组合生态浮床设计及强化水体污染物降解试验研究
2018-09-18
(凌源市水资源管理办公室，辽宁 朝阳 122500)
1 材料与方法
1.1 试验概况
研究地点位于辽宁省凌源市，雨热同期，降水充沛，气候温和，暑热期长，属温带大陆性季风气候，年平均总降水量482.4mm，极端最低气温为-27.9℃，极端最高气温为43.3℃，多年平均气温8.7℃。试验研究富营养化水体净化模拟池为自然开放露天场地，场地面积为243m2，水深1.6m，池底铺砌为混凝土，无鱼草共生。池内沉积物和上覆水来自试验场内养鸡场粪便沼气发酵池后的氧化塘塘水，富养化水体净化模拟池沉积物平均厚度为22cm，水深1.2m，稳定期为两周。模拟池上覆水水质指标初始值，见表 1。参照《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)，该上覆水水质富营养化状况较为严重，TP、NH4-N、TN和COD等指标属于劣V类。
表1 模拟池上覆水水质指标初始值
1.2 供试植物
选取5种生长习性不同的植物(水稻、再力花、千屈菜、菖蒲和美人蕉)作为研究对象。试验用水稻为龙稻18，性喜温湿、短日照，穗分化适温27℃左右，本地适合生长时间为4—10月。再力花不耐寒，喜阳光充足、温暖水湿的气候环境，在微碱性的土壤中生长良好，花期适宜温度为23—26℃，生长适宜温度为21—29℃，本地适合生长时间为4—9月。千屈菜性喜光照充足、水湿、温暖、通风好的环境，比较耐寒，多生长在沟边、河边、水旁湿地和沼泽地，可在旱地栽培，生长适宜温度21—31℃，南北各地均可露地越冬，本地适合生长时间为3—11月。菖蒲不耐寒，性喜湿润温暖，适宜生长的温度为21—26℃，温度低于10℃时将暂停生长，本地生长周期为4—10月。美人蕉为多年生宿根草本植物，忌干燥、不耐寒，性喜湿润温暖，适宜生长的温度为23—26℃，温度低于8℃时将暂停生长，本地适合生长周期为4—10月。以上植物均适合开春后4月至当年夏季9月在本地生长。
1.3 组合型生态浮床的构建
在模拟池放置生态浮床，池两端安装造浪-输送系统和水循环增氧系统，如图1所示。通过时控开关控制运行时间，运行频率两系统交替运行1h，试验设置3个重复。选用充气式浮法种植盘60cm×60cm×10cm，每个种植盘有9个种植杯来栽培株型高度一致，生长良好的浮床植物。模拟池单元中充气式多功能种植盘共栽种水稻45株、再力花36株、千屈菜36株、菖蒲36株、美人蕉36株，生态浮床面积覆盖率约为25%，浮床植物种植密度40株/m2。试验设置3个重复和3个空白对照重复。图2为浮床植物长势。
图1 组合型生态浮床布局
图2 浮床植物长势
1.4 试验方法
试验均在自然温度和光照下进行，浮床植物于2017年4月中旬移栽，栽种后观察植物成活率情况，试验于2017年4—9月间进行，为消除水分自然蒸发损失和植物蒸腾作用对试验效果的影响，定期补充稀释到一定浓度的氧化塘塘水。通过水质采样器采集水面0.6m下处水样于西林瓶中，取样时间在上午10时左右，每隔7d取样一次。水质指标的分析参考国家标准检测方法，见表2。
表2 检测指标及方法
1.5 营养状态评价
以Chla、SD、TP、TN和COD五项因子为评价指标，采用综合营养状态指数(TLI)对水体的富营养化状态进行评价，营养状态指数计算公式如下：
TLI(Chla)=10(2.5+1.086lnChla)
(1)
TLI(SD)=10(5.118-1.940lnSD)
(2)
TLI(TP)=10(9.436+1.624lnTP)
(3)
TLI(TN)=10(5.453+1.694lnTN)
(4)
TLI(COD)=10(0.109+2.661lnCOD)
(5)
(6)
式中Wj——第j种参数的营养状态指数的相关权重；
TLI(j)——第j种参数的营养状态指数；
TLI(Σ)——综合营养状态指数。
2 结果与讨论
2.1 上覆水中COD的去除效果
上覆水中COD质量浓度变化如图3所示，可以看出：组合型生态浮床作用下模拟池中上覆水中COD的去除效果比较明显，对照池和模拟池35～42d内上覆水COD质量浓度较为接近，48d开始模拟池上覆水COD质量浓度下降趋势明显，主要是由于浮床植物进入生长旺盛期，生物量逐渐增大，对悬浮物的吸附作用及有机物的吸收利用增强，有效降低了水体中有机物质的含量。在试验后期，浮床中有机物根系腐败、分解导致模拟池上覆水中COD质量浓度下降速度趋于缓慢。试验期间，对照池上覆水中COD质量浓度由初始值10.92mg/L降低到7.48mg/L，去除率为31.50%，呈小幅下降趋势；模拟池上覆水中COD质量浓度由初始值10.92mg/L降低到4.87mg/L，去除率为55.41%，去除率明显高于对照池，去除效果比较明显。
图3 上覆水中COD质量浓度动态变化
2.2 上覆水中TN的去除效果
上覆水中TN质量浓度变化如图4所示，可以看出：对照池和模拟池上覆水中TN质量浓度在前49d变化趋势比较接近，主要是由上覆水中生物降解和悬浮固体下沉造成的。49d后上覆水中TN质量浓度下降速度明显加快，主要是由于浮床植物根系的截滤作用能去除大量悬浮有机物，同时藻类的自沉降作用进一步降低了TN质量浓度。而对照池上覆水中TN质量浓度变化主要集中在前49d，后期变化较小，由初始值4.03mg/L降低到2.64mg/L，去除率为34.49%；模拟池上覆水中TN质量浓度由初始值4.03mg/L降低到1.05mg/L，去除率为73.95%，为对照池去除率的2.14倍。这是因为生物硝化反硝化作用能够有效去除总氮，虽然浮床植物吸收所占的比重较小，但是在造浪输送系统和水循环增氧系统作用下，为上覆水中好氧微生物的生长和繁殖创造了条件，植物同化和吸收氮素合成有机氮和蛋白质，从而降低了模拟池上覆水中各种无机或有机氮，使得TN质量浓度大幅下降。
图4 上覆水中TN质量浓度动态变化
2.3 上覆水中的去除效果
图5 上覆水中质量浓度动态变化
2.4 上覆水中的去除效果
图6 上覆水中质量浓度动态变化
2.5 上覆水中TP的去除效果
试验期间对照池和模拟池中TP质量浓度变化，如图7所示。可以看出：在前28d对照池和模拟池中TP质量浓度比较接近，表明该时间段内TP质量浓度的降低主要与上覆水中悬浮固体的下沉有关。随着试验时间的延长，对照池上覆水中TP质量浓度变化幅度较小，42～119d时TP质量浓度有小幅升高趋势，主要与沉积物中TP的释放有关，总体上维持在0.22～0.26mg/L波动。而模拟池上覆水中TP质量浓度由初始值0.25mg/L降低到0.06mg/L，去除率为76%，主要是由于浮床植物根系为微生物提供了庞大的附着面积，对磷的同化作用显著提高。但试验后期，TP质量浓度维持在0.06mg/L左右，基本没有变化，主要是由于微生物活性降低，同化作用减弱，模拟池组合型生态浮床有机物生长趋于缓慢，水稻根系腐败，丧失对富养化水体生态修复功能。
图7 上覆水中TP质量浓度动态变化
2.6 上覆水中SD和Chla的变化特征
对照池和模拟池中SD变化，如图8所示。可以看出：对照池与模拟池均呈现出明显的上升趋势，但升高幅度存在较大差异。对照池上覆水中SD由初始值0.35m上升到0.44m，上升幅度为24.71%；而组合型生态浮床作用下对模拟池的SD上升效果明显，由初始值0.35m上升到0.56m，提高了60%。其中，21～119d之间SD上升幅度较快，一方面因为生态浮床能够遮挡阳光，降低了光照强度，有效抑制藻类的生长繁殖，通过接触沉淀作用促使浮游植物沉降；同时，随着试验时间的延长，水体营养含量相对较低，浮床植物生命周期长、个体大、储存和吸收营养盐的能力高于浮游藻类，浮床植物根系能分泌出克藻物质，严重影响藻类的生理代谢功能，抑制了藻类大量繁殖，模拟池上覆水的SD显著提高。
图8 上覆水中SD动态变化
对照池和模拟池中Chla变化，如图9所示。可以看出，模拟池Chla质量浓度变化与模拟池上覆水SD提高的原因分析相一致，模拟池上覆水Chla浓度由初始值24.49mg/L降低到4.63mg/L，降低了81.08%。而对照池上覆水氮、磷等元素丰富，促进了藻类增长繁殖，Chla质量浓度呈现升高趋势，由初始值24.49mg/L上升到33.38mg/L，上升幅度为36.30%。
图9 上覆水中Chla质量浓度动态变化
2.7 营养状态评价
对照池和模拟池的富养化状况通过TSI评价法进行评价，结果见表3。可以看出，试验前和试验后对照池的水体营养状态均为中度富营养，而试验后模拟池的水体营养状态为中营养。对于组合型生态浮床作用下的模拟池而言，TP、TN、COD和Chla浓度都有大幅下降，水质得到明显改善，营养状态由中度富营养降低到中营养，表明组合型生态浮床对常营养化水体的生态修复效果比较显著。从对照池各单项指标来看，虽然TP、TN、COD浓度都有所下降，但Chla由初始值24.49mg/L上升到33.38mg/L，导致TLI值仍处于较高水平。
表3 富营养状态评价结果
3 结 论
