人工生态浮场处理废水的研究及应用

蒋 雅

(湖南省永州生态环境监测中心，湖南 永州 425002)

1 引言

水体污染，特别是农村广阔水域的污染问题是当今世界面临的最主要的环境问题之一，其有发展快、危险大和治理难等特点。目前，我国主要湖泊90%以上已处于中营养和富营养的状态[1]，而氮、磷已成为一些重要湖泊的主要污染物[2]。近年来，特别是“十三五”期间城市生活污水的集中式处理厂发展迅速，多年的实践表明，当前我国的绝大部分污水处理厂存在投资大、运转费用高等问题[3]，如何有效地解决广大农村区域的以有机物为主的分散型污染正成为“十四五”期间乃至将来的热点课题。近年利用人工浮床栽种湿生植物治理富养化水体的研究屡见报道[4，5]。通过多年的观察比较，发现在浸水面挂满菌膜的浮床上栽种合适的植物组成的综合生态场对污染化水体具有很强的净化作用，在对42种植物进行试种的基础上，选择6种生长良好的植物进行试验，定量地研究其对污染水体的净化作用，尤其对水体中氮、磷、COD的降解作用，以期找出一条解决广大农村地区水体污染问题的生态之路。

2 试验材料与方法

2.1 浮床制造

选用100 cm×100 cm×6 cm的平板泡沫，将泡沫浸水面制成多孔蜂窝状，泡沫背水面按间距5 cm，孔径2 cm打孔，植物栽种前的60 d将泡沫的浸水面浸在污水厂的兼性塘里，蜂窝状的孔内挂满菌膜后才栽种植物。

2.2 试验方法

试验在湖南农村两污水池塘内进行，A池塘面积约800 m2，A池塘除下雨补水外，没有污水进塘，也没有污水流出，平均水深约1.4 m；B池塘面积约800 m2，平均水深1.5 m，B池塘每天有农业面源污水流入和流出，水位基本控制不变，水体处于流动状态。试验从2020年5月16日开始至2020年7月26日结束，每个池塘人工生态综合场栽培总面积约600 m2。

试验地处湘南丘陵，试验期间(6～8月份)气温高(日平均温度26 ℃以上)，降水量较大，日照充足(每年平均的夏季日照时数达677.5 h)，正是该地植物生长的最佳时期，试验用种苗除水稻和空心菜在田间育苗外，其他的美人蕉、芦苇、水芹、狐尾藻均为在野外采集的野生种苗，种苗选择生长良好、无病虫害、处在营养生长期的植株。试验期间未施任何肥料和农药，植物营养完全来源于水体，在A、B池塘中，6种植物各种了100 m2。试验期间密切观察植物的生长状况，观察泡沫浸水面菌团和植物根系的生长情况，统计植物的成活率和生物量；按照生物统计调查的方法采集植物样品，按照“生物污染监测”[6]的方法制备植物样品；检测植物样品中的含水率、氮、磷等指标，监测A池塘前后水质的变化。

成活率：30 d后成活植株数/栽种植株数，成活植株数是指栽培30 d后植株明显增加，有新叶抽出的杆株。植物的含水率用重量法测定，植物体氮含量用凯氏定氮法(因植物体内硝态氮含量很低，凯氏氮基本上能代表其总氮)测定，植物体总磷含量用钼锑比色法。池塘水质指标的分析方法[7]：化学需氧量用重铬酸盐法、五日化学需氧量用稀释与接种法、总氮纳氏试剂光度法、总磷用钼锑抗光度法 、砷和汞用冷原子荧光法、铅和镉用原子吸收分光光度法、铬(六价)用二苯碳酰二肼分光光度法。

3 结果分析

3.1 池塘试验前水质

池塘试验前水质情况列于表1。

表1 试验前池塘水质情况 mg/L

3.2 试验期内的气候因素

从气象部门调查得知，试验期正是湘南的温度高、湿度大、降水量多、日照长的时期，特别适合植物生长，试验期的气温、降水、日照列于表2。

表2 试验期内的气候因素

3.3 植物的成活率及生长量

经统计，人工生态综合场栽培植物的成活率及在70 d的生长期内的生物生长量(鲜重)如表3所示。

表3 植物的成活率及生长量

从表3中可以看出，所栽种的6种植物都有较高的成活率，水稻、美人蕉、空心菜、水芹、狐尾藻的成活率接近100%，这些植物均是湿生植物，在试验栽培时，选用的种苗生长势较好，特别水芹在野外已经生长得高、壮，栽培时将其大部分叶片剪掉，以提高成活率。两个池塘相比较，处于流动状态池塘的植物的成活率和生长量稍高。不同植物之间，水稻和空心菜的成活率较高，空心菜和水芹的生长量较高。

3.4 植物的净化作用分析

3.4.1 池塘的水质变化

由于池塘B每天有水流入和流出(流入口和流出口处于异端)，水体始终处于流动状态，无法用监测水质变化来直接表明对水体的净化效果，然而，基于这6种植物均无固氮作用，假设植物体内氮磷含量在栽培前后是一致的(即使不一致，其差别也不会太大，而且栽培前植株较小，由此产生的差异可以忽略不计)，因此可以用植物体增长的氮、磷含量来表示植物从水体中吸收的氮、磷量。由于池塘A在试验过程中除了下雨外，没有水流入和流出，通过监测试验前后的水质变化可近似地反映出人工生态综合场对污水的净化作用，同时通过试验池塘水体体积变化和浓度变化以及栽培植物对氮、磷的吸收率，分析水体的氮、磷和植物中的氮、磷转移关系，采收时A池塘的水位下降了0.6 m，B池塘的水位变化很少，采收时池塘水质情况见表4。

从表4中可以看出：通过栽种植物和菌膜的的净化作用，A池塘的水质从劣V类变成接近Ⅲ类水质标准，南方常见植物中的水稻、美人蕉、空心菜、芦苇、水芹对富营养化的污水有较强的净化作用，A池

表4 试验结束时池塘水质情况 mg/L

水中的TN、TP分别减少了52.26 kg、6.61 kg。A池水中的氮、磷主要发生以下变化：下雨时雨水和池塘周边的水量地表径流(集雨面积约100 m2)进入池塘，增加一部分氮、磷，池塘水的挥发带走极少量的氮，池塘水中氮、磷量的减少主要是栽种植物的吸收作用以及泡沫浸水面微生物的吸附、同化作用所致。

3.4.2 植物体的含水率及体内氮、磷含量

对6种栽培植物分别测定了其体内总氮、总磷含量和含水率，其总氮和总磷含量所测结果为干重含量，通过含水率换算成鲜重含量，结果如表5所示。

表5 植物的含水率及体内氮、磷含量

从表5可以看出，植物干重氮、磷含量以空心菜最高，但由于其含水率也是最高的，其鲜重中氮、磷含量并不是很高，鲜重中氮磷含量最高的是芦苇，其次是水稻，A池塘和B池塘中栽培的植物不管是含水率还是干、鲜重中氮、磷含量相差不大。从表5中可以算出，在A池塘中水稻、美人蕉、空心菜、芦苇、水芹、狐尾藻从水中吸收的总氮分别为7.047 kg、2.090 kg、4.891 kg、4.352 kg、6.654 kg、5.626 kg，6种植物从水中共吸收的总氮量为30.659 kg，与A池塘中试验前后总氮量的变化基本一致；水稻、美人蕉、空心菜、芦苇、水芹、狐尾藻从水中吸收的总磷分别为0.856 kg、0.200 kg、0.693 kg、1.0911 kg、0.823 kg、0.627 kg，6种植物从水中吸收的总磷为4.290 kg。这个数字和A池塘中试验前后总磷量的变化基本一致。在B池塘中水稻、美人蕉、空心菜、芦苇、水芹、狐尾藻从水中吸收的总氮量分别为7.946 kg、2.738 kg、5.696 kg、14.898 kg、7.182 kg、6.143 kg，6种植物从水中共吸收总氮量为44.603 kg，从水中吸收总磷量分别为1.092 kg、0.280 kg、0.707 kg、1.638 kg、0.974 kg、0.718 kg，6种植物从水中共吸收总磷量为5.409 kg。在A、B两种不同流态的池塘里相等面积的相同植物从水中吸收的氮、磷量相差不大，处流动状态、不断有水补充的B池塘稍高。

3.4.3 6种植物对富营养水体的净化作用

从表3和表5可以估算出6种植物对氮、磷的吸收量及对富营养化体的净化效果，如表6所示。

表6 植物对污染水体的净化作用

我国《地表水环境质量标准-GB3838-2002》中规定湖泊、水库V类水质标准：总氮为2 mg/L、总磷为0.2 mg/L，而Ⅲ类水质标准：总氮1 mg/L、总磷0.05 mg/L。以此可以推算每平方米的人工生态综合场可以将水从V类水质净化为Ⅲ类水质的水量(表6)。从表1、表4、表5、表6中不难看出，这几种南方常见植物对氮、磷的吸收量都较大，同时对水体中的COD、BOD5等都有较大的降解作用。考虑到水体富营养化的主要限制因子是磷，因此以总磷计的净化效果来看，这6种植物中芦苇、水稻、水芹的净化效果较佳。当然，本试验是在水质状况远劣于V类水中进行的，至于水体比试验水体富营养化程度低的水体中这6种植物是否生长得这么好，以及实际水体中的底泥情况、水体中的重金属含量在本次试验中均未考虑。

4 结论

水污染自从人类诞生时就出现了，只不过那时的污染靠水体的自然净化能力即可解决[7]。从环境的角度来看，水体富营养化是由于水体中氮、磷等营养元素过度富集而导致水生生态系统初级生产力增高的异常现象；但从资源的角度来看，水体营养是一种不可多得的农业资源。目前我国湖泊面积持续下降、湖泊水质恶化[8]，如何有效利用这些资源既是面临的挑战，也是机遇。人工生态综合场栽培农作物的水上农业资源化治理富营养化水体模式是一种很好的选择。但单一的浮床很难将较差的水质(例劣V类水体等)在短时内处理达到Ⅲ类水体，如何高效利用该技术还有许多工作要做，下一步研究的重点：一是有针对性地研究、筛选出针对不同污染类别的特征植物高效处理不同的污染水体；二是研究植物与浮床菌团的共生、协同作用，利用不同的菌团匹配不同的植物；三是研究生态浮床与污水处理的其他工程的结合方式，可将生态浮床作为地表水环境(特别是农村广大区域)改善的工程技术，亦可作为污染源深度处理技术；四是对这些植物作为食品或饲料的安全性进行进一步研究，以提高处理效果和实用价值。

本试验只对部分植物进行了试验，实际上有许多的植物对特定的污染物有不同的特定的净化作用，而净化的效率又与浮床的材质、制作方式、培养的菌团、地理位置、气象条件、水体中的污染物类别及浓度等有关，例：可直接用塑料网(代替浮床)作为狐尾藻的支撑架处理废水(结合周边景观环境的需要可设计为一特定景观)[9]；水芹菜可作为水岸植物处理农村水溪的轻微污染水体等。因此在实际工程应用中可因地制宜，将污水处理、作物生产、景观设计等有机结合，通过不断实践总结出较佳的工程参数，取得较好的环境效益、生态效益、经济学效益。