生物組合技術(shù)凈化試驗及其在北運河城區(qū)段示范工程的應(yīng)用研究

胡韻爽，李紹飛*，孫 珂，劉 然，董立新，常素云

（1.天津農(nóng)學(xué)院，天津 300384；2.河南省新鄉(xiāng)水文水資源勘測局，河南 新鄉(xiāng) 453000；3.天津市水利科學(xué)研究院，天津 300061）

生物組合技術(shù)凈化試驗及其在北運河城區(qū)段示范工程的應(yīng)用研究

胡韻爽1，李紹飛1*，孫 珂2，劉 然1，董立新3，常素云3

（1.天津農(nóng)學(xué)院，天津 300384；2.河南省新鄉(xiāng)水文水資源勘測局，河南 新鄉(xiāng) 453000；3.天津市水利科學(xué)研究院，天津 300061）

【目的】針對北運河城區(qū)段水質(zhì)特點，研發(fā)生物生態(tài)凈化技術(shù)，建設(shè)示范工程。【方法】開展試驗對比4 種不同水生植物、人工水草、曝氣-水生植物-人工水草對北運河水質(zhì)的凈化效果并將組合技術(shù)應(yīng)用于示范工程中?！窘Y(jié)果】生物生態(tài)組合技術(shù)去除效果優(yōu)于人工水草、水生植物等單一技術(shù)，在武清城區(qū)段七污排污口下游1.1 km 建成的示范工程連續(xù)穩(wěn)定運行10 個月，除2020 年8 月NH4+-N 外，其他月份出水中NH4+-N 和TP 達到地表水Ⅴ類標準，單位面積浮床對NH4+-N、TP 的削減量分別為0.36、0.073 kg/m2?！窘Y(jié)論】生物生態(tài)組合技術(shù)能在冬、夏季強化對氮磷的去除效果，形成優(yōu)勢互補。尤其是在冬季，能克服植物枯萎、去除效果不好的劣勢，實現(xiàn)低溫環(huán)境下對NH4+-N和TP 的有效凈化，適合在北方緩滯型河道的水質(zhì)改善及景觀修復(fù)中推廣應(yīng)用。

生物生態(tài)；組合技術(shù)；水生植物；人工水草

0 引 言

【研究意義】北運河貫穿京津冀，在天津大紅橋匯入海河，根據(jù)海河流域水生態(tài)文明建設(shè)要求，北運河流域水質(zhì)提升是重點。武清城區(qū)段沿線有多個污水處理廠的排放尾水以及支渠水系匯入，水流滯緩，河道自凈能力差，兩岸沒有處理場地，適宜采用河道內(nèi)原位生態(tài)修復(fù)技術(shù)進行水質(zhì)凈化。因此，研究適用于北方緩滯型河道的生物生態(tài)修復(fù)技術(shù)并建設(shè)示范工程對于北運河流域水環(huán)境改善具有重要的現(xiàn)實意義。

【研究進展】河道內(nèi)原位生態(tài)修復(fù)技術(shù)包括水生植物、生態(tài)浮島和微生物等。水生植物對水體中氮磷具有富集與轉(zhuǎn)移作用，并具有克藻效應(yīng)，部分植物可去除重金屬，能夠兼具經(jīng)濟效益和環(huán)境效益[1-4]。馮優(yōu)等[5]篩選優(yōu)勢植物種類時得出挺水植物較沉水植物具有更強的除磷能力。多種水生植物合理搭配的凈化效果優(yōu)于單一植物[1-2]。人工水草是生物膜附著的載體，污水處理就是附著在生物填料上的微生物依靠污染物進行新陳代謝的過程[6]，具有二次污染少、成本低、改善水質(zhì)效果好等優(yōu)點,且不受制于光照和透明度，該技術(shù)在實際應(yīng)用中具有很大優(yōu)勢[6-7]?！厩腥朦c】但是，生物生態(tài)組合技術(shù)在北方的實際應(yīng)用研究較少。課題組前期[8-9]在水溫較高（≥22 ℃）的有利條件下開展了下列試驗研究：篩選出超細碳纖維為優(yōu)勢人工水草、水蔥為優(yōu)勢植物；分析了活性污泥接種法掛膜的人工水草、水蔥對NH4+-N 和TP 的去除效果；在冬季將人工水草與水蔥組合進行現(xiàn)場中試，由于水溫較低，人工水草在河道內(nèi)掛膜不充分、植物生長緩慢，凈化效果不理想。

在上述研究中水生植物種類相對單一，所采用的活性污泥接種法與實際工程中的河道自然掛膜法在人工水草表面形成的生物膜菌群種類相對豐度不同，凈化效果相差較大，此外，沒有對比分析二者組合的優(yōu)勢。生物生態(tài)組合技術(shù)是在富氧條件下，植物根系與高比表面積人工水草集成在一起，在河道里構(gòu)成了微觀A/O 復(fù)合系統(tǒng)，形成穩(wěn)定的生物凈化群落，實現(xiàn)水體凈化?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為科學(xué)將生物生態(tài)組合技術(shù)應(yīng)用于示范工程中，本文在前期研究基礎(chǔ)上進行如下改進：針對北運河自八孔閘至老米店武清城區(qū)段的水質(zhì)污染特征，豐富了植物比選種類，將優(yōu)勢人工水草在城區(qū)段河道內(nèi)自然掛膜，掛膜成功后在冬夏兩季對比分析水生植物、人工水草及二者組合的凈化效果，揭示單項技術(shù)的互補性以及組合技術(shù)的優(yōu)勢。將組合技術(shù)應(yīng)用到北運河自武清第七污水廠排污口向下游1.1 km 河道示范工程中，連續(xù)穩(wěn)定運行10 個月，以期提升城區(qū)段水質(zhì)、修復(fù)河道生態(tài)景觀。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

北運河武清城區(qū)段自上游八孔閘至下游老米店總長約13 km，水流緩滯，武清城區(qū)一支渠至七支渠構(gòu)成的支流水系，以及第二、第七污水處理廠排放出水均在城區(qū)段匯入北運河干流。布設(shè)八孔閘、陳官屯村前、北鄭村、雍陽橋、前進橋、老米店閘6 個采樣點，連續(xù)監(jiān)測水質(zhì)，結(jié)果表明NH4+-N、TP（全磷）質(zhì)量濃度變化范圍分別在0.06～2.88、0.06～2.07 mg/L之間，下游水質(zhì)劣于上游，污染時段及污染源解析如下：①秋冬季水位較低時，內(nèi)源底泥污染物釋放；②水藻腐爛在河道里導(dǎo)致富營養(yǎng)化；③在汛期降雨過后，由于沿線污水處理廠超越排放以及支渠水系的面源污染匯入導(dǎo)致氮磷質(zhì)量濃度較高。因此，城區(qū)段河道水流滯緩，自凈能力差，污染來源主要為城市面源污染、污水廠尾水排放和內(nèi)源底泥污染釋放。

1.2 水生植物凈化試驗設(shè)計

選取適宜在北方生長的水蔥、鳶尾、美人蕉和千屈菜4 種水生植物，在夏、冬季對比分析凈化效果、篩選優(yōu)勢種類。設(shè)計148 cm×33 cm×50 cm 的有機玻璃水槽，模擬北運河城區(qū)段河道水流，取長勢良好的4 種植物各6 株，株高30～40 cm，葉冠直徑修剪至17 cm，洗凈根部，固定在水槽中，加入100 L 北運河原水，每個處理重復(fù)2次。擬建示范河段長1.1 km，根據(jù)水文監(jiān)測可知河道斷面平均流速0.02～0.1m/s，算得水力停留時間小于24 h，另外，城區(qū)段河道水位和流速受控于上游八孔閘和下游老米店閘的調(diào)度規(guī)則，在非汛期降雨較少時，上、下游閘較長時間不放水，水力停留時間較長，故本文選取試驗周期為7 d。開啟水泵，保持流速0.02～0.10 m/s，模擬城區(qū)段河道水流狀態(tài)。每日定時取樣，監(jiān)測水體中NH4+-N 和TP質(zhì)量濃度變化，計算去除率和水力負荷。植物覆蓋比例是指葉冠覆蓋面積與水體面積的比例，可算得覆蓋比例約為35%。試驗期間，夏季水溫22～25 ℃，溶解氧DO 6～8 mg/L；冬季水溫3～10 ℃，DO 6～8 mg/L，由于千屈菜莖葉枯萎較早，采用其他3 種植物。

1.3 曝氣-人工水草凈化試驗設(shè)計

根據(jù)課題組前期研究可知，超細碳纖維為優(yōu)勢人工水草，每根長1 m，沿直徑展開約長15 cm，比表面積約82 000 m2/m3[8-9]。于2019 年10 月將其放入北運河城區(qū)段河道中開始自然掛膜，2020 年6 月，摘取人工水草樣本送至北京諾禾致源科技股份有限公司進行16S rDNA 擴增子測序，對高變區(qū)進行測序分析和菌種鑒定，分析微生物群落組成結(jié)構(gòu)。

由于水生植物試驗水槽深度（50 cm）小于人工水草長度（1 m），人工水草無法垂直懸掛于其中，為了更真實地模擬人工水草在河道內(nèi)的運行狀態(tài)，設(shè)計了直徑20 cm、高1 m 的圓柱形反應(yīng)器。設(shè)置2 個處理，自然掛膜處理即取1 根掛膜人工水草，用蒸餾水清洗后，放入反應(yīng)器中，加入20 L 北運河原水。以不添加人工水草為空白對照，每個處理重復(fù)2 次，人工水草運行比例（即人工水草體積與實驗水體體積之比）為90%。在反應(yīng)器內(nèi)安裝微孔曝氣盤，連接氣泵，每日曝氣10 h 溶解氧質(zhì)量濃度保持7～9 mg/L，在增氧的同時能夠模擬河道水流的擾動狀態(tài)。試驗期間，由于微生物菌群由河道移至室內(nèi)試驗水柱中，需要一定時間適應(yīng)環(huán)境，所以試驗周期延長至15 d。每天取樣1 次。冬夏季水溫同1.2 節(jié)。

1.4 生物生態(tài)組合凈化技術(shù)試驗設(shè)計

將2 根掛膜人工水草與12 株水生植物組合，固定在試驗水槽中，添加100 L 河道原水。在冬、夏季開展試驗，每個處理重復(fù)2 次，具體方法同1.2。由于水蔥、鳶尾凈化效果較好，美人蕉、千屈菜觀賞性較好，故在夏季，采用水蔥＋鳶尾、千屈菜＋美人蕉的植物組合；在秋冬季，由于千屈菜枯萎較早且無法越冬，故選取其余3 種植物組合。具體組合方式見表1。

表1 生物生態(tài)組合方式Table 1 Combination mode of biological ecology

注 人工水草的運行比例是36%、水生植物的覆蓋面積是67%。

1.5 生物生態(tài)組合凈化技術(shù)示范工程設(shè)計方案

選取北運河武清城區(qū)段為示范河道，其主槽寬40 m，邊坡比1∶3～1∶4，中泓線水深變化范圍2.0～3.8 m，汛期暴雨后可達4.7 m 左右。流速在0.02～0.1 m/s 之間，屬于緩滯型河道，行洪下游開閘時流速在0.5～1.0 m/s 之間，見圖1。受七污排水匯入影響，示范河段在冬季河水溫度高于0 ℃不結(jié)冰，夏季最高28 ℃。

示范工程建設(shè)在武清城區(qū)段自七污排污口至下游1.1 km 河道內(nèi)，凈化工藝包括：2 段20 m 長的分布式微孔曝氣區(qū)，分別布設(shè)在上、下游；由于城區(qū)段支渠水系的面源污染、污水廠尾水排放等外源污染均從河道左側(cè)匯入干流，且流速從中泓線向兩岸遞減，因此將浮床布設(shè)在河道左側(cè)，布設(shè)2 400 m2植物浮床，浮床規(guī)格為4 m×9 m，共約66 組；在每株植物的正下方固定1根1m長的超細碳纖維人工水草，共21 600根。示范工程中，植物與人工水草組合方式為：1 株植物+1 根人工水草，與組合試驗（組合方式：12 株植物+2 根人工水草）相比，增加了人工水草的數(shù)量。由前期試驗可知，人工水草在冬季植物枯萎時，對NH4+-N、TP 也有一定的凈化效果，故為了使示范工程在冬季水溫較低時，也能夠保證出水氮磷達標，在組合試驗基礎(chǔ)上額外加密人工水草。

根據(jù)前期試驗結(jié)果，水蔥是優(yōu)勢植物，鳶尾次之，在實際工程中，考慮到物種豐富性、景觀生態(tài)性以及便于后期維護管理，適當增加了鳶尾的面積，補充了美人蕉和千屈菜。工程中水蔥面積1 000 m2、鳶尾面積800 m2，美人蕉、千屈菜組合布設(shè)面積為600 m2。植物浮床選用抗凍耐沖擊的高密度HDPE 型材料[9]，采用無土栽培方式。示范工程于2020 年4 月建成，8月運行穩(wěn)定后監(jiān)測進出水NH4+-N 和TP 質(zhì)量濃度。

圖1 示范河段位置圖Fig.1 Location map of demonstration river section

2 結(jié)果與分析

2.1 水生植物凈化效果分析

水力負荷是指一定面積/體積的濾料在單位時間內(nèi)去除的污染物質(zhì)量濃度的能力，單位為mg/(L·h)或mg/(L·d)，計算式為：X=（C1-C2）/Z，其中C1、C2分別為污染物初始質(zhì)量濃度和去除穩(wěn)定時的質(zhì)量濃度，Z為去除穩(wěn)定時的水力停留時間。在水生植物的作用下，水體中NH4+-N 和TP 的質(zhì)量濃度變化過程見圖2、圖3。冬、夏季水生植物的去除率及水力負荷見表2。由表2 可知，夏季植物對NH4+-N、TP的去除率分別為25.22%～66.77%和50.00%～66.67%，可見對TP 的去除效果均較優(yōu)。冬季，對NH4+-N、TP 的去除率為25.22%～37.79%、13.33%～31.58%，綜合冬、夏季的結(jié)果：水蔥凈化效果最好，為優(yōu)勢植物，鳶尾次之。在實際工程中，兼顧景觀性和種植適宜性，以水蔥、鳶尾為主，適當搭配美人蕉、千屈菜。

圖2 植物對NH4+-N 的凈化效果Fig.2 Purification effect of plants on NH+4-N

圖3 植物對TP 的凈化效果Fig.3 Purification effect of plants on TP

表2 不同季節(jié)單一水生植物去除率及水力負荷Table 2 Removal rate and hydraulic load of single aquatic plants in different seasons

注 在植物浮床施工中，1 株植物固定在0.33×0.33 m2的浮床板上，故1 株植物葉冠覆蓋面積取0.33×0.33 m2。

此外，進水中的污染物質(zhì)量濃度是影響凈化效率的重要因素，在一定范圍內(nèi)，污染物質(zhì)量濃度越高凈化效率越高，往往水力負荷也越大。本試驗中對于NH4+-N，冬季進水質(zhì)量濃度3.37～3.89 mg/L，遠高于夏季進水質(zhì)量濃度0.84 mg/L。由于水力負荷的計算中采用了削減質(zhì)量濃度的絕對值，去除率計算采用的是削減質(zhì)量濃度的相對值，所以算得的冬季水力負荷高于夏季，而去除率低于夏季。

2.2 曝氣-人工水草凈化效果分析

通過對北運河河道自然掛膜人工水草的微生物測序，進行OUT 分析，然后對OUTs（Operational Taxonomic Units）的序列進行物種注釋，得到物種分布情況，并進行樣本復(fù)雜度分析。屬水平（Genus）以上的top10 物種相對豐度見圖4，提取出具有水質(zhì)凈化功能的微生物見表3。由表3 可知，超細碳纖維在北運河河道內(nèi)自然掛膜成功，微生物菌屬對水體中TP、NH4+-N 和COD 等具有較強的凈化能力，同時能降解有機物，吸附重金屬，促進植物生長，形成穩(wěn)定的生物凈化群落，改善水質(zhì)。冬、夏2 季人工水草對水體中的NH4+-N 和TP 的凈化效果見圖5、圖6，冬、夏季人工水草的去除率及水力負荷見表4。在冬、夏季，人工水草均能持續(xù)穩(wěn)定地去除NH4+-N。夏季，人工水草對NH4+-N 的去除率與優(yōu)勢植物水蔥的去除率（66.77%）接近。值得一提的是，在冬季，水生植物已枯萎，而人工水草對NH4+-N 依然有較理想的去除效果，7 d 時去除率超過50.00%。

圖4 屬水平上的top10 物種相對豐度Fig. 4 Relative abundance of top10 species at genus level

冬、夏2 季對TP 的去除效果均不穩(wěn)定，與戚科美[7]的研究結(jié)果相一致。試驗過程中，TP 質(zhì)量濃度出現(xiàn)明顯的反彈，這是由于部分生物膜會脫落老化以及水草自身浮動，使得吸附在生物膜表面的磷釋放進水體中[16]。但是，在冬季的去除效果優(yōu)于水生植物。

表3 微生物菌屬及其凈化作用Table 3 The effect of main microorganisms on water purification

表4 不同季節(jié)人工水草對監(jiān)測指標去除率及水力負荷Table 4 Removal rate and hydraulic load of artificial aquatic grass monitoring index in different seasons

圖5 人工水草對NH4+-N 的凈化效果Fig.5 Purification effect of artificial aquatic plant on NH4+-N

圖6 人工水草對TP 的凈化效果Fig.6 Purification effect of artificial aquatic plant onTP

2.3 單一技術(shù)效果對比分析

根據(jù)上述試驗結(jié)果可知，在夏季，水生植物對NH4+-N、TP 均有明顯的凈化效果，尤其對TP 的凈化效果更加明顯；但是在冬季，由于莖葉枯萎，對NH4+-N 和TP 的去除率明顯下降。人工水草在冬、夏2 季對NH4+-N 的凈化效果均明顯優(yōu)于水生植物，在冬季對TP 的去除率優(yōu)于大部分水生植物（僅略低于水蔥）。因此，將人工水草與水生植物技術(shù)組合，可在冬、夏季實現(xiàn)對NH4+-N 和TP 的有效削減。

2.4 生物生態(tài)組合技術(shù)效果分析

生物生態(tài)組合技術(shù)和單一技術(shù)在冬夏季的凈化效果對比見圖7、圖8。連續(xù)監(jiān)測組合試驗的NH4+-N、TP 質(zhì)量濃度變化，計算得到去除率和水力負荷，見表5。根據(jù)圖7、圖8 及表5 可知，夏季，水生植物與人工水草組合對NH4+-N 的凈化能力大大加強，去除率顯著高于單一的人工水草和水生植物；對TP 的去除率介于人工水草和植物之間。冬季，組合技術(shù)對NH4+-N、TP 的凈化能力顯著提高。因此，組合技術(shù)在夏季能夠增強對NH4+-N 的凈化效果；在冬季能克服植物枯萎、凈化效果不好的劣勢，將人工水草與水生植物優(yōu)勢互補，在低溫環(huán)境下實現(xiàn)對NH4+-N 和TP的有效凈化。另外，冬季組合三的去除率略高于夏季組合一，這是由于組合三進水中的污染物起始質(zhì)量濃度高于組合一，說明即使是在冬季水溫較低的情況下，組合技術(shù)對高質(zhì)量濃度的污水也有很好的去除效果。

在曝氣-水生植物-人工水草組合技術(shù)，植物根系與下方懸掛的超細碳纖維集成在一起，是微生物棲息的良好載體，在富氧條件下，能夠形成高密度、種類更加豐富的微生物群落結(jié)構(gòu)，除了含有好氧菌、厭氧菌、兼性好氧（厭氧）菌，還包括能輔助植物生長的菌屬。在緩流條件下，在河道里能構(gòu)成微觀A/O 復(fù)合系統(tǒng)，進行硝化和反硝化作用，高效地脫氮除磷，并能維持水體中微生物凈化群落的穩(wěn)定性。

圖7 夏季各項單一技術(shù)和組合技術(shù)對比Fig.7 Comparison of single technology and combination technology in summer

圖8 冬季各項單一技術(shù)和組合技術(shù)對比Fig.8 Comparison of single technology and combination technology in summer

城區(qū)段河道水流緩滯，受尾水排放、地表徑流匯入影響，NH4+-N 和TP 質(zhì)量濃度超標，組合技術(shù)適用于河道污染水體的凈化。

表5 不同季節(jié)組合試驗組起始質(zhì)量濃度、穩(wěn)定時質(zhì)量濃度、去除率和實際水力負荷Table 5 Initial and stable concentration, removal rate and actual hydraulic load of experimental groups in different seasons

2.5 生物生態(tài)組合技術(shù)示范工程運行效果分析

2020 年8 月示范工程運行穩(wěn)定后，進水和出水的NH4+-N、TP 的質(zhì)量濃度變化見圖9、圖10。由圖9、圖10 可知，示范工程穩(wěn)定運行10 個月以來，出水中NH4+-N、TP 得到有效削減，除2020 年8 月的NH4+-N 外，其余月份的TP、NH4+-N 均達到地表水Ⅴ類標準。2020 年8 月在汛期降雨之后取樣監(jiān)測，受面源污染匯入以及污水廠超越排放，河道NH4+-N 質(zhì)量濃度激增，進水NH4+-N 質(zhì)量濃度達4.3 mg/L，示范工程凈化作用顯著，出水NH4+-N 質(zhì)量濃度2.86 mg/L，去除率33.49%。2020 年8—10 月，組合技術(shù)對NH4+-N 與TP 去除率的變化規(guī)律接近，對NH4+-N的去除率為 14.90%～33.49%，對TP 的去除率在11.76%～31.25%之間。之后隨著水溫降低，對NH4+-N的去除率呈下降趨勢，12 月，NH4+-N 去除率降至最低（1.89%），這是由于微生物的硝化與反硝化作用和植物生長繁殖都受到低溫環(huán)境的影響，所以對NH4+-N 的凈化效果減弱。2020 年底，對水生植物進行收割的同時，對組合工藝進行修整維護，包括修剪枯葉，清除枯死的植物及浮床下方攔截的垃圾，加固人工水草，維持工藝的凈化效果。2021 年1—2 月，組合技術(shù)對河道水體中的NH4+-N 和TP 的去除率有所提升，NH4+-N、TP 去除率在27.89%～30.94%和7.14%～21.43%之間。在3—5 月，氣溫逐漸回暖，當水溫較高時，水體中的微生物活性增強；NH4+-N 可以直接為水生植物的生長提供氮素，水生植物返青快速生長，所以此階段NH4+-N、TP 的去除率上升，分別為44.03%～48.38%和13.33%～40.98%。

圖9 示范工程建成后NH4+-N 質(zhì)量濃度變化Fig. 9 Variation of NH4+-N concentration after the demonstration project was completed

圖10 示范工程建成后TP 質(zhì)量濃度變化Fig. 10 Variation of TP concentration after the demonstration project was completed

根據(jù)城區(qū)段水位觀測資料，枯水期12 月—次年3 月水深約2 m，7—8 月豐水期水深約4.7 m，其余時間為平水期水深約3.8 m，可推算出示范工程河段的徑流量。已知植物浮床面積為2 400 m2，據(jù)此估算示范工程運行10 個月來，組合工藝對NH4+-N、TP的單位面積削減量分別為0.36、0.073 kg/m2。

3 討 論

生物生態(tài)組合技術(shù)，是水生植物根系與人工水草生物膜在水體中耦合并相互強化，將2 種方法優(yōu)勢互補，在冬、夏季得到較好的凈化效果，本研究通過在北運河城區(qū)段建設(shè)示范工程得到了驗證。在示范工程中，組合技術(shù)在暖季（2020 年8 月—10 月、2021 年3—5 月），對NH4+-N、TP 的去除率在14.9%～48.38%、11.76%～40.98%之間；在冬季（2020 年11 月—2021年2 月），對NH4+-N、TP 的去除率在1.89%～30.94%、7.14%～25.00%之間。組合技術(shù)大多優(yōu)于人工水草或水生植物的單一技術(shù)[1-2]，蘇蕾等[17]將植物-人工水草組合技術(shù)應(yīng)用于廣州某河涌修復(fù)工程中，在5、6 月對NH4+-N 和TP 的去除率分別為83%，73%，優(yōu)于單一技術(shù)。組合技術(shù)大多是在南方開展，普遍凈化效果較好，但是生物生態(tài)組合凈化技術(shù)在北方河道實際應(yīng)用較少。本文在冬夏2 季均開展了單一技術(shù)和組合技術(shù)凈化效果研究，建設(shè)示范工程，穩(wěn)定運行10 個月，涵蓋冬夏2 季，在冬季水溫較低時也有較理想的凈化效果。此外，在本研究中，北運河自然掛膜的人工水草生物膜中檢測到了紅細菌屬（Rhodobacter）、生絲微菌屬（Hyphomicrobium）、氣單胞菌屬（Aeromonas）、新鞘氨醇桿菌（Novosphingobium），除了具有降解COD、去除NH4+-N，磷、降解有機物，反硝化脫氮、降解芳烴化合物等水質(zhì)凈化作用之外，寡養(yǎng)單胞菌屬（Stenotrophobacter）還能分泌植物生長激素，促進和保護植物生長，強化植物的修復(fù)作用，與水生植物形成了更加穩(wěn)定的微觀A/O 高密度復(fù)合系統(tǒng)。因此2種技術(shù)組合后能互相促進、強化，較單一技術(shù)能更好地起到凈化水質(zhì)的作用。

關(guān)于水生植物和人工水草的單一技術(shù)研究國內(nèi)外較多。水生植物凈化水質(zhì)研究中，在南方植物種類多，對NH4+-N 和TP 凈化效果較好[18-20]。在北方，大部分開展的是水溫較高時的靜水試驗，對NH4+-N和TP 的去除率在77.00%～92.00%和50.00%～91.30%之間[19-22]，與本文結(jié)論一致。溫奮翔等[23]利用植物浮床對北京朝陽區(qū)景觀水體進行現(xiàn)場凈化實驗，浮床運行穩(wěn)定后，在夏季，對TN、TP 的去除率最高、可達65.00%和35.00%；在秋冬季，由于植株枯萎，植物體吸收的污染物以及底泥內(nèi)源污染物釋放，對TN、TP 的吸收速率為負值，引起了二次污染。本研究中的示范工程，在冬季對NH+4-N、TP 的去除率在1.89%～30.94%、7.14%～25.00%之間，在冬季也有凈化效果。這是由于在示范工程中大面積使用了凈化效果好的植物水蔥和鳶尾（水蔥面積占41.67%，鳶尾面積占33.33%），并與優(yōu)勢人工水草超細碳纖維進行組合，最大限度實現(xiàn)優(yōu)勢互補、強化作用。

已有的人工水草凈化水質(zhì)研究，一般采用碳素纖維、細繩狀、AquaMats 生態(tài)基、超細碳纖維等材質(zhì)，對TN 和NH4+-N 去除率通常在40.50%～77.00%和43.40%～91.00%之間[7-9,24]，夏季去除效果更好。對TP 的去除效果不理想，不如水生植物。這與本研究結(jié)論相吻合。楊紅艷等[6]、戚科美[7]在徒駭河馬頰河流域的示范工程中，采用細繩狀10 cm 人工水草，連續(xù)3 a 監(jiān)測NH4+-N 質(zhì)量濃度，結(jié)果表明，3 a 的平均去除率分別為16.1%、18.2%和27.5%，本研究中的示范工程穩(wěn)定運行10個月以來對NH4+-N的平均去除率為27.46%，與上述示范工程運行第3 年的平均去除率相近，后續(xù)隨著在河道內(nèi)掛膜時間的延長，人工水草生物膜會進一步豐富優(yōu)化，運行效果會進一步增強，但遇到行洪沖刷及暴雨，提前將浮床及人工水草移至岸邊，防止浮床損壞及生物膜脫落；溫度對NH4+-N 的去除效果影響較明顯，在冬季，隨著水溫降低，對NH4+-N 的去除率也明顯降低。

4 結(jié) 論

1）水生植物對北運河水體中的NH4+-N 和TP 均有凈化作用，在夏季的去除效果優(yōu)于冬季。水蔥為優(yōu)勢植物，鳶尾次之。超細碳纖維人工水草在北運河水體中自然掛膜成功，在冬夏季，對NH4+-N 的去除效果優(yōu)于水生植物，對TP 的去除效果不穩(wěn)定。

2）生物生態(tài)組合技術(shù)的凈化能力較單一技術(shù)有顯著提高。在夏季，對NH4+-N、TP 的去除率達88.99%～93.20%和52.00%～55.56%，強化了對NH4+-N的凈化作用；在冬季，對NH4+-N、TP 的去除率為91.27%和56.52%，實現(xiàn)了低溫環(huán)境下對NH4+-N 和TP 的有效凈化。

3）示范工程穩(wěn)定運行10 個月，在暖季，對NH4+-N、TP 的去除率在14.9%～48.38%、11.76%～40.98%之間；在冬季，對NH4+-N、TP 的去除率在1.89%～30.94%、7.14%～25.00%之間。單位面積浮床對NH4+-N、TP 的累計削減量分別為0.36、0.073 kg/m2，除2020 年8月的NH+4-N 外，其余月份的TP、NH4+-N 均達到地表水Ⅴ類標準。

[1] 李燕, 劉劍飛, 劉吉振, 等. 水生植物配置與水體凈化的研究進展[J].中國農(nóng)學(xué)通報, 2015, 31(15): 175-179.

LI Yan, LIU Jianfei, LIU Jizhen, et al. Research progress on purifying effect of wastewater and aquatic plant configuration[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2015, 31(15): 175-179.

[2] 楊文煥, 繆晨霄, 王智超, 等. 人工浮島種植水生植物對包頭南海濕地水質(zhì)凈化效果研究[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2019, 38(9): 122-128.

YANG Wenhuan, MIAO Chenxiao, WANG Zhichao, et al. Effect of artificial floating island planting aquatic plants on the purificationment of water quality in Baotou Nanhai Wetland[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2019, 38(9): 122-128.

[3] 劉壽濤, 楊蕊嘉, 何鐘響, 等. 灌溉水濕地凈化系統(tǒng)中植物對鎘的去除效果研究[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2019, 38(10): 47-54.

LIU Shoutao, YANG Ruijia, HE Zhongxiang, et al. Effect of plant pond and constructed wetland system on irrigation water purification and rice cadmium control[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2019, 38(10):47-54.

[4]李純潔. 常見水生植物對城市河道水質(zhì)凈化影響試驗研究[J]. 水資源開發(fā)與管理, 2020(9): 28-33.

LI Chunjie. Experimental study on purification of urban river water bycommon aquatic plants[J]. Water Resources Development and Management, 2020(9): 28-33.

[5]馮優(yōu), 陳慶鋒, 李金業(yè), 等. 水生植物對不同氮磷水平養(yǎng)殖尾水的綜合凈化能力比較[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2020, 39(10): 2 397-2 408.

FENG You, CHEN Qingfeng, LI Jinye, et al. Comparison of purification ability of aquatic plants under different concentrations of nitrogen andphosphorus in tailrace of livestock wastewater[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2020, 39(10): 2 397-2 408.

[6]楊紅艷. 人工水草技術(shù)及其在城鎮(zhèn)河道生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用研究[D].濟南: 山東師范大學(xué), 2013.

YANG Hongyan. The technology of artificial plants and the application and research of ecological restoration in Urban River[J]. Ji’nan:Shandong Normal University, 2013.

[7]戚科美. 人工水草對污染河流中氮磷等污染物的去除效果研究[D].濟南: 山東師范大學(xué), 2017.

QI Kemei. Removal of nitrogen and phosphorus from polluted rivers by artificial aquatic plant[J]. Ji’nan: Shandong Normal University, 2017.

[8]劉晨陽, 李紹飛, 董立新, 等. 北運河城區(qū)段水生植物水質(zhì)凈化效果研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2021(2): 8-12.

LIU Chenyang, LI Shaofei, DONG Lixin, et al. Research on water purification effect of aquatic plants in North Canal City Section[J].China Rural Water and Hydropower, 2021(2): 8-12.

[9]劉晨陽. 北運河城區(qū)段水質(zhì)生物凈化技術(shù)研究與示范[D]. 天津:天津農(nóng)學(xué)院, 2020.

LIU Chenyang. Research and demonstration of water quality biological purification technology in north canal city section[D]. Tianjin: Tianjin Agricultural University, 2020.

[10] 董先鋒, 王濤, 盧少勇, 等. 污染濃度對多級人工濕地-塘系統(tǒng)處理微污染河水中COD 的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2021, 41(9): 3 563-3 577.

DONG Xianfeng, WANG Tao, LU Shaoyong, et al. Concentration effect on the treatment of micropollutant in river with multistage constructed wetland-pond systems[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2021, 41(9):3 563-3 577.

[11] 鄧陽, 姜竹鳴, 張玉琴. 寡養(yǎng)單胞菌屬細菌的研究進展[J]. 生物資源, 2021, 43(1): 1-9.

DENG Yang, JIANG Zhuming, ZHANG Yuqin. Research progress on the genus Stenotrophomonas[J]. Biotic Resources, 2021, 43(1): 1-9.

[12] DUBEY Kriti Kumari, FULEKAR M H. Chlorpyrifos bioremediation in Pennisetum rhizosphere by a novel potential degrader Stenotrophomonas maltophilia MHF ENV20[J]. World Journal of Microbiology amp; Biotechnology, 2012, 28(4): 1 715-1 725.

[13] 魏超. 基于硫代謝的含硫石化廢水處理效能及微生物群落結(jié)構(gòu)特點[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2017.

WEI Chao. Performance and characteristics of microbial community structure based on sulfur metabolism for sulfate petrochemical wastewater treatment[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2017.

[14] 董怡華, 張雪瑩, 鄒立安, 等. 耐低溫好氧反硝化菌Aeromonas sp.的分離鑒定及脫氮條件優(yōu)化[J]. 微生物學(xué)報, 2022, 62(6): 2 038-2 052.

[15] 廖曉敬, 楊璐溪, HETHARUA Buce, 等. 幾株新鞘氨醇桿菌的趨化性及其相關(guān)基因組成特點[J]. 微生物學(xué)報, 2017, 57(3): 399-410.

LIAO Xiaojing, YANG Luxi, BUCE H, et al. Chemotaxis and characteristics of chemotactic genes in Novosphingobium strains[J].Acta Microbiologica Sinica, 2017, 57(3): 399-410.

[16] 李思敏, 黃帥, 徐明. 碳纖維人工水草技術(shù)處理湖泊水的試驗研究[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2016, 33(1): 81-85.

LI Simin, HUANG Shuai, XU Ming. The research on the treatment of polluted pool by the technology of carbon fiber artificial plants[J].Journal of Hebei University of Engineering (Natural Science), 2016,33(1): 81-85.

[17] 蘇蕾, 張華俊, 王英麗, 等. 生態(tài)浮島、人工水草與曝氣充氧組合凈化水體能力研究[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2016 (20): 172-173.

SU Lei, ZHANG Huajun, WANG Yingli, et al. Study on water purification capacity of ecological floating Island, artificial aquatic grass and Aeration and oxygenation[J]. Technology Innovation and Application, 2016 (20): 172-173.

[18] 李斌, 李慧, 吳基昌, 等. 12 種水生植物對茅洲河污染水體的凈化研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2020, 43(S1): 151-158.

LI Bin, LI Hui, WU Jichang, et al. Purification ability of 12 aquatic macrophytes to polluted water in the Maozhou River[J]. Environmental Science amp; Technology, 2020, 43(S1): 151-158.

[19] 蔣躍, 童琰, 由文輝, 等. 3 種浮床植物生長特性及氮、磷吸收的優(yōu)化配置研究[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2011, 31(5): 774-780.

JIANG Yue, TONG Yan, YOU Wenhui, et al. Comparison of the growth characteristics and the optimize configuration modes of the nitrogen and phosphorus uptake capacity of three kinds of plant cultivated on the floating-bed[J]. China Environmental Science, 2011, 31(5): 774-780.

[20] 張澤西, 劉佳凱, 張振明, 等. 種植不同植物及其組合的人工浮島對水中氮、磷的去除效果比較[J]. 濕地科學(xué), 2018 (2): 273-278.

ZHANG Zexi, LIU Jiakai, ZHANG Zhenming, et al. Comparison of Removal Efficiency of Nitrogen and Phosphorus by Artificial Floating Islands with Different Plants[J]. Wetland Science, 2018 (2): 273-278.

[21] 吳詩杰, 陳慧娟, 許小桃, 等. 美人蕉、鳶尾、黃菖蒲和千屈菜對富營養(yǎng)化水體凈化效果研究[J]. 安徽大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2016,40(1): 98-108.

WU Shijie, CHEN Huijuan, XU Xiaotao, et al. Analysis of purification effect on eutrophic water byCanna indicaL.,Iris tectorum,Lythrum salicariaL. andIris pseudacorus[J]. Journal of Anhui University(Natural Science), 2016, 40(1): 98-108.

[22] 元文革, 鄭建偉, 谷建才, 等. 灤河上游4 種水生植物的水質(zhì)凈化研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2018, 41(1): 109-114.

YUAN Wenge, ZHENG Jianwei, GU Jiancai, et al. Study on the water purification of four kinds of aquatic plants in the upper reaches of the Luanhe River[J]. Environmental Science amp; Technology, 2018, 41(1):109-114.

[23] 溫奮翔, 王兵, 肖波, 等. 北方景觀水體中生態(tài)浮床的植物篩選與水質(zhì)凈化效果[J]. 環(huán)境工程學(xué)報, 2015, 9(12): 5 881-5 886.

WEN Fenxiang, WANG Bing, XIAO Bo, et al. Plants screening of ecological floating bed and its effects on water qualitypurification in an artificial lake in Northern China[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2015, 9(12): 5 881-5 886.

[24] 李芃林. 人工生態(tài)水草對城市水體水質(zhì)的凈化效果研究[D]. 鄭州:鄭州大學(xué), 2018.

LI Penglin. Purification effect of artificial ecological water grass on water quality of urban water body[D]. Zhengzhou: Zhengzhou University, 2018.

Research on Purification Experiment of Biological Combination Technology and Its Application in North Canal City Demonstration Project

HU Yunshuang1, LI Shaofei1*, SUN Ke2, LIU Ran1, DONG Lixin3, CHANG Suyun3
(1. Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China; 2. Xinxiang Hydrology and Water Resources Survey Bureau,Xinxiang 453000, China; 3. Tianjin Water Conservancy Research Institute, Tianjin 300061, China)

【Objective】 Water pollution is a great environmental concern for surface water in many regions in northern China, and how to purify the water is essential to maintaining its ecological function. The aim of this paper is to test the feasibility of different biotechnologies for water purification. 【Method】 The experiments were conducted in the northern section of the great Canal in Tianjian, in which we investigated the efficiency of four aquatic plants in comparison with artificial aquatic plants, aeration-aquatic plants-artificial aquatic plants.【Result】The removal effect of the bioecological combined technology was better than that of the artificial aquatic plants,aquatic plants and other technologies. After running for 10 months, the purification site build 1.1km downstream of the outlet of the seventh sewage treatment plant at Wuqing has seen the NH4+-N and TP reaching Standard V for surface water, with the floating beds reducing NH4+-N and TP to 0.36 kg/m2and 0.073 kg/m2, respectively.【Conclusion】 The bioecological combination technology facilitated the removal of nitrogen and phosphorus in the water during both winter and summer, especially in winter. It overcomes the disadvantages of plant wilt and poor removal effect, and realizes the effective purification of NH4+-N and TP in low temperature environments, suitable for the application of water quality improvement and landscape restoration in north slow river.

biological ecology; combination technology; aquatic plants; artificial aquatic plants

胡韻爽, 李紹飛, 孫珂, 等. 生物組合技術(shù)凈化試驗及其在北運河城區(qū)段示范工程的應(yīng)用研究[J]. 灌溉排水學(xué)報,2022, 41(8): 106-113.

HU Yunshuang, LI Shaofei, SUN Ke, et al. Research on Purification Experiment of Biological Combination Technology and Its Application in North Canal City Demonstration Project[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(8): 106-113.

TV93；X522

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022003

1672 - 3317（2022）08 - 0106 - 08

2022 -01-04

“十三五”國家水體污染控制與治理重大專項（2017ZX07106003）

胡韻爽（1998-），女。碩士研究生，主要從事水環(huán)境生態(tài)修復(fù)。E-mail: 907367647@qq.com

李紹飛（1979-），女。副教授，主要從事水環(huán)境生態(tài)修復(fù)。E-mail: lishaofei79@126.com

責任編輯：白芳芳