組合生態浮床設計及強化水體污染物降解試驗研究

(凌源市水資源管理辦公室，遼寧 朝陽 122500)

1 材料與方法

1.1 試驗概況

研究地點位于遼寧省凌源市，雨熱同期，降水充沛，氣候溫和，暑熱期長，屬溫帶大陸性季風氣候，年平均總降水量482.4mm，極端最低氣溫為-27.9℃，極端最高氣溫為43.3℃，多年平均氣溫8.7℃。試驗研究富營養化水體凈化模擬池為自然開放露天場地，場地面積為243m2，水深1.6m，池底鋪砌為混凝土，無魚草共生。池內沉積物和上覆水來自試驗場內養雞場糞便沼氣發酵池后的氧化塘塘水，富養化水體凈化模擬池沉積物平均厚度為22cm，水深1.2m，穩定期為兩周。模擬池上覆水水質指標初始值，見表 1。參照《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)，該上覆水水質富營養化狀況較為嚴重，TP、NH4-N、TN和COD等指標屬于劣V類。

表1 模擬池上覆水水質指標初始值

1.2 供試植物

選取5種生長習性不同的植物(水稻、再力花、千屈菜、菖蒲和美人蕉)作為研究對象。試驗用水稻為龍稻18，性喜溫濕、短日照，穗分化適溫27℃左右，本地適合生長時間為4—10月。再力花不耐寒，喜陽光充足、溫暖水濕的氣候環境，在微堿性的土壤中生長良好，花期適宜溫度為23—26℃，生長適宜溫度為21—29℃，本地適合生長時間為4—9月。千屈菜性喜光照充足、水濕、溫暖、通風好的環境，比較耐寒，多生長在溝邊、河邊、水旁濕地和沼澤地，可在旱地栽培，生長適宜溫度21—31℃，南北各地均可露地越冬，本地適合生長時間為3—11月。菖蒲不耐寒，性喜濕潤溫暖，適宜生長的溫度為21—26℃，溫度低于10℃時將暫停生長，本地生長周期為4—10月。美人蕉為多年生宿根草本植物，忌干燥、不耐寒，性喜濕潤溫暖，適宜生長的溫度為23—26℃，溫度低于8℃時將暫停生長，本地適合生長周期為4—10月。以上植物均適合開春后4月至當年夏季9月在本地生長。

1.3 組合型生態浮床的構建

在模擬池放置生態浮床，池兩端安裝造浪-輸送系統和水循環增氧系統，如圖1所示。通過時控開關控制運行時間，運行頻率兩系統交替運行1h，試驗設置3個重復。選用充氣式浮法種植盤60cm×60cm×10cm，每個種植盤有9個種植杯來栽培株型高度一致，生長良好的浮床植物。模擬池單元中充氣式多功能種植盤共栽種水稻45株、再力花36株、千屈菜36株、菖蒲36株、美人蕉36株，生態浮床面積覆蓋率約為25%，浮床植物種植密度40株/m2。試驗設置3個重復和3個空白對照重復。圖2為浮床植物長勢。

圖1 組合型生態浮床布局

圖2 浮床植物長勢

1.4 試驗方法

試驗均在自然溫度和光照下進行，浮床植物于2017年4月中旬移栽，栽種后觀察植物成活率情況，試驗于2017年4—9月間進行，為消除水分自然蒸發損失和植物蒸騰作用對試驗效果的影響，定期補充稀釋到一定濃度的氧化塘塘水。通過水質采樣器采集水面0.6m下處水樣于西林瓶中，取樣時間在上午10時左右，每隔7d取樣一次。水質指標的分析參考國家標準檢測方法，見表2。

表2 檢測指標及方法

1.5 營養狀態評價

以Chla、SD、TP、TN和COD五項因子為評價指標，采用綜合營養狀態指數(TLI)對水體的富營養化狀態進行評價，營養狀態指數計算公式如下：

TLI(Chla)=10(2.5+1.086lnChla)

(1)

TLI(SD)=10(5.118-1.940lnSD)

(2)

TLI(TP)=10(9.436+1.624lnTP)

(3)

TLI(TN)=10(5.453+1.694lnTN)

(4)

TLI(COD)=10(0.109+2.661lnCOD)

(5)

(6)

式中Wj——第j種參數的營養狀態指數的相關權重；

TLI(j)——第j種參數的營養狀態指數；

TLI(Σ)——綜合營養狀態指數。

2 結果與討論

2.1 上覆水中COD的去除效果

上覆水中COD質量濃度變化如圖3所示，可以看出：組合型生態浮床作用下模擬池中上覆水中COD的去除效果比較明顯，對照池和模擬池35～42d內上覆水COD質量濃度較為接近，48d開始模擬池上覆水COD質量濃度下降趨勢明顯，主要是由于浮床植物進入生長旺盛期，生物量逐漸增大，對懸浮物的吸附作用及有機物的吸收利用增強，有效降低了水體中有機物質的含量。在試驗后期，浮床中有機物根系腐敗、分解導致模擬池上覆水中COD質量濃度下降速度趨于緩慢。試驗期間，對照池上覆水中COD質量濃度由初始值10.92mg/L降低到7.48mg/L，去除率為31.50%，呈小幅下降趨勢；模擬池上覆水中COD質量濃度由初始值10.92mg/L降低到4.87mg/L，去除率為55.41%，去除率明顯高于對照池，去除效果比較明顯。

圖3 上覆水中COD質量濃度動態變化

2.2 上覆水中TN的去除效果

上覆水中TN質量濃度變化如圖4所示，可以看出：對照池和模擬池上覆水中TN質量濃度在前49d變化趨勢比較接近，主要是由上覆水中生物降解和懸浮固體下沉造成的。49d后上覆水中TN質量濃度下降速度明顯加快，主要是由于浮床植物根系的截濾作用能去除大量懸浮有機物，同時藻類的自沉降作用進一步降低了TN質量濃度。而對照池上覆水中TN質量濃度變化主要集中在前49d，后期變化較小，由初始值4.03mg/L降低到2.64mg/L，去除率為34.49%；模擬池上覆水中TN質量濃度由初始值4.03mg/L降低到1.05mg/L，去除率為73.95%，為對照池去除率的2.14倍。這是因為生物硝化反硝化作用能夠有效去除總氮，雖然浮床植物吸收所占的比重較小，但是在造浪輸送系統和水循環增氧系統作用下，為上覆水中好氧微生物的生長和繁殖創造了條件，植物同化和吸收氮素合成有機氮和蛋白質，從而降低了模擬池上覆水中各種無機或有機氮，使得TN質量濃度大幅下降。

圖4 上覆水中TN質量濃度動態變化

2.3 上覆水中的去除效果

圖5 上覆水中質量濃度動態變化

2.4 上覆水中的去除效果

圖6 上覆水中質量濃度動態變化

2.5 上覆水中TP的去除效果

試驗期間對照池和模擬池中TP質量濃度變化，如圖7所示。可以看出：在前28d對照池和模擬池中TP質量濃度比較接近，表明該時間段內TP質量濃度的降低主要與上覆水中懸浮固體的下沉有關。隨著試驗時間的延長，對照池上覆水中TP質量濃度變化幅度較小，42～119d時TP質量濃度有小幅升高趨勢，主要與沉積物中TP的釋放有關，總體上維持在0.22～0.26mg/L波動。而模擬池上覆水中TP質量濃度由初始值0.25mg/L降低到0.06mg/L，去除率為76%，主要是由于浮床植物根系為微生物提供了龐大的附著面積，對磷的同化作用顯著提高。但試驗后期，TP質量濃度維持在0.06mg/L左右，基本沒有變化，主要是由于微生物活性降低，同化作用減弱，模擬池組合型生態浮床有機物生長趨于緩慢，水稻根系腐敗，喪失對富養化水體生態修復功能。

圖7 上覆水中TP質量濃度動態變化

2.6 上覆水中SD和Chla的變化特征

對照池和模擬池中SD變化，如圖8所示。可以看出：對照池與模擬池均呈現出明顯的上升趨勢，但升高幅度存在較大差異。對照池上覆水中SD由初始值0.35m上升到0.44m，上升幅度為24.71%；而組合型生態浮床作用下對模擬池的SD上升效果明顯，由初始值0.35m上升到0.56m，提高了60%。其中，21～119d之間SD上升幅度較快，一方面因為生態浮床能夠遮擋陽光，降低了光照強度，有效抑制藻類的生長繁殖，通過接觸沉淀作用促使浮游植物沉降；同時，隨著試驗時間的延長，水體營養含量相對較低，浮床植物生命周期長、個體大、儲存和吸收營養鹽的能力高于浮游藻類，浮床植物根系能分泌出克藻物質，嚴重影響藻類的生理代謝功能，抑制了藻類大量繁殖，模擬池上覆水的SD顯著提高。

圖8 上覆水中SD動態變化

對照池和模擬池中Chla變化，如圖9所示。可以看出，模擬池Chla質量濃度變化與模擬池上覆水SD提高的原因分析相一致，模擬池上覆水Chla濃度由初始值24.49mg/L降低到4.63mg/L，降低了81.08%。而對照池上覆水氮、磷等元素豐富，促進了藻類增長繁殖，Chla質量濃度呈現升高趨勢，由初始值24.49mg/L上升到33.38mg/L，上升幅度為36.30%。

圖9 上覆水中Chla質量濃度動態變化

2.7 營養狀態評價

對照池和模擬池的富養化狀況通過TSI評價法進行評價，結果見表3。可以看出，試驗前和試驗后對照池的水體營養狀態均為中度富營養，而試驗后模擬池的水體營養狀態為中營養。對于組合型生態浮床作用下的模擬池而言，TP、TN、COD和Chla濃度都有大幅下降，水質得到明顯改善，營養狀態由中度富營養降低到中營養，表明組合型生態浮床對常營養化水體的生態修復效果比較顯著。從對照池各單項指標來看，雖然TP、TN、COD濃度都有所下降，但Chla由初始值24.49mg/L上升到33.38mg/L，導致TLI值仍處于較高水平。

表3 富營養狀態評價結果

3 結 論