人工湿地及联合修复技术对景观水体修复的研究

2021-02-03孙志强蒋梦婷罗宇峰王丹琼黎恒燃程慎玉

当代化工研究 2021年24期

＊孙志强蒋梦婷罗宇峰王丹琼黎恒燃程慎玉

（衢州学院浙江 324000）

景观水体多为人工建造或改造，处于封闭或半封闭状态，具有水体容量小、水域面积小、流动性较差、水体的自净能力较弱等特点[1-2]。其内源性污染主要来自沉积物、排泄物、残枝叶等[3]。同时，景观水体多为公共活动区域，容易受到外界因素的干扰，人类的日常活动会影响到景观水体的洁净程度。通过大气的干湿沉降、雨水的地表径流及其他渗流等方式也是外界污染物流入景观水体的重要途径[4]。

湿地被称为地球之肾[5]，在自然界中占据着重要地位。近年来研究表明，人工湿地具有价格低廉、生态效益显著等优点，是一种新型的生态水处理技术[6]。该技术被广泛应用于小城镇污水处理、农村生活污水处理、农业面源污染控制、城市公园设计等方面[7]，是一种兼顾高效处理污水和平衡湿地系统的生态修复手段。在人工湿地的基础上，通过对景观水体曝气的方式增加水体中的溶解氧（DO），强化水体的自净能力，达到改善水质的目的。

目前景观水体处理技术主要有物理方法、化学方法和生物方法[8]。但是单一的方法对于长期治理景观水体富营养化状态的效果不显著，甚至还有可能带来二次污染。联合修复技术具有净化景观水体的水质、强化景观水体的生态结构功能以及保持水环境因子稳定平衡的多重优势。

因此，本研究通过构建人工湿地生态系统，首先从3种水生植物组合（金鱼藻+浮萍、水葱+浮萍、小米草+浮萍）中，筛选净化效果好、抗污染能力强的优势组合植物；将优势植物和微生物进行组合，对比加微生物前后人工湿地生态系统的净水效果；最后探究不同曝气量下植物和微生物的联合修复技术对景观水体的修复效果。

1.材料与方法

(1)实验仪器

消解管；加热器；移液管；专用光度计；高压蒸汽灭菌器；具塞磨口玻璃比色管；天平；电热恒温鼓风干燥箱；曝气机（型号CHJ-602；功率8W；产率600L/h）。

(2)实验试剂

硫酸银（分析纯）；硫酸汞（分析纯）；硫酸（分析纯）；重铬酸钾（分析纯）；氢氧化钠（分析纯）；过硫酸钾（分析纯）；硝酸钾（基准试剂或优级纯）；盐酸（分析纯）；钼酸铵（分析纯）。

(3)实验方法

①人工湿地系统的构建

塑料水箱：55cm×45cm×35cm；数量为6。

鹅卵石、陶砾：1-1.5cm；孔隙率75%；吸附率80%。

构建以塑料水箱为容器，鹅卵石和陶砾作为基质起固定且具有保水作用的人工湿地生态系统。本实验构建的人工湿地类型为水平潜流式（HFCW），可有效去除景观水体中的有机物、悬浮固体和重金属等物质[9-10]。

②模拟景观污水的配制

实验配制模拟景观污水：COD为50mg/L、TN为10mg/L、TP为0.8mg/L。

③优势组合植物的筛选及培养

本实验选择常见的金鱼藻+浮萍、水葱+浮萍和小米草+浮萍为研究对象，将金鱼藻、水葱、小米草和浮萍这四种植物分别放置于清水中培养5d。经培养后，筛选出生长态势良好的植株个体。

配制等浓度的景观污水分别加入6个塑料水箱中，将金鱼藻+浮萍、水葱+浮萍和小米草+浮萍每组分为等量的两份（其中，15株金鱼藻、15株水葱、15株小米草、30叶浮萍）分别放入6个水箱中培养，用鹅卵石和陶砾加以固定。将各组合植物分别记为A1、A2、B1、B2、C1、C2，共6组。每隔2d对模拟景观水体中的COD、TN和TP指标进行测量，分别计算出相应指标的去除率，筛选净化水质效果好的最优组合植物，进行下一步培植。

④光合细菌的固定

配置4%的海藻酸钠溶液，将海藻酸钠试剂进行水浴加热并溶解。经冷却后，海藻酸钠溶液和湿菌体按质量比为20:1混合，用注射器滴入不断搅拌的2%的CaCl2溶液中，海藻酸钠能与Ca交联成球，在4℃的冰箱中固化交联24h，得到固定化的光合细菌。本实验制得的固定化光合细菌的小球直径为3.5mm，初始菌密度为0.12mg干菌泥/L。

⑤加光合细菌前后的净水效果对比

配制等浓度的模拟景观污水和培植等量的优势植物组合（15株金鱼藻和30叶浮萍）分别加入2个水箱中，向其中一个水箱加入固定化光合细菌（20个小球），并让两组保持等量的曝气量（曝气输出量为600L/h）。将这两个水箱分别记为P1和P2，共2组。每隔2d进行采样测量，计算出相应指标的去除率，对比净水效果。

⑥最佳曝气量的筛选

曝气机参数：功率8W；Output（产率）流量单位600L/h；曝气时间10h。通过增加曝气机个数调控曝气量。配制等浓度的模拟景观污水和培植等量的优势植物组合（15株金鱼藻和30叶浮萍）分别加入4个水箱中，各水箱编号分别为为A、B、C和D。向A水箱中加入1个曝气机、B水箱中加入2个曝气机、C水箱中加入3个曝气机、D水箱中加入4个曝气机。分别记为Q1、Q2、Q3和Q4，共4组。每隔2d进行采样测量，计算去除率，从而筛选最佳曝气量。

(4)测定方法

①化学需氧量（COD）的测定：HJ/T 399-2007快速消解分光光度法。②总氮（TN）的测定：HJ 636-2012碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法。③总磷（TP）的测定：GB11893-89钼酸铵分光光度法。

2.结果与讨论

(1)不同组合植物对景观污水的处理效果

考察金鱼藻+浮萍、水葱+浮萍和小米草+浮萍三种植物组合分别对景观水体中TN、TP和COD的去除率。

①金鱼藻+浮萍处理污水去除率随时间的变化

由图可知，金鱼藻+浮萍对于TN去除效果较好，对TP也具有一定的处理效果，其去除率稳定增长且趋势基本一致，去除效果较强。

图1 金鱼藻＋浮萍A1组去除率

图2 金鱼藻＋浮萍A2组去除率

金鱼藻+浮萍植物组合对于COD的处理效果有所差异。A1组曲线波动较大。当采样时间较短时，其对COD去除率不高。A2组对COD的去除率随时间变化则逐步升高。

金鱼藻+浮萍对景观污水的处理过程中，COD去除率可达70%左右，TN的去除率可达75%左右，TP的去除率可达50%左右。综合来看，该组的净化效果最好，说明沉水植物和浮水植物组合具有较好的加成作用。

②水葱+浮萍处理污水去除率随时间的变化

图3 水葱＋浮萍B1组去除率

图4 水葱＋浮萍B2组去除率

由图可知，水葱+浮萍植物组合B1和B2组总体对于处理COD、TN和TP效果呈上升趋势。两组对于COD的去除趋势基本一致，比较平缓。

水葱+浮萍植物组合对于TN和TP的处理变化幅度也有些不同。B1组表明TN和TP去除率均较高，呈稳定上升趋势。B2组TN的趋势线呈上升状态，中期快速增长后基本保持平稳。在处理TP时，趋势线处于快速上升状态，中期略微下降，随后又快速上升。

水葱+浮萍植物组合总体去除效果不佳。COD的去除率在30%～45%之间，TN的去除率可达到60%左右，TP的去除率在40%～65%之间。两者组合没有起到加成作用，可能是浮萍的存在，影响了水葱的生长空间，导致去除效果变差。

③小米草+浮萍处理污水去除率随时间的变化

图5 小米草+浮萍C1组去除率

图6 小米草+浮萍C2组去除率

由图可知，小米草+浮萍C1和C2组对于COD处理效果基本一致。小米草+浮萍植物组合对于TN和TP的去除趋势有所不同。C1组对TN去除率的趋势线处于先平缓后上升再平缓状态。在处理TP时，此组合处理效果较好，变化较大。C2组处理TP时，起始去除率较低，随后去除效率增高，处理效果较好。

相较其他组，小米草+浮萍组合植物的去除率偏低。COD的去除率可达45%，TN的去除率在65%左右，TP的去除率在55%～60%之间，不大稳定。

(2)微生物对景观污水的处理效果

图7显示，随着时间的变化，加菌后的植物组合P1组对水质净化效果良好。其中，对TN的处理效果较好，最终去除率接近90%。对TP的处理效果一般，去除率上升趋势较为平缓，最终去除率为57%，对COD的去除率可达到75%左右。如图8所示，未加菌植物组合P2组中TP的去除率上升效果最明显，趋势变化最大，接近于50%，但总体去除率低于TN和COD，分别为73%和65%。

图7 加菌后植物组合P1组去除率

图8 未加菌植物组合P2组去除率

两组相较，加固定化光合细菌水样对TN、COD的去除率明显高于不加固定化光合细菌水样，由于光合细菌本身具有降解污染物、增加溶解氧的功能，说明人工湿地中采用植物—微生物联合修复技术效果较好。

(3)不同曝气量对景观污水的处理效果

图9 金鱼藻+浮萍Q1组去除率

图10 金鱼藻+浮萍Q2组去除率

图11 金鱼藻+浮萍Q3组去除率

图12 金鱼藻+浮萍Q4组去除率

如图所示，各组对于COD、TP、TN去除率随时间逐步提高。其中Q1组对于TN的去除率最高为91%，可能是因为反硝化菌更喜欢缺氧环境。Q2组去除TP效果较好为78%，说明除磷菌在此溶解氧环境下生长较好。Q3组对COD去除效果较好为86%，微生物对有机物降解的氧气需求在此环境下能够得到满足。Q4组比较均衡，各指标去除率均有不错表现。随着曝气量的变化，人工湿地微生物受溶解氧影响，对COD、TP、TN的去除效果也随之变化，现实操作中可以以此作为理论依据。