溫度對生態浮床系統的影響

羅固源,卜發平,許曉毅,曹 佳,舒為群(.重慶大學三峽庫區生態環境教育部重點實驗室,重慶400045；.第三軍醫大學軍事預防醫學院,重慶 400038)

溫度對生態浮床系統的影響

羅固源1*,卜發平1,許曉毅1,曹 佳2,舒為群2(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)

通過構建生態浮床凈化臨江河重污染河水,全面考察了溫度對浮床系統的影響.結果表明,溫度對生態浮床系統有明顯的影響作用,對生態浮床系統氮、磷凈化效果的影響呈拋物線型.在水溫為2~29℃時,生態浮床對TN和TP的去除率隨溫度的增加而明顯增加;當水溫超過29℃時,系統對TN和TP的去除率隨溫度的增加呈下降趨勢;且溫度對TN去除效果的影響要大于對TP的影響.研究表明,浮床系統的最佳運行水溫為25~29℃,此時浮床植物的平均株高為209.9cm,對氮、磷的平均累積量分別為69.84,19.73g/m2;浮床對TN和TP的去除率分別為38.7%~44.1%和38.6%~43.6%.

溫度；生態浮床；植物；總氮；總磷

Abstract：In order to investigate the effect of temperature on the ecological floating bed system, the ecological floating bed was constructed to treat heavily polluted river water of Linjiang River. The temperature influenced the ecological floating bed system significantly, among which the effect on the purification of TN and TP could be best described as a notably parabolic relationship. The removal efficiencies of TN and TP increased significantly with the increase in the water temperature from 2 to 29℃, but exhibited a decreasing trend with the increase in temperature was higher than 29℃. In addition, temperature showed a greater effect on TN removal than on TP removal. The optimal operating temperature of the ecological floating bed was 25~29℃, when the average height of plants was 209.9 cm, the average amounts of nutrient storage in plant tissues was 69.84 g/m2for nitrogen,19.73 g/m2for phosphorus; and the removal efficiencies of TN and TP were 38.7%~44.1%, 38.6%~43.6%, respectively.

Key words：temperature；ecological floating bed；plants；TN；TP

溫度是影響水處理的重要因素.近年來,國內外眾多學者[1-6]做了大量有關溫度影響的研究,結果表明,溫度對水處理工藝(設備)的影響明顯.因此,考察并確定最適溫度對提高水處理工藝的效果和工藝的推廣應用意義重大.

生態浮床是近年來發展起來的一種新的水處理技術,具有處理效果好、投資少等優點,它主要通過植物吸收、植物根系的截留過濾和微生物作用去除氮磷等污染物[7-8].同樣,研究溫度對生態浮床的影響對于浮床的運行、設計和推廣也顯得尤為重要.因此,本研究以美人蕉為浮床植物構建生態浮床凈化臨江河重污染河水,著重考察了溫度對浮床植物和氮磷凈化效果的影響,旨在為提高浮床的凈化效果和浮床的推廣應用提供理論依據和技術支持.

1 材料與方法

1.1試驗裝置與流程

試驗采用人工模擬小型水體的方式,在三峽庫區臨江河回水區末端建立試驗場.用于構建生態浮床的試驗池內部凈尺寸為270cm× 230cm×100cm,有效水深為0.8m,如圖1所示.浮床的覆蓋面積為4m2,覆蓋率約為64%.浮床采用規格為200cm×100cm×5cm的聚苯乙烯發泡板,在板上打孔,孔間距為18cm,在每塊發泡板上栽種32株植物,用中泡海綿把苗株固定于孔內,整板可漂浮于水面上.以美人蕉(Canna indica)為浮床栽培植物,美人蕉屬多年生宿根草本植物,性喜溫暖濕潤、忌干燥、可周年生長,在重慶地區常作為浮床栽培植物.生態浮床所處理的為臨江河重污染河水,試驗期間的水溫為2~35(℃平均為20.8)℃, pH值為6.6~9.2(平均為7.4), DO、COD、TN、TP分別為1.6~8.2,6.34~21.58,6.08~14.63, 1.01~2.46mg/L,均值分別為3.6,13.38,9.73, 1.58mg/L.試驗池依靠河水落差產生的重力流進水,由布置在與水面相平的PVC管引入,出水由布置在水面以下0.4m處的收集管收集,排出系統.

圖1 試驗裝置與流程Fig.1 Schematic diagram of the ecological floating bed

1.2試驗過程

試驗時間為1年(2008年4月至2009年4月).浮床植物于2008年3月初移栽(移栽時平均株高為28.3cm),穩定一個月后,系統于4月3日開始運行.試驗期間,水力停留時間(HRT)恒定在2.5d.定期采集高、中、矮3株具有代表性的植株測定植物整株高度、濕重、含水率、植物體內的氮、磷含量,以及對植物的干物質生物量(以下簡稱生物量)進行估算,并對系統進、出水水質進行測試分析.試驗結束時,對底泥樣品進行采樣并分析.

1.3計算與分析方法

精益服務為具體服務制定了標準，促進了站經理的主動管理、員工的主動服務。在河北銷售石家莊分公司136加油站，新零售精益服務考核方式，打破了以往傳統的噸油績效分配方式，實施以精益服務為核心的全新考核模式，將服務類指標的考核權重提高到60%，員工收入與服務質量硬掛鉤，增添了員工主動將優質服務提高到精益服務的內驅動力。

單位面積浮床的去除量采用式(1)計算:式中: f為單位面積浮床對氮、磷的去除量,g/m2;S為浮床的表面積,m2; C0、Ci分別為浮床進、出水氮、磷濃度, mg/L; Q0、Qi分別為進、出水水量,m3/d; T為浮床運行時間,d.

浮床系統對氮、磷的去除由植物吸收、微生物作用和底泥沉積作用3部分完成,即:

總去除量=M1(植物累積量)+M2(底泥沉積量)+M3(微生物作用去除量) (2)

式中: M1由式(3)計算; M2由底泥氮磷含量和單位面積的底泥干重計算出; M3由式(2)衡算出.

式中: mi、m0分別為試驗結束和起始時植物生物量, g/m2; pi、p0分別為試驗結束和起始時植物體內的氮、磷含量, mg/g;

通過計算植物對氮、磷的累積(吸收)量和底泥沉積量等以此來分析氮、磷的去除途徑.

植物生物量及氮、磷含量等的測試見文獻[9],底泥樣品的采集與分析采用標準方法[10].

水質指標TN、TP及COD采用Hach-2800型便攜式儀器現場測定.水溫、pH值采用Hach便攜儀器sensIONTM測試;DO采用Hach便攜儀器sensION6型溶氧儀測試.

2 試驗結果

2.1不同溫度下植物的長勢

圖2 不同溫度下植株高度的變化Fig.2 Development of plant height at different temperatures

由圖2可見,在系統運行的第1個月,植物生長緩慢,整株高度僅增加了約40cm(系統運行時株高為38.1cm),這主要是由植物尚處在適應期及低溫所致,該時段的平均水溫僅為17.6℃;從5月初開始(第29d),植物的生長加快,植株明顯增高,到7月中旬(第104d)時達到最大值(245.6cm),這表明植物已經完全適應了水漂浮式的栽培方式和環境條件;7月中旬以后,植物已基本停止生長;從8月中旬開始(第135d),植物整株的平均高度開始衰減,在水溫為2℃時衰減到極值(128.6cm).此后,隨著水溫的逐漸回升,植物的生長又開始加快.

2.2不同溫度下TN和TP的去除效果

由圖3可知,隨著系統的運行和水溫的逐漸上升,TN去除率開始增加,在水溫達到最大值35℃時(第90d),去除率為38.9%;水溫為28℃時,TN去除率達到最大值44.1%(第104d).從7月中旬至10月中旬(第104~192d), TN的去除率變化較小;在冬季低溫條件下,TN的去除效果下降明顯,水溫低于10℃時,去除率一直低于20%.可見,溫度對TN的去除效果有較大的影響作用,并且28℃時浮床對TN去除效果最佳.

圖3 不同溫度下TN和TP的去除效果Fig.3 Removal effects of TN and TP at different temperatures

如圖3所示,浮床對TP的去除效果的變化與溫度的變化同步.隨著水溫的上升,去除率亦開始增加;在第44~192d的運行時間段內,盡管水溫在23~35℃之間波動,但系統對TP的去除效果相對比較穩定,去除率為37.8%~43.6%;而在冬季低溫的條件下,TP去除效果明顯下降,但去除率仍高于20%.

3 討論

3.1溫度對浮床植物的影響

為了明確溫度對浮床植物的影響,試驗過程中將水溫分成4個階段,在每個階段對植物的平均株高、生物量、氮、磷含量和對氮、磷的累積量進行統計分析,結果見表1.由表1可知,溫度對浮床植物的影響較大.植物的生長狀況(包括平均株高和生物量)、植物體內的氮、磷含量及對氮、磷的累積量在25~29℃時達到最佳, 2~10℃時最差,表明溫度過高或過低都不利于植物的生長和對氮、磷的累積.在試驗條件下,可認為浮床植物生長的最適溫度(水溫)為25~29℃,此時浮床植物的平均株高為209.9cm,對氮、磷的累積量分別為69.84,19.73g/m2.

在夏季極端高溫條件下(30~35)℃,植物的生長狀況不及25~29℃時,這是因為溫度過高,植物光合作用降低甚至被抑制,導致植株萎蔫和生物量下降等.而在冬季,較低溫度(2~10)℃導致部分植物枯萎或死亡,并且植物體內的氮、磷含量最低,表明冬季植物已經向水體中釋放了一定的氮、磷,引起出水濃度的增加和植物對氮、磷累積量的減少,故這是冬季浮床凈化效果下降的一個重要原因.試驗過程中還發現,植物水上部分的生物量占總生物量的比例一直高于70%,且從通過收割植物去除氮、磷的角度來看,水面上部生物量在總的生物量中所占的比重越大,越有利于通過收割植物去除氮、磷.因此,在秋末將水上部分的植物進行收割可在一定程度上提高冬季浮床的凈化效果.

3.2溫度對氮、磷凈化效果的影響

由圖3、表1可知,水溫在2~29℃變化時,溫度越高,生態浮床的凈化效果越好;反之,則越差,其主要原因有兩方面:(1)在2~29℃,溫度越高植物生長越快,植物對氮、磷的累積量越大,故通過植物吸收去除的氮、磷量就越大.如表1所示,平均水溫為6.4℃時的氮、磷的累積量僅為26.9℃時的40.5%、31.9%,并且在冬季植物已向水體中釋放一定的氮磷,導致低溫時去除效果下降明顯;(2)隨著溫度的逐漸上升,微生物活性加強,所以生物脫氮除磷作用亦逐漸加強;而低溫時,微生物活性受到抑制,故去除效果下降.

表1 浮床植物的生理特性和去除效果的統計分析結果Table 1 Statistical results of physiological characteristics of plants and removal effect

當水溫為30~35℃時,TN和TP的去除率隨溫度的增加反而呈下降的趨勢.原因是當溫度上升到一定程度后,溫度過高導致通過植物吸收去除的氮、磷量減少;由于植物根系具有泌氧作用,在根系區就形成了有利于生物脫氮除磷的好氧-缺氧-厭氧的微環境[11-12],但高溫易使植物的輸氧能力降低,一般認為在20~30℃時,植物的輸氧能力達到最大;當溫度超過30℃時,植物的呼吸作用明顯加強,凈釋氧可忽略[13],故高溫又導致植物根系區的微環境被破壞;超出最適溫度時,微生物的活性下降,生物脫氮除磷受到負影響.

因此,溫度過高或過低均不利于浮床系統凈化氮磷.結合溫度對浮床植物的影響,可認為生態浮床運行的最適水溫為25~29℃,此時浮床對TN和TP的去除率分別為38.7%~44.1%和38.6%~ 43.6%.

此外,由表1可知,平均水溫從26.9℃降至18.6℃,再降到6.4℃時,TN的平均去除率分別下降了11.2%和14.0%,而TP的去除率只降了7.7%、9.2%,表明溫度對TN去除效果的影響要大于對TP去除效果的影響,這亦可以從圖3中TN和TP隨運行時間的變化幅度不同得到論證,主要是由于浮床系統對TN和TP的去除途徑不同所致.通過物料衡算發現(表2),浮床中約有60.3%的TN,75.4%的TP是通過底泥沉積作用去除的;微生物作用對TN的去除貢獻約占30%,遠高于對TP去除的貢獻率;而植物吸收對TN、TP去除貢獻的差別不明顯.由于溫度是影響微生物作用的一個重要因素,而沉積作用受環境條件的影響較小,故溫度對TN去除效果的影響要大于對TP的影響.

表2 浮床系統中氮磷的去除途徑Table 2 Removal pathways of TN and TP in the ecological system

4 結論

4.1植物的長勢和對氮、磷的累積量在水溫為 25~ 29℃時達到最佳,在2~10℃時最差.在2~29℃時,浮床對TN和TP的去除率隨著溫度的增加而明顯增加;當水溫為30~35℃時,去除率隨著溫度的增加而呈下降趨勢.

4.2溫度對TN去除效果的影響要大于對TP的影響.

4.3在試驗條件下,生態浮床運行的最適溫度(水溫)為25~29℃,此時浮床植物的平均株高為209.9cm,對氮、磷的平均累積量分別為69.84、19.73g/m2,TN和TP的去除率分別為38.7%~ 44.1%和38.6%~43.6%.

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Effect of temperature on the ecological floating bed system.

LUO Gu-yuan1*, BU Fa-ping1, XU Xiao-yi1, CAO Jia2, SHU Wei-qun2(1.Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region’s Eco-Environment, Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, China；2.Faculty of Preventive Medicine, Third Military Medical University, Chongqing 400038, China). China Environmental Science, 2010,30(4)：499~503

X703.1

A

1000-6923(2010)04-0499-05

羅固源(1944-),男,重慶人,教授,主要研究方向為水污染控制技術研究.發表論文110余篇.

2009-09-08

科技部國際合作項目(2007DFA90660);重慶市重大科技攻關項目(CSTC,2006AA7003); 重慶市自然科學基金項目(CSTC, 2008BB7305)

* 責任作者, 教授, gyluo@cqu.edu.cn