组合生态浮床对富营养化水体水质改善效果及机理研究

摘要

浮床技术是富营养化水体水质改善的重要生态工程技术之一,具有直接从水体中去除污染物、充分利用水面而无需占用土地、造价低廉且运行管理容易等优点,其对富营养化水体水质改善效果明显,在国内外均得到了广泛应用。本研究对传统的普通植物浮床进行改造和优化,构建了集水生植物、水生动物及微生物载体(人工介质)于一体的新型组合生态浮床,即在普通植物浮床中引入由人工介质构成的微生物单元,通过其微生物富集作用,提高组合生态浮床的净化效能；引入由滤食性三角帆蚌组成的水生动物单元,通过食物链的“加环”作用,利用三角帆蚌对颗粒性有机物的滤食及消化功能,促进有机物的可溶化、无机化,提高其可生化性,提升浮床的水质净化效果。
　　 本研究以富营养化湖泊水体为研究对象,考察组合生态浮床的水质改善效能,并研究其不同生物单元对水质的净化效能和协同作用,探讨组合生态浮床水质净化机理。试验结论如下:
　　 考察了夏秋和冬春季节条件下,组合生态浮床(水生植物+水生动物+人工介质)和普通植物浮床(水生植物)对富营养化水体的水质改善效果。研究结果表明,组合生态浮床在夏秋和冬春季节对NH3-N、TN、TP、CODMn、Chl-α的平均去除率分别可达80.1％、51.9％、75.5％、50.6％、95.8％和78.2％、36.5％、58.2％、21.3％、69.9％,较传统的普通植物浮床分别高出了19.1％、14.6％、8.3％、14.5％、29.3％和30.5％、12.3％、10.9％、9.9％、31.4％,可见,组合生态浮床可有效提升普通植物浮床对各类污染物的去除能力。同时,组合生态浮床在冬春季节对各项指标的去除效果较夏秋季节均有所下降,NH3-N、TN、TP、CODMn、Chl-α分别下降了1.9％、15.4％、17.3％、29.3％、25.9％,温度对其影响较明显,但其去除效果相比普通植物浮床始终较好,表明组合生态浮床通过合理的生物单元配置可较好改善传统普通植物浮床较低温度条件下污染物去除效果快速下降的状况,其对富营养化水体的水质改善具有较好效应。
　　 研究了5种不同生物配置的浮床:浮床A(空白对照浮床)、浮床B(水生动物浮床)、浮床C(人工介质浮床)、浮床D(水生植物浮床)和组合生态浮床E(水生植物+水生动物+人工介质)的氮、磷、有机物及藻类的去除效果,定量分析了组合生态浮床中水生植物单元、水生动物单元及人工介质单元(微生物单元)对污染物的去除效果和机理,特别是对氮、磷的净化机理。结果表明:引入的水生动物单元(三角帆蚌)的“排氨”作用可有效促进氮的形态转化和氮的去除,起到了“转换器”的作用,其强大的滤食作用亦可较好降低水体的藻类、氮磷和悬浮物等污染物浓度以及显著改善水体的透明度；引入的人工介质单元(阿科蔓)则通过自身巨大表面积的拦截吸附作用及其上附着的大量微生物的降解作用,可有效去除水体中的各类污染物,是浮床发挥净化效能的主要单元。对组合生态浮床水生植物单元、水生动物单元及淤积底泥进行的氮磷物料平衡分析得到,对于TN,水生植物吸收作用、水生动物吸收作用、沉降作用、人工介质反硝化作用去除量分别占组合生态浮床系统去除TN量的9.6％、4.7％、13.2％和72.5％,表明人工介质单元微生物的生物脱氮作用是组合生态浮床系统中TN去除的主要途径。对于TP,水生植物吸收作用、水生动物吸收作用、植物根系及人工介质单元拦截吸附作用、沉降作用去除量分别占组合生态浮床系统去除TP量的8.3％、10.4％、22.2％和59.1％,沉降作用对TP的去除影响较大。
　　 考察了组合生态浮床水生动物单元和人工介质单元生物配置量对富营养化水体水质改善效果的影响,结果表明,组合生态浮床水生动物单元三角帆蚌生物量的增加可显著提高其对CODMn和TP的去除效果,对TN则影响较小,推测其原因,可能试验中三角帆蚌在较低配置量(750g)时已可完成有效的滤食和同化作用,从而表现为三角帆蚌配置量继续增加时其对TN的去除影响削弱,对Chl-α,虽然三角帆蚌可有效降低其浓度,但三角帆蚌生物量过多易造成其对溶解氧的争夺,最终影响其生长而使水质恶化,组合生态浮床水生动物单元以885g三角帆蚌·m-2水面较佳；组合生态浮床人工介质单元阿科蔓填充量的增加亦可显著提高其对CODMn、TN、TP和Chl-α的去除效果,但在阿科蔓填充量增至1.25m2时,组合生态浮床对CODMn、TN、TP的去除率增加缓慢,影响削弱,组合生态浮床人工介质单元以0.66 m2阿科蔓·m-2水面较为合理。
　　 综上所述,在普通植物浮床中引入水生动物单元三角帆蚌和微生物载体单元人工介质构成的组合生态浮床,显著强化了传统普通植物浮床的净水效果,可有效应用于富营养化水体的水质改善。