低温条件下组合式浮床脱氮效果研究

吕宣惠

(江苏大众水务集团有限公司,江苏 徐州 221111)

生态浮床是根据无土栽培技术，利用水陆生植物生长修复黑臭水体、富营养化水体生态工程技术。近些年来，生态浮床因维护简单、无占地、太阳能驱动和景观美化效果好等特点受到普遍的关注[1]。传统的生态浮床仅是依靠水生植物同化作用和根系微生物氧化分解作用去除水体中的污染物，个体植物矮小和枯黄，净化效果较差。将污水生物处理中的生物载体引入生态浮床中并组建成组合式生态浮床，组合式生态浮床通过强化浮床系统中生物量的方法，增强了生态浮床的生态效应、环境效益，生态修复效果，并得到了大量的研究和工程应用[2-6]。

因为地表水体的低C/N比或内源碳不易降解使地表水体中的氮磷污染较重，组合式生态浮床没有很好的解决这个问题，导致水体中的氮磷植物性元素生物脱氮和生物除磷过程受阻，水体富营养化不能得到有效控制和消除[6-7]。

但是目前国内外已有的研究主要侧重于生态浮床的设计和净化、植物搭配和优选、浮床净化效果优化以及浮床对生态环境的影响等等领域[1，3，5，6，8，9]。而如何解决优质碳源缺乏提高水体脱氮除磷的效果鲜有报道，特别是低温条件下的水体脱氮除磷难题。

基于低温条件下生态浮床景观和脱氮除磷效果双重需要，本次试验结合固相反硝化原理、无土栽培原理、生物反硝化原理等耦合在一起，构建了一种新型的组合式生态浮床[2]。改变了传统组合式生态浮床植物根系和人工填料相对位置，将悬挂在浮体下面的填料调整作为植物生长基质，改善了植物根系生长环境，提高了基质表面微生物活性和微生物浓度，强化了植物生长效果和增加了浮床系统内的微生物量，提升了生态浮床的净化效果和作用空间区域[2，5，10，11]。

本试验选的水芹是冬春季节净化重污染河道的经济有效生物材料，水芹浮床在9.3～14℃水温下对氮磷污染物都可以保持较高的去除率和较强的生命力[10-15]。同时选用玉米麸(农业废弃物)作为基质，并对系统进行微曝气，改善传质效果。本试验旨在研究改良的组合式生态浮床在低温条件下的脱氮效果和机理，为水体修复和浮床工艺完善提供参考。

1 材料和方法

1.1 浮床基质

玉米麸：取自徐州市云龙区周边农村地区玉米棒芯通过人工剪裁成约为1cm×1cm×1cm方形，表面粗糙较好，用自来水连续浸泡两周(每天换水1次)，消除玉米麸表面容易脱落的有机颗粒或组织内含物，防止试验过程中出现二次污染，孔隙率约为68%，比表面积约为380m2/m3。轻质陶粒：表面粗糙，粒径为5～8mm、孔隙率约为65%、比表面积约为360m2/m3。

1.2 生态浮床植物的选取与种植

水芹( Oenanthe javanica)试验前将购自植物培育基地的水芹根系洗净，并曝气培育15天，试验时将水芹育苗统一修剪为15cm，并移栽到生态浮床基质中。水芹露出填料高度约为8cm，其余埋在基质中，两组生态浮床中水芹栽种间距(3cm)均相同。

1.3 原水

1.4 浮床组成和试验方法

生态浮床由床体框架、水芹、基质组成。生态浮床床体框架使用能过水的塑料圆柱形水培篮，内径为20cm，深度为18cm，每个水培篮内玉米麸或轻质陶粒填充量分别为3.5升，共2个。将其移入有效容积为100L的长方体水箱，构建生态浮床系统。

每组生态浮床设置3个平行的生态浮床，每个生态浮床中的基质、水芹、水质等保持相同，其中一组是以玉米麸为基质的组合式浮床(Integrated floating bed with corn flakes，简称IFB-CF)，另一组是以轻质陶粒为基质的组合式浮床(Integrated floating bed with light ceramsite，简称IFB-LC)。使用风机进行水面微曝气，使溶解氧维持在2.23～3.25mg/L；采用序批式处理的方法，分别于每次换水后的12h，24h，48h，72h，96h，120h，144h，168h取样测量。在水箱的5处不同位置采集表层水样，取混合后水样装入已灭菌的采样瓶中，2小时内完成检测分析。

1.5 样品采集及分析

1.6 数据处理与分析

试验数据经Excel 2010软件处理后，运用Origin 9.0软件作图，并应用Origin对氮、磷降解过程进行数据拟合。

2 结果与分析

2.1 氮素转化过程

2.1.1 生态浮床对氮素污染物去除效果

图1 生态浮床系统中氮素污染物转化和去除效果

由图1(a)可见，随着时间的推移，TN浓度显著减少，而且IFB-CF对水体TN的去除效果要优于IFB-LC，两者TN去除效果存在显著性差异(p<0.05)。7天后，IFB-LC对TN总去除率为31.37%，而FB - CF去除率达到67.55%。

2.2 总磷(TP)去除效果研究

两种生态浮床内TP的去除效果都呈现降低-增高-降低的变化趋势(见图2所示)。72h时，IFB-LC的TP浓度达到最低为0.86mg/L；96h时，IFB-CF的TP浓度达到最低为0.61mg/L。对比IFB-LC，FB-CF对TP的去除率最高点相对滞后。其主要原因是IFB-CF出现的Flavobacterium (解磷菌)丰度要高于IFB-LC。水芹对磷的吸收并非一直增加，当水芹对磷的吸收达到饱和点时，水芹自身不能对磷进行吸收，该现象与水芹植株中磷含量的变化趋势相吻合。

图2 TP浓度变化曲线

2.3 COD去除效果及分析

COD浓度随时间的变化如图3所示。IFB-LC和IFB-CF对COD的平均去除率分别为86.89%和66.06%。相对于IFB-CF而言，IFB-LC的去除效果较好。IFB-CF中有机物在被水芹、玉米麸表面生物膜吸收和降解的同时，玉米麸自身释放有机物，相比于IFB-LC，IFB-CF增加了有机物的产出量，所以IFB-LC比IFB-CF对COD的降解效果要明显。

图3 COD浓度变化曲线

3 结论

(2)在对TP的监测中发现，IFB-LC对TP的最大去除率为29%，IFB-CF对TP的最大去除率为49%。TP的含量变化呈现先降低后上升的现象。水芹对磷的吸收并非一直增加，需要探究在对水体脱氮的同时，还需找到脱氮与除磷同步的最适点。