以某工程为背景对苦草去除水中污染物能力的研究

2021-08-16叶祥

科学技术创新 2021年22期

叶祥

（中节能国祯环保科技股份有限公司，安徽合肥 230088）

在地表水环境治理领域中，修复水生态系统已经成为解决地表水环境问题的重要手段。通过水生动植物及微生物群落的构建，逐渐恢复水体自净能力，最终实现地表水环境的长治久清[1]。沉水植物作为水生态系统中的重要一环，不仅可以自主吸收水体中的氮磷等营养物质，同时其根、茎、叶片等部位还可以充当微生物的载体，使微生物得以附着聚集，形成局部强化净水区[2]。苦草作为沉水植物中的代表，广泛分布于各种类型的水生态系统中，其根系发达，有匍匐茎，光照要求较低，繁殖速度快，抗水流冲击能力强，净水效果优异，景观性能好，相比其它假根型沉水植物，具有天然的优势[3]。目前，苦草已被广泛应用于我国地表水环境治理工程中[4]。本论文以合肥市某地表水环境治理工程中的沉水植物塘为研究对象，分析塘中苦草对水中污染物质的去除能力以及影响该能力的各种因素。研究的主要影响因素包括进水氨氮浓度、水温及水力停留时间等。本研究可为后续水生态系统的构建提供理论数据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 工程概况

本工程新建旁路沉水植物塘处理河道水体，塘中选择沉水植物品种为苦草。河道内新建拦水坝拦截来水，于拦水坝上游采用提升泵抽取河道来水进入沉水植物塘，水体经沉水植物净化后回排至拦水坝下游。塘中采用围隔导流措施，共均匀设置6道围隔，保证水体沿围隔方向流动。

沉水植物塘进水主要水质指标范围为：COD50～80mg/L，氨氮2～8mg/L，水温0～30℃。处理规模5000m3/d，占地面积30亩，水深1.5 m，总水力停留时间6d，塘内苦草种植密度150株/m2。

1.2 实验材料

实验苦草来自江西省宜春市丰城市。

1.3 实验方法

计算沉水植物塘每股来水流入塘体、流入各道围隔及流出塘体的时间，每周定期追踪取该股来水流入塘体、流入各道围隔及流出塘体时的水样，连续取样一年。测定水质指标，以COD去除率和氨氮去除率表征苦草去除水中污染物的能力。

1.4 测试指标与方法

水温：水银温度计测定。

COD测定：重铬酸钾回流法。

氨氮测定：纳氏试剂比色法。

2 结果与分析

2.1 在工程应用中苦草去除水中污染物的能力分析

计算沉水植物塘每股来水流入塘体及流出塘体的时间，每周定期追踪取该股来水流入塘体及流出塘体时的水样，连续取样一年。沉水植物塘对COD和氨氮的去除率如图1所示。

图1 沉水植物塘对COD和氨氮的去除率

由图1可以看出，用苦草构建的沉水植物塘对水中COD和氨氮具有良好的去除效果。其中COD去除率可达20.5%～72.4 %，氨氮去除率可达39.6 %～97.8 %。6月、7月及8月，COD去除率和氨氮去除率最高，其中COD去除率为64.3 %～72.4 %，氨氮去除率为85.7 %～97.8 ，说明此阶段苦草去除水中污染物的能力强。从9月开始，COD去除率和氨氮去除率逐渐降低，至1月和2月，COD去除率和氨氮去除率降至最低，其中，COD去除率为20.5 %～41.5 %，氨氮去除率为39.6 %～60.2 %，说明此阶段苦草去除水中污染物的能力弱。原因可能是随着温度的变化，苦草自身吸收水中污染物的能力及其根、茎、叶片上附着的微生物膜的活性也随之变化。此外，进水氨氮浓度、水力停留时间等因素，也对苦草去除水中污染物的能力有一定的影响。

2.2 不同水温对苦草去除水中污染物能力的影响

研究不同水温对苦草去除水中污染物能力的影响，进水COD浓度为50mg/L，氨氮浓度为5mg/L，水力停留时间6d，选择沉水植物塘水温梯度为0、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26、28、30℃，不同水温时，沉水植物塘对COD和氨氮的去除率如图2所示。

由图2可以看出，用苦草构建的沉水植物塘对COD和氨氮的去除能力随着水温的升高，先增强后减弱。当水温低于6℃时，COD去除率和氨氮去除率较低，且随水温的增加无明显变化。说明此时苦草的生命活动不旺盛，自主吸收水中污染物的能力较弱；附着微生物处于休眠状态，暂时丧失代谢能力。

图2 不同水温时沉水植物塘对COD和氨氮的去除率

当水温超过6℃时，COD和氨氮去除率开始迅速增加，且随着水温的升高，持续增长。说明此时苦草的生命活动逐渐旺盛，自主吸收水中污染物的能力逐渐增强；附着微生物也被激活，且随着水温的升高，其生命活性逐渐增强，微生物吸收水中营养物质，进行生化反应，削减水中污染物含量。当水温达到18℃时，COD去除率逐渐趋于平稳；当水温达到22℃时，氨氮去除率逐渐趋于平稳。说明苦草自主吸收水中污染物的量与微生物生化反应削减污染物的量之和达到最大。此阶段，苦草生命活动旺盛，微生物代谢能力强。当水温超过24℃时，随着水温的升高，COD和氨氮去除率开始逐渐降低。说明过高的温度导致苦草的生命活动开始衰弱，附着微生物的代谢能力也逐渐减弱。因此，当水温为18～24℃时，苦草对水中COD的去除能力最强；当水温为22～24℃时，苦草对水中氨氮的去除能力最强。

2.3 不同浓度氨氮对苦草去除水中污染物能力的影响

研究不同浓度氨氮对苦草去除水中污染物能力的影响，实验水温为22～24℃，进水COD浓度为50mg/L，水力停留时间6d，选择沉水植物塘进水氨氮浓度梯度分别为2、3、4、5、6、7、8、9、10mg/L，不同浓度氨氮下，沉水植物塘对COD和氨氮去除率如图3所示。

图3 不同进水氨氮浓度时沉水植物塘对COD和氨氮的去除率

由图3可知，用苦草构建的沉水植物塘对COD和氨氮的去除能力随进水氨氮浓度的升高先平稳变化后降低。当进水氨氮浓度介于2～8mg/L时，随进水氨氮浓度的升高，COD去除率和氨氮去除率无明显变化，说明苦草可以很好地适应氨氮浓度为2～8mg/L的环境，此阶段苦草生命活动旺盛，附着微生物代谢能力强。当进水氨氮浓度超过8mg/L时，COD去除率和氨氮去除率逐渐降低。说明过高浓度的氨氮抑制了苦草的正常生长，苦草生命活动开始衰弱，自主吸收水中污染物的能力减弱。此时，附着微生物的活性并未受到影响[5]。因此当进水氨氮浓度小于8mg/L时，苦草对水中污染物的去除能力最强。

2.4 不同水力停留时间对苦草去除水中污染物能力的影响

研究不同水力停留时间对苦草去除水中污染物能力的影响，实验水温为22～24℃，进水COD浓度为50mg/L，氨氮浓度5mg/L，选择水力停留时间梯度为1、2、3、4、5、6d，不同水力停留时间下，沉水植物塘对COD和氨氮去除率如图4所示。

图4 不同水力停留时间时沉水植物塘对COD和氨氮的去除率

由图4可知，用苦草构建的沉水植物塘对COD和氨氮的去除能力随水力停留时间的增加先升高后趋于平稳。当水力停留时间小于3d时，COD去除率和氨氮去除率随水力停留时间的增长而升高。说明苦草和附着微生物可持续吸收水中的污染物。当水力停留时间超过3d后，COD去除率和氨氮去除率趋于平稳。说明苦草和附着微生物难以吸收利用浓度过低的水中污染物，苦草对水中污染物的去除存在浓度下限。

因此，用苦草构建的沉水植物塘最适水力停留时间为3d。