景觀-生物膜系統在水環境修復中的應用分析

(1.遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110006；2.沈陽楠棲藝境規劃咨詢有限公司，遼寧 沈陽 110003)

隨著社會經濟的發展，環境問題日益突出，特別是水環境問題，對于國民經濟和人民身體健康具有重要影響。城鎮化的發展必然帶來城市景觀水體及水質的惡化，探討具有高效經濟的環境水修復處理工藝是現階段乃至今后的研究重點[1-3]。

傳統的污水處理工藝包括人工濕地、蚯蚓微生物生態濾池以及生態浮床等，其具有占地面積大、景觀效果差、自凈能力低、易受污染等缺點，若管理不當甚至會形成水體富營養化和黑臭現象，失去水體原有的作用，已不能滿足當前社會經濟發展的需要[4-6]。生物膜是一種高效率的處理工藝，是比較成熟和經濟的手段之一，已在水環境治理中逐步推廣使用[7]。以往對于生物膜技術的研究主要集中于生物膜的材料性能方面，即采用何種材料的生物膜處理效果更佳，但是卻忽略了景觀水生植物的作用，即弱化了或者忽視了景觀水生植物的凈化性能[8-12]。

本文旨在將生物膜技術與景觀水生植物相結合，構建一個處理效率高、占地面積小、不易被污染的水環境修復系統(景觀-生物膜系統)，探討不同水生植物在此系統中發揮的功能與作用，最終實現水環境修復與生態效果的和諧統一。

1 試驗概況

1.1 景觀-生物膜系統的構建

試驗過程中主要使用的設備包括太陽能電池板、蓄電池、定時裝置、曝氣泵、圍隔防水布、電控箱、氣體流量計、溶氧儀、便攜式濁度儀、浮游植物熒光儀、綜合采樣器、電子天平、塞氏盤等。試驗原理為：利用太陽能生態浮床技術，將生物濾料層以及景觀植物置于浮床中，定期向系統中曝氣，然后采用鉬酸銨分光光度法測定TP，采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法測定TN，并定期對系統各種植株生長情況進行測定。構建的景觀-生物膜系統主要包括陶粒生物濾料層、生物膜層、空氣擴散裝置、氣體流量計、儲水箱以及景觀生物等，系統裝置示意見圖1。

圖1 景觀-生物膜系統示意

1.2 試驗條件

考慮到系統的適用性和植物對污染物的去除能力以及景觀效果等，選擇常見的美人蕉、鳶尾和海壽3種水生植物作為本次對比試驗分析對象。在野外采集水生植物后，將泥土洗凈，然后帶回室內在自來水中馴養3d，各種植物均選擇大小、高度基本一致的植株移入培養容器內，在同等進水條件下，定期(每5d測一次)對氮磷及植株生長狀況進行統計分析。系統進水的初始水質情況見表1。

表1 系統初始水質設定

2 試驗結果分析

2.1 水生植物成長情況

試驗期間不同植物高度和根系長度的情況見圖2。從圖2可以看出：美人蕉、鳶尾和海壽3種植物的初始高度分別為11.4cm、16.0cm和17.2cm，經60d試驗后，高度分別達到了59.0cm、42.5cm和38.0cm，植株的平均生長率分別為0.79cm/d、0.44cm/d和0.35cm/d，高度和平均生長率的對比情況均為：美人蕉>鳶尾>海壽；美人蕉、鳶尾和海壽3種植物根系的初始長度分別為5.0cm、6.5cm和7.0cm，經60d試驗后，根系長度分別達到了40.0cm、17.2cm和36.4cm，根系平均生長率分別為0.58cm/d、0.18cm/d和0.49cm/d，根系長度和平均生長率的對比情況均為：美人蕉>海壽>鳶尾。從總體上來講：美人蕉的根系發達，枝葉茂盛，其適應生長的能力最強；海壽雖然枝葉生長較慢，但其根系較為發達；鳶尾適應生長的能力居中，3種植物均能在試驗期后達到成株高度。

圖2 試驗期間不同水生植物生長指標變化情況對比

圖3 試驗期間不同水生植物生物量變化情況對比

對3種水生植物的生物量進行統計，對比情況見圖3。從圖3中可以看出，美人蕉的生物量在試驗期內呈三階段變化特征，即0～20d的適應生長期，20～45d的快速生長期以及45～60d的緩慢生長期，這主要是因為美人蕉具有塊狀莖，在快速生長期里隨著時間推移，美人蕉的根莖會萌發新芽從而長出新的植株，故而生物量會大大增加；鳶尾和海壽的前期(0～15d)生物量生長較快，表明兩者在前期對水體的適應力要強于美人蕉，但是隨著美人蕉根系的生長，其適應能力逐漸增強并反超鳶尾和海壽，15～60d試驗過程中，鳶尾和海壽的生物量呈緩慢生長趨勢且生長率基本相同。

2.2 N、P的去除(吸收)情況

圖4 不同植物生長期內對N、P的吸收情況

水體中TN的去除主要是通過植物吸收、根系周圍硝化、微生物降解以及反硝化作用等實現的，即主要是由水生植物和微生物兩者的協同作用進行降解。水生植物可為微生物提供充分的好氧環境，同時分泌一些激素使得好氧微生物不斷進行新陳代謝，而在根系其他地方，則為厭氧微生物提供充分的生存條件，進而促進濃度降解，因此植物的根系越發達，越粗密，TN的去除效果越好。試驗中不同植物對TN的吸收對比情況見圖4(a)。從圖4(a)中可以看出，TN濃度隨著植物生長期的增加呈冪函數型降低，而空白對照組的TN濃度變化幅度很小，主要是因為在植物生長前期，其生物量總體增長較快，對N元素的需求量較多，而空白組主要依靠藻類和微生物自身的降解作用(將有機物轉變為無機物)，因而TN濃度下降較慢；在相同初始TN濃度下，經過60d試驗期后，美人蕉、鳶尾、海壽以及空白組對TN分別去除3.03mg/L、2.55mg/L、2.66mg/L和1.05mg/L，去除率分別達到59.4%、47.8%、50.0%以及21.6%，對TN的去除率對比情況為：美人蕉>海壽>鳶尾>空白組。

水體中P元素主要以磷酸鹽、聚磷酸鹽以及有機磷等形式存在，TP的去除主要通過植物根系以及微生物的礦化吸收(有機磷)，同理，周圍根系越發達，TP的去除效果越好。不同植物對TP的吸收對比情況見圖4(b)，從圖4(b)中可以看出，在相同的TP初始濃度下，美人蕉、鳶尾、海壽以及空白組對TP分別去除0.570mg/L、0.480mg/L、0.390mg/L和0.155mg/L，去除率分別達到了54.3%、45.7%、37.1%和14.8%，對TP的去除率對比情況為：美人蕉>鳶尾>海壽>空白組。

2.3 植物生長與去除率關系

不同水生植物生物量與N、P濃度變化的關系見圖5。從圖5中可以看出，N、P元素隨生物量的增加呈逐漸減小趨勢，但不同植物表現有所不同；美人蕉在生物量20g之前，濃度呈快速減小趨勢，說明此階段植物的生長需要很多N、P元素，大于20g之后，濃度變化基本與x軸平行，即減小幅度很小，這表明后期植物生物量的增加與N、P的去除率關系不大，也說明除了植物吸收之外，還有其他因素對N、P起著去除作用；而鳶尾和海壽則表現為三階段變化特征，即“緩慢降低—快速降低—緩慢降低”；海壽快速降低區位于30～36g，而鳶尾快速降低區位于42～46g，因此不同水生植物在修復水環境的過程中發揮作用的最佳時段是不同的，應在景觀-生物膜設計中予以重視。

圖5 植物生長與元素去除的關系

3 結 論

a.相同水體環境下，美人蕉的適應生長的能力最佳，美人蕉的生物量隨運行時間呈“適應生長、快速生長、緩慢生長”三階段變化特征，而鳶尾和海壽則呈“快速增加、緩慢增加”兩階段變化特征。

b.在N元素去除能力方面：美人蕉>海壽>鳶尾>空白組，而在P元素去除能力方面：美人蕉>鳶尾>海壽>空白組，美人蕉對于N、P的去除率分別達到了59.4%和54.3%。

c.不同水生植物生物量與元素去除的關系各有差異，美人蕉呈“快速降低、緩慢降低”兩階段特征，而鳶尾和海壽則呈“緩慢降低、快速降低、緩慢降低”三階段變化特征。

d.綜合實驗成果，美人蕉在三種水生植物中最適宜作為景觀-生物膜的植物品種，其具有去除N、P元素效率高，去除時間短等特點。由于時間和精力有限，本文僅對N、P元素的去除進行了說明，其他指標的試驗研究將在今后繼續開展。