人工浮岛技术在污水生态修复中的应用

张婉璐 刘君寒 李 力 李福利

(1.中国科学院青岛生物能源与过程研究所青岛 266101;2.山东大学环境科学与工程学院济南 250100;3.中国科学院研究生院北京 100049)

人工浮岛技术在污水生态修复中的应用

张婉璐1,3刘君寒1李 力2李福利1

(1.中国科学院青岛生物能源与过程研究所青岛 266101;2.山东大学环境科学与工程学院济南 250100;3.中国科学院研究生院北京 100049)

人工浮岛是一种污水生态修复处理技术。该技术通过在污染水体设置漂浮基质,模仿植物自然生长规律,利用植物根,浮岛基质及植物根际微生物菌群对污水中各种有机物质进行降解,达到生态修复目的。本文综述了人工浮岛国内外发展现状,从污水处理效果,处理成本等方面将该技术和传统人工湿地进行比较,对人工浮岛的应用前景和发展趋势进行了分析。

生态修复;人工浮岛;人工湿地

1 人工浮岛生态污水修复机理

人工浮岛是一种长有水生植物或陆生植物、可为野生生物提供生境的飘浮岛,主要由浮岛基质、植物和固定系统组成[1]。在水体中设置人工浮岛,浮岛上的植物根系能够吸附和吸收水中的氮、磷等物质,贮存在植物细胞中,可以降低水体化学需氧量 (COD)、总氮 (TN)、总磷 (TP)及重金属含量。同时,浮岛上植物根系拥有巨大的表面积,为水中微生物生长提供良好固着载体,起到“生物膜载体”的作用。人工浮岛具有不同的形状、构造及植物类型,这会吸引野生动物如昆虫、蝶类、鸟类、两栖动物等在此栖息,从而增加物种多样性,加快生态修复进程。

2 人工浮岛和传统人工湿地的比较

2.1 人工浮岛与人工湿地的异同

人工浮岛、人工湿地,都是将植物种在水中,并用植物系统及根际微生物来净化污水或富营养化水体。严格来说,人工浮岛属于人工湿地的一种。相比而言,人工浮岛是一种改进的人工湿地技术,可供选择种植的植物范围较广。尤其是陆生植物经水生驯化后,能形成比陆生环境下更发达的根系,因而可能具有比传统人工湿地更好的有机污染物净化潜能。传统人工湿地中,植物种植于湿地的底部,而人工浮岛将植物种植于浮垫上,因而植物的生长不受水域类型和水底地形等条件的限制,人工浮岛具有更高的营养物质和其他元素的同化吸收效率。

由于人工浮岛可以在较深的水体中运作,相比于传统人工湿地来说,这相当于延长了污水的处理时间,因此具有更高的处理效率。另外由于浮岛基质的避光作用,在浮垫下方植物根部所形成的生物膜中,优势微生物主要为细菌,而传统人工湿地开放的水环境使附着于植物茎叶上所形成的生物膜的微生物主要有藻类、水生附着生物和细菌等。另外,人工浮岛还具有占用土地少,二次污染弱,作为景观可操作性更高等优点。

2.2 人工浮岛和人工湿地的水体净化效果

李希等使用混合型植物(美人蕉、灯芯草或菖蒲)人工浮岛处理生活污水,发现植物在处理污水过程中发挥重要作用。长有植物的人工浮岛对生活污水中总氮的去除率在 133～150mgm-2d-1,而对照组仅为 63mgm-2d-1;对总磷的去除率在 44～60mgm-2d-1,而对照组仅为 28mgm-2d-1;人工浮岛对 COD的去除率在 1.03～1.07gm-2d-1,而对照组仅为0.41gm-2d-1[2]。Oostrom在人工湿地处理氮饱和肉类加工废水的脱氮研究中发现,含有人工浮岛的表面流湿地氮的去除效果大约是对照组的两倍,平均为 46%～49%(5.2～5.5gNm-2d)。夏季氮的去除率达到 75%(大约 9.5gN m-2d-1)[3]。

Tanner等通过对人工浮岛去除微粒、铜和锌的研究发现,人工浮岛对 Cu和 Zn的去除率大约分别为 3.8～6.4mgm-2d-1和 25～88mgm-2d-1[4],这与已报道的自由表面流人工湿地和水平潜流人工湿地的去除率相近。且人工浮岛可在 3天的时间内去除大约 1/3的悬浮微粒。李英杰等在太湖五里湖的治理过程中,实施了两个人工浮岛工程,发现：工程区内营养盐的浓度被大幅度消减,浊度从 53.4NTU(NTU指散射浊度单位,表明仪器在与入射光成 90°角的方向上测量散射光强度)降低到 15.9NTU[1]。人工浮岛工程显著改善了工程区内的水环境。

余杰等在人工湿地深度处理污水的研究中发现,据实际运行经验,人工湿地在夏季可去除 6～9kgm-2d-1的 COD,而冬季运行时能去除 16～24.5gm-2d-1的 COD[5]。Vymazal等在不同湿地对营养物质去除效果的研究中发现,根据人工湿地的类型及流入量的不同,不同人工湿地对总氮的去除率在 325～819mgm-2d-1,总磷的去除百分比在61～102mgm-2d-1[6]。巴奇等对两级人工湿地处理有机物质的效果进行研究。一级人工湿地 COD去除率约为 3.31～7.02gm-2d-1,二级人工湿地COD去除率约为 4.11～6.09gm-2d-1,总去除率大于 90%。一级人工湿地 NH+4-N去除率约为150～546mgm-2d-1,二级人工湿地NH+4-N去除率约为 476～581mgm-2d-1,总去除率大于 92%[7]。张海莉等运用垂直流人工湿地工艺处理生活污水,湿地植物选用酸模 (学名：Rumexacetosa Linn)。经计算,COD的去除率大约为 0.48～0.8 mgm-2d-1,NH4+-N约为 114mgm-2d-1,TP的去除率约为 11.4～22.8mgm-2d-1[8]。

在污水生态修复过程中,人工浮岛和人工湿地的净化效果都十分显著,但由于不同实验数据的得出依附于不同的实验材料、规模及检测方式,所以无法将以上结果进行类比。而在同一实验内所得出的部分数据显示人工浮岛的净化效果优于传统人工湿地。同时,相比于传统的人工湿地而言,人工浮岛具有不可忽视的优越性,这填补了传统人工湿地的局限性。不过人工浮岛亦有其缺陷如基质易降解、外来物种侵害等等,因此针对不同污染情况和水体状况,如能将两者进行合理结合,很可能会产生意想不到的净化效果,从而缩短生态修复的周期。

3 人工浮岛研究现状

研究表明,人工浮岛对水体中多种污染物如N、P以及悬浮物质,具有明显去除效果 (表 1)。与富营养化水体治理的传统技术相比,人工浮岛的建设工艺简单、运行成本较低。相对传统治污技术,人工浮岛的工艺费用可以节省 50%以上。不同的人工浮岛所采用的基质不同,因此浮岛造价相差较大,如云南省环境科学研究院试验用植物材料做成的草浮岛造价低至 10～15元/m2[9]。在美国,使用的是可再生材料,价格相对较高。评价一种人工浮岛,要综合考虑其使用材质、使用寿命、处理效果和用途等因素,计算综合使用成本。表 2列出了部分常用人工浮岛的基本特性。

表 1 各种人工浮岛营养物质去除效果比较[10]

表 2 当前商业应用人工浮岛基本特性

4 结论及展望

人工浮岛作为水上的仿陆地生态系统,使水生和陆生植物在一个系统上得以完美的组合,使昆虫、蝶类、鸟类、两栖动物类和谐地栖息在同一个与外界相对隔离的生态系统内。相比于传统人工湿地而言,人工浮岛具有种种优点,有广阔的应用前景。然而人工浮岛还有很多可以优化的方面,比如材质的改良以利于植物及微生物吸附、可降解特异性污染物微生物的引入等。到目前为止,人工浮岛作为一种新兴的生态修复处理技术,主要只是应用于富营养化水质的净化。不过随着人工浮岛技术的逐步发展成熟,特别是与其他污水处理技术的结合,人工浮岛将被应用到更为广泛的污水处理和生态修复过程当中。

[1]李英杰,金相灿,年跃刚,胡社荣,胡小贞.人工浮岛技术及其应用 [J].水处理技术 2007,33(10)：49～51.

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[4]Tanner,C.C.,Tom,H.,Floatingtreatmentwetlands-an innovativesolutiontoenhanceremovaloffineparticulates,copperandzinc[C]. InStormwaterConference,National InstituteofWater&AtmosphericResearch,2008.

[5]余杰,田宁宁,钱靖华,李燕林,高成杰.人工湿地在污水深度处理中的应用与工程设计 [J].中国给水排水2009,25(4)：53～55.

[6]Vymazal,J.,Removalofnutrientsinvarioustypesofconstructedwetlands[J].ScienceoftheTotalEnvironment 2007,380(1～3)：48～65.

[7]巴奇,赵可,包清华,姬洪刚,姜廷亮.季节性运行人工湿地处理生活污水研究 [J].长春理工大学学报(自然科学版)2008,31(4)：22～25.

[8]张海莉,胡小兵,戴波.酸模人工湿地处理生活污水的效果研究 [J].环境科学与管理 2008,33(10)：100～105.

[9]陈静,赵祥华,和丽萍.应用于滇池海生态修复工程的植物浮岛制备技术 [J].四川环境 2006,6(25)：32～34.

[10]Stewart,F.M.,Mulholland,T.,Cunningham,A.B.,Kania,B.G.,T.Osterlund,M.,Floatingislandsasan alternativetoconstructedwetlandsfortreatmentofexcess nutrientsfromagriculturalandmunicipalwastes- results oflaboratory-scaletests[J].LandContamination&Reclamation2008,1(16)：25～33.

X22

A

1673-288X(2010)04-0048-03

国家十一五重大科技专项 (No.2008ZX074220-03)

张婉璐 (1985—),女,河南新乡人,硕士研究生,主要从事环境微生物研究。

李福利 (1975—),男,山东滕州人,研究员,研究方向为资源与环境微生物学。