可持續(xù)利用生物浮床對水質(zhì)改善技術(shù)的研究

馬 飛，趙 巖

（新蔡縣環(huán)境保護局，河南 新蔡 463500）

面對水體富營養(yǎng)化問題逐步加劇的現(xiàn)狀，以硬化河床為主的水體治理方式難以有效抑制水生生態(tài)的逐步惡化，同時也會影響水體生態(tài)景觀，破壞生物生存環(huán)境，削弱水體的自凈能力。生物浮床屬于無土栽培技術(shù)之一，是指利用高分子材料作為載體，通過人工方法在被污染水域的水面之上種植植物，基于植物根系的吸收及吸附作用，利用根系的物質(zhì)轉(zhuǎn)化功能，通過植物體收獲去除水體中的氮磷含量，進而改善水質(zhì)、美化水體，并獲得良好的水體植物或改良后陸生植物種植收益。

1 淹沒式組合生態(tài)浮床水質(zhì)改善裝置的設(shè)計

本文提出的淹沒式組合生態(tài)浮床應(yīng)用的是組合形式，浮板上方設(shè)置浮塊，并將裝有填料的種植藍安放于浮板之上預(yù)設(shè)的孔中，利用種植籃填料栽種浮床植物，并在浮板之下以懸掛形式設(shè)置人工水草。此裝置的優(yōu)勢在于浮板可完全被水淹沒，既能減少浮床白色污染，也可掩蓋人工前跡，實現(xiàn)水質(zhì)凈化的同時起到水體景觀改善效果。

1.1 裝置形狀設(shè)計

浮床單體邊長應(yīng)設(shè)置為2~3 m，此種設(shè)計可使搬運更為便利，且更便于施工。本文所設(shè)計的淹沒式組合生態(tài)浮床改善裝置應(yīng)用的是長方形浮板。

1.2 結(jié)構(gòu)材料選擇及尺寸確定

采用聚乙烯泡沫塑料制作浮板，其上設(shè)置三行四列圓孔，直徑為20.5 cm，種植美人蕉及黃菖蒲兩種植物的種植籃之間距離應(yīng)為40 cm，浮板長約1.5 m，寬為1.1 m，浮板上設(shè)有高3 cm、厚1.5 cm、尺寸與浮板一致的加強筋。采用外徑上口20 cm、下孔150 cm、高約15 cm的圓柱形種植籃，籃口翻邊外徑應(yīng)為22 cm。選用粒徑介于5~20 mm之間的陶粒、蛭石作為種植籃填料。于浮板加強筋下側(cè)懸掛與浮板長度一致的4條人工水草，每條6串。填料絲長度應(yīng)以6 cm為宜，維綸絲固定框長約15 cm，各串人工水草間預(yù)留25 cm距離。其上設(shè)置4個仿生形態(tài)上凸浮塊，以保持浮床平衡性與美觀性。

2 可持續(xù)利用生物浮床水質(zhì)改善效果分析

2.1 水質(zhì)改善效果研究方法

2.1.1 實驗材料

實驗選取3種水生植物，分別是黃菖蒲、美人蕉以及西伯利亞鳶尾。人工水草以維綸醛化絲材料制成，維綸絲嵌固采取的是平行排列方式。

2.1.2 實驗裝置

如圖1所示，以河道中懸浮的圍隔箱作為實驗裝置，將泡沫塑料安放其中作為浮床載體，并于其中安裝種植籃，下方懸掛人工水草。共選用5個圍隔箱，1號及2號圍隔箱分別栽種黃菖浦及美人蕉，栽種數(shù)量分別為3~5株/籃與1~3株/籃，3號栽種西伯利亞鳶，栽種數(shù)量為6~9株/籃。4號箱不栽種植物，僅下方懸掛與1、2、3號箱體同等數(shù)量的人工水草，5號箱只設(shè)置泡沫塑料板以作為對照。以水泵及軟管經(jīng)圍隔箱底部設(shè)置的PVC穿孔管向箱中注水，并在底部進水孔之上設(shè)置出水孔。黃菖蒲重金屬去除實驗時以高50 cm、上徑及下徑分別為35 cm與30 cm的兩個塑料桶作為實驗容器，栽種黃菖蒲數(shù)量為1棵。

圖1 生物浮床動態(tài)試驗裝置

2.1.3 實驗方法

本次實驗歷時半年，自3種試驗植物栽種完成后開始，采取靜態(tài)－動態(tài)－靜態(tài)的實驗方法。靜態(tài)實驗是指向圍隔箱中引入河道水，而后每3天從箱內(nèi)取水1次并在實驗室完成水質(zhì)檢測，待箱內(nèi)水質(zhì)達到標(biāo)準(zhǔn)后將水體排出河道再重新取水注入，每30天為1個實驗周期，共計6個實驗批次。動態(tài)實驗是利用水泵持續(xù)將河水由一端注入圍隔箱并從另一端流進河道，水在箱體內(nèi)停留3 d左右。每日測定箱內(nèi)進水及出水的水質(zhì)。兩種實驗方法所檢測指標(biāo)相同。

2.1.4 測定方法及所用儀器

以過硫酸鉀消解－鉬銻抗分光光度法測定TP含量，以堿性過硫酸鉀消解－紫外分光光度法測定TN含量，采用酸性高錳酸鉀法測定高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、利用納氏試劑光度法、紫外分光光度法分別測定氨氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3--N），而后采用鉑鈷標(biāo)準(zhǔn)比色法測定色度，再以二苯碳酰二肼分光光度法測定重金屬。以經(jīng)0.45μm濾膜過濾后用鉬銻抗分光光度法測定溶性正磷（SRP）。實驗所用儀器為電子天平、紫外分光光度儀、可見分光光度計、便捷式溶解氧儀，除此之外還需準(zhǔn)備烘箱、恒溫水浴鍋、PH計等其他測定工具。

2.2 實驗效果分析

2.2.1 溶解性正磷去除效果

磷酸鹽沉降、固結(jié)于人工水草表面以及植物吸收可溶性磷是利用生物浮床去除正磷酸鹽的主要途徑。實驗過程中實驗箱內(nèi)每升水的SRP濃度最低為0.3 mg，最高為0.6 mg。六批次實驗中SRP的去除過程分析圖如圖2所示。

圖2 各實驗批次SRP去除對比

靜態(tài)實驗中，黃菖蒲平均去除率高達91.17 mg/（m2.d）。西伯利亞鳶尾的平均去除速率僅為31.26 mg/（m2.d）。美人蕉各次靜態(tài)實驗前二周SRP去除速度較快，平均去除速率為34.26 mg/（m2.d）。而人工水草靜態(tài)實驗階段去除速率由慢轉(zhuǎn)快，平均去除率為21.23 mg/（m2.d）。3種浮床植物及人工水草的SRP去除均率高于空白箱，黃菖蒲去除能力最強，美人蕉及西伯利亞鳶尾居于中等，而人工水草的去除能力最差。

2.2.2 總磷去除效果

總磷去除方面主要依托于浮床植物及人工水草根系滯留顆粒態(tài)磷，以根際微生物礦化吸收有機磷，或是通過顆粒態(tài)磷的沉淀去除TP。實驗期間水圍隔箱內(nèi)每升水中含有TP的含量介于0.5~0.8 mg之間。靜態(tài)實驗中，黃菖蒲及西伯利亞鳶尾平均去除率分別為94.35 mg/（m2.d）與37.59 mg/（m2.d）。美人蕉去除速率總體平穩(wěn)，平均去除速率為36.51 mg/（m2.d）。人工水草TP去除率前期較慢，后期加快，最后一個實驗批次受氣溫下降影響去除速度有所下降，總平均去除率為42.73 mg/（m2.d）。空白實驗箱的TP效率效果最低值為24%，最高值為58.01%。總體來看，TP去除能力方面，黃菖蒲仍居首位，西伯利亞鳶尾位居第二，美人蕉第三，人工水草能力稍差。

2.2.3 氨氮去除效果

植物吸收、硝化反應(yīng)以及氨揮發(fā)是水體中氨氮去除的主要途徑。實驗期間水樣每升水中含有3~7 mg的NH4+-N。黃菖蒲平均去除率為504.93 mg/（m2.d）。而西伯利亞或鳶尾去除率仍出現(xiàn)了由低至高的轉(zhuǎn)變，實驗期間的平均去除速率為14.25 mg/（m2.d）。美人蕉的去除速度相對平穩(wěn)，平均去除速率為273.90 mg/（m2.d）。人工水草的平均去除率為183.92 mg/（m2.d），而空白實驗箱的去除率為32.07%~99.85%，動態(tài)實驗幾乎無效果。黃菖蒲的NH4+-N去除能力最強，美人蕉與西伯利亞鳶尾分別第二及第三，人工水草去除能力最差。

2.2.4 硝態(tài)氮去除效果

如圖3所示，由于原水中不存在硝態(tài)氨，因而需將NaNO3投入箱體以便實驗。僅針對第五個月及第六個月監(jiān)測硝態(tài)氮，其含量在3~6 d內(nèi)下降速度較快。第五個月因水溫偏高，有機物被氧化降解，水中溶解氧被消耗，硝化作用中止，浮床植物圍隔箱中的NO3--N逐漸消除，因空白箱及人工水草中微生物含量不足，因此NO3--N含量較高。最后一個實驗階段，水溫下降，美人蕉箱內(nèi)NO3--N完全消除，西伯利亞鳶尾箱中NO3--N的下降速度較快轉(zhuǎn)慢，其他箱內(nèi)NO3--N含量在下降后紛紛提升。說明美人蕉的硝態(tài)氮吸收能力最強。

圖3 浮床植物及人工水草對NO3--N去除過程

2.2.5 總氮去除效果

植物總氮去除主要是以根系滯留、根際微生物吸收以硝化反硝化作用為途徑。黃菖蒲在總氮去除方面，靜態(tài)實驗期內(nèi)前兩個月速度較快，后兩個月速度下降。動態(tài)實驗期間TN去除率為29.18 mg/（m2.d）。實驗期間平均去除率為749.19 mg/（m2.d）。西伯利亞鳶及美人蕉的靜態(tài)實驗去除平均速率分別為365.49 mg/（m2.d）與383.39 mg/（m2.d）。人工水草去除速度為485.12 mg/（m2.d），空白實驗箱去除效果不佳，動態(tài)實驗階段未見明顯效果。說明總氮去除方面，黃菖蒲去除能力最強，美人蕉及西伯利亞鳶居中且差別不大，人工水草能力最低。

2.2.6 CODMn去除效果

高錳酸鉀去除方面，是通過根際微生物活動實現(xiàn)CODMn降解，水溫、水體中所含微生物類別及數(shù)量、溶解氧濃度大小均會影響CODMn去除效果。經(jīng)分析，黃菖蒲對CODMn的去除效果最為理想，去除率為47.86%，而人工水草及西伯利亞鳶尾的去除率分別為25.25%與19.60%，與空白箱的CODMn去除率22.97%差別不大，說明這兩個浮床植物在CODMn去除方面未發(fā)揮作用。而美人蕉的去除效果為36.04%，對CODMn去除效果位居第二。總體來看，生物浮床及人工水草對CODMn的去除效果并不理想。

2.2.7 色度改善效果

如圖4所示，色度監(jiān)測主要集中于實驗開始的前兩個月靜態(tài)實驗及第三個月的動態(tài)實驗階段，靜態(tài)實驗階段黃菖蒲色度去除率為39.11%與42.37%，動態(tài)實驗階段色度未發(fā)生明顯變化。說明，生物浮床在色度去除方面效果并不顯著。

圖4 浮床植物及人工水草對色度的去除效果

2.2.8 重金屬去除能力

重金屬濃度測定表明，黃菖蒲在重金屬吸附方面效果更佳。通過配置濃度鉻含量不一的水樣觀測黃菖蒲在重金屬鉻方面的吸收效果發(fā)現(xiàn)，初始濃度分別為1.16 mg/L及2.05 mg/L時，黃菖蒲對六價鉻的吸收特性曲線較為相似，意味著黃菖蒲的重金屬鉻去除能力相對穩(wěn)定，但后一濃度值下，黃菖蒲葉子由綠轉(zhuǎn)黃，說明其生長特性因濃度增加而發(fā)生了改變。

2.3 植物體內(nèi)N、P含量分析

N、P去向分析中，可將植株收割后烘干碾碎，并取部分進行消解測定。根據(jù)測定結(jié)果發(fā)現(xiàn)，黃菖蒲水上部分莖葉及果實中含有N、P總量為13.02 mg/g，水下部根系總含量則為2.52 mg/g，而美人蕉水上部分及水下部N、P總量分別為4.81 mg/g與2.36 mg/g，西伯利亞鳶尾的水上部及水下部N、P含量則分別是5.42 mg/g與2.38 mg/g。這說明，N、P元素主要累積于植物的水上部分，因而只需割除植物莖葉及果實，便可取得較為理想的N、P去除效果。

3 結(jié)束語

經(jīng)本文實驗驗證，淹沒式組合生態(tài)浮床種植裝置對水質(zhì)改善具有良好效果，所引種的3個水生植物當(dāng)中，在溶解性正磷酸鹽、總磷、氨氮、總氮去除方面，黃菖蒲的去除效果均為最佳，美人蕉、西伯利亞鳶尾及人工水草去除效果稍差，并且氮磷主要積累于植物的水上部分，因而去除水體中的N、P時只需收割植物水上部分即可。可持續(xù)利用生物浮床水質(zhì)改善技術(shù)，既能有效改善水體效果，也可減少對水中氮及有機污染物含量，在富營養(yǎng)化水體中氮磷去除方面效果顯著，可以黃菖蒲作為生物浮床主要栽種植物，并以西伯利亞鳶作為點綴，可取得理想水質(zhì)改善及景觀效果。