 株作為工況2，研究?jī)煞N工況對(duì)試驗(yàn)湖水中CODcr、NH3-N、TP的凈化效果，試驗(yàn)組別與植物搭配情況如表3所示.

表3 第一輪試驗(yàn)組別與植物搭配情況

第二輪試驗(yàn)，將兩種工況中最優(yōu)的菹草和浮萍進(jìn)行搭配，研究其對(duì)試驗(yàn)湖水中CODcr、NH3-N、TP的凈化效果.

兩輪試驗(yàn)均在各組加入兩根長(zhǎng)度相同的辮帶式填料，兩輪試驗(yàn)周期均為15 d.第一輪試驗(yàn)時(shí)間為2021年4月1日—2021年4月15日，期間氣溫為9～22 ℃，平均氣溫為15 ℃；第二輪試驗(yàn)時(shí)間為2021年4月21日—2021年5月5日，期間氣溫為10～35 ℃，平均氣溫為21 ℃.試驗(yàn)期間每3 d取樣1次.為了盡可能避免雨水對(duì)水質(zhì)的影響，試驗(yàn)場(chǎng)地放在室外，下雨時(shí)搬至室內(nèi).

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

受試水體中CODcr、NH3-N、TP去除率計(jì)算方法如式（1）所示：

式（1）中：ηi為第i天污染物的去除率；C0為污染物初始濃度，單位為mg·L-1；Ci為第i天污染物濃度，單位為mg·L-1.

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和繪圖采用Excel 2010.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 兩種工況對(duì)CODcr的凈化效果

兩種工況對(duì)CODcr的凈化效果如圖3所示.

圖3 兩種工況對(duì)CODcr凈化效果

由圖3 可知，試驗(yàn)過(guò)程中，隨著水力停留時(shí)間（HRT）的延長(zhǎng)，兩種工況對(duì)CODcr 的去除率逐漸提高.試驗(yàn)前期對(duì)CODcr去除率增長(zhǎng)較明顯，后期趨勢(shì)變緩并有波動(dòng)現(xiàn)象.

工況1 中，當(dāng)HRT 為3 d 時(shí)，各組對(duì)試驗(yàn)污水中CODcr 的去除率分別為15.79%、36.84%、5.26%、28.95%；當(dāng)HRT為15 d時(shí)，對(duì)應(yīng)去除率均達(dá)到84.00%以上，以第二組，即菹草5株、浮萍10 g情況下對(duì)試驗(yàn)污水中CODcr 去除效果最好.工況2 中，當(dāng)HRT 為3 d 時(shí)，各組對(duì)試驗(yàn)污水中CODcr 的去除率分別為15.85%、47.37%、23.68%、15.85%；當(dāng)HRT 為15 d 時(shí)，對(duì)應(yīng)去除率均達(dá)到80%以上，以第二組，即菹草12株、浮萍5 g情況下對(duì)試驗(yàn)污水中CODcr去除效果最好.

當(dāng)HRT 為15 d 時(shí)，測(cè)得工況1 中CODcr 含量分別為20.16、12.08、25.20、30.24 mg·L-1；工況2 中CODcr 含量分別為：15.12、10.08、24.22、30.24 mg·L-1.此時(shí)，兩種工況中CODcr 含量均已達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中V類標(biāo)準(zhǔn).

試驗(yàn)湖水中的階梯植物交錯(cuò)生長(zhǎng)，浮萍和菹草與水下的辮帶式填料周圍可以形成好氧、厭氧空間，為水下的微生物提供有利的生長(zhǎng)環(huán)境，微生物以菹草和浮萍根系為載體形成生物膜，對(duì)水體中污染物質(zhì)進(jìn)行降解和轉(zhuǎn)化.同時(shí)，階梯植物發(fā)達(dá)的根系也有利于對(duì)水體中有機(jī)物和各類營(yíng)養(yǎng)鹽的截留和吸附.因此，在試驗(yàn)前期，對(duì)CODcr去除率較明顯；到試驗(yàn)中期，水體中有機(jī)物含量減少，其降解速度也開始變緩；后期由于水體中浮萍繁殖過(guò)多，擋住陽(yáng)光，部分菹草開始衰老死亡，使得對(duì)CODcr去除率呈現(xiàn)波動(dòng)狀況.

2.2 兩種工況對(duì)TP的凈化效果

兩種工況對(duì)TP的凈化效果如圖4所示.

圖4 兩種工況對(duì)TP的凈化效果

由圖4 可知，兩種工況對(duì)TP 都有較好的去除效果.當(dāng)HRT≤6 d 時(shí)，隨著HRT 的延長(zhǎng)，兩種工況對(duì)TP去除率增長(zhǎng)均較明顯，后面趨勢(shì)逐漸變緩.

工況1 中，當(dāng)HRT 為3 d 時(shí)，各組對(duì)試驗(yàn)湖水中TP 去除率分別為35.00%、40.42%、38.33%、45.83%；當(dāng)HRT為15 d時(shí)，各組對(duì)TP的去除率分別達(dá)到87.50%、92.50%、91.67%、84.17%.工況2中，當(dāng)HRT為3 d時(shí)，各組對(duì)試驗(yàn)湖水中TP 去除率分別為45.42%、55.42%、48.33%、53.33%；當(dāng)HRT 為15 d 時(shí)，各組對(duì)TP的去除率分別達(dá)到88.33%、95.83%、91.67%、89.58%.

當(dāng)HRT 為15 d 時(shí)，測(cè)得工況1 中TP 含量分別為0.30、0.18、0.25、0.38 mg·L-1，工況2 中TP 含量分別為0.28、0.10、0.20、0.25 mg·L-1.此時(shí)，工況1中第2組，工況2中第2、3組TP含量均已達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中V 類標(biāo)準(zhǔn).總體來(lái)看，工況1 中第2 組，即菹草5 株、浮萍15 g，工況2 中第2組，即菹草12株、浮萍5 g對(duì)試驗(yàn)污水中TP的去除效果最好.

磷是植物生長(zhǎng)和進(jìn)行光合作用必須的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，菹草和浮萍的根系和葉片都分布在水中，與水體接觸面積較大，在其生長(zhǎng)過(guò)程中需要吸收大量的磷，因此在試驗(yàn)初期對(duì)TP去除率顯著提高.當(dāng)試驗(yàn)水體中含磷營(yíng)養(yǎng)鹽降低到植物所需要的最低濃度時(shí)，由于植物對(duì)磷的需求量開始減少以及植物對(duì)之前吸收的磷進(jìn)行再分配，致使試驗(yàn)后期TP濃度下降趨勢(shì)開始變緩[29].

2.3 兩種工況對(duì)NH3-N的凈化效果

兩種工況對(duì)NH3-N的凈化效果如圖5所示.

圖5 兩種工況對(duì)NH3-N凈化效果

由圖5 可以看出，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，兩種工況中對(duì)NH3-N 的去除率逐漸提高，試驗(yàn)前期對(duì)NH3-N 去除效果較好，當(dāng)HRT＞9 d后，兩種工況對(duì)試驗(yàn)湖水中NH3-N的去除率呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢(shì).

工況1中，當(dāng)HRT為3 d時(shí)，各組對(duì)試驗(yàn)湖水中NH3-N的去除率分別為35.8%、44.2%、37.9%、31.5%；當(dāng)HRT 為15 d 時(shí)，各組對(duì)NH3-N 的去除率分別為74.8%、81.5%、78.5%、71.7%.工況2 中，當(dāng)HRT 為3 d時(shí)，各組對(duì)試驗(yàn)湖水中NH3-N 去除率分別為38.3%、46.6%、41.1%、43.6%；當(dāng)HRT 為15 d 時(shí)，各組對(duì)NH3-N去除率分別為75.3%、84.4%、80.2%、71.5%.

當(dāng)HRT 為15 d 時(shí)，測(cè)得工況1 中NH3-N 含量分別為2.52、1.85、2.15、2.83 mg·L-1；工況2 中NH3-N 含量分別為2.47、1.56、1.98、2.85 mg·L-1.此時(shí)，工況1 中第2 組，工況2 中第2、3 組的NH3-N 含量均已達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中V 類標(biāo)準(zhǔn).總體來(lái)看，工況1 中第2 組，即菹草5 株、浮萍10 g對(duì)試驗(yàn)湖水中NH3-N 去除效果最好；工況2 中整體去除效果差別不大，但第2 組，即菹草12 株、浮萍5 g最高去除率達(dá)到84%以上.

污染水體中的NH3-N 主要是通過(guò)植物的吸收作用以及植物根系附著的微生物的硝化作用而被去除.在試驗(yàn)初期，菹草和浮萍生長(zhǎng)繁殖旺盛，根系發(fā)達(dá)，對(duì)氮的吸收良好，因而氨氮含量下降較快.水體中微生物會(huì)棲息于菹草的葉脈和根系附近，水下的辮帶式填料比表面積大，也易附著大量微生物.辮帶式填料與水生植物在水下錯(cuò)綜復(fù)雜，可以為水中微生物提供良好的硝化和反硝化反應(yīng)環(huán)境，也有利于水體中NH3-N 的去除.在試驗(yàn)中后期，對(duì)氨氮去除率趨于水平并略有上升，通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，有部分菹草出現(xiàn)腐爛死亡，經(jīng)過(guò)微生物作用不斷釋放氨氮，導(dǎo)致氨氮出現(xiàn)負(fù)去除率.

從以上研究可知，工況1和工況2中共8組復(fù)合式生態(tài)浮床對(duì)試驗(yàn)湖水中的CODcr、TP、NH3-N 都有較好的去除效果.經(jīng)15 d處理后，兩種工況中的CODcr含量均已達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中V 類標(biāo)準(zhǔn)；工況1 中第2 組，工況2 中第2、3 組TP 含量和NH3-N 含量均已達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中V 類標(biāo)準(zhǔn).其中，工況1 中第2 組，即菹草5 株、浮萍10 g，工況2 中第2 組，即浮萍5 g、菹草12株，對(duì)試驗(yàn)湖水中各指標(biāo)整體去除效果更為明顯.因此，選取菹草12株、浮萍10 g，同時(shí)加入與工況1、2相同長(zhǎng)度的辮帶式填料作為工況3，對(duì)試驗(yàn)湖水中各指標(biāo)繼續(xù)進(jìn)行研究.

2.4 工況3對(duì)試驗(yàn)湖水的凈化效果

工況3對(duì)試驗(yàn)湖水中CODcr、TP、NH3-N去除效果如圖6所示.

圖6 工況3對(duì)CODcr、TP、NH3-N去除效果

由圖6（a）可以看出，當(dāng)HRT ≤9 d時(shí)，試驗(yàn)湖水中CODcr的去除率逐漸上升，當(dāng)HRT為9 d時(shí)對(duì)應(yīng)去除率最高，為86.61%，且略高于工況1、工況2 中對(duì)應(yīng)的去除率；當(dāng)HRT ＞9 d 時(shí)，試驗(yàn)湖水中CODcr 去除率出現(xiàn)了負(fù)增長(zhǎng).此時(shí)觀察到，菹草出現(xiàn)部分衰老死亡現(xiàn)象，植物根系截留附著的沉積物中的不溶性有機(jī)物懸浮于水中，使水體內(nèi)有機(jī)物增多，從而導(dǎo)致試驗(yàn)后期去除率反而降低.因此，要想達(dá)到較好的CODcr去除效果，須在菹草衰老死亡前進(jìn)行清理.由圖6（b）可以看出，試驗(yàn)湖水中TP去除率在試驗(yàn)前期呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，到后期略有下降，當(dāng)HRT 為6 d 時(shí)，工況3 對(duì)試驗(yàn)湖水中TP 的去除率為57.18%，比工況1、2 中對(duì)應(yīng)去除率低.這是因?yàn)?，此時(shí)水體中P 元素含量太低，已經(jīng)不能滿足水生植物生長(zhǎng)需求，從而導(dǎo)致植物開始部分衰老死亡，其體內(nèi)的磷元素被釋放出來(lái)，導(dǎo)致水體中TP含量略有升高.由圖6（c）可以看出，隨著停留時(shí)間的延長(zhǎng)，工況3 對(duì)試驗(yàn)湖水的NH3-N 去除率逐漸提升（即NH3-N 含量逐漸降低），最高可達(dá)97.39%，工況3對(duì)NH3-N去除率整體比工況1、工況2高很多.

綜上所述，工況3，即菹草12株、浮萍10 g對(duì)試驗(yàn)湖水中CODcr、NH3-N 的凈化效果優(yōu)于工況1、工況2.菹草衰敗前（HRT 為9 d 時(shí)）CODcr 和NH3-N 含量分別為21.480、1.458 mg·L-1，已達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)（CODcr≤30 mg·L-1，NH3-N≤1.5 mg·L-1）.在工況3 中，TP 初始含量較低，導(dǎo)致試驗(yàn)后期湖水中P元素已經(jīng)滿足不了植物生長(zhǎng)需求，TP去除效果不明顯.

3 結(jié)論

1）當(dāng)原水中CODcr 為191.52 mg·L-1、TP 為2.40 mg·L-1、NH3-N 為10.00 mg·L-1時(shí)，工況1 中第2 組，即菹草5 株、浮萍10 g、辮帶填料2 根，工況2 中第2 組，即浮萍5 g、菹草12 株、辮帶填料2 根對(duì)試驗(yàn)湖水中CODcr、NH3-N、TP去除效果較好，達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中V類標(biāo)準(zhǔn).

2）當(dāng)原水中CODcr 為160.48 mg·L-1、TP 為1.24 mg·L-1，NH3-N 為16.49 mg·L-1時(shí)，菹草12 株、浮萍10 g、辮帶式填料2根對(duì)試驗(yàn)湖水中CODcr、NH3-N 的凈化效果優(yōu)于工況1、工況2.在菹草衰敗前，受試湖水中CODcr和NH3-N含量已達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn).此輪試驗(yàn)中，TP初始含量較低，導(dǎo)致試驗(yàn)后期湖水中P元素?zé)o法滿足植物生長(zhǎng)需求，TP去除效果不明顯.

3）污水中TP含量過(guò)低會(huì)影響植物的生長(zhǎng)，從而影響到其對(duì)試驗(yàn)湖水中各指標(biāo)的凈化效果.