串聯式菖蒲浮床去除污染河水氮磷的試驗研究

葛銅崗,羅固源,許曉毅,張彥海,曹 佳,舒為群

(1.重慶大學三峽庫區生態環境教育部重點實驗室,重慶400045;2.第三軍醫大學軍事預防醫學院,重慶400038)

人工浮床是一種兼顧治理富營養化水體和生態修復的方法,由于投資省、運行簡便、處理水體中氮磷的負荷較大,且可原位凈化水體[1],近年來受到研究者的普遍關注[2-4]。菖蒲是一種常見的水生植物,以往人們重點關注其藥用價值[5],其在水污染治理中的應用研究較少。本文選用菖蒲作浮床植物,在三峽庫區次級河流臨江河回水區域構建串聯式人工浮床系統處理污染河水,研究其對污染河水氮磷的去除能力,為三峽庫區次級河流富營養化控制提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 供試水體

試驗地點位于臨江河回水區域,污染物主要來自永川、江津等地排放的工業廢水、生活污水及沿途農業面源污染源,水體富營養化較嚴重[6]。試驗期內(2008年6月～2008年8月)的水質分析結果為: COD:25～37 mg/L,TN:6.2～12.7 mg/L,TP: 1.06～4.79 mg/L,DO:2.9～4.0 mg/L。

1.2 試驗系統構建與運行

本試驗構建了四級串聯人工浮床系統(9.2 m ×2.7 m×1.2 m),各單元運行參數相同,試驗裝置見圖1。浮床植物均選用菖蒲(Acorus calamus),菖蒲屬于天南星科、菖蒲屬多年生挺水草本植物,喜溫暖濕潤環境,不耐寒,常見于淺水池塘、水溝及溪澗濕地處[7]。試驗用植株取自臨江河岸邊,將植株去枯葉,清水洗凈后移栽到浮床上。各級浮床覆蓋面積均4 m2,覆蓋率60.0%。浮體采用聚苯乙烯泡沫板(1 m×2 m×0.05 m),按20 cm×15 cm的間距打孔。用海綿將選好的植株固定于泡板孔內,每級浮床各栽植90株菖蒲。系統靠臨江河回水區水位落差產生的重力流連續進水,保持進水流量約5.28 m3/d,水深約1 m,水力停留時間為3 d。

圖1 試驗系統裝置圖

1.3 研究方法

菖蒲于2008年6月11日移栽,定期考察其生長情況,統計成活率。針對菖蒲生長及形態特性[7],按分層抽樣方法[8],每隔10d分別在各級浮床中抽取不同高度范圍的5株菖蒲,測葉、根長度。8月底,菖蒲生長基本停滯,故而對其收割并測定葉、莖、根的生物量(以“干重”計,下同)、氮磷含量與積累量。葉、根的長度先求單株均值,再對所選5株植物統計分析,生物量與氮磷含量(包括莖)直接對所選5株植物統計分析。將所取樣品(菖蒲葉、莖、根)置于陰涼處晾干,然后在60℃下烘至恒重,即為生物量。將烘干后的樣品用碾磨機粉碎,過0.25 mm篩后保存[9],用濃硫酸-過氧化氫消解[10-11],總氮含量用過硫酸鉀氧化吸光光度法[10]測定,總磷含量用釩鉬黃比色法[11]測定,儀器哈希DR4000UV分光光度計。

自植物移栽始,每隔5 d于16:00～18:00取進水及各級浮床出水,測試水質指標。DO和水溫用便攜儀器sensION6型溶氧儀測定,TN、TP、COD用哈希便攜儀器DRB200消解器消解,DR/2800型分光光度計測定,測試用藥品為哈希公司生產。

2 結果與分析

2.1 植物生長狀況

移栽菖蒲10 d后,各級浮床植株成活率均大于98%,但植株生長相對緩慢,葉、根長度幾乎沒有變化,這是因為一方面移栽過程勢必損傷植株根系,使其難以吸收足夠的水分和營養,另一方面菖蒲對泡板浮床也需要適應;7月初開始至8月中旬40 d左右的時間內,菖蒲葉、根長度及數目增加最快,此間,浮板下面形成了厚約20 cm的根系過濾層,說明菖蒲已適應了浮床栽培方式及水體環境,表現出良好的生長態勢;8月底,菖蒲由于生長旺盛,在有限的浮床空間中產生嚴重擁擠,導致其對陽光、營養等的種內競爭,生長變緩,枯萎葉片大量增加,故對其進行收割。整個試驗期內新葉生長與老葉枯萎始終并存,需及時清理老葉并計重(用單池平均量參與數據分析)。各級浮床菖蒲葉、根長度隨時間變化如圖2所示。

圖2 菖蒲葉、根長變化圖

2.2 浮床系統對水體TN、TP的去除

水體TN、TP的去除率變化曲線如圖3、4所示。

圖3 浮床系統對TN的去除

圖4 浮床系統對TP的去除

由圖3、4可知,試驗期間,當河水TN為6.2～12.7 mg/L、TP為1.06～4.79 mg/L時,串聯浮床在水力負荷為0.30～0.42 m3/(m2·d)(平均0.34 m3/(m2·d))的情況下,對該水體 TN、TP的去除效果比較穩定,平均去除率約為45%、55%,折算成平均去除負荷分別為1.625 g/(m2·d)、0.394 g/ (m2·d),說明菖蒲浮床對污染河水中氮磷具有良好的去除效果。

各級浮床的氮磷去除量見表1。可知,各浮床單元對水體中氮磷都有一定程度的去除,但去除量在各級串聯單元分配不同。其中,TN去除量的分配較為均勻,說明 TN在各浮床單元中去除的主要途徑不同,前端主要以沉淀吸附方式去除顆粒態或部分離子態氮,而后端水體DO水平較低(0.80～0.91 mg/L),對根系微生物反硝化脫氮過程有利;而TP去除量幾乎集中第一級浮床中,大部分磷可能主要通過沉淀、吸附的方式被去除,而這種作用在串聯式浮床系統前端最明顯。

表1 浮床菖蒲氮磷去除量及吸收作用的貢獻

2.3 植物吸收對浮床系統TN、TP去除的貢獻

根據菖蒲各器官的氮磷積累量及各浮床單元對水體氮磷的去除量,可計算出植物吸收對浮床菖蒲氮磷去除的貢獻,結果見表1。可知,菖蒲葉、莖的同化吸收對氮磷去除的貢獻均明顯大于根,說明用浮板栽培方式(可使莖與水體分離)及收割菖蒲葉片,均為移除水體中一部分氮磷的可選方法;植物吸收作用對除氮的貢獻沿串聯式浮床系統呈逐級下降趨勢,而對除磷的貢獻呈逐級上升趨勢,說明在串聯式浮床系統中的位置不同,植物吸收作用的貢獻亦不同。

由表1還可知,一級浮床菖蒲葉、莖的氮積累量對浮床氮去除總量的貢獻約35%,說明用浮板栽培菖蒲及收割其葉片是該級浮床系統去除水體中氮的主要方式之一;后兩級浮床菖蒲葉、莖的磷積累量對浮床磷去除總量的貢獻度約45%,說明用浮板栽培菖蒲及收割其葉片也是后兩級浮床系統去除水體中磷的主要方式之一。

3 結論

3.1 菖蒲能適應浮板栽培方式及連續流動的污染河水,菖蒲浮床系統對污染河水氮磷去除能力良好,表明應用菖蒲浮床治理污染河水是適宜的,可將其作為治理三峽庫區次級河流污染水體的備選技術。3.2 串聯浮床對水體 TN、TP具有穩定且良好的去除效果,TN的去除量在各單元分配均勻,而 TP主要在系統的前端去除,表明氮磷在各浮床單元中去除的主要途徑不同。

3.3 植物吸收作用對浮床菖蒲除氮的貢獻沿串聯式浮床系統逐級降低,而對除磷的貢獻卻逐級增加,說明植物吸收作用的貢獻在串聯式浮床系統中存在空間分布規律,對此,將在以后的研究中深入探討,以期尋求進一步提高浮床菖蒲凈水能力的途徑。

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