王國(guó)芳，汪祥靜，吳 磊，李先寧，b

（東南大學(xué)a.能源與環(huán)境學(xué)院；b.環(huán)境醫(yī)學(xué)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210096）

水生植物浮床是用于凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體如湖泊、河道的重要生態(tài)工程技術(shù)之一，具有適用條件寬、充分利用水面進(jìn)行原位處理、造價(jià)低廉且運(yùn)行管理容易等優(yōu)點(diǎn)，目前已得到廣泛應(yīng)用［1－2］。但普通水生植物浮床僅種植水生植物，生物要素單一，構(gòu)成完整生態(tài)系統(tǒng)的水生動(dòng)物及微生物環(huán)節(jié)較為薄弱，限制了生態(tài)功能的發(fā)揮，有限的植物生物量也制約了其水質(zhì)凈化效能的進(jìn)一步提高［3－4］。

筆者在普通水生植物浮床的基礎(chǔ)上引入了水生動(dòng)物，并增設(shè)了人工介質(zhì)，構(gòu)建了由水生植物單元（空心菜）、水生動(dòng)物單元（三角帆蚌）及微生物強(qiáng)化單元（人工介質(zhì)）組成的組合型生態(tài)浮床。前期研究表明，在水體交換時(shí)間為7d時(shí)，組合型生態(tài)浮床對(duì)TN、NH4＋－N、TP、CODMn、Chl－>a的平均去除率分別高于普通水生植物浮床15.5%、19.5%、15.1%、20.4%、26.1%，增加水生動(dòng)物單元與微生物單元可提高浮床對(duì)污染物的去除效果，組合型生態(tài)浮床對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的水質(zhì)凈化具有較好的應(yīng)用前景。

為了進(jìn)一步優(yōu)化組合型生態(tài)浮床中各級(jí)生物配置、提高其凈化效能，筆者通過(guò)對(duì)具有不同生物單元配置的組合浮床去除效能的比較，定量分析了組合型生態(tài)浮床中各生物單元對(duì)氮、磷、有機(jī)物及藻類去除的貢獻(xiàn)率及凈化機(jī)理。

1 材料和方法

1.1 組合型生態(tài)浮床的構(gòu)造

按生物配置不同設(shè)置了A、B、C 3組組合浮床，其中組合型生態(tài)浮床C（水生植物單元＋水生動(dòng)物單元＋微生物單元）試驗(yàn)裝置如圖1所示，整體為0.45m（長(zhǎng)）×0.45m（寬）×1.0m（高）的長(zhǎng)方體構(gòu)造，分上、中、下3層結(jié)構(gòu)，上層為水生植物區(qū)，種植水生經(jīng)濟(jì)植物空心菜，該區(qū)域高度為20cm；中層為水生動(dòng)物區(qū)，掛養(yǎng)濾食性貝類三角帆蚌，該區(qū)域高度為30cm；下層為微生物強(qiáng)化區(qū)，懸掛兼具軟性及半軟性特征的人工介質(zhì)，該區(qū)域高度為50cm。

圖1 組合型生態(tài)浮床C結(jié)構(gòu)示意圖

其他2組組合浮床的生物配置如下：

組合浮床A：水生植物單元（空心菜）＋水生動(dòng)物單元（三角帆蚌）；

組合浮床B：水生動(dòng)物單元（三角帆蚌）＋微生物強(qiáng)化單元（人工介質(zhì)）。

各單元構(gòu)造與組合型生態(tài)浮床C相同。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中各生物單元所采用材料分別為：1）空心菜：各水生植物單元均采用空心菜?？招牟私?jīng)清洗根系上附著的土壤后，原水中預(yù)培養(yǎng)2周，然后選取生長(zhǎng)良好且相對(duì)均勻的植株用于試驗(yàn)，晾干稱重后按相同重量（4 700g，濕重）、相近植株數(shù)量移植于浮床。2）三角帆蚌：各水生動(dòng)物單元均采用三角帆蚌，其屬于軟體動(dòng)物門瓣鰓綱珠蚌科帆蚌屬，為濾食性貝類。試驗(yàn)用三角帆蚌購(gòu)于安徽省某養(yǎng)殖基地，試驗(yàn)前將三角帆蚌在清水中放置2d，將臟物吐凈，選取大小相近的三角帆蚌清洗晾干，稱量約820g（36只）掛于浮床上，分別掛養(yǎng)在18個(gè)網(wǎng)兜中，在網(wǎng)兜中部打結(jié)，形成上下2層。3）人工介質(zhì)：各微生物強(qiáng)化單元懸掛組合介質(zhì)81串，每串上有盤片6片，填料盤片間隔為7cm。盤片上懸掛長(zhǎng)度為3cm的丙綸絲束。在試驗(yàn)開(kāi)始前，單獨(dú)將人工介質(zhì)在同樣的進(jìn)水條件下運(yùn)行2個(gè)月，進(jìn)行預(yù)掛膜，掛膜完成后開(kāi)始試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置包括4個(gè)1.2m（直徑）×1.6m（高）的圓形試驗(yàn)水槽，有效水深1.2m，其中1個(gè)不放置浮床，作為空白對(duì)照，其它3個(gè)分別放置浮床A、B、C 3種不同配置的組合浮床。原水為校區(qū)XX湖水，進(jìn)水水質(zhì)如表1。湖水經(jīng)水泵提升進(jìn)入集水桶，然后采用連續(xù)進(jìn)水的方式平均輸配到4個(gè)試驗(yàn)水槽中，試驗(yàn)水槽下端進(jìn)水，上端出水，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)出水流量，設(shè)定各試驗(yàn)水槽的水體交換時(shí)間為7d（試驗(yàn)流程如圖2）。為減少生物生長(zhǎng)周期等影響，實(shí)驗(yàn)周期設(shè)置為1個(gè)月，試驗(yàn)時(shí)間為2009年10月18日—11月18日。

圖2 試驗(yàn)流程圖

表1 試驗(yàn)期間浮床進(jìn)水水質(zhì)

1.4 水樣采集與分析方法

浮床穩(wěn)定運(yùn)行后，各試驗(yàn)水槽每2～4d采樣一次，在同一時(shí)間段內(nèi)取樣。

水質(zhì)項(xiàng)目包括進(jìn)出水的TN、PN、TP、CODMn、TOC、DOC、Chl－>a等。測(cè)定方法均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法［5］測(cè)定。

1.5 各生物單元去除率計(jì)算

考慮到試驗(yàn)條件下進(jìn)水水質(zhì)存在波動(dòng)且水體交換時(shí)間長(zhǎng)，水體內(nèi)可能發(fā)生吸附、沉淀及降解等作用，為消除上述作用對(duì)去除效果的影響，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)浮床的凈化效果，去除率計(jì)算扣除了空白對(duì)照水槽的去除效果，其計(jì)算方法為：

各不同生物單元對(duì)污染物去除率，通過(guò)不同生物配置浮床間對(duì)污染物去除率的差進(jìn)行估算，計(jì)算方法如下：

水生植物單元的污染物去除率＝浮床C的污染物去除率－浮床B的污染物去除率；

人工介質(zhì)單元的污染物去除率＝浮床C的污染物去除率－浮床A的污染物去除率；

水生動(dòng)物單元的污染物去除率＝浮床C的污染物去除率－水生動(dòng)物單元的污染物去除率－水生植物單元的污染物去除率。

2 結(jié)果與討論

試驗(yàn)期間，空白對(duì)照水槽及浮床A、B、C的出水各指標(biāo)濃度及平均去除率如表2所示。

表2 試驗(yàn)期間浮床各指標(biāo)出水濃度及平均去除率

2.1 對(duì)氮磷的去除貢獻(xiàn)率

水體中過(guò)高的氮、磷是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因，因此去除水體中氮、磷污染物對(duì)于減輕水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度具有重要意義。筆者研究了組合型生態(tài)浮床中各生物單元對(duì)氮磷的去除貢獻(xiàn)率，分析了各生物單元的氮磷去除機(jī)理。

2.1.1 對(duì)氮的去除 圖3表示了根據(jù)1.5節(jié)的估算方法計(jì)算得到的各生物單元對(duì)TN的平均去除率，水生植物單元對(duì)TN的去除率為6.5%，水生動(dòng)物單元對(duì)TN的去除率為8.6%，人工介質(zhì)單元對(duì)TN的去除率為14.2%。生態(tài)浮床各生物單元對(duì)TN的去除率表現(xiàn)為：人工介質(zhì)單元大于水生動(dòng)物單元，水生動(dòng)物單元大于水生植物單元。計(jì)算組合型生態(tài)浮床中各生物單元對(duì)TN去除的貢獻(xiàn)率（各生物單元的TN去除率／組合型生態(tài)浮床C的TN去除率）得到，水生植物單元對(duì)TN去除的貢獻(xiàn)率為22.2%，水生動(dòng)物單元為29.3%，人工介質(zhì)單元為48.5%，人工介質(zhì)單元對(duì)TN去除的貢獻(xiàn)率最大，表明了人工介質(zhì)單元是組合型生態(tài)浮床中TN的凈化主體。對(duì)介質(zhì)富集微生物的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，以單位介質(zhì)為基準(zhǔn)，浮床C中的總細(xì)菌數(shù)、硝化細(xì)菌（包括亞硝酸細(xì)菌和硝酸細(xì)菌）分別達(dá)到了1.56×108cells／g、4.73×107cells／g（相關(guān)試驗(yàn)研究另文發(fā)表），高密度的微生物富集特別是硝化細(xì)菌的富集提高了組合型生態(tài)浮床中人工介質(zhì)單元對(duì)氮的去除。

圖3 各生物單元對(duì)TN的平均去除率

表3列出了試驗(yàn)期間空心菜、三角帆蚌的生物量變化情況。由空心菜的含氮量和生物量的增加量，計(jì)算得到在試驗(yàn)期間空心菜所吸收的氮量為1 135.2mg，流入浮床槽的氮為29 692.1mg，則空心菜通過(guò)吸收對(duì)氮的去除率為3.8%，低于水生植物單元對(duì)TN的去除率（6.5%），可推斷剩余的2.7%的TN通過(guò)植物根系的微生物吸附與降解等作用去除。可見(jiàn)，吸收作用與微生物吸附與降解作用是浮床中水生植物單元對(duì)TN去除的2個(gè)主要途徑。這與人工濕地不同，在同屬于生態(tài)凈化工程的人工濕地中，濕地基質(zhì)表面富集大量的微生物，通過(guò)微生物硝化－反硝化途徑將大部分氮去除，微生物作用是氮的主要去除途徑，而濕地植物組織中累積的N僅占系統(tǒng)去除N的一小部分［6］。對(duì)于傳統(tǒng)的水生植物浮床系統(tǒng)，由于其缺少富集微生物的基質(zhì)條件，微生物環(huán)節(jié)較為薄弱，限制了對(duì)氮的進(jìn)一步去除，因此，為改善傳統(tǒng)浮床的凈化效果，加強(qiáng)浮床系統(tǒng)微生物環(huán)節(jié)是重要的方法之一。

同樣由表3可計(jì)算得到，試驗(yàn)期間三角帆蚌同化吸收的氮量為957.9mg，對(duì)氮的去除率為3.2%，遠(yuǎn)低于水生動(dòng)物單元對(duì)TN的去除率（8.6%），僅占其去除率的37.2%，可見(jiàn)三角帆蚌對(duì)TN的去除途徑不僅是同化吸收。

三角帆蚌為濾食性貝類，具有較強(qiáng)的濾水能力，對(duì)顆粒性氮（PN）有較高的去除率，如圖4所示，水生動(dòng)物單元對(duì)PN的去除率為30.9%，高于水生植物單元（13.9%）和人工介質(zhì)單元（25.2%）。通過(guò)計(jì)算可得水生動(dòng)物單元對(duì)PN的去除量占其對(duì)TN去除量的82.1%，可見(jiàn)，濾食性貝類三角帆蚌對(duì)氮的去除作用主要是通過(guò)濾食藻類等顆粒性有機(jī)氮產(chǎn)生的（詳見(jiàn)2.3節(jié)）。同時(shí)，三角帆蚌對(duì)顆粒性物質(zhì)的強(qiáng)濾食能力意味著它有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)移水體顆粒性物質(zhì)的能力，水體中的顆粒物經(jīng)貝類濾食后以糞便形式排出體外。對(duì)貝類排泄物的研究表明，貝類的排泄產(chǎn)物主要有氨、尿酸、尿素、氨基酸等，其中氨占總排泄量的70%或更高［7］，因此，濾食性貝類具有較強(qiáng)的排氨作用。在水溫為9～27℃時(shí)，1～4齡三角帆蚌的排氨率與體重成負(fù)相的冪函數(shù)關(guān)系，排氨率為2.087～5.804mg／（kg·h）［8］。三角帆蚌通過(guò)濾食一方面同化去除部分氮，更重要的是濾食及排氨作用促進(jìn)了有機(jī)氮顆粒的可溶化和無(wú)機(jī)化，為組合型生態(tài)浮床中人工介質(zhì)上生物膜的硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌以及植物的吸收提供了有利的基質(zhì)條件，促進(jìn)了浮床對(duì)TN的去除。

圖4 各生物單元對(duì)PN的平均去除率

2.1.2 對(duì)磷的去除 圖5表示了根據(jù)1.5節(jié)的計(jì)算方法得到的各生物單元對(duì)TP的平均去除率，水生植物單元、水生動(dòng)物單元、人工介質(zhì)單元對(duì)TP的去除率分別為11.7%、9.3%、18.4%。各生物單元對(duì)TP的去除率表現(xiàn)為：水生植物單元大于水生動(dòng)物單元，人工介質(zhì)單元大于水生植物和水生動(dòng)物單元。計(jì)算組合型生態(tài)浮床中各生物單元對(duì)TP去除的貢獻(xiàn)率（各生物單元的TP去除率／組合型生態(tài)浮床C的TP去除率）得到，水生植物單元對(duì)TP去除的貢獻(xiàn)率為29.7%，水生動(dòng)物單元為23.6%，人工介質(zhì)單元為46.7%，人工介質(zhì)單元對(duì)TP去除的貢獻(xiàn)最大。

圖5 各生物單元對(duì)TP的平均去除率

同2.1.1節(jié)計(jì)算，試驗(yàn)期間流入浮床槽的磷為1085.9mg，由表3計(jì)算得到該試驗(yàn)期內(nèi)空心菜所吸收的磷的量為110.0mg，則空心菜通過(guò)吸收對(duì)磷的去除率為10.1%，與水生植物單元對(duì)TP的去除率為11.7%相比，可以得出空心菜對(duì)磷的吸收是水生植物單元去除磷的主要途徑。三角帆蚌對(duì)磷的吸收量為16.3mg，其通過(guò)吸收同化對(duì)磷的去除率為1.5%，而水生動(dòng)物單元對(duì)磷的總?cè)コ蕿?.3%，吸收同化僅占水生動(dòng)物單元對(duì)TP的去除率的16.1%，表明水生動(dòng)物自身對(duì)磷的同化也并非是其對(duì)磷的主要去除途徑。該結(jié)果與水生動(dòng)物單元對(duì)TN去除的結(jié)果一致，水生動(dòng)物單元對(duì)TP的去除主要表現(xiàn)在通過(guò)三角帆蚌的濾食作用提高了有機(jī)磷的無(wú)機(jī)化水平，從而促進(jìn)了水生植物以及人工介質(zhì)微生物膜對(duì)磷的同化作用等。

表3 試驗(yàn)期間浮床C水生動(dòng)植物的生物量變化

2.2 對(duì)有機(jī)物的去除貢獻(xiàn)率

圖6表示了根據(jù)1.5節(jié)的計(jì)算方法得到的各生物單元對(duì)CODMn的平均去除率，水生植物單元、水生動(dòng)物單元、人工介質(zhì)單元對(duì)CODMn的去除率分別為8.2%、8.5%、16.6%。組合型生態(tài)浮床中各生物單元對(duì)CODMn的去除率表現(xiàn)為：人工介質(zhì)單元大于水生動(dòng)物單元，水生植物單元和水生動(dòng)物單元相當(dāng)。計(jì)算各生物單元對(duì)CODMn去除的貢獻(xiàn)率得到，水生植物單元、水生動(dòng)物單元、人工介質(zhì)單元對(duì)CODMn去除的貢獻(xiàn)率為24.6%、25.5%和49.9%，人工介質(zhì)單元對(duì)CODMn去除的貢獻(xiàn)最大，人工介質(zhì)通過(guò)其較大的比表面積，為微生物的富集生長(zhǎng)創(chuàng)造良好條件，形成微生物強(qiáng)化凈化區(qū)，浮床C中單位介質(zhì)的總細(xì)菌數(shù)達(dá)到了1.56×108cells／g，高密度的微生物富集使人工介質(zhì)單元能夠大幅度降解有機(jī)物，是組合型生態(tài)浮床中有機(jī)物的凈化主體。

圖6 各生物單元對(duì)CODMn的平均去除率

對(duì)于水生植物單元，有機(jī)物的去除主要依靠植物根系截留及根系表面微生物的降解作用；對(duì)于水生動(dòng)物單元，主要依靠三角帆蚌對(duì)有機(jī)物的濾食消化作用，從圖7各生物單元對(duì)顆粒性有機(jī)碳（POC）的平均去除率看出，水生動(dòng)物單元對(duì)POC的去除率為32.2%，高于水生植物單元（17.0%）和人工介質(zhì)單元（15.6%）表明濾食性貝類三角帆蚌對(duì)顆粒性有機(jī)物的去除作用較強(qiáng)，三角帆蚌通過(guò)濾食作用攝取顆粒性有機(jī)物，其消化系統(tǒng)完成了對(duì)有機(jī)物的持續(xù)分解，所排泄的殘余代謝物也被微粒化和小分子化，促進(jìn)了顆粒性難降解有機(jī)物的可溶性，提高了水中有機(jī)物的可生化性［9］。一般而言，對(duì)于停留時(shí)間較長(zhǎng)的水庫(kù)、湖泊等封閉性水體，隨著易生物降解性有機(jī)物的降解，水體B／C比亦會(huì)降低，濾食性貝類的引入對(duì)加速了水體中有機(jī)物的轉(zhuǎn)化與降解起到了積極的促進(jìn)作用。

圖7 各生物單元對(duì)POC的平均去除率

2.3 對(duì)Chl－>a的去除貢獻(xiàn)率

據(jù)1.5節(jié)的計(jì)算方法，得到各生物單元對(duì)Chl－a的平均去除率，如圖8所示，水生植物單元、水生動(dòng)物單元、人工介質(zhì)單元對(duì)Chl－>a的去除率分別為3.1%、57.5%、12.1%。其對(duì) Chl－>a的去除貢獻(xiàn)率分別為4.3%、79.1%、16.6%。人工介質(zhì)單元對(duì)Chl－>a的去除率大于水生植物單元，水生動(dòng)物單元Chl－>a的去除率則遠(yuǎn)超過(guò)人工介質(zhì)和水生植物單元，其對(duì)Chl－>a去除的貢獻(xiàn)率接近80%，與TN、TP去除相比，Chl－>a的去除作用以水生動(dòng)物單元為主，而非人工介質(zhì)單元。

圖8 各生物單元對(duì)Chl－>a的平均去除率

水生動(dòng)物單元對(duì)藻類的去除主要來(lái)源于濾食性貝類三角帆蚌對(duì)藻類的直接濾食，相關(guān)研究［10］表明，1齡蚌在水溫17～29℃的階段中，對(duì)葉綠素消除量為122.4～361.8μg／kg·h，葉綠素消除率在29℃達(dá)77.5%。有研究表明［11］，貝類的代謝活動(dòng)排泄的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)間接促進(jìn)水體中浮游植物的生長(zhǎng)，但亦有研究表明［12］，雖然貝類的代謝活動(dòng)會(huì)促進(jìn)浮游植物的生長(zhǎng)，但仍以抑制為主。試驗(yàn)中，由于人工介質(zhì)的引入強(qiáng)化了微生物的降解作用，可將貝類代謝物及時(shí)生物降解，不造成營(yíng)養(yǎng)鹽的積累以促進(jìn)藻類等浮游植物的增長(zhǎng)。因此，在組合生態(tài)浮床中由于生物配置之間的協(xié)同作用，使三角帆蚌顯示出對(duì)Chl－>a極強(qiáng)的去除能力。

水生植物對(duì)藻類的去除作用較小，其可能的途徑包括水生植物的遮光效應(yīng)［13－14］，與藻類對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的競(jìng)爭(zhēng)抑制作用及植物根系的物理截留等。人工介質(zhì)對(duì)藻類的去除作用高于水生植物，其對(duì)藻類的去除途徑主要是通過(guò)細(xì)菌的降解。前期研究結(jié)果表明：在人工介質(zhì)上分離出具有較強(qiáng)的溶解銅綠微囊藻細(xì)胞作用的芽孢桿菌，48h內(nèi)溶藻率可達(dá)到96%［15］。人工介質(zhì)巨大的表面積在吸附藻類的同時(shí)富集大量特異性的溶藻細(xì)菌，使藻細(xì)胞死亡溶解。

3 結(jié)論

1）組合型生態(tài)浮床中人工介質(zhì)單元對(duì)TN、TP、CODMn的去除率分別為14.2%、18.4%、16.6%，對(duì)浮床去除作用的貢獻(xiàn)率分別為48.5%、46.7%、49.9%，均高于水生植物和水生動(dòng)物單元，表明組合型生態(tài)浮床中人工介質(zhì)富集的微生物是氮磷等污染物的凈化主體。

2）水生動(dòng)物三角帆蚌同化吸收作用去除的氮量?jī)H占水生動(dòng)物單元對(duì)TN去除量的37.2%，表明同化吸收作用并非是水生動(dòng)物對(duì)TN的主要去除途徑。而水生動(dòng)物單元對(duì)PN的去除量占其對(duì)TN去除量的82.1%，可見(jiàn)，濾食性貝類三角帆蚌對(duì)氮的去除作用主要通過(guò)濾食藻類等顆粒性有機(jī)氮產(chǎn)生的。

3）水生動(dòng)物單元對(duì)Chl－>a的去除貢獻(xiàn)率為79.1%，顯著高于水生植物和人工介質(zhì)單元，水生動(dòng)物三角帆蚌對(duì)藻類的去除作用顯著。

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