可持續(xù)利用生物浮床對(duì)水質(zhì)改善技術(shù)的研究

馬 飛，趙 巖

（新蔡縣環(huán)境保護(hù)局，河南 新蔡 463500）

面對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題逐步加劇的現(xiàn)狀，以硬化河床為主的水體治理方式難以有效抑制水生生態(tài)的逐步惡化，同時(shí)也會(huì)影響水體生態(tài)景觀，破壞生物生存環(huán)境，削弱水體的自凈能力。生物浮床屬于無(wú)土栽培技術(shù)之一，是指利用高分子材料作為載體，通過(guò)人工方法在被污染水域的水面之上種植植物，基于植物根系的吸收及吸附作用，利用根系的物質(zhì)轉(zhuǎn)化功能，通過(guò)植物體收獲去除水體中的氮磷含量，進(jìn)而改善水質(zhì)、美化水體，并獲得良好的水體植物或改良后陸生植物種植收益。

1 淹沒(méi)式組合生態(tài)浮床水質(zhì)改善裝置的設(shè)計(jì)

本文提出的淹沒(méi)式組合生態(tài)浮床應(yīng)用的是組合形式，浮板上方設(shè)置浮塊，并將裝有填料的種植藍(lán)安放于浮板之上預(yù)設(shè)的孔中，利用種植籃填料栽種浮床植物，并在浮板之下以懸掛形式設(shè)置人工水草。此裝置的優(yōu)勢(shì)在于浮板可完全被水淹沒(méi)，既能減少浮床白色污染，也可掩蓋人工前跡，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化的同時(shí)起到水體景觀改善效果。

1.1 裝置形狀設(shè)計(jì)

浮床單體邊長(zhǎng)應(yīng)設(shè)置為2~3 m，此種設(shè)計(jì)可使搬運(yùn)更為便利，且更便于施工。本文所設(shè)計(jì)的淹沒(méi)式組合生態(tài)浮床改善裝置應(yīng)用的是長(zhǎng)方形浮板。

1.2 結(jié)構(gòu)材料選擇及尺寸確定

采用聚乙烯泡沫塑料制作浮板，其上設(shè)置三行四列圓孔，直徑為20.5 cm，種植美人蕉及黃菖蒲兩種植物的種植籃之間距離應(yīng)為40 cm，浮板長(zhǎng)約1.5 m，寬為1.1 m，浮板上設(shè)有高3 cm、厚1.5 cm、尺寸與浮板一致的加強(qiáng)筋。采用外徑上口20 cm、下孔150 cm、高約15 cm的圓柱形種植籃，籃口翻邊外徑應(yīng)為22 cm。選用粒徑介于5~20 mm之間的陶粒、蛭石作為種植籃填料。于浮板加強(qiáng)筋下側(cè)懸掛與浮板長(zhǎng)度一致的4條人工水草，每條6串。填料絲長(zhǎng)度應(yīng)以6 cm為宜，維綸絲固定框長(zhǎng)約15 cm，各串人工水草間預(yù)留25 cm距離。其上設(shè)置4個(gè)仿生形態(tài)上凸浮塊，以保持浮床平衡性與美觀性。

2 可持續(xù)利用生物浮床水質(zhì)改善效果分析

2.1 水質(zhì)改善效果研究方法

2.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)選取3種水生植物，分別是黃菖蒲、美人蕉以及西伯利亞鳶尾。人工水草以維綸醛化絲材料制成，維綸絲嵌固采取的是平行排列方式。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1所示，以河道中懸浮的圍隔箱作為實(shí)驗(yàn)裝置，將泡沫塑料安放其中作為浮床載體，并于其中安裝種植籃，下方懸掛人工水草。共選用5個(gè)圍隔箱，1號(hào)及2號(hào)圍隔箱分別栽種黃菖浦及美人蕉，栽種數(shù)量分別為3~5株/籃與1~3株/籃，3號(hào)栽種西伯利亞鳶，栽種數(shù)量為6~9株/籃。4號(hào)箱不栽種植物，僅下方懸掛與1、2、3號(hào)箱體同等數(shù)量的人工水草，5號(hào)箱只設(shè)置泡沫塑料板以作為對(duì)照。以水泵及軟管經(jīng)圍隔箱底部設(shè)置的PVC穿孔管向箱中注水，并在底部進(jìn)水孔之上設(shè)置出水孔。黃菖蒲重金屬去除實(shí)驗(yàn)時(shí)以高50 cm、上徑及下徑分別為35 cm與30 cm的兩個(gè)塑料桶作為實(shí)驗(yàn)容器，栽種黃菖蒲數(shù)量為1棵。

圖1 生物浮床動(dòng)態(tài)試驗(yàn)裝置

2.1.3 實(shí)驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)歷時(shí)半年，自3種試驗(yàn)植物栽種完成后開(kāi)始，采取靜態(tài)－動(dòng)態(tài)－靜態(tài)的實(shí)驗(yàn)方法。靜態(tài)實(shí)驗(yàn)是指向圍隔箱中引入河道水，而后每3天從箱內(nèi)取水1次并在實(shí)驗(yàn)室完成水質(zhì)檢測(cè)，待箱內(nèi)水質(zhì)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后將水體排出河道再重新取水注入，每30天為1個(gè)實(shí)驗(yàn)周期，共計(jì)6個(gè)實(shí)驗(yàn)批次。動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)是利用水泵持續(xù)將河水由一端注入圍隔箱并從另一端流進(jìn)河道，水在箱體內(nèi)停留3 d左右。每日測(cè)定箱內(nèi)進(jìn)水及出水的水質(zhì)。兩種實(shí)驗(yàn)方法所檢測(cè)指標(biāo)相同。

2.1.4 測(cè)定方法及所用儀器

以過(guò)硫酸鉀消解－鉬銻抗分光光度法測(cè)定TP含量，以堿性過(guò)硫酸鉀消解－紫外分光光度法測(cè)定TN含量，采用酸性高錳酸鉀法測(cè)定高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、利用納氏試劑光度法、紫外分光光度法分別測(cè)定氨氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3--N），而后采用鉑鈷標(biāo)準(zhǔn)比色法測(cè)定色度，再以二苯碳酰二肼分光光度法測(cè)定重金屬。以經(jīng)0.45μm濾膜過(guò)濾后用鉬銻抗分光光度法測(cè)定溶性正磷（SRP）。實(shí)驗(yàn)所用儀器為電子天平、紫外分光光度儀、可見(jiàn)分光光度計(jì)、便捷式溶解氧儀，除此之外還需準(zhǔn)備烘箱、恒溫水浴鍋、PH計(jì)等其他測(cè)定工具。

2.2 實(shí)驗(yàn)效果分析

2.2.1 溶解性正磷去除效果

磷酸鹽沉降、固結(jié)于人工水草表面以及植物吸收可溶性磷是利用生物浮床去除正磷酸鹽的主要途徑。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)每升水的SRP濃度最低為0.3 mg，最高為0.6 mg。六批次實(shí)驗(yàn)中SRP的去除過(guò)程分析圖如圖2所示。

圖2 各實(shí)驗(yàn)批次SRP去除對(duì)比

靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中，黃菖蒲平均去除率高達(dá)91.17 mg/（m2.d）。西伯利亞鳶尾的平均去除速率僅為31.26 mg/（m2.d）。美人蕉各次靜態(tài)實(shí)驗(yàn)前二周SRP去除速度較快，平均去除速率為34.26 mg/（m2.d）。而人工水草靜態(tài)實(shí)驗(yàn)階段去除速率由慢轉(zhuǎn)快，平均去除率為21.23 mg/（m2.d）。3種浮床植物及人工水草的SRP去除均率高于空白箱，黃菖蒲去除能力最強(qiáng)，美人蕉及西伯利亞鳶尾居于中等，而人工水草的去除能力最差。

2.2.2 總磷去除效果

總磷去除方面主要依托于浮床植物及人工水草根系滯留顆粒態(tài)磷，以根際微生物礦化吸收有機(jī)磷，或是通過(guò)顆粒態(tài)磷的沉淀去除TP。實(shí)驗(yàn)期間水圍隔箱內(nèi)每升水中含有TP的含量介于0.5~0.8 mg之間。靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中，黃菖蒲及西伯利亞鳶尾平均去除率分別為94.35 mg/（m2.d）與37.59 mg/（m2.d）。美人蕉去除速率總體平穩(wěn)，平均去除速率為36.51 mg/（m2.d）。人工水草TP去除率前期較慢，后期加快，最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)批次受氣溫下降影響去除速度有所下降，總平均去除率為42.73 mg/（m2.d）。空白實(shí)驗(yàn)箱的TP效率效果最低值為24%，最高值為58.01%?？傮w來(lái)看，TP去除能力方面，黃菖蒲仍居首位，西伯利亞鳶尾位居第二，美人蕉第三，人工水草能力稍差。

2.2.3 氨氮去除效果

植物吸收、硝化反應(yīng)以及氨揮發(fā)是水體中氨氮去除的主要途徑。實(shí)驗(yàn)期間水樣每升水中含有3~7 mg的NH4+-N。黃菖蒲平均去除率為504.93 mg/（m2.d）。而西伯利亞或鳶尾去除率仍出現(xiàn)了由低至高的轉(zhuǎn)變，實(shí)驗(yàn)期間的平均去除速率為14.25 mg/（m2.d）。美人蕉的去除速度相對(duì)平穩(wěn)，平均去除速率為273.90 mg/（m2.d）。人工水草的平均去除率為183.92 mg/（m2.d），而空白實(shí)驗(yàn)箱的去除率為32.07%~99.85%，動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)幾乎無(wú)效果。黃菖蒲的NH4+-N去除能力最強(qiáng)，美人蕉與西伯利亞鳶尾分別第二及第三，人工水草去除能力最差。

2.2.4 硝態(tài)氮去除效果

如圖3所示，由于原水中不存在硝態(tài)氨，因而需將NaNO3投入箱體以便實(shí)驗(yàn)。僅針對(duì)第五個(gè)月及第六個(gè)月監(jiān)測(cè)硝態(tài)氮，其含量在3~6 d內(nèi)下降速度較快。第五個(gè)月因水溫偏高，有機(jī)物被氧化降解，水中溶解氧被消耗，硝化作用中止，浮床植物圍隔箱中的NO3--N逐漸消除，因空白箱及人工水草中微生物含量不足，因此NO3--N含量較高。最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)階段，水溫下降，美人蕉箱內(nèi)NO3--N完全消除，西伯利亞鳶尾箱中NO3--N的下降速度較快轉(zhuǎn)慢，其他箱內(nèi)NO3--N含量在下降后紛紛提升。說(shuō)明美人蕉的硝態(tài)氮吸收能力最強(qiáng)。

圖3 浮床植物及人工水草對(duì)NO3--N去除過(guò)程

2.2.5 總氮去除效果

植物總氮去除主要是以根系滯留、根際微生物吸收以硝化反硝化作用為途徑。黃菖蒲在總氮去除方面，靜態(tài)實(shí)驗(yàn)期內(nèi)前兩個(gè)月速度較快，后兩個(gè)月速度下降。動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)期間TN去除率為29.18 mg/（m2.d）。實(shí)驗(yàn)期間平均去除率為749.19 mg/（m2.d）。西伯利亞鳶及美人蕉的靜態(tài)實(shí)驗(yàn)去除平均速率分別為365.49 mg/（m2.d）與383.39 mg/（m2.d）。人工水草去除速度為485.12 mg/（m2.d），空白實(shí)驗(yàn)箱去除效果不佳，動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)階段未見(jiàn)明顯效果。說(shuō)明總氮去除方面，黃菖蒲去除能力最強(qiáng)，美人蕉及西伯利亞鳶居中且差別不大，人工水草能力最低。

2.2.6 CODMn去除效果

高錳酸鉀去除方面，是通過(guò)根際微生物活動(dòng)實(shí)現(xiàn)CODMn降解，水溫、水體中所含微生物類別及數(shù)量、溶解氧濃度大小均會(huì)影響CODMn去除效果。經(jīng)分析，黃菖蒲對(duì)CODMn的去除效果最為理想，去除率為47.86%，而人工水草及西伯利亞鳶尾的去除率分別為25.25%與19.60%，與空白箱的CODMn去除率22.97%差別不大，說(shuō)明這兩個(gè)浮床植物在CODMn去除方面未發(fā)揮作用。而美人蕉的去除效果為36.04%，對(duì)CODMn去除效果位居第二。總體來(lái)看，生物浮床及人工水草對(duì)CODMn的去除效果并不理想。

2.2.7 色度改善效果

如圖4所示，色度監(jiān)測(cè)主要集中于實(shí)驗(yàn)開(kāi)始的前兩個(gè)月靜態(tài)實(shí)驗(yàn)及第三個(gè)月的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)階段，靜態(tài)實(shí)驗(yàn)階段黃菖蒲色度去除率為39.11%與42.37%，動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)階段色度未發(fā)生明顯變化。說(shuō)明，生物浮床在色度去除方面效果并不顯著。

圖4 浮床植物及人工水草對(duì)色度的去除效果

2.2.8 重金屬去除能力

重金屬濃度測(cè)定表明，黃菖蒲在重金屬吸附方面效果更佳。通過(guò)配置濃度鉻含量不一的水樣觀測(cè)黃菖蒲在重金屬鉻方面的吸收效果發(fā)現(xiàn)，初始濃度分別為1.16 mg/L及2.05 mg/L時(shí)，黃菖蒲對(duì)六價(jià)鉻的吸收特性曲線較為相似，意味著黃菖蒲的重金屬鉻去除能力相對(duì)穩(wěn)定，但后一濃度值下，黃菖蒲葉子由綠轉(zhuǎn)黃，說(shuō)明其生長(zhǎng)特性因濃度增加而發(fā)生了改變。

2.3 植物體內(nèi)N、P含量分析

N、P去向分析中，可將植株收割后烘干碾碎，并取部分進(jìn)行消解測(cè)定。根據(jù)測(cè)定結(jié)果發(fā)現(xiàn)，黃菖蒲水上部分莖葉及果實(shí)中含有N、P總量為13.02 mg/g，水下部根系總含量則為2.52 mg/g，而美人蕉水上部分及水下部N、P總量分別為4.81 mg/g與2.36 mg/g，西伯利亞鳶尾的水上部及水下部N、P含量則分別是5.42 mg/g與2.38 mg/g。這說(shuō)明，N、P元素主要累積于植物的水上部分，因而只需割除植物莖葉及果實(shí)，便可取得較為理想的N、P去除效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)本文實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，淹沒(méi)式組合生態(tài)浮床種植裝置對(duì)水質(zhì)改善具有良好效果，所引種的3個(gè)水生植物當(dāng)中，在溶解性正磷酸鹽、總磷、氨氮、總氮去除方面，黃菖蒲的去除效果均為最佳，美人蕉、西伯利亞鳶尾及人工水草去除效果稍差，并且氮磷主要積累于植物的水上部分，因而去除水體中的N、P時(shí)只需收割植物水上部分即可?？沙掷m(xù)利用生物浮床水質(zhì)改善技術(shù)，既能有效改善水體效果，也可減少對(duì)水中氮及有機(jī)污染物含量，在富營(yíng)養(yǎng)化水體中氮磷去除方面效果顯著，可以黃菖蒲作為生物浮床主要栽種植物，并以西伯利亞鳶作為點(diǎn)綴，可取得理想水質(zhì)改善及景觀效果。