生态浮岛、人工水草与曝气充氧组合净化水体能力研究

生态浮岛、人工水草与曝气充氧组合净化水体能力研究为克服河道治理中生态浮岛、人工水草等单一工艺的缺陷，于2015年5月5日至2015年6月4日，在广州市某河涌修复工程中进行组合工艺试验，以了解多工艺的最佳组合方式与效果。试验结果表明：对河涌水体总磷去除效果：生态浮岛+人工水草+曝气工艺组合（去除率73%）>生态浮岛（去除率59%）>人工水草（去除率41%）=曝气充氧（去除率41%）；对河涌水体氨氮去除效果：生态浮岛+人工水草+曝气充氧工艺组合（去除率83%）>曝气充氧（去除率77%）>人工水草（去除率46%）>生态浮岛（去除率35%）。生态浮岛+人工水草+曝气充氧的工艺组合可充分发挥单个工艺去除污染物的能力，对污染河涌水质有更好的净化效果，在实际河涌治理工程中具有较好的应用前景。标签：生态浮岛；人工水草；曝气充氧；工艺组合；水体净化1概述随着经济与人口的发展，大量未经有效处理的生活污水、工业废水及农业地表径流排入河流、湖泊等自然水体。污染物厌氧分解加之水体流动性差极易导致水体黑臭现象，严重影响居民居住环境及身体健康。随着人们对生态环境的日益重视，逐渐开展运用各种生态技术修复水体，科学研究与工程实践均表明生态修复技术对水体生态系统的健康及可持续发展有重要的意义。生态浮岛、人工水草及曝气充氧均为常用的水体生态修复技术。生态浮岛运用无土栽培原理，通过水生植物根系的截留、吸附、吸收和水生动物摄食以及微生物降解作用，达到水质净化目的（胥丁文等，2010）。生态浮岛因具有造价低廉、运行简便、改善景观环境等优点，在国内外的研究和应用正日益增多，被大量应用于河涌和湖泊水体的生态修复中（吴黎明等，2010）。人工水草是一种新型人工合成材料接触氧化技术，用具有耐污、耐腐蚀、弹性、韧性和柔性很强的材料仿照自然水草设计而成的仿生水草填料，为具有较大比表面积的载体，通过微生物自身的演替，在载体表面形成从菌类、藻类到原生动物、后生动物的立体微生物生态系统。人工水草对COD、氨氮、总氮、总磷都有很好的去除效果。其适用范围广，净化效果好、投资低、运行管理简单，被广泛应用于河涌和湖泊水体的生态修复、城镇污水综合治理、农村面源污染综合治理、水产养殖等领域。以人工水草生物膜开展上海市中心城区黑臭河水净化研究结果表明，生物膜对黑臭河水中COD、BOD5、NH3-N和TP的平均去除率分別为64.1%、67.2%、96.0%和32.1%，水体中Fe2+和硫化物得到完全去除（童敏等，2011）。曝气充氧通过曝气设备向水体充氧以加速土著好氧微生物生长繁殖而加强水体自净能力。但在流动水体中微生物缺少载体，微生物流失严重，使得曝气充氧修复效果差（李海英等，2009）。为克服现有单一技术的缺点，文章研究了一种生态浮岛、人工水草和曝气充氧三种工艺的组合技术，充分发挥各工艺优点，弥补单一工艺不足。近年来，组合型新生态浮岛的开发与应用越来越被重视，文章提出一种微曝气生态浮岛工艺。采用“浮岛悬挂人工水草+挺水植物结构并辅以微曝气系统”，对黑臭缺氧、NH4+-N、总磷污染严重的河水进行水质净化。本试验旨在通过对微曝气生态浮岛系统对污染河水的处理效果进行研究，为后续工程建设与应用提供基础资料。2材料与方法2.1试验材料黄菖蒲是多年生草本植物，根系发达，其耐寒、适应及净水能力强，景观效果好。此外其生长期长（3-11月），冬季半绿，能在水上自然越冬，作为浮岛植物时管理工作量小（吴黎明等，2010）。黄菖蒲对微囊藻的化感抑制作用也最强（丁惠君等，2007）。多项研究及工程实践表明黄菖蒲是生态浮岛的优选植物（吴黎明，2010a；b；肖楚田等，2013）。杨红艳等对不同种类人工水草去除污染物的能力研究得出细绳状10cm人工水草对污水具有较好的净化能力（杨红艳，2013；陈庆锋等，2014）。故本研究中选用黄菖蒲，10cm细绳状人工水草进行研究。浮岛采用商品化PE材质浮体组成，每块浮体尺寸为500*500*38mm，有4个种植孔，配套种植篮，每个种植篮孔径110mm，高110mm。2.2试验装置试验装置为固定在河道中的防水围栏。防水围栏采用防水布制成，平面尺寸1400*1400mm，防水围栏底部深入底泥，以保证防水效果。防水围栏内有效水深1.2m，每个防水围栏内的水容量为2.35m3。试验共设4组，每组试验都设防水围栏。1#试验组设置生态浮岛，生态浮岛下挂人工水草和曝气装置；2#试验组只设置生态浮岛；3#试验组只设置人工水草；4#试验组只设置曝气装置。其中生态浮岛采用4块浮岛体组成，尺寸为1000*1000mm。选择株高30cm左右，体型一致的黄菖蒲用自来水将根部泥土洗净，栽植到种植篮中每个种植篮两株，种植篮中填充陶粒以固定植株。人工水草可直接固定在种植篮下方（设有生态浮岛时）或采用尼龙绳固定（无生态浮岛时）。曝气装置可固定在生态浮岛下方或固定在立柱上。1#试验组的试验装置如图1所示。2.3试验方法本试验在广州市某小河涌中进行，试验时间为2015年5月5日至2015年6月4日，共计30d。每隔1-5d取装置中的水样，检测水体总磷（TP）、氨氮（NH3-N）浓度的变化。水质检测采用哈希HACH多参数水质分析仪。3结果与讨论生物膜的生长除与人工水草材料类型相关外，也与温度、pH、溶解氧、水质等外界因素有关。试验期间，人工水草迅速挂膜，7d左右已形成棕褐色的生物膜；黄菖蒲生长良好，试验结束时黄菖蒲根系浓密发达。试验前水体浑浊，有明显的腥臭味；试验结束后各试验组的水体透明度显著增加，异味消失。除感官性状有明显变化之外，水体中的TP、NH3-N浓度显著下降。3.1各试验组对水体TP去除效果生态浮岛对水体TP的去除主要靠根系对颗粒态磷的截留、根际微生物对有机磷的矿化、水生植物对磷的吸收以及颗粒态磷的沉降（周小平等，2005）。人工水草对TP的去除主要靠人工水草对颗粒态磷的截留、人工水草表面生物膜对磷的吸收以及颗粒态磷的沉降（童敏等，2011）。曝气充氧主要靠好氧条件下聚磷菌对磷的吸收。各试验组对TP去除效果见图2。各试验组对水体TP都有很好的去除效果。生态浮岛+人工水草+曝气充氧试验组在试验期前9天TP浓度迅速下降，在第9天其浓度将至0.11mg/L，去除率达78%，之后TP浓度上下波动，在试验第30d时TP浓度为0.14mg/L，去除率为73%。生态浮岛试验组在试验的前9天TP浓度持续下降，在第9天其浓度将至0.31mg/L，去除率达39%，之后TP浓度下降速度降低，在试验第30d时浓度为0.21mg/L，去除率为59%。人工水草试验组在试验期前12天TP浓度持续下降，在第12天浓度降至0.28mg/L，去除率达45%，之后TP浓度上下波动，在试验第30d时其浓度为0.30mg/L，去除率为41%。曝气充氧试验组在试验期前7天TP浓度持续下降，在第7天TP浓度降至0.32mg/L，去除率达37%，之后TP浓度上下波动，在试验第30d时TP浓度为0.30mg/L，去除率为41%。从上述试验数据可知，对TP的去除效果：生态浮岛+人工水草+曝气充氧工艺组合（去除率73%）>生态浮岛（去除率59%）>人工水草（去除率41%）=曝气充氧（去除率41%）。3.2各试验组对水体NH3-N去除效果生态浮岛对水体NH3-N去除主要靠植物吸收和细菌的硝化作用（周小平等，2005）。人工水草及曝气充氧对水体NH3-N去除主要靠细菌的硝化作用。各试验组对NH3-N的去除效果见图3。各试验组对水体NH3-N都有很好的去除效果。生态浮岛+人工水草+曝气充氧试验组在试验期前7天NH3-N浓度直线下降，在第7天其浓度将至1.2mg/L，去除率达75%，之后NH3-N浓度缓慢下降，在12d后NH3-N浓度上下波动，在试验第30d时NH3-N浓度为0.8mg/L，去除率为83%。生态浮岛试验组在试验期间NH3-N浓度波动较大，整体呈下降趋势，在试验第30d时，浓度为3.1mg/L，去除率为35%。人工水草试验组在试验期间NH3-N浓度波动也较大，整体呈下降趋势，在试验第30d时其浓度为2.6mg/L，去除率为46%。曝气充氧试验组在试验期间NH3-N浓度持续下降，在试验第30d时浓度为1.1mg/L，去除率为77%。从上述试验数据可知，对NH3-N的去除效果：生态浮岛+人工水草+曝气充氧工艺组合（去除率83%）>曝气充氧（去除率77%）>人工水草（去除率46%）>生态浮岛（去除率35%）。在微曝气生态浮岛系统中污染物去除率较高，将植物浮岛技术与接触氧化相结合，提高了水面利用率（立体空间）和净化效率；另一方面，低压微量曝气系统提供的有氧环境是条件保障，微曝气生态浮岛布设微曝气装置，在模型底部进行曝气，使得整个系统中的溶氧浓度提高，有利于好氧异养微生物生长而形成生物膜，从而表现出更好的净水效果。4结束语生态浮岛框架下方架设填料，形成填料浮岛，可提高除污率。同时在浮岛下增设曝气装置，能明显提高水体溶解氧含量，促进植物和微生物更好地生长，这些技术与浮岛技术的整合，能明显提高整个浮岛的处理效率，对水质有更好的净化效果。通过设置对照试验结果表明该工艺组合对河涌水体净化效果明显好于这三种工艺单独使用时的净化效果。在该装置运行30d后，河水TP和NH3-N去除率达到73%和83%，其浓度分别降至0.14mg/L和0.8mg/L。参考文献[1]陈庆锋，杨红艳，马君健，等.人工水草在重污染河流生态修复中的应用进展[J].中国给水排水，2014，30（20）：54-58.[2]丁惠君，彭祺，张维昊，等.三种湿生植物对微囊藻的化感作用初步分析[J].环境科学与技术，2007，30（4）：7-11.[3]李海英，冯慕华，李玲，等.微曝气生态浮床净化入湖河口污染河水原位模型实验[J].湖泊科学，2009，21（6）：782-788.[4]童敏，李真，黄民生，等.多功能人工水草生物膜处理黑臭河水研究[J].水处理技术，2011，37（8）：112-116.[5]吴黎明.可持续利用生物浮床水质改善技术的开发研究[D].扬州大学，2010.[6]吴黎明，丛海兵，王霞芳，等.3种浮床植物及人工水草去除水中氮磷的研究[J].环境科技，2010，23（3）：12-16.[7]肖楚田，肖克炎，李林.水体净化与景观--水生植物工程应用[M].