生物柵對巢湖西環城河景觀水凈化效果的研究

徐震，劉紹根

(安徽建筑大學 環境與能源工程學院，安徽 合肥 230601)

0 引言

城市景觀用水之所以成為各大城市建設的重點內容，是因為城市景觀用水本身具有一定的價值，如景觀價值、生態價值等。大部分景觀水是由河流和湖泊等天然水或由人工建筑構成的封閉水體形成的，用于娛樂等一系列居民活動。這種水體還具有一些缺點，例如容易受到污染，穩定性較差和水環境容量較小，自凈能力差等[1]。景觀水的生態修復是為了盡可能的去除水中污染物、恢復原有生態系統的樣貌[2]。而在城市河道生態修復治理過程中，各種修復技術因為本身具有成本較低、修復效果好等眾多優點而被廣泛應用；不過，與單一的生態修復技術相比，一些復雜的組合生態修復技術的優勢不僅是效果更好，而且能使多種單一的修復技術求同存異發揮出其更好的治理能力和穩定性，實踐證明，景觀水體的生態治理已經取得令人欣慰的效果[3～7]。

生物柵技術是把動植物、微生物以及一些必要的生態元素協調統一起來完成該項技術的去污治理能力[8～11]。生物柵作為全新高效的生態工程技術，具有一些其他傳統生物技術沒有的優點，不僅降低了工程投資，而且裝置本身還易于運行、便于管理，是生態修復工程的首選技術[11]。

目前，生物柵技術在國內的應用非常廣泛，楊清海利用生物柵技術處理麗娃河富營養化景觀水體研究，對 COD、TN、TP的去除率達 57.6%、60.8%、82.4%；王國芳等以空心菜、三角帆蚌、人工介質構建生物柵處理湖水，發現加入三角帆蚌后人工介質上生物活性明顯提高，提高了去除污染物的效果；李偉等通過搭建組合生態浮床來太湖梅梁灣湖水，結果表明TN、TP的平均去除率在50%以上。

巢湖市西環城河景觀水體的治理原先利用植被修復、生態岸坡、植石生態法等技術，通過濱岸景觀設計及植物的配置達到對景觀水體的凈化修復。為了更加美化景觀水環境，在原來的基礎上，構建生物柵系統，分析植物和填料在系統中去除污染物分別起到的作用，遴選出適合于處理巢湖當地景觀水體的水生植物，為今后示范工程的建設和應用生物柵技術修復城市景觀水體提供可靠的理論依據。

1 實驗材料與基本方法

1.1 實驗材料選擇

通過查閱文獻及對西環城河周邊的實地調查，本論文選定水生植物為美人蕉、鳶尾，選取生長狀況基本一致的植物，植物來源于丁崗河濕地公園，挖回沖洗根部污泥，移栽到試驗水體中，種植在裝置中，為了使植物不傾倒，采用棉布包裹固定在定植孔內。選擇組合填料(醛化纖維材料)作為本試驗的填料，填料安裝上之前需經過清水沖洗再用實驗用水沖洗，方可安裝于實驗裝置內。

1.2 實驗方案設計

小試裝置采用長方體外框架，尺寸為1 000 mm×500 mm×600 mm，有效水深500 mm。生物柵裝置示意圖1。組合填料纖維長50 mm。試驗裝置內放置供植物栽種床體，床體上有6個定植孔，每個定植孔內可種植1～2株植物，每個定植孔下面有1串組合填料，每串上有掛5個盤片，每個盤片選用直徑80 mm，每個盤片上掛有8個長50 mm的纖維填料，每串上盤片間隔70 mm。裝置正面設置4個采樣口，每個取樣口間隔10 cm，最下端取樣口位于裝置底端10 cm處(做實驗取水樣時可以從距離水面10 cm處的取樣口取水)。待生物柵系統組裝完成后，各項水質指標的監測等到植物根系和所掛填料充分交織后(長出三級根系并與填料發生盤旋)再開始進行，填料與植物根系交織見圖2。

圖1 生物柵裝置示意圖

圖2 植物根系與填料交織

1.3 試驗方法

試驗共設4組水箱，第1、2組水箱設置有植物和填料，植物為美人蕉、鳶尾，第3組只裝有填料沒有植物，第4組只裝有植物沒有填料，植物采用美人蕉；生物柵設計水力停留時間為8 d，試驗過程中每天取樣一次進行水質監測，監測指標時需注意，每個樣本做3組平行監測，每項監測結果取3組數據的平均值。主要監測指標為CODCr、TP、TN、氨氮，監測指標均按文獻[12]的所給方法進行實驗。通過比較4組處理組的生物柵系統處理去除率，對選中植物和填料的處理能力進行綜合評價，從而選擇出適合環城河的生物柵系統。

本次試驗小試裝置放置在環城河邊的污水泵站中，方便于裝置進水及換水，水質監測實驗室安置在篆池新村后污水處理廠中，小試裝置現場圖如圖3所示。

圖3 生物柵小試裝置現場圖

試驗用原水用西環城河河水，進裝置時用污水提升泵打入水箱，再由水箱通過重力流方式進入各個裝置箱。

2 結果與分析

巢湖市西環城河水質如表1所示：

表1 巢湖市西環城河進水水質 單位：mg/L

2.1 對CODCr的去除效果

生物柵中，主要通過植物新長出的根部的吸收作用，通過填料、植物根部微生物自身的代謝作用等作用來去除有機物。每次試驗監測COD指標做3組平行重復對照試驗，結果取3組平均值，得出圖4；圖4是處理組在設定周期內COD濃度和COD去除率的變化情況；由圖可以看出，對COD的去除率中，填料組為19.1%，美人蕉+填料組為53.5%，鳶尾+填料組為47.1%，而人工浮島組達32.6%；試驗前期可發現人工浮島組對COD的去除效果基本與植物+填料組沒什么明顯的區別，這是因為試驗初期組合填料上的生物膜不是很成熟，待系統中微生物種類和數量越來越豐富時，生物柵組就明顯比人工浮島組的處理效果要好；由此可以得出：(1)生物柵組對有機物的去除效果優于人工浮島組，說明人工浮島添加了組合填料增加了系統內的微生物數量與種類，增強了微生物與水生植物以及填料之間的協作作用，促進了系統對景觀水體中有機物的降解。這與徐功娣等試驗得出的結論一致。(2)植物對有機物的去除是美人蕉要優于鳶尾。由于美人蕉根系比鳶尾發達，與填料充分交織在一起增大了與污染物的接觸面積，促進了美人蕉生物柵更好的去除水中有機物，與吳卿、王美等[13]得出的美人蕉是生物柵優勢植物的實驗結論一致。

圖4 處理組COD指標濃度變化及去除率圖

2.2 對TP的去除效果

生物柵系統通過植物對磷的吸收、組合填料對磷的吸附、聚磷菌的攝磷機制等等實現環城河河水中磷的去除。每次試驗監測TP指標做3組平行重復對照試驗，結果取3組平均值，得出圖5。圖5為處理組TP指標的濃度以及去除率變化情況。由圖可以看出，環城河水中TP的去除率中，在填料組為52%，在美人蕉+填料組的去除率則高達75%，在鳶尾+填料組去除率達69%，稍遜色于美人蕉系統；處理組兩種植物對TP的去除分別為23%、17%，基本符合Hadada H R等[14]試驗得出植物對TP的去除率一般在5%～20%。而人工浮島組對TP的去除只有22.5%，由此可以看出，組合填料對TP的去除比植物單獨作用效果要好；美人蕉對TP的去除效果要優于鳶尾，說明美人蕉生物柵系統更適于景觀水體對TP的去除。這與吳卿等試驗得出結論一致。

由圖5還可以發現，生物柵處理組在試驗初期處理效果就明顯優于人工浮島組，這是由于在試驗初期系統中填料就已經與植物根系形成了復雜的“網狀結構”[15]，攔截了很大部分的不溶性的磷；到了試驗中期，附著在這“網狀結構”上的如聚磷菌等菌種起到了決定性作用，使得生物柵組對TP的去除效果遠遠優于人工浮島組。

圖5 處理組TP指標濃度變化及去除率圖

隨著試驗時間的推移，會發現各組對TP的去除率一直在升高，但是增長幅度越來越小，這是因為在試驗周期內，沒有對成熟的植物進行裁剪收割，植物對磷的吸收以及填料對不溶性磷的吸附逐漸達到飽和狀態，若對試驗后期對植物進行收割裁剪，會讓系統的去除效率更進一步提升。

由此可以得出結論：(1)生物柵系統對TP的去除效率遠優于人工浮島組和填料組(2)美人蕉生物柵系統對TP的處理效果要好于試驗其他處理組。

2.3 對TN的去除效果

生物柵系統主要通過植物吸收、硝化與反硝化、組合填料的吸附作用等的途徑來實現對水中總氮的去除；每次試驗監測TP指標做3組平行重復對照試驗，結果取3組平均值，得出圖6。圖6為處理組TN指標的濃度以及去除率變化情況。由圖中可以看出，對環城河TN去除率中，填料組達到了55.5%，而生物浮島組去除率則為48.2%，而美人蕉+填料組的去除率高達83.9%，鳶尾+填料組去除率達78.9%，也稍遜色于美人蕉組，這與吳卿等研究不同植物生物柵系統對水質凈化效果的研究結論相同。由于水體存在著自凈功能，對TN的去除也有著很大的幫助，資料顯示依靠水體本身的自凈能力對TN的去除率也可達到27.4%～27.8%[16]。

由圖可看出，在整個試驗過程中，生物柵對水中TN去除效果始終優于人工浮島組，而且過程中差距也是越來越大的，主要因為生物柵系統內填料上附著著大量細菌，它們可以將水中的含氮有機物轉化為可供植物直接利用的無機氮化合物，從而使得生物柵裝置水中TN含量很低。

圖6 處理組TN指標濃度變化及去除率圖

在本實驗中，水生植物對水中TN的去除率在20.32%～28.4%，由此可見水生植物是生物柵系統必不可少的元素之一，王國芳等[17]研究表明，在組合型生態浮床試驗中，填料、植物、水生動物對TN的去除貢獻率分別為48.5%、22.2%、29.3%，同樣應證了水生植物對生物柵系統的重要性。植物加強了生物柵對TN的吸收，填料上所形成的表面積巨大的生物膜與根系交織，形成適合去除TN的好氧—缺氧—厭氧環境，這增強了微生物的硝化與反硝化作用，也就提高了生物柵對TN的去除率。

由上可得出結論：(1)生物柵系統處理TN的效果優于人工浮島組和填料組(2)美人蕉生物柵系統是處理景觀水中TN的最優選擇。

2.4 對氨氮的去除效果

生物柵系統主要通過植物根部的吸收、微生物發生硝化反應來實現對環城河中氨氮的去除；每次試驗監測氨氮指標做3組平行重復對照試驗，結果取3組平均值，得出圖7。圖7為處理組氨氮指標的濃度以及去除率變化情況。。由圖可以看出，對水中的氨氮去除率中，填料組達到53.3%，而美人蕉+填料組去除率達88.2%，鳶尾+填料組去除率達80.4%，而生物浮島組的則只有40.9%。由此，對生物柵進行合適的植物種植可以較好的提高對水中氨氮的去除。在試驗周期的的前3天對氨氮的去除效果最好，是因為系統內各單元此時的溶解氧含量相對比較高，在好氧環境下氨氮可以轉化為硝酸鹽與亞硝酸鹽，從而使水中氨氮得以較多的去除。

圖7 處理組氨氮指標濃度變化及去除率圖

由圖中可以看出，在生物柵處理組和人工浮島處理組對比中，生物柵處理組的凈化效果要優于人工浮島組，這是因為在組合填料上形成的生物膜上生物量越來越豐富，世代周期較長的硝化細菌增強了對氨氮的硝化作用，同時隨著試驗的推進，植物根系分泌氧的作用增強也促進了硝化過程的進行；另一方面，填料與根系交織密集處形成了缺氧空間，為反硝化作用提供了必要的條件[16]。因此，大大增強了對水體氨氮的去除效果。

由此可得出結論：(1)生物柵系統處理氨氮的效果優于人工浮島組和填料組(2)美人蕉生物柵系統是處理景觀水中氨氮的最優選擇。

3 結論

生物柵系統對巢湖市居巢區富營養化水體中的CODCr、TP、TN、氨氮均有較為理想的去除效果。且CODCr、TP、TN、氨氮四項指標均可達到國家地表水環境質量標準中規定的Ⅳ類標準。

各實驗組對巢湖市居巢區富營養化景觀水體中的CODCr、TP、TN、氨氮四項指標去除率會隨實驗選定的停留時間增長而增長，但是越到試驗后期污染物的去除率增長的會越來越慢，說明生物柵系統的去污能力達到一極限，對檢測的四項指標CODCr、TP、TN、氨氮的去除率分別為 47.1%～53.5%、69%～75%、78.9%～83.9%、80.4%～88.2%。實驗組得出結論中，美人蕉作為處理效果最好的理想植物，不僅除污能力強，而且景觀效果好，可以作為巢湖環城河治理的首選植物。