太陽能微動力生態浮島技術在水體修復中的應用

劉宇爽，劉 瑾，趙 海，王文泊，運志強

(沈陽工程學院 新能源學院，遼寧 沈陽 110136)

目前，水污染已經成為一個亟待解決的問題。隨著經濟和社會的發展，大量生活污水和工業廢水排入環境，造成受納水體污染，嚴重影響水生生態系統的結構、功能和水資源的利用，還直接危害人類的身體健康[1]。國內許多學者開展了用生態浮島技術修復城市河道、湖泊、養殖水體的研究[2]。有學者與1991年即開展了用生態浮島治理城區污染河道實驗[3]。人工浮島系統作為一種應用于池塘或湖泊污染的污水處理技術，對治理水體污染有積極的影響。1998年開展的生態浮島對無錫市五里湖修復工作，發現對水體N、P去除效率很高[4]。本實驗介紹了一種新型浮島：太陽能微動力生態浮島，旨在利用太陽能電池板收集太陽能的能量轉變為曝氣系統的動能，帶動曝氣頭工作，使水體達到一個間斷或持續充氧的目的。它主要機能可以歸納為四個方面:(1)水質凈化；(2)提供動物的生存和棲息的空間；(3)改善景觀；(4)對岸邊起到消波保護的作用[5]。

1 實驗

1.1 實驗植物

部分浮島植物如鳳眼蓮、水花生、蘆葦等在生長過程中能分泌克化學物質[6]。但植物的選取須得依據本地環境和溫度等因素選取適宜的生態浮島中復合植物。植物選取如下：

黃菖蒲6棵；旱傘草4棵；水葫蘆4棵 ；水芙蓉6棵。

空心竹：直徑2cm 長1.5m的空心竹：5根 ；直徑1cm 長1.5m的空心竹：10根。

1.2 實驗設備

小鋸子：1把 ；砍竹刀：1把 ；

魚線：2捆；水盆：2個；太陽能電池板：1塊 ；曝氣頭：4個； 12v蓄電池:1塊； 繼電器:1塊；太陽能充電保護器:1塊； 竹竿：1根。

1.3 實驗試劑

COD測定所需儀器及試劑：

(1)沸水浴裝置(酒精燈、三角架和250mL燒杯)，25mL酸式滴定管、鐵架臺、萬分之一天平、250mL錐形瓶、10mL移液管、250mL容量瓶、吸耳球、塑料滴管、玻璃棒和100mL量筒。

(2)試劑：0.02 mol/L高錳酸鉀標準溶液、0.002 mol/L高錳酸鉀標準溶液, 0.005mol/L草酸鈉標準溶液、3mol/L硫酸溶液和試驗水樣。

溶解氧測定所需儀器及試劑:

(1)儀器：便攜式溶氧儀；溶解氧電極；燒杯；玻璃棒；溫度計。

(2)試劑：試驗水樣，自來水；蒸餾水；硫代硫酸鈉(化學純)。

總氮測定所需儀器及試劑:

(1)儀器：紫外分光光度計，10mm石英化色皿、醫用手提式蒸氣滅菌器和具玻璃磨口塞比色管25mL。

(2)試劑：無氮化合物的純水，氫氧化鈉溶液、堿性過硫酸鉀溶液、鹽酸溶液、硝酸鉀標準溶液、硝酸鉀標準使用溶液和硫酸溶液，試驗水樣。

總磷測定所需儀器及試劑:

(1)儀器：分光光度計，50mL比色管和10mm比色皿。

(2)試劑：抗壞血酸溶液，硫酸溶液、鉬酸銨溶液、硝酸鉍溶液、磷標準儲備溶液和磷標準使用溶液，試驗水樣。

氨氮測定所需儀器及試劑:

(1)儀器：分光光度計，pH計、20mm比色皿和50mL比色管。

(2)試劑：納氏試劑，酒石酸鉀鈉溶液、銨標準儲備溶液和銨標準使用溶液，試驗水樣。

2 實驗方法

2.1 制作載體

用竹刀把一根直徑為2cm的1.5m長的空心竹劈成長為20cm的一份的空心竹共兩份，在空心竹兩端用小鋸子豁開長1cm寬0.5cm的小口。用竹刀劈成長16cm的一份空心竹共兩份，在空心竹兩端各自留長1cm寬0.5cm的小竹片，用劈好的四份空心竹固定成一個矩形，利用魚線穩定，載體即完成。

2.2 取水樣

選取沈陽工程學院墨香池里的水樣，用水盆多次取水樣。帶回實驗室。

2.3 植物的培育

把植物分散移植在載體上，載體竹片上有小口，用于扦插植物，把載體放入裝有試驗水體的水盆之中，使植物的根系能扎入水中，并向水中延伸，吸收水分和其他營養。

2.4 浮島的搭建

在實驗室中找到一個有光照的位置來放置實驗設備。將繼電器，太陽能電池板、蓄電池和曝氣頭連接起來。分別進行單倍曝氣量為2×3.5L/min和雙倍曝氣量為4×3.5L/min的比較實驗，將曝氣頭置放于載體的底部。利用太陽能供給能量，給曝氣系統提供微動力使其工作，為植物進行間歇性的供氧活動。

至此，本實驗的所有工作都已準備好。

3 實驗結果與討論

(1)COD實驗數據及處理情況圖

圖1 COD實驗數據及處理情況圖

COD數據分析：剛開始測量時，COD的單倍曝氣，雙倍曝氣的初始值都是121mg/L，隨著曝氣時間和光照時間的增加，COD值呈現逐漸下降的趨勢，單倍曝氣：121,120,118,114,110……92,90,89,90(mg/L)，在150個小時內，COD去除率達到了25.7%；雙倍曝氣：121,119,117,110……78,77,78,78(mg/L),在同樣的時間里，COD去除率達到了35.5%。

(2)溶解氧實驗數據及處理情況圖

剛開始測量時，DO的單倍曝氣，雙倍曝氣的初始值都是4.3mg/L，隨著曝氣時間和光照時間的增加，DO值呈現上升的趨勢，并逐漸穩定。單倍曝氣下DO的數值變化情況:4.3，5.0，5.5，5.9…7.2，7.3，7.3，7.3(mg/L)；雙倍曝氣下DO的數值變化情況：4.3,5.2,5.7,6.3…7.5,7.7,7.8,7.8(mg/L)。

圖2 溶解氧實驗數據及處理情況圖

(3)總氮實驗數據及處理情況圖

圖3 總氮實驗數據及處理況圖

單倍曝氣和雙倍曝氣下總氮的起始值都是49mg/L，隨著光照時間和曝氣時間的增加，總氮含量呈下降趨勢，49,47,33,25,22,21,19(mg/L)，除氮效率為61.2%；雙倍曝氣下的總氮含量為：49,46,39,34,29,26,25(mg/L),除氮效率為71.4%。通過調節曝氣比例的充氧能力，使氧化溝內形成好氧段和缺氧段，在好氧段總氮的去除率高，反之在缺氧段總氮的去除率低，所以雙倍曝氣的充氧濃度大不一定對除氮效果就好，還可能造成缺氧問題。

(4)總磷實驗數據及處理情況圖

圖4 總磷實驗數據及處理情況圖

剛開始測量時，總磷的單倍曝氣，雙倍曝氣的初始值都是4.5mg/L，在單倍曝氣下總磷的含量：4.5,4.2,3.6,2.7,1.5,0.9,0.8(mg/L),除磷效率為82.2%。

在雙倍曝氣下總磷的含量為：4.5,4.3,3.9,3.4,2.9,2.7,2.6(mg/L)，除磷效率為42.2%。

(5)氨氮實驗數據及處理情況圖

氨氮的起始值都是37mg/L，隨著光照時間的增加，氨氮含量是隨之下降的。單倍曝氣下的氨氮含量為：27,23,19,15,11,9,7(mg/L)。

雙倍曝氣下的總氮含量為：27,22,16,12,8,6,5(mg/L)。太陽能微動力人工浮島對氨氮有良好的去除效果，由數據得知，雙倍曝氣下氨氮的去除率為81.5%，單倍曝氣下氨氮的去除率為74.1%。

圖5 氨氮實驗數據及處理情況圖

4 結論

(1)太陽能微動力人工浮島系統對污染水體中的COD、氨氮、總氮和總磷有很大的凈化效果。

(2)曝氣的比例對人工浮島凈化水體的效果有很大影響。

(3)太陽能微動力生態浮島相比于其他傳統的水處理工藝，擁有很多的優勢，更加符合社會發展和經濟效益的需要。

[1] 馮 靖，梁自立，姚富鵬.水體污染對人體健康的影響及防治[J].山東化工，2011,40(7)：70-73.

[2] 童國璋，葉旭紅.生態浮島技術概述及應用前景[J].江西科學,2010,28 (4) :470-472.

[3] 宋翔莆，鄒國燕，吳偉明.浮床水稻對富營養化水體中氮、磷的去除效果及規律研究[J].環境科學學報，1998,18(5)：489-494.

[4] 井艷文，胡秀琳，許志蘭，等.利用生物浮床技術進行水體修復研究與示范[J].北京水利，2003(6)：20-22.

[5] 林佳沐，張飲江，朱文彬.人工浮動綠島對上海白蓮涇水體氮、磷去除效果的研究[J].上海水產大學，2008,35(1):23-27.

[6] 李鋒民，胡洪營.蘆葦抑藻化感物質的分離及其抑制蛋白核小球藻效果研究[J].環境科學，2004(5):89-92.

(本文文獻格式：劉宇爽，劉瑾，趙海，等.太陽能微動力生態浮島技術在水體修復中的應用[J].山東化工，2018，47(02)：137-138，143.)