景观-生物膜系统在水环境修复中的应用分析

2020-02-27

水资源开发与管理 2020年2期

(1.辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁沈阳 110006；2.沈阳楠栖艺境规划咨询有限公司，辽宁沈阳 110003)

随着社会经济的发展，环境问题日益突出，特别是水环境问题，对于国民经济和人民身体健康具有重要影响。城镇化的发展必然带来城市景观水体及水质的恶化，探讨具有高效经济的环境水修复处理工艺是现阶段乃至今后的研究重点[1-3]。

传统的污水处理工艺包括人工湿地、蚯蚓微生物生态滤池以及生态浮床等，其具有占地面积大、景观效果差、自净能力低、易受污染等缺点，若管理不当甚至会形成水体富营养化和黑臭现象，失去水体原有的作用，已不能满足当前社会经济发展的需要[4-6]。生物膜是一种高效率的处理工艺，是比较成熟和经济的手段之一，已在水环境治理中逐步推广使用[7]。以往对于生物膜技术的研究主要集中于生物膜的材料性能方面，即采用何种材料的生物膜处理效果更佳，但是却忽略了景观水生植物的作用，即弱化了或者忽视了景观水生植物的净化性能[8-12]。

本文旨在将生物膜技术与景观水生植物相结合，构建一个处理效率高、占地面积小、不易被污染的水环境修复系统(景观-生物膜系统)，探讨不同水生植物在此系统中发挥的功能与作用，最终实现水环境修复与生态效果的和谐统一。

1 试验概况

1.1 景观-生物膜系统的构建

试验过程中主要使用的设备包括太阳能电池板、蓄电池、定时装置、曝气泵、围隔防水布、电控箱、气体流量计、溶氧仪、便携式浊度仪、浮游植物荧光仪、综合采样器、电子天平、塞氏盘等。试验原理为：利用太阳能生态浮床技术，将生物滤料层以及景观植物置于浮床中，定期向系统中曝气，然后采用钼酸铵分光光度法测定TP，采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法测定TN，并定期对系统各种植株生长情况进行测定。构建的景观-生物膜系统主要包括陶粒生物滤料层、生物膜层、空气扩散装置、气体流量计、储水箱以及景观生物等，系统装置示意见图1。

图1 景观-生物膜系统示意

1.2 试验条件

考虑到系统的适用性和植物对污染物的去除能力以及景观效果等，选择常见的美人蕉、鸢尾和海寿3种水生植物作为本次对比试验分析对象。在野外采集水生植物后，将泥土洗净，然后带回室内在自来水中驯养3d，各种植物均选择大小、高度基本一致的植株移入培养容器内，在同等进水条件下，定期(每5d测一次)对氮磷及植株生长状况进行统计分析。系统进水的初始水质情况见表1。

表1 系统初始水质设定

2 试验结果分析

2.1 水生植物成长情况

试验期间不同植物高度和根系长度的情况见图2。从图2可以看出：美人蕉、鸢尾和海寿3种植物的初始高度分别为11.4cm、16.0cm和17.2cm，经60d试验后，高度分别达到了59.0cm、42.5cm和38.0cm，植株的平均生长率分别为0.79cm/d、0.44cm/d和0.35cm/d，高度和平均生长率的对比情况均为：美人蕉>鸢尾>海寿；美人蕉、鸢尾和海寿3种植物根系的初始长度分别为5.0cm、6.5cm和7.0cm，经60d试验后，根系长度分别达到了40.0cm、17.2cm和36.4cm，根系平均生长率分别为0.58cm/d、0.18cm/d和0.49cm/d，根系长度和平均生长率的对比情况均为：美人蕉>海寿>鸢尾。从总体上来讲：美人蕉的根系发达，枝叶茂盛，其适应生长的能力最强；海寿虽然枝叶生长较慢，但其根系较为发达；鸢尾适应生长的能力居中，3种植物均能在试验期后达到成株高度。

图2 试验期间不同水生植物生长指标变化情况对比

图3 试验期间不同水生植物生物量变化情况对比

对3种水生植物的生物量进行统计，对比情况见图3。从图3中可以看出，美人蕉的生物量在试验期内呈三阶段变化特征，即0～20d的适应生长期，20～45d的快速生长期以及45～60d的缓慢生长期，这主要是因为美人蕉具有块状茎，在快速生长期里随着时间推移，美人蕉的根茎会萌发新芽从而长出新的植株，故而生物量会大大增加；鸢尾和海寿的前期(0～15d)生物量生长较快，表明两者在前期对水体的适应力要强于美人蕉，但是随着美人蕉根系的生长，其适应能力逐渐增强并反超鸢尾和海寿，15～60d试验过程中，鸢尾和海寿的生物量呈缓慢生长趋势且生长率基本相同。

2.2 N、P的去除(吸收)情况

图4 不同植物生长期内对N、P的吸收情况

水体中TN的去除主要是通过植物吸收、根系周围硝化、微生物降解以及反硝化作用等实现的，即主要是由水生植物和微生物两者的协同作用进行降解。水生植物可为微生物提供充分的好氧环境，同时分泌一些激素使得好氧微生物不断进行新陈代谢，而在根系其他地方，则为厌氧微生物提供充分的生存条件，进而促进浓度降解，因此植物的根系越发达，越粗密，TN的去除效果越好。试验中不同植物对TN的吸收对比情况见图4(a)。从图4(a)中可以看出，TN浓度随着植物生长期的增加呈幂函数型降低，而空白对照组的TN浓度变化幅度很小，主要是因为在植物生长前期，其生物量总体增长较快，对N元素的需求量较多，而空白组主要依靠藻类和微生物自身的降解作用(将有机物转变为无机物)，因而TN浓度下降较慢；在相同初始TN浓度下，经过60d试验期后，美人蕉、鸢尾、海寿以及空白组对TN分别去除3.03mg/L、2.55mg/L、2.66mg/L和1.05mg/L，去除率分别达到59.4%、47.8%、50.0%以及21.6%，对TN的去除率对比情况为：美人蕉>海寿>鸢尾>空白组。

水体中P元素主要以磷酸盐、聚磷酸盐以及有机磷等形式存在，TP的去除主要通过植物根系以及微生物的矿化吸收(有机磷)，同理，周围根系越发达，TP的去除效果越好。不同植物对TP的吸收对比情况见图4(b)，从图4(b)中可以看出，在相同的TP初始浓度下，美人蕉、鸢尾、海寿以及空白组对TP分别去除0.570mg/L、0.480mg/L、0.390mg/L和0.155mg/L，去除率分别达到了54.3%、45.7%、37.1%和14.8%，对TP的去除率对比情况为：美人蕉>鸢尾>海寿>空白组。

2.3 植物生长与去除率关系

不同水生植物生物量与N、P浓度变化的关系见图5。从图5中可以看出，N、P元素随生物量的增加呈逐渐减小趋势，但不同植物表现有所不同；美人蕉在生物量20g之前，浓度呈快速减小趋势，说明此阶段植物的生长需要很多N、P元素，大于20g之后，浓度变化基本与x轴平行，即减小幅度很小，这表明后期植物生物量的增加与N、P的去除率关系不大，也说明除了植物吸收之外，还有其他因素对N、P起着去除作用；而鸢尾和海寿则表现为三阶段变化特征，即“缓慢降低—快速降低—缓慢降低”；海寿快速降低区位于30～36g，而鸢尾快速降低区位于42～46g，因此不同水生植物在修复水环境的过程中发挥作用的最佳时段是不同的，应在景观-生物膜设计中予以重视。