基于復氧型生態浮島對河道水環境的研究

曾德芳

（重慶交通大學，重慶400041）

1 研究背景

全國26.2 萬km 的河流中劣Ⅴ類水河長占評價河長的5.5%，與上一年度相比，劣Ⅴ類水河長比例有所降低[1]。全國544 個重要省界斷面中，劣Ⅴ類斷面比例占評價斷面總數的9.0%。雖然近兩年來國內的地表水水質有一定改善，但是仍有位于地表水Ⅴ類以下用地表水，水體主要污染指標為化學需氧量、總磷、氨氮、生化需氧量等。由此可見，若要改善地表水水質，重點從水體主要污染指標著手。

1.1 河流污染原因及危害

造成河流污染的來源主要有兩個：內源污染和外源污染。底泥是造成內源污染的主要因素，底泥中沉積了各種污染物，在物理、生化作用下，底泥再次懸浮，釋放污染物質，形成二次污染[2]。外源污染包括河道水系不通暢、堤岸硬質化、人工裁彎取直等[3]。河流污染間接對人們的飲用水安全構成嚴重威脅。

1.2 研究意義

根據單嘉祺[4]對沙河道浮島水草養護現狀的調查結果顯示，目前曝氣機的使用壽命以及能耗問題依然是阻礙曝氣技術推廣的難題。

由于單一生態浮島和人工曝氣技術存在不足，本文研究了一種太陽能水循環復氧設備與生態浮島相結合的復氧型生態浮島用于凈化河道水環境，一方面解決了曝氣機耗電量大的問題，另一方面也提高了水體的復氧能力，增強了生態浮島的凈化效果，有利于河道生態系統的修復。通過設置平行對比實驗比較復氧型生態浮島與傳統生態浮島、太陽能曝氣對河道水體TP（總磷）、氨氮、COD（化學需氧量）的去除率，參與構建小型生態系統，維持健康的水生生態環境。

2 研究方案與方法

2.1 實驗方案

設置3 組平行試驗：試驗1，設置復氧型生態浮島組合工藝；試驗2，單獨設置生態浮島；試驗3，單獨設置曝氣設備（如圖1）。

在河面開闊且流速較緩河段選取300m 作為實驗區域，其中100m 每間隔30m 放置1 臺太陽能水循環復氧設備，共計3 臺用于測試實驗3；另100m 水面僅安置生態浮島，沿河道兩岸布置2m×10m 的生態浮島，每隔4m 1 個，共計14 個，水面覆蓋面積280m2，用于測試實驗2；最后100m 生態浮島與太陽能水循環復氧設備組合布置，用于測試實驗1。

圖1 浮島拼裝示意圖

2.2 測試方法

在河道中固定位置設置水質監測點，每隔5d在河道中取水樣，持續監測水體總磷(TP)、氨氮(NH4+-N)、COD 濃度變化。其中，TP 的測定采用鉬酸銨分光光度法、氨氮的測定采用納氏比色法、COD 的測定采用重鉻酸鉀法[5]。

2.3 單一水生植物對水質指標改善的評價

為了進一步篩選出凈化效果良好的水生植物作為浮島植物，本次試驗選出4 種挺水植物（再力花、水生美人蕉、澤瀉、千屈菜）和1 種沉水植物（狐尾藻）作為實驗研究對象。

2.3.1 單一水生植物對水體中COD 的去除效果

COD（化學需氧量）去除效果最好的一組是水生美人蕉，去除率達到了45.4%，其次效果比較好的是再力花，去除率達到了38.3%，澤瀉和狐尾藻的去除率比較接近，分別為31.5%、26.9%，凈化效果最差的是千屈菜，去除率為20.6%，雖然不同植物對COD（化學需氧量）的凈化效果存在差異，但所有植物的去除率均達到了20%以上。

2.3.2 單一水生植物對水體中總磷的去除效果

凈化效果最好的是再力花，去除率達到了42.9%，澤瀉的去除效果也比較好，去除率達到了37.1%，其次是水生美人蕉，去除率達到了32.4%，千屈菜和狐尾藻的效果較差，也比較接近，去除率分別為26.3%、21.6%，但各組水生植物的去除率均超過了20%。

2.3.3 單一水生植物對水體中氨氮的去除效果

凈化效果最好的是水生美人蕉，去除率達到了48.6%，其次是再力花，去除率也超過了40%，達到了43.1%，千屈菜和澤瀉的凈化效果比較接近，去除率分別為36.5%、34.2%，凈化效果最差的是狐尾藻，去除率為29.8%，各組總體上對氨氮的去除率均較高，最低的一組也接近30%。

綜合來看再力花和水生美人蕉對水體常見各類污染物的凈化效果較好，再力花對TN、TP 的凈化效果比較突出，而水生美人蕉對COD、氨氮的凈化效果優勢明顯，兩者如果組合種植用于生態浮島完全可以形成優勢互補，將進一步提高凈化效果。同時對于組合植物的凈化效果是否優于單一植物前人也早已有了研究結果，吳兵[6]分別對七種單一水生植物對水質的凈化效果和組合水生植物對水質的凈化效果進行了研究，結果表明美人蕉+再力花組合和梭魚草+鶯尾組合對水體中TN、COD、氨氮的去除率均有所提升，高于原單一水生植物。同時再力花植株高大，可達2m 以上，水生美人蕉株高1～2m，熱帶和亞熱帶地區全年開花，花呈黃色、紅色或粉紅色，組合種植可以形成錯落有致、常年花開的河道景觀。因此本實驗擬采用再力花+水生美人蕉組合作為浮島植物。

3 結果與討論

3.1 試驗組對總磷的去除效果

復氧型生態浮島對TP 的去除機理為：生態浮島上的植物通過根系吸收水體中的無機磷作為營養物質用于自身生長，浮床基質通過物理作用對TP 可以直接吸附，同時附著在植物根系上的微生物形成生物膜可對有機磷進行降解；在曝氣復氧設備作用下，水體中溶解氧含量大幅提高，促進了好氧微生物聚磷菌等的活動，增強了對有機磷的降解。

圖2 各實驗組對TP 的去除效果

水體中TP 的濃度在一個周期內有明顯變化，整體呈現下降趨勢（如圖2），表明3 組設備對TP的去除均有一定效果。在實驗0～25d，TP 的濃度均出現了大幅下降，由初始值0.54mg/L 下降至0.12mg/L。在實驗25d 后，TP 濃度出現小范圍波動，但總體上維持在穩定狀態。實驗結束時，曝氣設備組TP 濃度為0.35mg/L，生態浮島組TP 濃度為0.25mg/L，實驗后期對TP 仍有一定去除效果。組合工藝組TP 濃度保持不變為0.12mg/L。上述實驗數據表明曝氣設備組對TP 的去除效果并不顯著，去除率為去45.6%。由于人工曝氣會造成水體擾動，一定程度上可能會稀釋聚磷菌的濃度，導致凈化效果下降。而生態浮島組的去除率為75.8%，組合工藝組的去除率為56.3%。兩者的TP濃度變化趨勢較為一致，所以總體凈化效果優于曝氣設備組。

3.2 實驗組對氨氮的去除效果

生態浮島對氨氮的去除主要通過植物根系吸收和硝化菌的硝化作用來實現；曝氣設備對氨氮的去除主要通過提升水體溶解氧濃度促進硝化細菌硝化與吹脫作用[7]。

水體中的氨氮濃度均呈現出大幅下降的趨勢（如圖3）。在實驗前半段0～15d，濃度迅速下降，在實驗15d 后，呈現較為平緩的趨勢。實驗前半段濃度僅從7mg/L 降到了3.7mg/L，到實驗截止，氨氮濃度才降至2.8mg/L。曝氣設備組的去除率為85.1%，組合工藝組的去除率為86.4%，兩者的氨氮濃度變化趨勢非常接近，實驗截止時分別從7mg/L 降到了1.4mg/L、1.3mg/L，而生態浮島的去除率為64.7%，也間接證明對氨氮去除效果的最大影響因素是溶解氧濃度。

圖3 各實驗組對氨氮的去除效果

3.3 實驗組對化學需氧量的去除效果

水體中的COD 濃度均呈現出下降趨勢（如圖4）。實驗初期（0～25d）各組COD 濃度變化規律相似，實驗后期（25d 后）各組的去除效果表現出差異，生態浮島組出現小幅波動，曝氣設備組下降速度放緩，組合工藝組仍出現大幅下降。到實驗截止，組合工藝組COD 濃度由110mg/L 降至24mg/L，曝氣設備組由110mg/L 降至35mg/L，生態浮島組降至40mg/L，三者的去除率分別為復氧型生態浮島組合工藝的去除率為78.3%，生態浮島的去除率為63.5%，曝氣設備的去除率為66.7%。對比后得到組合工藝均優于生態浮島和曝氣設備。

圖4 各實驗組對COD 的去除效果

4 結論

復氧型生態浮島、生態浮島、曝氣設備對TP的去除率分別為：75.8%、56.3%、45.6%，復氧型生態浮島的去除效果最佳，且能實現快速去除；對氨氮的去除率分別為：86.4%、64.7%、85.1%，生態浮島對氨氮去除效果較差，曝氣設備大幅提高了水體溶解氧濃度；對COD 的去除率分別為：78.3%、63.5%、66.7%，復氧型生態浮島可以實現初期對COD 的快速去除。