生物栅对巢湖西环城河景观水净化效果的研究

徐震，刘绍根

(安徽建筑大学 环境与能源工程学院，安徽 合肥 230601)

0 引言

城市景观用水之所以成为各大城市建设的重点内容，是因为城市景观用水本身具有一定的价值，如景观价值、生态价值等。大部分景观水是由河流和湖泊等天然水或由人工建筑构成的封闭水体形成的，用于娱乐等一系列居民活动。这种水体还具有一些缺点，例如容易受到污染，稳定性较差和水环境容量较小，自净能力差等[1]。景观水的生态修复是为了尽可能的去除水中污染物、恢复原有生态系统的样貌[2]。而在城市河道生态修复治理过程中，各种修复技术因为本身具有成本较低、修复效果好等众多优点而被广泛应用；不过，与单一的生态修复技术相比，一些复杂的组合生态修复技术的优势不仅是效果更好，而且能使多种单一的修复技术求同存异发挥出其更好的治理能力和稳定性，实践证明，景观水体的生态治理已经取得令人欣慰的效果[3～7]。

生物栅技术是把动植物、微生物以及一些必要的生态元素协调统一起来完成该项技术的去污治理能力[8～11]。生物栅作为全新高效的生态工程技术，具有一些其他传统生物技术没有的优点，不仅降低了工程投资，而且装置本身还易于运行、便于管理，是生态修复工程的首选技术[11]。

目前，生物栅技术在国内的应用非常广泛，杨清海利用生物栅技术处理丽娃河富营养化景观水体研究，对 COD、TN、TP的去除率达 57.6%、60.8%、82.4%；王国芳等以空心菜、三角帆蚌、人工介质构建生物栅处理湖水，发现加入三角帆蚌后人工介质上生物活性明显提高，提高了去除污染物的效果；李伟等通过搭建组合生态浮床来太湖梅梁湾湖水，结果表明TN、TP的平均去除率在50%以上。

巢湖市西环城河景观水体的治理原先利用植被修复、生态岸坡、植石生态法等技术，通过滨岸景观设计及植物的配置达到对景观水体的净化修复。为了更加美化景观水环境，在原来的基础上，构建生物栅系统，分析植物和填料在系统中去除污染物分别起到的作用，遴选出适合于处理巢湖当地景观水体的水生植物，为今后示范工程的建设和应用生物栅技术修复城市景观水体提供可靠的理论依据。

1 实验材料与基本方法

1.1 实验材料选择

通过查阅文献及对西环城河周边的实地调查，本论文选定水生植物为美人蕉、鸢尾，选取生长状况基本一致的植物，植物来源于丁岗河湿地公园，挖回冲洗根部污泥，移栽到试验水体中，种植在装置中，为了使植物不倾倒，采用棉布包裹固定在定植孔内。选择组合填料(醛化纤维材料)作为本试验的填料，填料安装上之前需经过清水冲洗再用实验用水冲洗，方可安装于实验装置内。

1.2 实验方案设计

小试装置采用长方体外框架，尺寸为1 000 mm×500 mm×600 mm，有效水深500 mm。生物栅装置示意图1。组合填料纤维长50 mm。试验装置内放置供植物栽种床体，床体上有6个定植孔，每个定植孔内可种植1～2株植物，每个定植孔下面有1串组合填料，每串上有挂5个盘片，每个盘片选用直径80 mm，每个盘片上挂有8个长50 mm的纤维填料，每串上盘片间隔70 mm。装置正面设置4个采样口，每个取样口间隔10 cm，最下端取样口位于装置底端10 cm处(做实验取水样时可以从距离水面10 cm处的取样口取水)。待生物栅系统组装完成后，各项水质指标的监测等到植物根系和所挂填料充分交织后(长出三级根系并与填料发生盘旋)再开始进行，填料与植物根系交织见图2。

图1 生物栅装置示意图

图2 植物根系与填料交织

1.3 试验方法

试验共设4组水箱，第1、2组水箱设置有植物和填料，植物为美人蕉、鸢尾，第3组只装有填料没有植物，第4组只装有植物没有填料，植物采用美人蕉；生物栅设计水力停留时间为8 d，试验过程中每天取样一次进行水质监测，监测指标时需注意，每个样本做3组平行监测，每项监测结果取3组数据的平均值。主要监测指标为CODCr、TP、TN、氨氮，监测指标均按文献[12]的所给方法进行实验。通过比较4组处理组的生物栅系统处理去除率，对选中植物和填料的处理能力进行综合评价，从而选择出适合环城河的生物栅系统。

本次试验小试装置放置在环城河边的污水泵站中，方便于装置进水及换水，水质监测实验室安置在篆池新村后污水处理厂中，小试装置现场图如图3所示。

图3 生物栅小试装置现场图

试验用原水用西环城河河水，进装置时用污水提升泵打入水箱，再由水箱通过重力流方式进入各个装置箱。

2 结果与分析

巢湖市西环城河水质如表1所示：

表1 巢湖市西环城河进水水质 单位：mg/L

2.1 对CODCr的去除效果

生物栅中，主要通过植物新长出的根部的吸收作用，通过填料、植物根部微生物自身的代谢作用等作用来去除有机物。每次试验监测COD指标做3组平行重复对照试验，结果取3组平均值，得出图4；图4是处理组在设定周期内COD浓度和COD去除率的变化情况；由图可以看出，对COD的去除率中，填料组为19.1%，美人蕉+填料组为53.5%，鸢尾+填料组为47.1%，而人工浮岛组达32.6%；试验前期可发现人工浮岛组对COD的去除效果基本与植物+填料组没什么明显的区别，这是因为试验初期组合填料上的生物膜不是很成熟，待系统中微生物种类和数量越来越丰富时，生物栅组就明显比人工浮岛组的处理效果要好；由此可以得出：(1)生物栅组对有机物的去除效果优于人工浮岛组，说明人工浮岛添加了组合填料增加了系统内的微生物数量与种类，增强了微生物与水生植物以及填料之间的协作作用，促进了系统对景观水体中有机物的降解。这与徐功娣等试验得出的结论一致。(2)植物对有机物的去除是美人蕉要优于鸢尾。由于美人蕉根系比鸢尾发达，与填料充分交织在一起增大了与污染物的接触面积，促进了美人蕉生物栅更好的去除水中有机物，与吴卿、王美等[13]得出的美人蕉是生物栅优势植物的实验结论一致。

图4 处理组COD指标浓度变化及去除率图

2.2 对TP的去除效果

生物栅系统通过植物对磷的吸收、组合填料对磷的吸附、聚磷菌的摄磷机制等等实现环城河河水中磷的去除。每次试验监测TP指标做3组平行重复对照试验，结果取3组平均值，得出图5。图5为处理组TP指标的浓度以及去除率变化情况。由图可以看出，环城河水中TP的去除率中，在填料组为52%，在美人蕉+填料组的去除率则高达75%，在鸢尾+填料组去除率达69%，稍逊色于美人蕉系统；处理组两种植物对TP的去除分别为23%、17%，基本符合Hadada H R等[14]试验得出植物对TP的去除率一般在5%～20%。而人工浮岛组对TP的去除只有22.5%，由此可以看出，组合填料对TP的去除比植物单独作用效果要好；美人蕉对TP的去除效果要优于鸢尾，说明美人蕉生物栅系统更适于景观水体对TP的去除。这与吴卿等试验得出结论一致。

由图5还可以发现，生物栅处理组在试验初期处理效果就明显优于人工浮岛组，这是由于在试验初期系统中填料就已经与植物根系形成了复杂的“网状结构”[15]，拦截了很大部分的不溶性的磷；到了试验中期，附着在这“网状结构”上的如聚磷菌等菌种起到了决定性作用，使得生物栅组对TP的去除效果远远优于人工浮岛组。

图5 处理组TP指标浓度变化及去除率图

随着试验时间的推移，会发现各组对TP的去除率一直在升高，但是增长幅度越来越小，这是因为在试验周期内，没有对成熟的植物进行裁剪收割，植物对磷的吸收以及填料对不溶性磷的吸附逐渐达到饱和状态，若对试验后期对植物进行收割裁剪，会让系统的去除效率更进一步提升。

由此可以得出结论：(1)生物栅系统对TP的去除效率远优于人工浮岛组和填料组(2)美人蕉生物栅系统对TP的处理效果要好于试验其他处理组。

2.3 对TN的去除效果

生物栅系统主要通过植物吸收、硝化与反硝化、组合填料的吸附作用等的途径来实现对水中总氮的去除；每次试验监测TP指标做3组平行重复对照试验，结果取3组平均值，得出图6。图6为处理组TN指标的浓度以及去除率变化情况。由图中可以看出，对环城河TN去除率中，填料组达到了55.5%，而生物浮岛组去除率则为48.2%，而美人蕉+填料组的去除率高达83.9%，鸢尾+填料组去除率达78.9%，也稍逊色于美人蕉组，这与吴卿等研究不同植物生物栅系统对水质净化效果的研究结论相同。由于水体存在着自净功能，对TN的去除也有着很大的帮助，资料显示依靠水体本身的自净能力对TN的去除率也可达到27.4%～27.8%[16]。

由图可看出，在整个试验过程中，生物栅对水中TN去除效果始终优于人工浮岛组，而且过程中差距也是越来越大的，主要因为生物栅系统内填料上附着着大量细菌，它们可以将水中的含氮有机物转化为可供植物直接利用的无机氮化合物，从而使得生物栅装置水中TN含量很低。

图6 处理组TN指标浓度变化及去除率图

在本实验中，水生植物对水中TN的去除率在20.32%～28.4%，由此可见水生植物是生物栅系统必不可少的元素之一，王国芳等[17]研究表明，在组合型生态浮床试验中，填料、植物、水生动物对TN的去除贡献率分别为48.5%、22.2%、29.3%，同样应证了水生植物对生物栅系统的重要性。植物加强了生物栅对TN的吸收，填料上所形成的表面积巨大的生物膜与根系交织，形成适合去除TN的好氧—缺氧—厌氧环境，这增强了微生物的硝化与反硝化作用，也就提高了生物栅对TN的去除率。

由上可得出结论：(1)生物栅系统处理TN的效果优于人工浮岛组和填料组(2)美人蕉生物栅系统是处理景观水中TN的最优选择。

2.4 对氨氮的去除效果

生物栅系统主要通过植物根部的吸收、微生物发生硝化反应来实现对环城河中氨氮的去除；每次试验监测氨氮指标做3组平行重复对照试验，结果取3组平均值，得出图7。图7为处理组氨氮指标的浓度以及去除率变化情况。。由图可以看出，对水中的氨氮去除率中，填料组达到53.3%，而美人蕉+填料组去除率达88.2%，鸢尾+填料组去除率达80.4%，而生物浮岛组的则只有40.9%。由此，对生物栅进行合适的植物种植可以较好的提高对水中氨氮的去除。在试验周期的的前3天对氨氮的去除效果最好，是因为系统内各单元此时的溶解氧含量相对比较高，在好氧环境下氨氮可以转化为硝酸盐与亚硝酸盐，从而使水中氨氮得以较多的去除。

图7 处理组氨氮指标浓度变化及去除率图

由图中可以看出，在生物栅处理组和人工浮岛处理组对比中，生物栅处理组的净化效果要优于人工浮岛组，这是因为在组合填料上形成的生物膜上生物量越来越丰富，世代周期较长的硝化细菌增强了对氨氮的硝化作用，同时随着试验的推进，植物根系分泌氧的作用增强也促进了硝化过程的进行；另一方面，填料与根系交织密集处形成了缺氧空间，为反硝化作用提供了必要的条件[16]。因此，大大增强了对水体氨氮的去除效果。

由此可得出结论：(1)生物栅系统处理氨氮的效果优于人工浮岛组和填料组(2)美人蕉生物栅系统是处理景观水中氨氮的最优选择。

3 结论

生物栅系统对巢湖市居巢区富营养化水体中的CODCr、TP、TN、氨氮均有较为理想的去除效果。且CODCr、TP、TN、氨氮四项指标均可达到国家地表水环境质量标准中规定的Ⅳ类标准。

各实验组对巢湖市居巢区富营养化景观水体中的CODCr、TP、TN、氨氮四项指标去除率会随实验选定的停留时间增长而增长，但是越到试验后期污染物的去除率增长的会越来越慢，说明生物栅系统的去污能力达到一极限，对检测的四项指标CODCr、TP、TN、氨氮的去除率分别为 47.1%～53.5%、69%～75%、78.9%～83.9%、80.4%～88.2%。实验组得出结论中，美人蕉作为处理效果最好的理想植物，不仅除污能力强，而且景观效果好，可以作为巢湖环城河治理的首选植物。