復(fù)合強(qiáng)化生態(tài)浮床凈化黑臭水體實(shí)驗(yàn)研究

中圖分類號(hào)：X52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）14-0072-05

Abstract：Aimingatthemanagementofurban blackandsmellwater bodies，thispaperoptimizes thecombinationof biofilmmethod，solaraerationmethodandecologicalfloatingbedmethodwiththewaterdisolvedoxygenmonitoringsystemto developanautomaticon-offoxygen-richcompositeecologicalfloatingbedpurificationdevice.Experimentalresultsshowthatthe removal rates of TPby the composite device，combined device and ecological floating bed are 7 9 . 7 3 % ， 7 0 . 8 3 % and 45.95 % ，respectively，the removal rates of TN are 9 0 . 0 0 % ， 7 9 . 6 6 % and 4 8 . 3 3 % ，respectively，the removal ratesofNH -Nare 9 3 . 6 2 % （20 9 2 . 5 5 % and 4 4 . 6 8 % ，respectively，and the removal rates of COD are 7 4 . 6 % ， 6 6 . 1 3 % and 4 6 . 3 7 % ，respectively. Compared with M n the combined device，the combined device has significant removal effects of TN and COD and shows slight advantages in the removal of TP and NH -N.Theexperimental results confirm that the purification effct of the composite ecological floating bed purificatiodeviceonblackandsmellwaterbodiesisbeterimprovedthanthatofsingleandsimplecombinationpurfcation devices.Itisworthpromotingandaplyinginurbanriverwaterenvironmentmanagementandrestorationprojectstoachievethe goal of saving energy and efficiently restoring.

Keywords：compositeecologicalfloatingbed；blackandodorouswaterbody；waterqualitypurification；purificationeffect; water quality determination

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，大量有機(jī)污染物排入河道，水體自凈能力無法滿足污染物降解需求，導(dǎo)致城市水體黑臭現(xiàn)象頻發(fā)，對人類生活和水生生態(tài)系統(tǒng)造成了極大的影響。盡管出臺(tái)了一系列相關(guān)的政策與文件，并采取了各種積極治理措施，但黑臭水體依然是城市面臨的主要水環(huán)境問題。為了持續(xù)長久改善黑臭水體環(huán)境，保障水質(zhì)長期清潔，構(gòu)建美麗生態(tài)環(huán)境，探索更為高效的水質(zhì)凈化設(shè)施十分必要。

生態(tài)浮床是當(dāng)前重要的水環(huán)境修復(fù)技術(shù)之一，其可以通過植物生長、根系附著微生物及根系泌氧功能改善水環(huán)境，且具有原位修復(fù)、可移動(dòng)、無動(dòng)力和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。近年來，國內(nèi)外研究學(xué)者為了提高生態(tài)浮床凈化能力，加強(qiáng)其應(yīng)用與推廣，致力于生態(tài)浮床復(fù)合及強(qiáng)化的改良研究。生態(tài)浮床復(fù)合技術(shù)通過復(fù)合外加措施，主要為復(fù)合碳源、自然生物膜、微生物、曝氣增氧等措施，以增加或改善生態(tài)浮床本身的某些功能。其中，在富營養(yǎng)化黑臭水體的治理修復(fù)方面，生態(tài)浮床的改良強(qiáng)化通常與生物膜法和曝氣復(fù)氧法相復(fù)合，如練繼建等4開發(fā)的新型膜曝氣生物膜-生態(tài)浮床立式組合凈化裝置，苑希民等構(gòu)建的MABR-生態(tài)浮床組合裝置，張福龍構(gòu)建的微曝氣強(qiáng)化生態(tài)浮床技術(shù)，然而這些復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜且微曝氣設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本高的缺陷?；诖?，本文開發(fā)了一套以生態(tài)浮床懸掛碳素纖維生態(tài)草為骨架的“中空\"結(jié)構(gòu)，結(jié)合太陽能曝氣技術(shù)，并輔以水體DO監(jiān)測系統(tǒng)的自動(dòng)啟閉富氧的立式復(fù)合生態(tài)浮床凈化裝置，并通過室外對比實(shí)驗(yàn)對TP（總磷）TN（總氮） （氨氮）和 （化學(xué)需氧量）指標(biāo)的測定與分析，驗(yàn)證該復(fù)合裝置的凈化效果。

1材料與方法

1.1復(fù)合模型裝置構(gòu)建

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)4個(gè)獨(dú)立的 8 7 0 m m×7 6 0 m m×7 6 0 m m 的塑料水箱，有效水深 個(gè)水箱分別代表3個(gè)實(shí)驗(yàn)組和1個(gè)空白對照組，依次為復(fù)合裝置組（生態(tài)浮床 ? + 碳素纖維草 + 太陽能曝氣）組合裝置組（生態(tài)浮床 碳素纖維草）生態(tài)浮床組和水體自凈組。復(fù)合裝置組的生態(tài)浮床設(shè)計(jì)為“中空”結(jié)構(gòu)，浮體下懸掛2組 3 0 c m 碳素纖維生態(tài)草，“中空”位置布設(shè)太陽能曝氣設(shè)施，依附太陽能曝氣設(shè)施的進(jìn)水管且在水箱有效水深三分之二處安置D0自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)（圖1）。太陽能曝氣設(shè)施以太陽能板組合蓄電池供電，可保證2個(gè)連續(xù)陰雨天氣的正常供電。DO自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)由溶解氧探頭和溶解氧變送器構(gòu)成，實(shí)時(shí)監(jiān)測水體溶解氧濃度，當(dāng)水體DO低于三類水標(biāo)準(zhǔn) 5 m g / L 時(shí)，單片機(jī)自動(dòng)控制水泵運(yùn)行為水體增氧，待實(shí)驗(yàn)水體DO濃度高于 5 m g / L 時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)控制水泵停止運(yùn)行，形成自動(dòng)啟閉的增氧系統(tǒng)。組合裝置組是由生態(tài)浮床及懸掛2組 3 0 c m 碳素纖維生態(tài)草的簡單復(fù)合裝置。

1.2供試水體與實(shí)驗(yàn)植被

實(shí)驗(yàn)所用水樣取自理工大學(xué)百川河中，百川河水體封閉，流動(dòng)性差，生態(tài)結(jié)構(gòu)簡單，且有少量附近污水流入，是較易受污染的水體。實(shí)驗(yàn)用水為百川河水樣和尿素、磷酸二氫鉀與磷酸氫二鈉分析純藥品調(diào)配所得的劣V類富營養(yǎng)化水體。為減小蒸發(fā)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)過程中每隔2＼～3d對4組水樣補(bǔ)充等量自來水。

復(fù)合裝置和組合裝置的生態(tài)浮床植被選取預(yù)培養(yǎng)后平均高為 的鳶尾，用聚苯乙烯板作浮板固定植株，浮板的規(guī)格為 ，浮床覆蓋率為4 9 . 8 % ，栽植孔間距 1 0 c m×1 0 c m ，孔徑 2 c m ，每個(gè)定植孔內(nèi)插苗一棵。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2023年6月2日至2023年7月2日，總時(shí)長30d，在室外自然環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。6月2日至6月7日為植物的培養(yǎng)階段以及生態(tài)草的微生物掛膜階段。6月8日開始實(shí)驗(yàn)，第1＼～5天內(nèi)，每隔 2 4 h 采樣一次；第6＼～15天內(nèi)，每隔 4 8 h 采樣一次；第 16＼～24天內(nèi)，每隔 采樣一次。實(shí)驗(yàn)采用塑料桶取樣，采樣點(diǎn)為每個(gè)水箱水面正中央下方的 2 0～3 0 c m 處，取樣體積為 4 0 0 m L ，取樣當(dāng)天檢測各水質(zhì)指標(biāo)，觀察各實(shí)驗(yàn)組對水質(zhì)的凈化效果。

實(shí)驗(yàn)對 和 指標(biāo)進(jìn)行檢測，對應(yīng)的測定方法見表1。各項(xiàng)指標(biāo)測定時(shí)，對同一水樣做2組平行對照實(shí)驗(yàn)，取2組實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值以減小實(shí)驗(yàn)誤差。

式中： 為去除率， 為初始時(shí)的污染指標(biāo)濃度；

1 ， 2 ， 3 ， ? s ） 為采取的第 n 批水樣的污染指標(biāo)濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1對磷的凈化效果

實(shí)驗(yàn)前4天，復(fù)合裝置組、組合裝置組和生態(tài)浮床組的TP顯著降低，之后TP濃度降低幅度減緩（圖2（a））。實(shí)驗(yàn)前期，組合裝置組去磷效率優(yōu)于復(fù)合裝置組，主要是由于復(fù)合裝置曝氣頻率高、水體擾動(dòng)時(shí)間長，含磷大分子吸附、沉降效果差。實(shí)驗(yàn)中后期，復(fù)合裝置曝氣頻率降低、水體擾動(dòng)顯著減少，有利于含磷化合物的沉淀與吸附，以及植物/微生物對磷酸鹽的吸收，而且水中DO濃度的升高增強(qiáng)了微生物的活性和數(shù)量，故實(shí)驗(yàn)第4天后復(fù)合裝置的TP濃度明顯低于組合裝置。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：復(fù)合裝置組、組合裝置組和生態(tài)浮床組對TP的去除率分別為 7 9 . 7 3 % . 7 0 . 8 3 % 和4 5 . 9 5 % ，與生態(tài)浮床組相比，復(fù)合裝置組和組合裝置組的凈化率分別提高了33.78個(gè)百分點(diǎn)和24.88個(gè)百分點(diǎn)（圖2（b））。組合裝置組較生態(tài)浮床組的去磷效率提高近1.6倍，主要是由于懸掛填料顯著增加了生物膜的附著面積，提高了水體中微生物的數(shù)量，增強(qiáng)了對含磷化合物的吸附、降解和轉(zhuǎn)化。生態(tài)浮床組較水體自凈組的去磷效率提高近1.7倍，主要是由于浮床植物根系的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)顯著增大了對水體中不溶性含磷膠體的吸附面積，以及植物生長發(fā)育對可溶性磷的吸收作用。水體中的磷主要以有機(jī)化合物和無機(jī)化合物2種形態(tài)存在，植物根系的生長發(fā)育，可以增加對水體中不溶性含磷膠體的吸附面積，懸掛填料可以顯著增加生物膜中聚磷微生物的數(shù)量，促進(jìn)磷酸鹽的吸收作用[1]，曝氣增氧設(shè)施可以改變水體的微環(huán)境，影響生物膜的厚度和其活性，故實(shí)驗(yàn)對TP的去除效果表現(xiàn)為復(fù)合裝置 gt; 組合裝置 gt; 生態(tài)浮床gt;水體自凈。

2.2對氮的凈化效果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)前4天，復(fù)合裝置組、組合裝置組和生態(tài)浮床組的TN濃度顯著下降，且3組實(shí)驗(yàn)水體的TN濃度差異很?。?＼～18天時(shí)，生態(tài)浮床組的TN濃度下降幅度顯著減緩，但復(fù)合裝置組和組合裝置組的TN濃度依然保持較快的下降幅度，19＼～24天時(shí)，3組實(shí)驗(yàn)的TN濃度均呈現(xiàn)微弱的降低趨勢（圖3（a））。實(shí)驗(yàn)前期，存在上述現(xiàn)象的主要原因可能是植物根系及懸掛填料附著的硝化菌和反硝化菌群掛膜不充分，N的去除主要途徑為植物根系的吸收作用。實(shí)驗(yàn)第4天后，隨著微生物掛膜的逐漸完善與成熟，復(fù)合裝置組和組合裝置組去氮效果優(yōu)于生態(tài)浮床組。實(shí)驗(yàn)前9天復(fù)合裝置組和組合裝置組的TN凈化率曲線幾乎重疊，之后兩者差異逐漸增大，表現(xiàn)出復(fù)合裝置組的TN凈化率大于組合裝置組。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因可能是復(fù)合裝置組前期曝氣頻率高，水體DO處于較高濃度，反硝化作用不明顯，隨著曝氣頻率的降低，水體的耗氧速率大于增氧速率，為反硝化細(xì)菌提供了良好的生存環(huán)境，水體的反硝化作用增強(qiáng)。

復(fù)合裝置組、組合裝置組和生態(tài)浮床組對TN的去除率分別為 9 0 . 0 0 % . 7 9 . 6 6 % 和 4 8 . 3 3 % ，與生態(tài)浮床組相比，復(fù)合裝置組和組合裝置組的凈化率分別提高了41.67個(gè)百分點(diǎn)和31.33個(gè)百分點(diǎn)（圖3（b））。微生物通過硝化和反硝化途徑將氮素轉(zhuǎn)化為氮?dú)馐强偟コ闹饕绞?。發(fā)達(dá)的植物根系和懸掛填料可以為微生物生長提供載體，有助于促進(jìn)微生物的生長和繁殖，從而提高總氮的去除效率[3]。水體中的可溶性有機(jī)氮在氨化菌的作用下發(fā)生氨化反應(yīng)，將可溶性有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為 -N，成為可被植物吸收的養(yǎng)分，也為硝化作用提供氮源，隨著有機(jī)氮逐漸轉(zhuǎn)化為 -N，氨化反應(yīng)減弱，硝化作用在去氮系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位。硝化細(xì)菌在生長過程中將 轉(zhuǎn)化為 ，轉(zhuǎn)化后的 可被植被吸收利用，并作為反硝化作用的基質(zhì)，反硝化細(xì)菌最后將 還原為 和 ，以氣體形式溢出大氣，以此達(dá)到去氮的目的[14]。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)前5天，復(fù)合裝置組、組合裝置組和生態(tài)浮床組的 濃度顯著下降，且3組實(shí)驗(yàn)水體的 濃度差異較??；之后生態(tài)浮床組的 濃度趨于穩(wěn)定，但復(fù)合裝置組和組合裝置組的 濃度在6＼～13天時(shí)依然保持較快的下降幅度，在第13天之后趨于穩(wěn)定（圖3（c））。存在上述現(xiàn)象的主要原因可能是實(shí)驗(yàn)前期植物根系及懸掛填料的附著的微生物掛膜不成熟， 的去除主要為植物根系的吸收作用，隨著生物膜的掛膜完善和成熟，微生物的硝化作用增強(qiáng)，復(fù)合裝置組和組合裝置組均表現(xiàn)出較好的凈化效果。值得注意的是整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中復(fù)合裝置組和組合裝置組 濃度差異較小，主要原因可能是復(fù)合裝置組曝氣時(shí)間較短，有限的曝氣量對水體微生物的數(shù)量和活性影響不明顯。

復(fù)合裝置組、組合裝置組和生態(tài)浮床組對?HN的去除率分別為 9 3 . 6 2 % . 9 2 . 5 5 % 和 4 4 . 6 8 % ，與生態(tài)浮床組相比，復(fù)合裝置組和組合裝置組的凈化率分別提高了48.94個(gè)百分點(diǎn)和47.87個(gè)百分點(diǎn)（圖3（d））。水體中氨氮的去除主要途徑為植物吸收、硝化反應(yīng)和氨揮發(fā)，氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾倪^程中需要具有硝化和反硝化功能的微生物群落驅(qū)動(dòng)[15]。生態(tài)浮床植物根系的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以為微生物提供附著面積，加之植物的吸收作用，使其氨氮去除率較水體自凈提高近19倍。懸掛填料增加了微生物可附著的比表面積，有助于生長緩慢的微生物的富集，能夠增強(qiáng)復(fù)合裝置組和組合裝置組脫氮過程中的硝化效果。但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)復(fù)合裝置組和組合裝置組在氨氮去除效果上僅表現(xiàn)出微弱的差異，這與已有研究存在較大偏差[16-17，這可能是因?yàn)榘惭b在太陽能曝氣設(shè)施進(jìn)水管上的DO自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測值受其影響，曝氣設(shè)施開啟后其所在位置DO濃度迅速升高至設(shè)定的啟閉閾值，致使自動(dòng)啟閉增氧系統(tǒng)關(guān)閉水泵停正增氧，曝氣設(shè)備的曝氣/停曝比較小，曝氣作用相對有限，硝化菌微生物數(shù)量和活性增長不顯著。

2.3對 的凈化效果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)前6天，復(fù)合裝置組、組合裝置組和生態(tài)浮床組的 濃度顯著下降，之后生態(tài)浮床組的 濃度以較小的趨勢逐漸下降，但復(fù)合裝置組和組合裝置組的 濃度在7＼～15天時(shí)依然保持較快的下降幅度，在第15天之后趨于穩(wěn)定，整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，實(shí)驗(yàn)組 濃度表現(xiàn)為復(fù)合裝置組 gt; 組合裝置組 gt; 生態(tài)浮床組 gt; 水體自凈組（圖4（a））。復(fù)合裝置組、組合裝置組和生態(tài)浮床組對 的去除率分別為 7 4 . 6 0 % 、 6 6 . 1 3 % 和 4 6 . 3 7 % ，與生態(tài)浮床組相比，復(fù)合裝置組和組合裝置組的凈化率分別提高了28.23個(gè)百分點(diǎn) % 和19.76個(gè)百分點(diǎn)（圖4（b））。 的去除途徑主要是利用微生物分泌的酶促進(jìn)水體中可降解大分子污染物的降解。復(fù)合裝置組采用自動(dòng)啟閉的曝氣設(shè)備，根據(jù)水體溶解氧濃度間歇式曝氣，使溶解氧能夠保持在較適宜的濃度，鳶尾根系及懸掛填料可以攔截、過濾和吸附水體大分子污染物，其上附著的微生物可將有機(jī)物降解為無機(jī)物供植物吸收，在一定程度上加速有機(jī)污染物的降解[18]。故3種裝置組對的 凈化效果為復(fù)合裝置組 gt; 組合裝置組 gt; 生態(tài)浮床組。研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)钠貧饪梢栽鰪?qiáng)生物膜的活性，提高微生物將水體有機(jī)物轉(zhuǎn)化為無機(jī)物的效率，從而提高 的去除效率。

3結(jié)論

為治理修復(fù)城鎮(zhèn)水體黑臭問題，本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了包含生態(tài)浮床、懸掛填料、太陽能曝氣和DO自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)的復(fù)合強(qiáng)化生態(tài)浮床凈化裝置，通過對比實(shí)驗(yàn)研究了復(fù)合裝置、組合裝置和單一生態(tài)浮床裝置對劣V類水體的凈化效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1）復(fù)合裝置、組合裝置和生態(tài)浮床對TP的去除率分別為 7 9 . 7 3 % . 7 0 . 8 3 % 和 4 5 . 9 5 % ，復(fù)合裝置效果最佳，相較于生態(tài)浮床凈化效果提高了33.78個(gè)百分點(diǎn)，但與組合裝置相比僅表現(xiàn)出微弱的優(yōu)勢。

2）復(fù)合裝置、組合裝置和生態(tài)浮床對TN的去除率分別為 9 0 . 0 0 % . 7 9 . 6 6 % 和 4 8 . 3 3 % ，相較于生態(tài)浮床和組合裝置，復(fù)合裝置表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。

3）復(fù)合裝置、組合裝置和生態(tài)浮床對 的去除率分別為 9 3 . 6 2 % . 9 2 . 5 5 % 和 4 4 . 6 8 % ，復(fù)合裝置和組合裝置均具有顯著的凈化效果。

4）復(fù)合裝置、組合裝置和生態(tài)浮床對 的去除率分別為 7 4 . 6 % . 6 6 . 1 3 % 和 4 6 . 3 7 % ，相較于生態(tài)浮床和組合裝置，復(fù)合裝置表現(xiàn)出較顯著優(yōu)勢。

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