Green Origio生态系统对景观水体水质的维持和改善

张 波，刘亚琼，何义亮

（上海交通大学环境科学与工程学院，上海 200240）

在城市建设时，将水景引入生活小区、公园和园林等成为城市美化环境经常采用的措施。但是景观水一般面积小，水体容量小，自净能力差，而且一般是流动性比较差的封闭水体，容易受到污染，如果不采取有效措施进行管理，势必导致水体不同程度的污染，甚至会引起水体富营养化，从而失去了美化环境的功能，变成新的污染源。因此寻找合适的措施保护景观水水质，防止其水质污染势在必行[1]。

目前的景观水处理技术主要有物理技术、化学技术和生物生态处理技术等。应用物理技术和化学技术控制景观水污染不具有可持续性，尤其化学技术容易造成二次污染，因此目前对于景观水处理应用生物生态技术较多[2-8]。生态技术主要是将微生物、高等植物及高等动物等单独生物技术进行组合，充分利用自然净化与各类生物在功能上相辅相成的协同作用来净化水质，是当前景观水处理技术的研究开发热点。

Green Origio生态处理系统是一种由表层植物床和底层微生物床构成的复合生态处理系统。该系统具有占地面积小，一次性投资低、容易管理等优点，在农村分散生活污水上已有成功应用[9]。本文应用Green Origio生态处理系统处理微污染景观水，考察该系统对小型河湖区微污染景观水的水质提升和维系作用。

1 Green Origio生态处理

1.1 GreenOrigio生态系统的工艺流程

Green Origio生态系统的工艺介绍及其流程参见[9]，其中填充填料及水培植物均与[9]相同。Green Origio生态系统由TANK1和TANK2两个罐体构成。TANK1为封闭式，TANK2为开放性体系，两者均为不透水的圆柱形结构。TANK1内置立式填料网，供厌氧菌挂膜生长。内部环形水流，柱体侧边进水，环形绕流一周后，进入中部。TANK2为开放式，当水流从TANK1泵出，从TANK2圆柱体一侧边进入，仍然为环形绕流，绕行一周后从中部出水。TANK2箱体内置低功率穿孔曝气机，补充箱体含氧量，供根际植物呼吸代谢。TANK2种植水生植物花叶芦竹、西伯利亚鸢尾、黄菖蒲、再力花和美人蕉等，箱体内置填料网，供好氧菌挂膜生长，同时固定植物根系。

1.2 试验水质

湖区面积约400 m2，Green Origio生态处理系统通过提升水泵，将整个湖区由静变动，如图1所示。整条小河划分为六个小区域，分别用1～6的阿拉伯数字表示，两圆圈从左至右分别是Green Origio生态处理系统的TANK1和TANK2。试验分别在进水口（inlet），TANK1中部泵水处（以 T1代替），TANK2环绕一周末端（以T2代替）和出水口（outlet）四处取样。每个采样点取3个平行样。

图1 Green Origio生态处理系统园区安装示意图Fig.1 Location Diagramof Green Origio System

1.3 分析指标及方法

分析指标包括CODCr、氨氮、TP、叶绿素和细胞总数，前三种常规指标采用国家标准方法测定[10]，其中COD采用重铬酸钾法、氨氮采用纳氏试剂比色法、TP采用钼锑抗分光光度法。叶绿素和细胞总数采用多参数水质监测仪HYDROLab进行测定。对Green Origio生态处理系统进水400 L/h预运行试验，待水质稳定再从600、1 100 L/h进行流速优化试验。根据所测数据分析系统处理湖水的最大污水负荷。系统预运行一个月，取样周期为7 d，流速优化试验为期3个月，每一种流速下系统运行一个月，取样周期为7 d。

2 结果与讨论

2.1 GreenOrigio生态处理系统的预运行

Green Origio生态处理系统安装完毕后开始取样，取样时间集中在4到11月，取样周期为7 d，流量为260～400 L/h。在四处取样点监测系统水质状况，包括 CODCr、N－N 和 TP，从此三种水质指标确定系统何时达到稳定运行状态。由于园区新建，污染较轻，水质指标浓度偏低，CODCr低于地表水环境质量标准Ⅲ类水，水质波动不明显，故视为稳定出水。重点监测N－N和TP在预运行中的处理效果，保证稳定的出水浓度值和去除率。

图2 系统预运行时N－N的处理效果Fig.2 N－N Concentrations during Pretreatment

2.2 系统正常运行时对N-N和TP的去除效果

Green Origio生态处理系统经过前期预运行，出水效果稳定。随后提高系统的进水负荷，进行了系统最大进水负荷的监测试验。系统正常运行时，N－N 的进水负荷分别在 0.016 5～0.050 9 mg/L·h之间波动，TP 的进水负荷在 0.033～0.039 5 mg/L·h之间波动，流速按照600和1 100 L/h运行，水力停留时间（HRT）分别按照10和20 h进行稳定运行试验。每一种工况运行一个月，取样周期为7 d，试验数据采用平均值分析检测结果。

图3 系统预运行时TP的处理效果Fig.3 TP Concentrations during pretreatment

图4 不同水力停留时间下NN的处理效果Fig.4 N-N Concentrations at Different HRT

其次分析TP的变化。由图5可知湖区TP进水浓度受暴雨影响，略有差别。当HRT为20 h时，进水浓度偏低，在这种情况下，低流速去除率仍然高于高流速去除率。当HRT分别为20和10 h时，出水浓度分别为0.18和0.19 mg/L，均满足地表水环境质量标准湖、库区Ⅴ类水。分析得出在总磷进水浓度较低时，小河水体得到了进一步的优化。随着流速的提高，去除率降低，这说明进水浓度偏低时，系统中植物和微生物仍然可以把磷当成营养元素吸收，去除能力随着流速的提升有下降趋势。

2.3 系统正常运行时对叶绿素和细胞总数的去除效果

系统稳定运行期间，为了防止湖区水质富营养化，选取叶绿素和细胞总数两参数，考察系统对二者的处理水平。使用多参数水质监测仪HYDRO Lab对四处取样点进行叶绿素和细胞总数测定，周期7 d，根据仪器的准确度和误差范围，拟采用浓度变化趋势反映Green Origio生态处理系统对叶绿素和细胞总数的去除。

如图6所示在系统稳定运行期间，叶绿素去除效果显著。虽然进水叶绿素浓度不稳定，但出水浓度逐渐递减。根据出水叶绿素浓度可得出水水质走势多项式趋势线斜率为负，走势良好。而叶绿素是湖区富营养化程度的重要参数之一，由此可以标志Green Origio生态处理系统对叶绿素有去除潜力。

图6 叶绿素随时间变化示意图Fig.6 Chlorophyll Changes with Time

从Inlet到TANK1是叶绿素降低的主要阶段。由图6可知几乎每个时间点都可以去除50%以上。叶绿素的去除相应的表征了藻类的部分去除，而藻类的生物去除途径主要包括以下几种：生物膜的吸附和附着，微生物对藻类的氧化分解、颗粒填料的机械去除藻类和生物絮凝作用、原生动物对藻类的捕食作用、脱落生物膜对藻类的絮凝沉淀作用。在本阶段，柱形滤料网附着生物膜，生物膜对藻类起到絮凝作用和氧化分解作用，另外生物膜对藻类的吸附和附着作用也会起到一定的去除作用。从TANK1到TANK2，植物庞大的根系对藻类的去除也可以解释为什么叶绿素迅速下降。植物根系盘根错节，产生数量巨大厌氧和好氧微环境，丰富了生物种类的多样性，不仅有好氧、厌氧和兼性厌氧细菌、真菌生物，还由于生物的多样化，原生动物也可生存其中，甚至有水生的螺类和少数软体动物，增加了对藻类的捕食作用。

如图7所示在系统稳定运行期间，细胞总数明显减少。在水质浓度偏低的情况下，湖水中主要生长低等生物，低等生物包括所有蓝绿藻，所以以细胞总数的变化间接反映了蓝绿藻的变化。由图7可知细胞总数从inlet到outlet，减少趋势明显。而且出水细胞总数随着时间的延长，有逐渐降低的趋势。在蓝绿藻占湖水中总生物比例不变的情况下，间接反映了蓝绿藻的数量明显减少，而且没有受到进水水质变化的影响，出水细胞总数浓度稳定在低值。

图7 细胞总数随时间变化示意图Fig.7 Phycocyanin Changes with Time

由以上可知在CODCr较低情况下，HRT分别为20和10 h时，氨氮可以从地表水环境质量标准Ⅱ类、Ⅲ类水，降解至0.06 mg/L，满足地表水环境质量标准Ⅰ类水标准。TP出水浓度分别为0.18和0.19 mg/L，均满足地表水环境质量标准湖、库区Ⅴ类水。TP的控制浓度应该和当地的水质量保护相关[11]。封闭湖水极易发生富营养化，许多湖泊中营养物质的积累是由出水控制的[12]。以叶绿素和细胞总数两参数表征富营养化程度，监测结果表明Green Origio生态处理系统对叶绿素和细胞总数有明显的去除效力。

3 结论与建议

（1）Green Origio生态处理系统对景观水能够起到维持水质，以及进一步优化水质的作用。经过系统处理后，氨氮能够满足地表水环境质量标准Ⅰ类水标准，TP能够满足地表水环境质量标准湖、库区Ⅴ类水标准，并且该系统对叶绿素和细胞总数也具有明显的去除效果。

（2）为保证出水水质的稳定性，Green Origio生态处理系统安装完毕后，在低浓度景观水进行调试时，建议进行至少一个月预运行。

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