基于復(fù)合立體生物浮床技術(shù)的水體污染控制研究

基于復(fù)合立體生物浮床技術(shù)的水體污染控制研究

生態(tài)浮床技術(shù)是一種非常有效的水氮磷處理技術(shù)。由于其凈化水質(zhì)、促進(jìn)生物多樣性、創(chuàng)造人工景觀等經(jīng)濟(jì)潛力，已在國(guó)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(qiáng)度低、抗風(fēng)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(shù)基礎(chǔ)上,利用竹架、竹簍、彈性材料、植物、動(dòng)物等研制開發(fā)了立體復(fù)合生物浮床,利用水生植物(水生蔬菜和水生花卉)對(duì)水體中N、P等營(yíng)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(diǎn)。1復(fù)合三維生物浮床1.1植物框架、放線網(wǎng)復(fù)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(gòu)成,上層竹子框架節(jié)點(diǎn)處安放植物,中層框架節(jié)點(diǎn)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(fù)合立體生物浮床結(jié)構(gòu)示意圖(專利號(hào):ZL200410065239.3)。1.2水生植物的凈化水生植物的自身生長(zhǎng)需要從水體中吸收大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),隨著植物的快速生長(zhǎng),水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)移到植物體中,通過不斷地收獲植物體,營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被移出水體從而達(dá)到去除目的。另外,豐富的植物根系形成了一個(gè)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(jié)在基質(zhì)上,或轉(zhuǎn)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(zhǎng)受到限制,即使是沉水植物,也難以生長(zhǎng)。因此當(dāng)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(zhǎng)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(xì)菌、真菌、藻類、原生動(dòng)物、后生動(dòng)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(qiáng)的吸附能力。這些微生物吸附水體中的有機(jī)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(zhǎng)、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(jié)力較弱等因素,導(dǎo)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。底棲軟體動(dòng)物對(duì)富營(yíng)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(bǔ)充底棲動(dòng)物資源數(shù)量,增加系統(tǒng)穩(wěn)定性,促進(jìn)物質(zhì)循環(huán),達(dá)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(duì)污染物的去除效果2.1.1觀賞價(jià)值或觀賞價(jià)值浮床植物的選擇:(1)盡可能選擇來源方便且適應(yīng)能力較好的本地土著種類;(2)根系發(fā)達(dá);(3)生長(zhǎng)量大,繁殖能力強(qiáng);(4)具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值或觀賞價(jià)值。根據(jù)以上原則,選定6種植物作為試驗(yàn)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(yàn)場(chǎng)地栽種。2.1.2本底參數(shù)值的測(cè)定采用容積210L(50cm×70cm×60cm)的水箱,試驗(yàn)用水取自河道,試驗(yàn)前測(cè)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(shí)設(shè)置空白對(duì)照組。試驗(yàn)期間定期補(bǔ)水,以補(bǔ)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(yàn)分夏季和秋季2個(gè)批次,時(shí)間分別為8月3日—9月8日和9月25日—11月2日。2.2復(fù)合三維生物浮床對(duì)污染物的凈化效果2.2.1竹子浮床的設(shè)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(dòng)物,同時(shí)配以彈性材料,形成單個(gè)復(fù)合立體生物浮床。用尼龍繩將單個(gè)浮床進(jìn)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(duì)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(jìn)行適當(dāng)配合,以提高水體的總體凈化效率;(2)由于植物生長(zhǎng)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(zhǎng)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(yàn)區(qū)域的面積在野外現(xiàn)場(chǎng)某河道選取50m長(zhǎng)范圍,用隔板劃分成2個(gè)25m長(zhǎng)的試驗(yàn)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域面積約為25m×3m=75m2。在區(qū)域1設(shè)置復(fù)合立體浮床和平面浮床各1個(gè)試驗(yàn)組,在區(qū)域2布置蕹菜、慈姑、芋頭的復(fù)合立體浮床,見圖2。3結(jié)果與分析3.1不同季節(jié)浮游植物對(duì)污染物的去除效果3.1.1浮床植物對(duì)tp的去除效果由圖3可知,在平均溫度為30℃的夏季試驗(yàn)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(duì)照組(5.6%)。在試驗(yàn)前期美人蕉去除效果較好,但隨時(shí)間增加去除率逐漸降低。其他試驗(yàn)組對(duì)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(yàn)中,不同浮床植物對(duì)TP的總體去除效果好于夏季試驗(yàn),蕹菜、芋頭、慈姑對(duì)水體中TP的去除率高于對(duì)照組,其中蕹菜的最大去除率達(dá)到81%。其他試驗(yàn)組對(duì)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(yàn)中大部分水生植物對(duì)TN的去除率均高于對(duì)照組。其中,芋頭的去除效果最好,最大去除率達(dá)71%,且隨著時(shí)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(yàn)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(yàn)中水生植物對(duì)水體中TN的去除效果不如夏季試驗(yàn)。芋頭的去除效果較好,最大去除率達(dá)62%;美人蕉、蕹菜的最大去除率也>50%,但與對(duì)照組持平。其他試驗(yàn)組水體中TN濃度不斷增加,去除效果不佳。3.2復(fù)合三維生物浮床清潔效果3.2.1床對(duì)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(duì)TN、TP的去除效果(圖5)。結(jié)果表明,除個(gè)別月份外,蕹菜浮床對(duì)N、P有較好的去除效果,芋頭浮床次之,而慈姑浮床對(duì)N、P的去除效果不明顯。3.2.2復(fù)合立體生物浮床的應(yīng)用分析比較了區(qū)域1(圖2)內(nèi)立體浮床與平面浮床對(duì)TN、TP的去除效果(圖6)。結(jié)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(shì),且立體浮床對(duì)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(fù)合立體生物浮床充分發(fā)揮植物、軟體動(dòng)物、彈性材料的共同作用,提高了對(duì)N、P的去除效果;另一方面,其制作材料——竹子的價(jià)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(jié)構(gòu)比較見表2。4對(duì)水體中養(yǎng)分的凈化效果試驗(yàn)結(jié)果表明,在不同溫度(不同季節(jié))和不同污染負(fù)荷條件下,不同水生植物對(duì)N、P的去除效果各不相同。在夏季試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)中,蕹菜對(duì)磷的凈化效果一直很好,對(duì)總磷的最大去除率分別達(dá)30%和81%;芋頭對(duì)氮的凈化效果一直很好,對(duì)總氮的最大去除率分別達(dá)71%和62%。水芹在2次試驗(yàn)中對(duì)水體中營(yíng)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?yàn)橄募竞统跚锊⒉皇撬凵L(zhǎng)的最佳季節(jié),水芹長(zhǎng)勢(shì)一直不佳。秋季試驗(yàn)結(jié)束后繼續(xù)對(duì)水芹進(jìn)行觀察并取樣分析。試驗(yàn)時(shí)間為11月2日—11月29日,結(jié)果見圖7。由圖7可知,11月是水芹最佳的生長(zhǎng)季節(jié),水芹長(zhǎng)勢(shì)良好,對(duì)水體中各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)都具有較高的去除率,對(duì)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(zhǎng)勢(shì)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(zhǎng),而且正值春節(jié)前后,經(jīng)濟(jì)效益好,不僅可以滿足冬春淡季蔬菜的供應(yīng),而且可以凈化水體,取得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)“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(dòng)物等構(gòu)建復(fù)合立體生物浮床,利用水生植物(水生蔬菜和水生花卉)對(duì)水體中N、P等營(yíng)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(dá)到改善水質(zhì)的目的。植物的選擇配置是構(gòu)建立體復(fù)合生物浮床的關(guān)鍵,筆者從經(jīng)濟(jì)價(jià)值、觀賞價(jià)值以及保障周年運(yùn)行等角度出發(fā),選擇水生蔬菜和水生花卉作