组合浮岛对富营养化水体生态修复的研究

押玉荣，剧晓晨，王晓磊，王伟燕，袁云飞，韩墨菲，吴江渤，李小亚

(1.嘉诚环保工程有限公司，石家庄 050000；2.河北省污水治理与资源化工程技术研究中心，石家庄 050000)

城市内河是城市景观生态系统的重要组成部分，维持着生态系统稳定性[1]。随着城镇经济的高速发展，过量含有N、P及有机污染物废水排入河道，超过水体的自净能力，造成水体的富营养化，致使藻类大量繁殖，降低水体的溶解氧，水体中生物死亡，生态系统遭到破坏。

浮岛技术是一种改善河道生态富营养化的技术，其以高分子材料为载体，水生植物种植于载体上。植物一方面直接吸收利用水体中的N、P等营养元素，供植物自身生长，植物收割后，其可作为微生物发酵的原料生产沼气，实现能源的循环利用，水体中的N、P等营养元素被吸收后，逐渐缓解水体的富营养化程度。另一方面，水生植物的根系为微生物提供了可附着的载体，生物种类的多样性强化了浮岛的净化能力[2,3]。许多学者对传统浮岛净化机理进行研究，发现水生植物对水体的净化发挥一定效果[4,5]。但单纯依靠植物净化河道效果不显著，主要因为：植物生长的限制性条件较多，在低温条件下，植物根部负载的微生物数量、活性降低，导致植物生长缓慢，对营养物质吸收速率下降，难以达到理想的净化效果[6-8]；浮床中的高分子载体一般承载挺水植物，挺水植物只能利用水体表层N、P等元素供自身生长，对于较深水体，难以净化[9]。为此，本研究以浮岛技术为基础，辅以微生物固定化技术和曝气充氧技术，构建了搭载有微生物载体、曝气装置的组合浮岛。采用静态试验和现场观测相结合的方式，对比考察组合浮岛和传统浮岛对污染水体的处理效果，探讨微生物量及水体复氧对富营养化水体的修复效果，为组合浮岛技术的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验水样

试验水样取自保定市某河段，其主要污染源有周边生活污水、雨水径流污染及底泥中的营养物质释放，试验水质如表1所示。

1.1.2 试验容器

试验容器采用方形塑料箱，长51 cm、宽40 cm、高27 cm，总容积约为55 L，试验时加入40 L的水样。

1.1.3 供试载体

供试载体为33 cm×33 cm×5 cm的聚乙烯浮板，浮板中部镂空，可放置用于固定水生植物的种植篮。

1.1.4 水生植物

水生植物选用黄菖蒲，取自保定某河段的人工浮岛，黄菖蒲长势良好，株高40 cm左右，根长在25 cm左右，将植物带回试验场地用蒸馏水冲去根部泥土后，选取性状基本一致的植株进行试验。

1.1.5 微生物载体

微生物载体选用平面填料，该填料已在试验前25 d放置于保定某河段进行挂膜处理。生物膜呈黄褐色，刮取生物膜镜检，显微镜下菌胶团厚实紧密，并且可见轮虫、钟虫、楯纤虫等微生物，生物膜性状良好。生物膜镜检见图1。

图1 生物膜镜检Fig.1 Microscopic examination of biofilm

1.1.6 曝气装置

曝气装置选用刚玉曝气头，曝气泵选用双头变频曝气泵，试验时调节曝气量至6 L/min。

1.2 试验方法

本实验采用静态试验结合现场观测的方式进行研究。静态实验周期为22 d(2017年10月18日至11月10日)，共设置4组试验：1个空白对照组和3个处理组，处理组分别为组合浮岛组、传统浮岛组和单纯曝气组。组合浮岛组为本试验的主要研究对象，设置传统浮岛组和单纯曝气组是为了与组合浮岛组进行对比分析，并且可考察水生植物与曝气复氧对污染水体的处理效果的影响。组合浮岛组与传统浮岛组的覆盖率(植物投影面积与水域面积的比值)约为40%。为了与传统浮岛保持相同实验条件，模拟植物在日常条件下的生长状态，组合浮岛组与单纯曝气组采用间歇曝气模式，6∶00至17∶00进行曝气，17∶00至第二天6∶00不曝气。各装置试验条件见表2。

表2 各装置试验材料种类Tab.2 Type of experimental materials for each experimental device

注：表中，√代表配置有对应试验材料；×代表没有配置对应的试验材料。

现场观测地点位于保定市某河段(实验周期为2017年10月30日-2017年11月10日)，此处河道全长29 km，宽20 m左右，水深约1.4 m，选取河道长度为70 m河段作为观测区，观测区东侧护坡有排污管道，水流流向为自东向西。在观测区安装有一块尺寸为12 m×9 m的组合浮岛，将组合浮岛放置的河段为试验河段，试验河段下游25 m处放置传统浮岛作为对照河段，两种浮岛覆盖率为20%，每隔3 d进行监测，监测点分别布设在组合浮岛与传统浮岛的上、下游断面。

1.3 监测指标与方法

2 结果与分析

2.1 各试验组对CODCr去除效果

如图2所示，随着时间的推移，3个处理组的CODCr降解曲线虽有所波动，但整体呈下降趋势。其中，组合浮岛组下降趋势最明显，由最初的54.18 mg/L下降至18.54 mg/L，去除率达65.78%；传统浮岛组次之，CODCr由51.17 mg/L下降至22.57 mg/L，去除率为55.89%；单纯曝气组对CODCr的降解效果最差，从54.67 mg/L下降至37.62 mg/L，去除率为31.19%。而空白对照组的降解曲线趋势相对平缓，处理后CODCr为51.84 mg/L，去除率为4.64%。

图2 各试验组对CODCr去除效果Fig.2 Removal effects on CODCr by each experimental group

CODCr的降解主要通过微生物的代谢作用完成的，且植物对COD的降解也是通过其根系间附着的微生物活动完成的[11]。组合浮岛体系中微生物主要有2类：①植物根系中附着的微生物，该微生物的营养来源为植物根部分泌的有机物质[12]及河水中有机物。②组合浮岛加挂填料，填料上负载大量微生物且微生物生长状况良好，填料浸没于河水中，不与植物根系接触，微生物营养来源为河水中有机物。传统浮岛主要通过根系中的微生物活动对有机物进行降解，单纯曝气组通过水体中游离的微生物降解有机物。组合浮岛微生物数量多，且大多数微生物可直接利用河水中有机物供自身新陈代谢，其对河水中COD去除率最高。

并且，通过单纯曝气组与空白对照组的比较，也一定程度的说明了曝气复氧有助于水体CODCr的降解。而曲线上下波动的原因可能是3个试验组DO过高，达到10 mg/L，加剧了微生物的内源代谢进程，使微生物释放出更多的溶解性产物[13]，释放的有机物又随即被其他微生物降解。

2.2 各试验组对去除效果

图3 各试验组对去除效果Fig.3 Removal effects on by each experimental group

2.3 各试验组对TN去除效果

由图4可知，空白对照组总氮去除率为15.21%。传统浮岛组与单纯曝气组对TN的去除效果接近，传统浮岛组的TN由11.41 mg/L降至7.23 mg/L，TN去除率为36.63%，单纯曝气组的TN由11.28 mg/L降至至6.07 mg/L，TN去除率为46.19%，而组合浮岛组对TN的处理效果较差，实验结束时的TN浓度为10.86 mg/L，去除率为5.4%。

图4 各试验组对TN去除效果Fig.4 Removal effects on TN by each experimental group

图5 生物膜镜检(试验后期)Fig.5 Microscopic examination of biofilm in the late experiment

2.4 现场观测

图6 试验河段和对照河段水体中CODCr去除效果Fig.6 Removal of CODCr in studied reach and control reach

图7 试验河段和对照河段水体中去除效果Fig.7 Removal of in studied reach and control reach

图8 试验河段和对照河段水体中TN去除效果Fig.8 Removal of TN in studied reach and control reach

11月7日，在同一条河段，从生长势来看，组合浮岛中黄菖蒲叶片粗壮，颜色呈绿色，传统浮岛的黄菖蒲大部分已经萎蔫，叶片颜色呈黄色，如图9所示。

图9 河道中组合浮岛于传统浮岛植物生长状况Fig.9 The plant growth between combination of ecological floating bed and traditional bed

综合组合浮岛与传统浮岛对水体COD、总氮、氨氮的降解效果及植株生长情况，组合浮岛对河道的净化能力整体高于传统浮岛，主要由于组合浮岛体系中曝气系统为水体提供溶解氧的同时，通过气体的搅拌作用使植物根系中微生物、填料上附着微生物与河水进行充分接触，促进该区域的物质扩散和物质平衡，使得组合型浮岛中的浮床植物和根际微生物可高效的直接吸收利用河道的营养物质[16]，植物生长势较强。植物良好的生长状态也可促进其根系对水体中营养物质的吸收，及根系微生物对营养物质的降解，两者相互促进，进一步提高了组合浮岛对污染水体的修复能力。

3 结 语

(2)静态试验表明，组合浮岛植物根系的对水体的充氧作用及曝气装置对水体曝气的双重增氧作用，溶解氧过高，导致微生物解体且水体内C/N比失衡，传统浮岛出水TN浓度低于组合浮岛。

(3)现场观测表明，组合浮岛装配有微生物载体和曝气装置后，其对COD、氨氮、TN处理效果远高于对照河段，组合浮岛可在污染水体治理方面发挥良好的作用。