曾德芳

（重慶交通大學(xué)，重慶400041）

1 研究背景

全國(guó)26.2 萬km 的河流中劣Ⅴ類水河長(zhǎng)占評(píng)價(jià)河長(zhǎng)的5.5%，與上一年度相比，劣Ⅴ類水河長(zhǎng)比例有所降低[1]。全國(guó)544 個(gè)重要省界斷面中，劣Ⅴ類斷面比例占評(píng)價(jià)斷面總數(shù)的9.0%。雖然近兩年來國(guó)內(nèi)的地表水水質(zhì)有一定改善，但是仍有位于地表水Ⅴ類以下用地表水，水體主要污染指標(biāo)為化學(xué)需氧量、總磷、氨氮、生化需氧量等。由此可見，若要改善地表水水質(zhì)，重點(diǎn)從水體主要污染指標(biāo)著手。

1.1 河流污染原因及危害

造成河流污染的來源主要有兩個(gè)：內(nèi)源污染和外源污染。底泥是造成內(nèi)源污染的主要因素，底泥中沉積了各種污染物，在物理、生化作用下，底泥再次懸浮，釋放污染物質(zhì)，形成二次污染[2]。外源污染包括河道水系不通暢、堤岸硬質(zhì)化、人工裁彎取直等[3]。河流污染間接對(duì)人們的飲用水安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

1.2 研究意義

根據(jù)單嘉祺[4]對(duì)沙河道浮島水草養(yǎng)護(hù)現(xiàn)狀的調(diào)查結(jié)果顯示，目前曝氣機(jī)的使用壽命以及能耗問題依然是阻礙曝氣技術(shù)推廣的難題。

由于單一生態(tài)浮島和人工曝氣技術(shù)存在不足，本文研究了一種太陽(yáng)能水循環(huán)復(fù)氧設(shè)備與生態(tài)浮島相結(jié)合的復(fù)氧型生態(tài)浮島用于凈化河道水環(huán)境，一方面解決了曝氣機(jī)耗電量大的問題，另一方面也提高了水體的復(fù)氧能力，增強(qiáng)了生態(tài)浮島的凈化效果，有利于河道生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)。通過設(shè)置平行對(duì)比實(shí)驗(yàn)比較復(fù)氧型生態(tài)浮島與傳統(tǒng)生態(tài)浮島、太陽(yáng)能曝氣對(duì)河道水體TP（總磷）、氨氮、COD（化學(xué)需氧量）的去除率，參與構(gòu)建小型生態(tài)系統(tǒng)，維持健康的水生生態(tài)環(huán)境。

2 研究方案與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

設(shè)置3 組平行試驗(yàn)：試驗(yàn)1，設(shè)置復(fù)氧型生態(tài)浮島組合工藝；試驗(yàn)2，單獨(dú)設(shè)置生態(tài)浮島；試驗(yàn)3，單獨(dú)設(shè)置曝氣設(shè)備（如圖1）。

在河面開闊且流速較緩河段選取300m 作為實(shí)驗(yàn)區(qū)域，其中100m 每間隔30m 放置1 臺(tái)太陽(yáng)能水循環(huán)復(fù)氧設(shè)備，共計(jì)3 臺(tái)用于測(cè)試實(shí)驗(yàn)3；另100m 水面僅安置生態(tài)浮島，沿河道兩岸布置2m×10m 的生態(tài)浮島，每隔4m 1 個(gè)，共計(jì)14 個(gè)，水面覆蓋面積280m2，用于測(cè)試實(shí)驗(yàn)2；最后100m 生態(tài)浮島與太陽(yáng)能水循環(huán)復(fù)氧設(shè)備組合布置，用于測(cè)試實(shí)驗(yàn)1。

圖1 浮島拼裝示意圖

2.2 測(cè)試方法

在河道中固定位置設(shè)置水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每隔5d在河道中取水樣，持續(xù)監(jiān)測(cè)水體總磷(TP)、氨氮(NH4+-N)、COD 濃度變化。其中，TP 的測(cè)定采用鉬酸銨分光光度法、氨氮的測(cè)定采用納氏比色法、COD 的測(cè)定采用重鉻酸鉀法[5]。

2.3 單一水生植物對(duì)水質(zhì)指標(biāo)改善的評(píng)價(jià)

為了進(jìn)一步篩選出凈化效果良好的水生植物作為浮島植物，本次試驗(yàn)選出4 種挺水植物（再力花、水生美人蕉、澤瀉、千屈菜）和1 種沉水植物（狐尾藻）作為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象。

2.3.1 單一水生植物對(duì)水體中COD 的去除效果

COD（化學(xué)需氧量）去除效果最好的一組是水生美人蕉，去除率達(dá)到了45.4%，其次效果比較好的是再力花，去除率達(dá)到了38.3%，澤瀉和狐尾藻的去除率比較接近，分別為31.5%、26.9%，凈化效果最差的是千屈菜，去除率為20.6%，雖然不同植物對(duì)COD（化學(xué)需氧量）的凈化效果存在差異，但所有植物的去除率均達(dá)到了20%以上。

2.3.2 單一水生植物對(duì)水體中總磷的去除效果

凈化效果最好的是再力花，去除率達(dá)到了42.9%，澤瀉的去除效果也比較好，去除率達(dá)到了37.1%，其次是水生美人蕉，去除率達(dá)到了32.4%，千屈菜和狐尾藻的效果較差，也比較接近，去除率分別為26.3%、21.6%，但各組水生植物的去除率均超過了20%。

2.3.3 單一水生植物對(duì)水體中氨氮的去除效果

凈化效果最好的是水生美人蕉，去除率達(dá)到了48.6%，其次是再力花，去除率也超過了40%，達(dá)到了43.1%，千屈菜和澤瀉的凈化效果比較接近，去除率分別為36.5%、34.2%，凈化效果最差的是狐尾藻，去除率為29.8%，各組總體上對(duì)氨氮的去除率均較高，最低的一組也接近30%。

綜合來看再力花和水生美人蕉對(duì)水體常見各類污染物的凈化效果較好，再力花對(duì)TN、TP 的凈化效果比較突出，而水生美人蕉對(duì)COD、氨氮的凈化效果優(yōu)勢(shì)明顯，兩者如果組合種植用于生態(tài)浮島完全可以形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，將進(jìn)一步提高凈化效果。同時(shí)對(duì)于組合植物的凈化效果是否優(yōu)于單一植物前人也早已有了研究結(jié)果，吳兵[6]分別對(duì)七種單一水生植物對(duì)水質(zhì)的凈化效果和組合水生植物對(duì)水質(zhì)的凈化效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明美人蕉+再力花組合和梭魚草+鶯尾組合對(duì)水體中TN、COD、氨氮的去除率均有所提升，高于原單一水生植物。同時(shí)再力花植株高大，可達(dá)2m 以上，水生美人蕉株高1～2m，熱帶和亞熱帶地區(qū)全年開花，花呈黃色、紅色或粉紅色，組合種植可以形成錯(cuò)落有致、常年花開的河道景觀。因此本實(shí)驗(yàn)擬采用再力花+水生美人蕉組合作為浮島植物。

3 結(jié)果與討論

3.1 試驗(yàn)組對(duì)總磷的去除效果

復(fù)氧型生態(tài)浮島對(duì)TP 的去除機(jī)理為：生態(tài)浮島上的植物通過根系吸收水體中的無機(jī)磷作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)用于自身生長(zhǎng)，浮床基質(zhì)通過物理作用對(duì)TP 可以直接吸附，同時(shí)附著在植物根系上的微生物形成生物膜可對(duì)有機(jī)磷進(jìn)行降解；在曝氣復(fù)氧設(shè)備作用下，水體中溶解氧含量大幅提高，促進(jìn)了好氧微生物聚磷菌等的活動(dòng)，增強(qiáng)了對(duì)有機(jī)磷的降解。

圖2 各實(shí)驗(yàn)組對(duì)TP 的去除效果

水體中TP 的濃度在一個(gè)周期內(nèi)有明顯變化，整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)（如圖2），表明3 組設(shè)備對(duì)TP的去除均有一定效果。在實(shí)驗(yàn)0～25d，TP 的濃度均出現(xiàn)了大幅下降，由初始值0.54mg/L 下降至0.12mg/L。在實(shí)驗(yàn)25d 后，TP 濃度出現(xiàn)小范圍波動(dòng)，但總體上維持在穩(wěn)定狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，曝氣設(shè)備組TP 濃度為0.35mg/L，生態(tài)浮島組TP 濃度為0.25mg/L，實(shí)驗(yàn)后期對(duì)TP 仍有一定去除效果。組合工藝組TP 濃度保持不變?yōu)?.12mg/L。上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明曝氣設(shè)備組對(duì)TP 的去除效果并不顯著，去除率為去45.6%。由于人工曝氣會(huì)造成水體擾動(dòng)，一定程度上可能會(huì)稀釋聚磷菌的濃度，導(dǎo)致凈化效果下降。而生態(tài)浮島組的去除率為75.8%，組合工藝組的去除率為56.3%。兩者的TP濃度變化趨勢(shì)較為一致，所以總體凈化效果優(yōu)于曝氣設(shè)備組。

3.2 實(shí)驗(yàn)組對(duì)氨氮的去除效果

生態(tài)浮島對(duì)氨氮的去除主要通過植物根系吸收和硝化菌的硝化作用來實(shí)現(xiàn)；曝氣設(shè)備對(duì)氨氮的去除主要通過提升水體溶解氧濃度促進(jìn)硝化細(xì)菌硝化與吹脫作用[7]。

水體中的氨氮濃度均呈現(xiàn)出大幅下降的趨勢(shì)（如圖3）。在實(shí)驗(yàn)前半段0～15d，濃度迅速下降，在實(shí)驗(yàn)15d 后，呈現(xiàn)較為平緩的趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)前半段濃度僅從7mg/L 降到了3.7mg/L，到實(shí)驗(yàn)截止，氨氮濃度才降至2.8mg/L。曝氣設(shè)備組的去除率為85.1%，組合工藝組的去除率為86.4%，兩者的氨氮濃度變化趨勢(shì)非常接近，實(shí)驗(yàn)截止時(shí)分別從7mg/L 降到了1.4mg/L、1.3mg/L，而生態(tài)浮島的去除率為64.7%，也間接證明對(duì)氨氮去除效果的最大影響因素是溶解氧濃度。

圖3 各實(shí)驗(yàn)組對(duì)氨氮的去除效果

3.3 實(shí)驗(yàn)組對(duì)化學(xué)需氧量的去除效果

水體中的COD 濃度均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)（如圖4）。實(shí)驗(yàn)初期（0～25d）各組COD 濃度變化規(guī)律相似，實(shí)驗(yàn)后期（25d 后）各組的去除效果表現(xiàn)出差異，生態(tài)浮島組出現(xiàn)小幅波動(dòng)，曝氣設(shè)備組下降速度放緩，組合工藝組仍出現(xiàn)大幅下降。到實(shí)驗(yàn)截止，組合工藝組COD 濃度由110mg/L 降至24mg/L，曝氣設(shè)備組由110mg/L 降至35mg/L，生態(tài)浮島組降至40mg/L，三者的去除率分別為復(fù)氧型生態(tài)浮島組合工藝的去除率為78.3%，生態(tài)浮島的去除率為63.5%，曝氣設(shè)備的去除率為66.7%。對(duì)比后得到組合工藝均優(yōu)于生態(tài)浮島和曝氣設(shè)備。

圖4 各實(shí)驗(yàn)組對(duì)COD 的去除效果

4 結(jié)論

復(fù)氧型生態(tài)浮島、生態(tài)浮島、曝氣設(shè)備對(duì)TP的去除率分別為：75.8%、56.3%、45.6%，復(fù)氧型生態(tài)浮島的去除效果最佳，且能實(shí)現(xiàn)快速去除；對(duì)氨氮的去除率分別為：86.4%、64.7%、85.1%，生態(tài)浮島對(duì)氨氮去除效果較差，曝氣設(shè)備大幅提高了水體溶解氧濃度；對(duì)COD 的去除率分別為：78.3%、63.5%、66.7%，復(fù)氧型生態(tài)浮島可以實(shí)現(xiàn)初期對(duì)COD 的快速去除。