人工浮島基質對富營養水的修復作用研究

張金麟 吳 菁 楊文卿，3

（1泉州麥可環保成套設備有限公司 福建泉州 362000 2福建師范大學閩南科技學院環境科學研究所 福建泉州 362332 3福建師范大學泉港石化研究院 福建泉州 362800）

引言

時至今日，世界各地都出現了嚴重的水環境問題，其中水體富營養化是主要問題，因此大多數地區對其污染控制技術進行一系列探索。我國共有湖泊大約有2900多個，占中國地域約9萬多平方公里。根據全球范圍各種調查資料表明，我國較為主要的37個湖泊里，重富營養型的湖泊所占比例超過8%，達到8.8%，而富營養型的接近15%，大部分屬于營養型及中富營養型，其所占比例大于55%。中國90%以上的水體環境污染是因水中的N、P含量超標而引起的富營養化，然而對植物的生長來說，氮元素和磷元素同時也是必需營養元素。人工浮島作為探索對象是從自20世紀80年代開始[1]，廣泛的被認為是一項具有環境效益的原位水體的恢復工藝。目前許多國家普遍性地使用在環境生態的恢復和地表的水體污染控制方面[2]。該技術主要是類比人工濕地能夠過濾富營養水中污染物質的原理，再嵌入人工浮島技術，利用微孔之間水的毛細作用將富營養水吸入浮島基質內，通過植物葉片的蒸騰作用后，將基質內的水通過根系吸收至植物體內進行固氮固磷作用，從而達到凈化水質、增強觀賞效應以及提高其他經濟效益的目的[3]。最后通過植物的移除以達到N、P和COD的轉移與再利用。

人工浮島自創造以來在全國乃至全世界都得到普遍探索研究。其中，對人工浮島基質的研究可分為生物基質、有機聚合物基質、無機基質[4]，其中較為普遍運用的有陶粒、沸石、生物質碳等。1998年劉淑媛等人為了研究對富營養水體的凈化效果，采用蛭石作為浮島載體，以水芹、多花黑麥草和水雍菜作為浮島植物[5]。后來，美國Lang Teck環保公司開發了一種被稱為生物壩的人工浮島[6]，該種浮島是由若干個裝有以球形的改性環氧樹脂為基質的生物箱連接而成，基質上附著微生物。便捷裝備的生物壩，是以水面的寬度條件實行現場的裝載，并且某些箱體被破壞后也可以單獨的進行更換。王怡等人在2005年利用珍珠巖開發了一種生物型載體[7]，掛膜試驗顯示微生物在該載體附著生長良好，故而這種珍珠巖載體擬被廣泛應用在生物膜的反應器中。鄭劍鋒等人[8]將生物陶粒當作基質，微生物依附在基質上生長，將其添加到生態浮島的反應器中后，水體恢復效率得到了必然的提高。施亮亮等[9]利用天然的秸稈作為浮島基質，實現了水體生態修復和秸稈資源化利用的雙重效益。劉洋[10]選擇采用土壤、頁巖、鋼渣、砂石、煤渣、爐渣6種不同填料，以靜態試驗的方式研究了在人工濕地上各種不同的填料對除磷的效果的好壞，為今后的人工浮島基質的選取提供理論上的依據。

考慮到此技術運用到實際中能夠容易操縱，文章選擇用滲透性好、使用經濟、來源方便易得且能夠進行廢料運用的基質填料。實驗用活性炭、頁巖陶粒、膨脹蛭石作為基質[11]，通過實驗計算人工浮島對TN、TP、COD的去除效率，分析研究各種基質的脫氮除磷、降解 COD的能力，旨在尋求一種性價比較高的人工浮島填充基質，力求將生態浮島技術成熟應用，以減輕水體由于封閉或自循環不足帶來的水體腥臭、富營養化等現象。

1 材料與方法

1.1 主要材料

1.1.1 人工浮島裝置

圖1是人工浮島實驗裝置，其制作材料為直徑16cm、高12cm的圓柱形PVC塑料,底部的PVC板鉆出一定距離、一定數量孔徑為4mm的小孔，并由PVC膠粘合而成，作為人工浮島的底。為了增加浮島浮力，使其浮于水面，在人工浮島裝置的外圈覆上一層八邊形的聚氨酯泡沫，如圖1（A）所示。此外，為防后續試驗過程中填入的基質滲漏，在人工浮島裝置中加入數層紗布，其效果如圖1（B）所示。

圖1 人工浮島實驗裝置

1.1.2 人工浮島植物

綜合考慮泉州地區的環境、氣候等客觀因素的影響，文章選擇根系發達、生長力旺盛、具有較強的耐污能力及一定經濟和食用價值的空心菜作為本次實驗的供試植物[12]。實驗前進行歷時一周的空心菜苗的培育，將空心菜苗培育至2-4cm。

1.1.3 人工浮島基質

實驗選取頁巖陶粒、膨脹蛭石、活性炭作為人工浮島的填充基質，比較其對氮、磷、COD的去除效果。

1.2 實驗水體

實驗采用3個規格一致的水桶構成三組平行實驗，分別向三個水桶內投入體積為17L的模擬富營養水。此外，為保證各種微量元素的供給，植物良好生長，每6天向人工模擬的富營養水中滴加2.5ml微量元素溶液。

表1 模擬富營養水體成分組成及水質參數

1.3 實驗方法

實驗采用規格相同的水桶組建3個平行實驗，向三個人工浮島中分別填入三種處理過的基質，從事先培育好的空心菜苗中選取長勢、株高相近的空心菜苗12株，每個浮島4株，將其種入人工浮島實驗裝置中構成生物浮島，再將實驗裝置置于水桶內，讓其吸收凈化模擬富營養水。每個周期歷時12天，共24天，期間每三天進行一次采樣，對水中TN、TP、COD進行檢測分析。水質測定均采用國家標準方法進行測定。TN-堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，TP-鉬酸銨分光光度法，COD-重鉻酸鉀滴定法。

2 結論與分析

2.1 植物生長情況比較

圖2 植物株高生長變化

圖3 植物根長生長變化

圖2、圖3是空心菜在分別以頁巖陶粒、膨脹蛭石、活性炭為基質的人工浮島中的株高及根長生長變化。較之活性炭和膨脹蛭石，空心菜在以頁巖陶粒為基質的浮島中生長得更好。在頁巖陶粒基質浮島中生長的空心菜株高增長量為27.83cm，是膨脹蛭石基質浮島中生長的空心菜的1.0036倍，是活性炭基質浮島中生長的空心菜的1.1145倍；空心菜在頁巖陶粒中的根長增長量為13.05cm，在膨脹蛭石中的根長增長量為頁巖陶粒的84.52%，在活性炭中的根長增長量僅為頁巖陶粒的60.15%。此外，頁巖陶粒中含有較低的金屬鈣氧化物和較高的金屬鋁氧化物，促進了鋁對磷的物理化學作用，增進了鈣與磷化學反應的完全進行[13-14]，使植物長得更好。可見，頁巖陶粒的截污能力較之活性炭和膨脹蛭石更強，對水中氮、磷等物質的吸附性能好，更有利于植物生長。

2.2 TN的去除效果對比

圖4是3組實驗浮島對水體中TN的濃度變化情況。實驗的兩個周期均顯示，3組平行實驗浮島在基質的吸附作用及植物的蒸騰作用下，水中的含氮污染物主要以NH3-N和NO3-N的形式作為植物養分被植物吸收利用，達到了降解水中TN含量的目的。

分析圖4可知，實驗兩個階段，實驗前期三種基質對TN的降解速率較快，后期較為緩和，這是因為前期主要是基質的吸附和植物的吸收共同作用，實驗前期基質處于饑餓狀態，基質大量吸附水中的含氮化合物，經過硝化作用以NH3-N和NO3-N的形式作為植物的養分被吸收利用，去除效果較好，后期降解速率減緩，主要以植物的硝化吸收作用為主，且富營養水體經過浮島凈化后含氮量降低，所以降解速率下降。總體而言，活性炭與膨脹蛭石對TN的降解效率相當，頁巖陶粒相對較差。實驗第一階段，活性炭的去除率達60.82%，膨脹蛭石約為52%，實驗第二階段，活性炭的去除率約58%，膨脹蛭石的去除率較第一階段有所上升，達到60.15%，但總體效果較穩定。而頁巖陶粒在兩個階段的去除率均穩定在48.84%-53.69%之間，去除效果相對較差。綜上所述，活性炭和膨脹蛭石對TN的降解效果相比于頁巖陶粒更好。

圖4 人工浮島對TN的降解效果

2.3 TP的去除效果對比

圖5 人工浮島對TP的降解效果

3組平行實驗對水體中含磷污染物的濃度變化如圖5所示，三種基質對含磷污染物的去除能力為：活性炭＞頁巖陶粒＞膨脹蛭石。觀察下圖可知，實驗兩個階段活性炭對磷的去除曲線的下降趨勢最為明顯，去除率高達72%以上，去除效果最好，這是因為活性炭內部有許多細小的孔洞且孔隙發達、比表面積巨大，吸附體積大、過濾速率快。頁巖陶粒次之，第一階段的降解率為52.78%，第二階段的降解率為65%，總體去除效果較好，膨脹蛭石去除效果最差，最高不足48%，這是因為頁巖陶粒基質呈多孔結構，孔隙率高，比表面積大，且頁巖陶粒中含有較高的金屬鋁氧化物和較低的金屬鈣氧化物，更有利于溶液中的磷元素均勻地吸附在基質表面，加強了鋁和磷之間的理化作用，加快了鈣與磷形成沉淀反應的速率[13-14]。而膨脹蛭石中鈣的含量為1-2%，頁巖陶粒的含量是膨脹蛭石的1.75倍，鋁含量為9-17%，僅是頁巖陶粒的1/2，自然吸附效果次于頁巖陶粒。

2.4 COD的去除效果對比

圖6 人工浮島對COD的降解效果

圖6是3組平行實驗浮島對水中COD的濃度變化情況。在實驗第一階段，活性炭、膨脹蛭石、頁巖陶粒對COD的去除效果明顯，累積降解率分別為74.57%、74.03%、70.92%，均達到70%以上。這是因為實驗初期基質處于饑餓狀態，可以大量吸附水中的COD。實驗第二階段，三種基質對COD的降解速度較為緩慢，活性炭和頁巖陶粒的降解率均在33.5%左右，膨脹蛭石的降解率僅為22.01%。這是由于水中的COD主要在基質的吸附過濾作用下得以降解，實驗后期基質基本已處于飽和狀態，此外，COD對植物的生長不起作用，植物對COD僅有吸附作用而無吸收作用，所以去除效果差[15]。綜合而言，三種不同基質的人工浮島對COD的降解率相近，都能維持70%左右，活性炭的降解率接近75%，可見活性炭的吸附能力更強。

結語

頁巖陶粒的截污能力較之活性炭和膨脹蛭石更強，對水中氮、磷等物質的吸附性能好，更有利于植物生長。在頁巖陶粒基質浮島中生長的空心菜株高增長量是膨脹蛭石的1.0036倍，是活性炭的1.1145倍；空心菜在膨脹蛭石中的根長增長量為頁巖陶粒的84.52%，在活性炭中的根長增長量僅為頁巖陶粒的60.15%。頁巖陶粒對于TN去除率穩定在48.84%-53.69%之間。對TP的降解率為72.89%，對COD的去除率為70.92%，去污能力略低于活性炭。但結合其價格，頁巖陶粒的性價比較高。

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