基于復合立體生物浮床技術的水體污染控制研究

基于復合立體生物浮床技術的水體污染控制研究

生態(tài)浮床技術是一種非常有效的水氮磷處理技術。由于其凈化水質(zhì)、促進生物多樣性、創(chuàng)造人工景觀等經(jīng)濟潛力，已在國內(nèi)外廣泛使用。然而，一般生態(tài)浮床仍存在管理效果不穩(wěn)定、強度低、抗風性差、浮床支泡苯乙烯泡沫板易產(chǎn)生二次污染等問題。筆者在生物浮床技術基礎上,利用竹架、竹簍、彈性材料、植物、動物等研制開發(fā)了立體復合生物浮床,利用水生植物(水生蔬菜和水生花卉)對水體中N、P等營養(yǎng)物質(zhì)的吸收,以及植物根系微生物、彈性材料生物膜、螺、蚌等的凈化作用,提高水體中N、P的去除效率,加上浮床支架材料——竹子的特殊性,使其具有成本低廉、耐用程度好、無二次污染等優(yōu)點。1復合三維生物浮床1.1植物框架、放線網(wǎng)復合立體生物浮床由用竹子制成網(wǎng)格狀的3層立體框架構成,上層竹子框架節(jié)點處安放植物,中層框架節(jié)點處固定裝有螺、蚌的網(wǎng)袋,沿竹狀網(wǎng)格下裝有由懸線形聚乙烯與聚丙烯制成的線形或球形彈性材料。圖1為復合立體生物浮床結構示意圖(專利號:ZL200410065239.3)。1.2水生植物的凈化水生植物的自身生長需要從水體中吸收大量營養(yǎng)物質(zhì),隨著植物的快速生長,水體中營養(yǎng)物質(zhì)轉移到植物體中,通過不斷地收獲植物體,營養(yǎng)物質(zhì)被移出水體從而達到去除目的。另外,豐富的植物根系形成了一個根區(qū)微環(huán)境,根區(qū)豐富的好氧菌、厭氧菌、兼性菌通過硝化和反硝化作用將N以NH+4-N和N2形式移出水體。P則通過磷酸鹽沉降并固結在基質(zhì)上,或轉化為可溶性磷再被植物吸收。水深超過1.5m后,透明度下降,光照減弱,水生植物的生長受到限制,即使是沉水植物,也難以生長。因此當水深超過一定限度后,水生植物凈化水體的能力大大減弱。沿竹狀網(wǎng)格下安裝的由懸線形聚乙烯或聚丙烯制成的彈性材料比表面積較大,形成生物膜,可以解決在深水條件下植物生長因受到光照制約而不能較好發(fā)揮作用的難題。生物膜由細菌、真菌、藻類、原生動物、后生動物以及一些肉眼可見的蠕蟲、昆蟲的幼蟲組成,它呈蓬松絮狀,具有較強的吸附能力。這些微生物吸附水體中的有機物,并迅速將其降解,逐漸在介質(zhì)上形成更厚的膜,在污水處理過程中生物膜總是在不斷地增長、更新、脫落。由于膜增厚造成質(zhì)量增大,以及厭氧層和介質(zhì)的黏結力較弱等因素,導致膜脫落。脫落的膜將不斷沉積在水體底部,從而去除水中N、P等營養(yǎng)物質(zhì)。底棲軟體動物對富營養(yǎng)化水體也具有明顯的凈化作用,通過增加螺螄、河蚌放養(yǎng)量,可補充底棲動物資源數(shù)量,增加系統(tǒng)穩(wěn)定性,促進物質(zhì)循環(huán),達到凈化水質(zhì)的目的。2材料和方法2.1不同季節(jié)浮游植物對污染物的去除效果2.1.1觀賞價值或觀賞價值浮床植物的選擇:(1)盡可能選擇來源方便且適應能力較好的本地土著種類;(2)根系發(fā)達;(3)生長量大,繁殖能力強;(4)具有一定的經(jīng)濟價值或觀賞價值。根據(jù)以上原則,選定6種植物作為試驗材料,包括改良后的陸生花卉美人蕉(Cannaindica)和蔬菜芋頭(Colocasiaesculenta)、慈姑(Sagittariasagittifolia)、荸薺(Eleocharisdulcis)、水芹(Oenanthejavanica)、蕹菜(Ipomoeaaquatica),所選植物均從本地池塘、河道中采集,再移到試驗場地栽種。2.1.2本底參數(shù)值的測定采用容積210L(50cm×70cm×60cm)的水箱,試驗用水取自河道,試驗前測定水體的本底參數(shù)值(表1)。水箱中不加底泥,用竹子等材料將植物固定于水箱中,同時設置空白對照組。試驗期間定期補水,以補充因吸收、蒸發(fā)、蒸騰而損失的水分,維持水箱中水面高度為40cm。試驗分夏季和秋季2個批次,時間分別為8月3日—9月8日和9月25日—11月2日。2.2復合三維生物浮床對污染物的凈化效果2.2.1竹子浮床的設置利用竹子制成網(wǎng)格狀的立體框架,安放植物以及螺、蚌等軟體動物,同時配以彈性材料,形成單個復合立體生物浮床。用尼龍繩將單個浮床進行串聯(lián)并用竹子固定在河道內(nèi)。植物的選擇與配置:(1)由于不同水生植物對各種污染物的凈化效果不同,選擇去氮效果較好的蕹菜和去磷效果較好的芋頭進行適當配合,以提高水體的總體凈化效率;(2)由于植物生長的季節(jié)性差異,選擇蕹菜、芋頭、慈姑3種喜溫植物,以及在深秋和早春生長較好的水芹,以保證浮床的周年凈化效果;(3)考慮景觀美化效果,選擇污染物去除效果較好的美人蕉作為浮床植物。2.2.2試驗區(qū)域的面積在野外現(xiàn)場某河道選取50m長范圍,用隔板劃分成2個25m長的試驗區(qū)域,每個區(qū)域面積約為25m×3m=75m2。在區(qū)域1設置復合立體浮床和平面浮床各1個試驗組,在區(qū)域2布置蕹菜、慈姑、芋頭的復合立體浮床,見圖2。3結果與分析3.1不同季節(jié)浮游植物對污染物的去除效果3.1.1浮床植物對tp的去除效果由圖3可知,在平均溫度為30℃的夏季試驗中,種植荸薺、蕹菜的水體中,TP濃度有所降低,最大去除率分別為48%和30%,高于對照組(5.6%)。在試驗前期美人蕉去除效果較好,但隨時間增加去除率逐漸降低。其他試驗組對TP的去除效果較差。由圖3可知,在平均溫度為25℃的秋季試驗中,不同浮床植物對TP的總體去除效果好于夏季試驗,蕹菜、芋頭、慈姑對水體中TP的去除率高于對照組,其中蕹菜的最大去除率達到81%。其他試驗組對TP的去除效果較差。3.1.2不同種類植物的最大去除率由圖4可知,夏季試驗中大部分水生植物對TN的去除率均高于對照組。其中,芋頭的去除效果最好,最大去除率達71%,且隨著時間增加而不斷增大;慈姑、美人蕉的最大去除率也>50%,且效果比較穩(wěn)定,試驗15d內(nèi)去除率不斷增加,隨后保持一定的去除水平;而荸薺和水芹的去除效果不佳。由圖4還可知,秋季試驗中水生植物對水體中TN的去除效果不如夏季試驗。芋頭的去除效果較好,最大去除率達62%;美人蕉、蕹菜的最大去除率也>50%,但與對照組持平。其他試驗組水體中TN濃度不斷增加,去除效果不佳。3.2復合三維生物浮床清潔效果3.2.1床對tn、tp的去除效果分析比較了區(qū)域2(圖2)內(nèi)的蕹菜、慈姑和芋頭浮床對TN、TP的去除效果(圖5)。結果表明,除個別月份外,蕹菜浮床對N、P有較好的去除效果,芋頭浮床次之,而慈姑浮床對N、P的去除效果不明顯。3.2.2復合立體生物浮床的應用分析比較了區(qū)域1(圖2)內(nèi)立體浮床與平面浮床對TN、TP的去除效果(圖6)。結果表明,流經(jīng)立體浮床與平面浮床后的水體中TN、TP濃度總體均呈下降趨勢,且立體浮床對TN、TP的處理效果好于平面浮床,但水芹浮床的去除效果不夠理想。與一般浮床相比,一方面,復合立體生物浮床充分發(fā)揮植物、軟體動物、彈性材料的共同作用,提高了對N、P的去除效果;另一方面,其制作材料——竹子的價格低廉且易于獲得,與泡沫材料相比,其耐用性和防止二次污染的性能較好。3種浮床性能與結構比較見表2。4對水體中養(yǎng)分的凈化效果試驗結果表明,在不同溫度(不同季節(jié))和不同污染負荷條件下,不同水生植物對N、P的去除效果各不相同。在夏季試驗中,綜合氮磷的去除效果,以蕹菜最優(yōu),美人蕉、荸薺、芋頭次之,慈姑和水芹最差;在秋季試驗中,以芋頭最優(yōu),慈姑、美人蕉、蕹菜次之,荸薺、水芹最差。在夏季和秋季2次試驗中,蕹菜對磷的凈化效果一直很好,對總磷的最大去除率分別達30%和81%;芋頭對氮的凈化效果一直很好,對總氮的最大去除率分別達71%和62%。水芹在2次試驗中對水體中營養(yǎng)物質(zhì)的去除效果都很差,與以往的研究有較大差異,這可能是因為夏季和初秋并不是水芹生長的最佳季節(jié),水芹長勢一直不佳。秋季試驗結束后繼續(xù)對水芹進行觀察并取樣分析。試驗時間為11月2日—11月29日,結果見圖7。由圖7可知,11月是水芹最佳的生長季節(jié),水芹長勢良好,對水體中各種營養(yǎng)物質(zhì)都具有較高的去除率,對總磷、總氮的最大去除率均>50%。水芹是耐寒植物,每年11月至翌年3月采收,期間植株長勢很好且具有較好的綠化效果和水質(zhì)凈化效果。水芹采收期長,而且正值春節(jié)前后,經(jīng)濟效益好,不僅可以滿足冬春淡季蔬菜的供應,而且可以凈化水體,取得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與環(huán)境保護“雙贏”。5浮床植物種類的選擇采用竹架、竹簍、彈性材料、植物、動物等構建復合立體生物浮床,利用水生植物(水生蔬菜和水生花卉)對水體中N、P等營養(yǎng)物質(zhì)的吸收,以及植物根系微生物、彈性材料生物膜、螺、蚌等的凈化作用,達到改善水質(zhì)的目的。植物的選擇配置是構建立體復合生物浮床的關鍵,筆者從經(jīng)濟價值、觀賞價值以及保障周年運行等角度出發(fā),選擇水生蔬菜和水生花卉作