生態浮島復合技術凈化黑臭河道廢水的實驗研究*

蔡魯祥 吳文磊 高 一 金仕淇 謝國建 沙昊雷#

(1.寧波大紅鷹學院藝術與傳媒學院，浙江 寧波 315175；2.浙江萬里學院生物與環境學院，浙江 寧波 315100；3.杭州市蕭山區人民政府南陽街道辦事處，浙江 杭州 311227)

生態浮島復合技術凈化黑臭河道廢水的實驗研究*

蔡魯祥1吳文磊2高 一2金仕淇2謝國建3沙昊雷2#

(1.寧波大紅鷹學院藝術與傳媒學院，浙江 寧波 315175；2.浙江萬里學院生物與環境學院，浙江 寧波 315100；3.杭州市蕭山區人民政府南陽街道辦事處，浙江 杭州 311227)

以寧波市前塘河水作為實驗水體，采用不同水生植物及組合、生態浮島復合技術凈化水中污染物。經過14 d的水培實驗發現，沉水植物COD去除能力高于浮水植物和挺水植物；水生植物組合對COD的去除率相對較低，但去除率仍不低于79.9%。水生植物組合對氨氮的去除效果好于單一種類植物。沉水植物去除總磷的效果好于浮水植物與挺水植物，不同水生植物及組合的總磷去除率均大于44.0%。生態浮島復合技術對廢水中污染物的去除能力較強，實驗10 d時COD、氨氮、總磷去除率分別為97.1%、100.0%、73.8%。由此可見，水生植物和微生物的協同凈化作用使生態浮島復合技術對污染物的降解效果非常顯著。

生態浮島 微生物 水生植物 水污染處理

隨著城市化、工業化進程的不斷加快，城市河道生態系統承受的壓力越來越大，黑臭河道廢水污染問題日益突出，對此國內外學者做了許多研究。常見的黑臭河道廢水治理技術主要有物理法、化學法、生物法和生態修復法等[1-2]，但物理法和化學法在應用上存在運行費用高，治標不治本，易引發二次污染等問題。近年來，黑臭河道廢水的生態修復技術已經成為河流治理領域研究和應用的熱點。部分學者針對我國重點治理的湖泊，如滇池、太湖等進行了深入研究，對水體生態系統的治理進行了有益的探索[3]，重點研究了受損河岸的生態治理措施，并從植物移植栽培[4-7]、河岸邊坡[8-9]、生物/生態修復技術[10-13]等角度進行了實驗研究，為水體生態修復進行了理論探索。

本研究結合水生植物與微生物復合處理技術中的優點，采用不同水生植物及組合、生態浮島復合技術凈化黑臭河道廢水中的污染物，對比不同處理方式對污染物的去除效果，為黑臭河道廢水治理技術的應用提供一定的借鑒。

表1 各裝置實驗材料種類及數量

表2 前塘河初始水樣的水質指標

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

1#裝置為空白裝置；2#裝置內為沉水植物；3#裝置內為浮水植物；4#裝置內為挺水植物；5#裝置內為沉水植物、浮水植物、挺水植物；6#裝置內為浮水植物、挺水植物；7#裝置內為浮水植物、挺水植物、微生物，其中挺水植物用白色泡沫塑料穿孔固定，微生物為2 L城市污水處理廠二沉池濃縮污泥。實驗水培裝置全部采用塑料箱，長40 cm，寬28 cm，高30 cm，總容積約33 L，實驗廢水體積為22 L，本實驗為前塘河取樣后的靜態實驗，并非持續進出廢水的動態實驗，因此能在較短的時間內獲得較佳的去除效果。各裝置內的實驗材料種類及數量見表1。

1.2 實驗方法

水質指標分析參考文獻[14]中的方法。COD采用重鉻酸鉀法測定，氨氮采用水楊酸分光光度法測定，總磷采用鉬酸銨分光光度法測定，溫度與pH使用便攜式pH測定儀(德國WTW公司)測定，DO使用便攜式DO測定儀(意大利HANNA公司)測定。

實驗開始后，每天取1次水樣，測定水樣中COD、氨氮、總磷濃度，分析廢水中污染物的去除效果。

1.3 實驗水樣來源及水質

實驗水樣來源于寧波市前塘河，取樣點位置見圖1，初始水樣的水質指標如表2所示。

2 結果與討論

2.1 不同水生植物及組合對COD的去除效果

廢水總體積為22 L，曝氣量控制在0.3 L/min，初始pH為6.85，初始DO質量濃度為3.38 mg/L，初始溫度為17.8 ℃，將洗凈后的植物水培于1#～6#裝置中，實驗共進行14 d，不同水生植物及組合對廢水中COD的去除率隨時間變化見圖2，最終去除情況見表3。

圖1 前塘河取樣點位置Fig.1 The sampling site of Qiantang River

圖2 不同水生植物及組合對COD的去除率隨時間變化Fig.2 Variation of removal efficiency of COD with time after treated by different aquatic plants and combinations of aquatic plants

由圖2和表3可知，14 d時，1#空白裝置對COD的去除率為9.0%，不同水生植物及組合對廢水中COD的去除率從高到低依次為2#、4#、3#、6#、5#裝置，COD質量濃度分別為32、34、39、40、55 mg/L。2#裝置COD去除率最高的原因可能為：沉水植物的根、莖、葉全部在水中，在陽光和DO充足的條件下，能更好地去除水體中的COD。5#、6#裝置對COD的去除率降低，是組合植物間不同植物相互干擾、競爭的結果。

表3 不同水生植物及組合對廢水中COD的去除情況

表4 不同水生植物及組合對廢水中氨氮去除情況

分析水樣的COD質量濃度，2#、3#、4#、6#裝置中的COD質量濃度達到了《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中Ⅴ類水質標準(≤40 mg/L)，5#裝置中COD質量濃度未達到Ⅴ類水質標準。

2.2 不同水生植物及組合對氨氮的去除效果

不同水生植物及組合對廢水中氨氮的去除率隨時間變化見圖3，最終去除情況見表4。由圖3和表4可知，14 d時，1#空白裝置對氨氮的去除率約為8.7%，不同水生植物及組合對廢水中氨氮的去除率從高到低依次為6#、5#、2#、3#、4#裝置，氨氮的質量濃度分別為1.20、1.35、1.36、2.25、2.26 mg/L。由此可見，銅錢草與富貴竹對氨氮的去除效果不明顯，組合植物對氨氮去除效果好于單一植物。分析水樣的氨氮質量濃度，2#、5#、6#裝置中的氨氮質量濃度達到了GB 3838—2002中的Ⅳ類水質標準(≤1.5 mg/L)；而3#、4#裝置中的氨氮質量濃度未達到Ⅴ類水質標準(≤2.0 mg/L)。

圖3 不同水生植物及組合對氨氮的去除率隨時間變化Fig.3 Variation of removal efficiency of ammonia nitrogen with time after treated by different aquatic plants and combinations of aquatic plants

2.3 不同水生植物及組合對總磷的去除效果

不同水生植物及組合對廢水中總磷的去除率隨時間變化見圖4，最終去除情況見表5。由圖4和表5可知，14 d時，1#空白裝置對總磷的去除率約為9.2%，不同水生植物及組合對廢水中總磷的去除率從高到低依次為2#、3#、6#、5#、4#裝置，總磷的質量濃度分別為0.30、0.38、0.39、0.41、0.47 mg/L。由此可見，沉水植物對總磷的去除率明顯好于浮水植物與挺水植物，可能是由于沉水植物根、莖、葉全部在水中，加快了對總磷的吸收速度，而挺水植物富貴竹對總磷吸收能力較差，且會干擾和抑制金魚藻與銅錢草對總磷的吸收效果。2#裝置處理后的總磷質量濃度達到了GB 3838—2002中的Ⅳ類水質標準(≤0.3 mg/L)，而3#、6#裝置處理后的總磷質量濃度達到了Ⅴ類水質標準(≤0.4 mg/L)；4#、5#裝置處理后的總磷濃度較高，為劣Ⅴ類水質。

圖4 不同水生植物及組合對總磷的去除率隨時間變化Fig.4 Variation of removal efficiency of TP with time after treated by different aquatic plants and combinations of aquatic plants

2.4 水生植物修復技術與生態浮島復合技術凈化廢水的效果對比

設計了水生植物修復技術(5#、6#裝置)與生態浮島復合技術(7#裝置)的對比實驗。實驗條件同2.1節，對比實驗共進行10 d。5#、6#、7#裝置對廢水中COD的去除率隨時間變化見圖5。由圖5可知，10 d時，5#、6#、7#裝置的COD去除率分別為80.2%、86.1%和97.1%。10 d時，5#、6#、7#裝置中COD的質量濃度分別為54、38、8 mg/L，7#裝置的COD去除率最高，主要是由于水生植物和微生物的協同凈化作用使得COD降解速度加快。7#裝置中的COD質量濃度達到了GB 3838—2002中的Ⅰ類水質標準(≤15 mg/L)，6#裝置中的COD質量濃度達到Ⅴ類水質標準，而5#裝置中的COD質量濃度未達到Ⅴ類水質標準。

表5 不同水生植物及組合對廢水中總磷的去除情況

圖5 水生植物修復技術與生態浮島復合技術對COD的去除率隨時間變化Fig.5 Variation of removal efficiency of COD with time after treated by aquatic plant restoration technology and ecological floating island compound technology

5#、6#、7#裝置對廢水中氨氮的去除率隨時間變化見圖6。由圖6可知，10 d時，5#、6#、7#裝置中的氨氮去除率分別為81.3%、82.5%和100.0%。10 d時，5#、6#、7#裝置中氨氮的質量濃度分別為1.18、1.10、0 mg/L，且7#裝置中的氨氮質量濃度在6 d時就已經接近0 mg/L，7#裝置對氨氮的去除效果好于5#、6#裝置，這主要是由于微生物新陳代謝導致脫氮效果顯著。7#裝置中的氨氮最終質量濃度達到了Ⅰ類水質標準(≤0.15 mg/L)，5#和6#裝置中的氨氮質量濃度達到Ⅳ類水質標準。

5#、6#、7#裝置對廢水中總磷的去除率隨時間變化見圖7。由圖7可知，10 d時，5#、6#、7#裝置中的總磷去除率分別為51.2%、54.8%和73.8%。10 d 時，上述裝置中總磷的質量濃度分別為0.41、0.38、0.22 mg/L，7#裝置的總磷去除效果最好，這是由于微生物的除磷效果和植物的吸磷效果的耦合效應發揮了作用。7#裝置中的總磷質量濃度達到了Ⅳ類水質標準，6#裝置中的總磷質量濃度達到Ⅴ類水質標準，而5#裝置中的總磷質量濃度未達到Ⅴ類水質標準。

圖6 水生植物修復技術與生態浮島復合技術對氨氮的去除率隨時間變化Fig.6 Variation of removal efficiency of ammonia nitrogen with time after treated by aquatic plant restoration technology and ecological floating island compound technology

圖7 水生植物修復技術與生態浮島復合技術對總磷的去除率隨時間變化Fig.7 Variation of removal efficiency of TP with time after treated by aquatic plant restoration technology and ecological floating island compound technology

3 結 論

(1) 實驗條件下，沉水植物的COD去除能力高于浮水植物和挺水植物。水生植物組合對COD的去除速率較低，是不同植物直接相互干擾、競爭的結果，但其對COD的去除率仍不低于79.9%。針對氨氮的去除，水生植物組合比單一種類植物效果好，且去除率均大于64.0%。

(2) 沉水植物對總磷的去除效果好于浮水植物與挺水植物，這是由于沉水植物根、莖、葉全部在水中，加快了對總磷的吸收速度。挺水植物富貴竹對總磷吸收能力較差，且會干擾和抑制金魚藻與銅錢草對總磷的吸收效果。不同水生植物及組合對總磷的去除率均大于44.0%。

(3) 水生植物修復技術與生態浮島復合技術凈化廢水的對比實驗中可以看出，采用生態浮島復合技術后，廢水中COD、氨氮和總磷的去除率較高，主要是由于水生植物和微生物的協同凈化作用，使其對污染物的降解效果非常顯著。實驗10 d時生態浮島復合技術的COD、氨氮、總磷去除率分別為97.1%、100.0%和73.8%。

(4) 實驗條件下，生態浮島復合技術凈化黑臭河道廢水的效果顯著，凈化后的廢水基本能達到GB 3838—2002中Ⅳ類以上水質標準。

[1] 潘保原，楊國亭，穆立薔，等．漂浮植物對富營養化水體中氮磷去除效果研究[J].植物研究，2015，35(3)：462-466．

[2] 仇濤，許培歡，朱高飛，等．三種挺水植物及其組合凈化微污染水體的研究[J].環境科學與管理，2015，40(9)：90-93．

[3] 吳建勇，溫文科，吳海龍，等．可調式沉水植物網床凈化河道中水質的效果——以蘇州市貢湖金墅港斷頭浜為例[J].濕地科學，2014，12(6)：777-783．

[4] CARPENTER S R.Phosphorus control is critical to mitigating eutrophication[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2008,105(32):11039-11040.

[5] 徐紅燈，席北斗，王京剛，等．水生植物對農田排水溝渠中氮、磷的截留效應[J].環境科學研究，2007，20(2)：84-88．

[6] 況琪軍，譚渝云．活性藻系統對氮磷及有機物的去除研究[J].中國環境科學，2001，21(3)：23-29．

[7] CAO Xinde,HARRIS W.Properties of dairy-manure-derived biochar pertinent to its potential use in remediation[J].Bioresource Technology,2010,101(14):5222-5228.

[8] 吳大付，張莉，任秀娟，等．超富集植物研究新進展[J].河南科技學院學報(自然科學版)，2011，39(3)：55-59．

[9] 孫霖，沈守云，熊啟明，等．4種水生植物對水體水質的影響[J].中南林業科技大學學報，2011，31(1)：91-97．

[10] EREN A,KOCATüRK M,HOSGüN E Z,et al.Determination of seed yield,protein,oil content and fatty acid compositions and relationships of some soybean lines/cultivars[J].Ziraat Fakültesi Dergisi-Süleyman Demirel üniversitesi,2012,7(1):1-9.

[11] KENNEDY Y,YOKOI S,SATO T,et al.Genetic variation of storage compounds and seed weight in rapeseed (BrassicanapusL.) germplasms[J].Breeding Science,2011,61(3):311-315.

[12] 茅孝仁，周金波．幾種生態浮床常用水生植物的水質凈化能力研究[J].浙江農業科學，2011(1)：157-159．

[13] 蔣春，蔣薇薇，周鵬，等．水生植物修復富營養化水體的機制[J].安徽農業科學，2014，42(35)：12614-12615,12618．

[14] 國家環境保護總局《水與廢水監測分析方法》編委會．水與廢水監測分析方法[M].4版.北京：中國環境科學出版社，2002．

Experimentalstudyonpurifyingmalodorousriverbycompoundtechnologyofecologicalfloatingisland

CAILuxiang1,WUWenlei2,GAOYi2,JINShiqi2,XIEGuojian3,SHAHaolei2.

(1.CollegeofArtsandMedia，NingboDahongyingUniversity,NingboZhejiang315175;2.CollegeofBiological&EnvironmentalSciences,ZhejiangWanliUniversity,NingboZhejiang315100;3.NanyangStreetAgencyofXiaoshanDistrictPeople’sGovernmentinHangzhou,HangzhouZhejiang311227)

The purification of water sample from Qiantang River in Ningbo by different aquatic plants,combination of different aquatic plants and compound technology of ecological floating island was studied in this experiment. After 14 days of water culture experiment，the results showed that COD removal efficiency of submerged plants was higher than that of floating plants and emerged plants. COD removal efficiency of combined aquatic plants decreased，but was not less than 79.9%. Removal efficiency of ammonia nitrogen by combined aquatic plants was higher than that of single-species plants. TP removal efficiency of submerged plants was better than that of floating plants and emerged plants. TP removal efficiency of different aquatic plants and combinations of aquatic plants was higher than 44.0%. COD,ammonia nitrogen and TP removal ability of ecological floating island compound technology was better than single-species plants and combined aquatic plants,and the removal efficiencies were 97.1%,100.0% and 73.8% respectively after 10 days of experiment. The results showed that the synergistic effects of aquatic plants and microorganisms on the degradation of pollutants were very significant.

ecological floating island； microorganism； aquatic plants； water pollution treatment

蔡魯祥，男，1976年生，碩士，副教授，主要從事水環境污染防治、園林景觀的研究。#

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*住房城鄉建設部2015年科學技術項目(No.2015-K7-008)；浙江省科技廳公益技術應用研究項目(No.2016C33251)；寧波市科技富民惠民項目(No.2015C50002)；寧波市自然科學基金資助項目(No.2015A610255)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2016.12.004

編輯:胡翠娟 (

2016-04-23)