孫鵬　崔康平　許為義

摘要：為研究不同類型復(fù)合浮床對(duì)農(nóng)家樂(lè)污水的凈化效果，通過(guò)構(gòu)建纖維填料浮床（A）、彈性立體填料浮床（B）、傳統(tǒng)浮床（C）3種不同浮床，考察不同類型浮床對(duì)農(nóng)家樂(lè)污水的凈化能力，分析其對(duì)污染物的去除轉(zhuǎn)化規(guī)律。結(jié)果表明，纖維填料浮床對(duì)于污水中的TN、NH+4-N、CODCr、TP具有較好的去除效果，去除率分別為76.5%、86.9%、819%、80.8%，明顯高于傳統(tǒng)浮床，差異顯著（P<0.05）。同時(shí)，浮床A內(nèi)部的微生物量高于浮床B，可見(jiàn)纖維填料更利于微生物的富集。在植物吸收、填料吸附和微生物協(xié)同作用下的纖維填料復(fù)合浮床可以更高效處理農(nóng)家樂(lè)生活污水。

關(guān)鍵詞：生態(tài)浮床；纖維填料；微生物量；農(nóng)家樂(lè)污水

中圖分類號(hào)： X52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2016）07-0529-04

百二河水庫(kù)作為湖北省十堰市重要的飲用水水源地，其上游河段作為該地區(qū)的旅游規(guī)劃區(qū)，沿途餐飲業(yè)發(fā)展十分迅速。該地區(qū)由于處于山區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后，受限于環(huán)保意識(shí)淡薄、污水處理基礎(chǔ)設(shè)施缺乏及居住分散等，導(dǎo)致該地區(qū)大量農(nóng)家樂(lè)生活污水未經(jīng)任何處理而直接排入百二河河道，嚴(yán)重威脅下游百二河水庫(kù)的水質(zhì)安全。因此，采取有效措施高效治理農(nóng)家樂(lè)污水具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-3]。復(fù)合生態(tài)浮床因造價(jià)低廉、運(yùn)行簡(jiǎn)單、具有較好的景觀效益等優(yōu)點(diǎn)，成為一種應(yīng)用較廣的生態(tài)處理技術(shù)[4-7]。目前對(duì)生態(tài)浮床技術(shù)的大量研究都集中于浮床植物的的篩選以及對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊、池塘等水體的治理方面，而對(duì)于作為主體工藝處理農(nóng)家樂(lè)生活污水及與纖維材料組合應(yīng)用的研究較少。本研究以菖蒲與纖維填料組合構(gòu)建復(fù)合生態(tài)浮床，通過(guò)立體填料浮床和傳統(tǒng)浮床對(duì)農(nóng)家樂(lè)生活污水進(jìn)行處理，考察其對(duì)污染水體中污染物的凈化效果，遴選出處理效果較好的浮床系統(tǒng)，以期為十堰市百二河及其周邊農(nóng)村地區(qū)的分散式點(diǎn)源污染治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)植物

菖蒲（Acorus calamus L.），別稱白菖蒲、藏菖蒲。多年生草本，根狀莖粗壯。耐寒，忌干旱，根系為須根系，非常發(fā)達(dá)，植株再生能力較強(qiáng)，近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)其有較強(qiáng)的耐污性能，且具有良好的生態(tài)景觀和抗病毒能力，因此作為生態(tài)浮床的植物物種，廣泛用于治理污染河道、富營(yíng)養(yǎng)化湖泊等。試驗(yàn)植物采用陸地育苗后，移栽到置于河面上的傳統(tǒng)生態(tài)浮床上培育至生長(zhǎng)盛期備用，菖蒲幼苗取自湖北省漢庫(kù)匯水流域水質(zhì)安全保障工程人工示范基地。

1.2 試驗(yàn)水體

農(nóng)家樂(lè)排放生活污水水質(zhì)因不同季節(jié)差異較大。試驗(yàn)研究污水采用9月份百二河沿途某農(nóng)家樂(lè)的化糞池出水，為了提高系統(tǒng)的抗沖擊性，在化糞池出水的基礎(chǔ)上輔以相應(yīng)的配水，使水質(zhì)調(diào)節(jié)至如表1所示。

1.3 試驗(yàn)填料

試驗(yàn)采用2種填料，分別是纖維填料（孔隙率為90%，比表面積為350 m2/m3）和彈性立體填料（孔隙率為95%，比表面積為150 m2/m3）。纖維填料底部具有水草條狀仿生結(jié)構(gòu)，柔軟纖細(xì)，濕潤(rùn)率高，有利于微生物迅速掛膜。中上部填料成立體網(wǎng)格條帶狀使用，垂直放置在水中，擴(kuò)展立體空間和生物附著基點(diǎn)，作用范圍大，增加生物質(zhì)傳遞，有效增強(qiáng)硝化和反硝化效率，水處理效果明顯增強(qiáng)。立體填料則是將絲條穿插固著在耐腐、高強(qiáng)度的中心繩上，絲條呈立體均勻排列輻射狀態(tài)，既能掛膜，又能有效切割氣泡，提高氧的轉(zhuǎn)移速率和利用率。2種填料均購(gòu)自湖北山鼎環(huán)保科技股份有限公司（圖1）。

1.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)容器是長(zhǎng)×寬×高為80 cm×60 cm×50 cm的水箱。浮床框架采用聚乙烯泡沫板，規(guī)格為30 cm×30 cm。試驗(yàn)設(shè)4組處理，每組處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，分別為復(fù)合浮床A、復(fù)合浮床B、傳統(tǒng)浮床C和空白對(duì)照D。浮床覆蓋率約為38%，填料長(zhǎng)度約為30 cm，密度為30串/m2。試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。試驗(yàn)開(kāi)始前，選取培養(yǎng)備用的菖蒲，并進(jìn)行莖葉和根部修剪，使之性狀保持基本一致。同時(shí)對(duì)2種填料用生活污水進(jìn)行人工掛膜，掛膜期間采用間歇式曝氣，每隔4 h曝氣1 h，水力停留時(shí)間HRT=2 d，試驗(yàn)期間溫度為19～28 ℃，直至生物膜成型（約10 d左右），開(kāi)始試驗(yàn)。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，復(fù)合浮床A為上方種植菖蒲，下方懸掛有纖維填料；復(fù)合浮床B為上方種植菖蒲，下方懸掛彈性立體填料；浮床C只種植植物，下方無(wú)填料；輔以空白對(duì)照D。

1.5 樣品采集和分析

試驗(yàn)期間，每隔3 d采用五點(diǎn)法于水面下20 cm進(jìn)行取樣并測(cè)定水質(zhì)，并在試驗(yàn)后測(cè)定水體中的細(xì)菌總量。分別在試驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)測(cè)量菖蒲的生長(zhǎng)狀況。水質(zhì)指標(biāo)TN含量、TP含量、氨態(tài)氮含量和化學(xué)需氧量的測(cè)定根據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[8]，總氮含量采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定，總磷含量采用鉬酸銨分光光度法，氨態(tài)氮含量采用納氏試劑分光光度法，化學(xué)需氧量采用重鉻酸鉀法，水中的細(xì)菌總量采用平板涂布法，菖蒲的株高和根長(zhǎng)采用標(biāo)準(zhǔn)卷尺測(cè)定。生物量的測(cè)定采用重量法。試驗(yàn)開(kāi)始后每隔2～3 d用自來(lái)水補(bǔ)充蒸發(fā)水體保持水位。

1.6 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0、Microsoft Excel 2010和SigmaPlot 12.5 軟件進(jìn)行處理，并采用One-Way ANONY 分析不同處理組的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)水體氮素去除效果分析

氨態(tài)氮是含氮有機(jī)物氧化分解的初步產(chǎn)物，是水體污染的重要標(biāo)志之一，主要是以NH3和NH4+的形式存在，主要通過(guò)植物吸收、NH3揮發(fā)及生物硝化作用去除[9]。由圖3可知，A、B、C等3組系統(tǒng)對(duì)水中的氨態(tài)氮去除效果較好。3組系統(tǒng)氨態(tài)氮濃度分別由最初的21.4、20.8、20.6 mg/L降低到出水的2.8、5.2、8.3 mg/L，去除率分別為86.9%、75%和597%，A系統(tǒng)與空白對(duì)照D差異顯著（P<0.05），對(duì)污水中的氨態(tài)氮具有很明顯的削減作用。A的去除效果最好是因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)部有更豐富的微生物，而微生物是水體污染物凈化的主要參與者。同時(shí)，菖蒲發(fā)達(dá)的根系向水體中傳遞更多的氧，為硝化反應(yīng)提供了必要條件，氨態(tài)氮的去除率與水體中的溶解氧呈正相關(guān)關(guān)系[10]。另外，植物對(duì)氨態(tài)氮存在一定量的吸收，植物能夠直接利用水體中游離的氨態(tài)氮合成自身所需物質(zhì)，在一定程度上降低了水中氨態(tài)氮的濃度。

由圖4可知，A、B、C等3組處理系統(tǒng)對(duì)污水中的總氮具有較明顯的去除效果，A系統(tǒng)與對(duì)照組差異顯著（P

氮素是水生生物必需的營(yíng)養(yǎng)因素，也是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的限制性因素之一[11]。研究結(jié)果表明，水體中氮素的去除主要靠微生物的硝化-反硝化作用，而污染水體中參與氮循環(huán)的微生物大量附著在植物根系或填料位點(diǎn)上，確保了硝化-反硝化的順利進(jìn)行[12-14]。通過(guò)對(duì)TN的去除率可以看出植物及空白對(duì)照組對(duì)總氮的去除效果不佳，空白對(duì)照組主要通過(guò)水體中分散的微生物進(jìn)行代謝活動(dòng)，植物組則通過(guò)植物吸收及附著的微生物作用進(jìn)行，復(fù)合浮床處理組效率遠(yuǎn)高于植物和空白對(duì)照組，說(shuō)明微生物的代謝活動(dòng)是TN去除的主要機(jī)制。A系統(tǒng)較另外3組的凈化效果更好，體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面，（1）填料作為微生物的載體，其形態(tài)特征對(duì)于微生物的吸附、生長(zhǎng)及脫落過(guò)程有重要影響。生物填料的材質(zhì)、比表面積大小、布水布?xì)庑阅?、?qiáng)度、密度等因素直接影響廢水處理的效率。A浮床系統(tǒng)的生物填料巨大的比表面積和濕潤(rùn)性增加了生物附著點(diǎn)位及攔截功能，能將水體中的含氮顆粒物等進(jìn)行攔截和吸附，同時(shí)，寬闊的表面積充分?jǐn)U展了立體空間，彌補(bǔ)了植物根系短小導(dǎo)致的微生物量少和截濾功能不足等缺點(diǎn)，隨著系統(tǒng)內(nèi)部微生物種類和數(shù)量的增加，生物膜逐漸成熟，世代周期較長(zhǎng)的硝化菌的增加為氨態(tài)氮的硝化作用提供了基本條件[15]，確保氨態(tài)氮的高效去除；另外，在夜晚或植物晚期生理活動(dòng)較弱時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)附著的微生物也可高效作用，使系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定。（2）A浮床系統(tǒng)內(nèi)生物膜連片生長(zhǎng)，胞外多聚物使得一些具有互利關(guān)系的微生物距離更近，形成了包括細(xì)菌、真菌和藻類（在有光條件下）、原生動(dòng)物和后生動(dòng)物在內(nèi)的微生物共生體，從而形成了一種復(fù)雜穩(wěn)定的生態(tài)體系。在填料內(nèi)部形成一個(gè)個(gè)封閉厭氧空間，而由于根部泌氧作用，封閉空間周圍又處于好氧環(huán)境，使生物膜從外向內(nèi)形成好氧-厭氧分布，使系統(tǒng)內(nèi)部的好氧細(xì)菌、兼性細(xì)菌和厭氧細(xì)菌能夠在不同空間內(nèi)同時(shí)進(jìn)行硝化-反硝化，提高了去氮效率[16]。植物則通過(guò)根系釋放糖類及氨基酸等物質(zhì)，調(diào)節(jié)水體的pH值，增加水體的異質(zhì)性，促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)。植物和填料的聯(lián)合使用，在一定程度上會(huì)改變填料表面生物膜的微生物結(jié)構(gòu)性質(zhì)，加速生物膜的更新、促進(jìn)DO在水中的傳遞。以上生態(tài)要素組合最終促使復(fù)合系統(tǒng)高效去氮。

2.2 對(duì)水體TP 去除效果分析

近年來(lái)，隨著對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體控氮除磷這一領(lǐng)域的深入研究，在理論和實(shí)踐方面均有了新的突破。最近北美和我國(guó)的研究共同證明了富營(yíng)養(yǎng)化治理無(wú)需控氮，只需控磷。浙江省杭州市西湖的引水配水工程中開(kāi)展了控磷、不控氮試驗(yàn)，證明了集中控磷對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊有良好的控藻效果[17]，因此如何有效地降低水體中TP濃度一直都是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

由圖5可知，A、B、C等3組處理系統(tǒng)對(duì)污水中TP具有較好的去除作用?？偭椎臐舛热コ史謩e為80.70%、5986%、42.31%。A系統(tǒng)與空白處理差異性顯著（P<005），與傳統(tǒng)浮床和B系統(tǒng)相比，也有較高的去除率。試驗(yàn)過(guò)程中，TP濃度開(kāi)始下降較快，后期恢復(fù)平穩(wěn)，然后呈現(xiàn)波動(dòng)式下降，這與浮床系統(tǒng)對(duì)TP的去除機(jī)理有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，總磷的去除包括植物吸收、物理沉降、根系及填料攔截、基質(zhì)吸附和微生物的降解[18-19]。試驗(yàn)初期總磷濃度下降速率較快是由于受到沉降作用及攔截作用，導(dǎo)致含磷顆粒物減少，有研究發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)初期磷素的去除主要以物理攔截、沉降和吸附為主。系統(tǒng)A中較高的磷素去除，是因?yàn)橹参锏奈?、填料攔截、沉降及微生物共同作用的結(jié)果。其中，植物無(wú)法直接吸收和利用有機(jī)磷及溶解性較差的磷酸鹽，只有通過(guò)微生物轉(zhuǎn)化為溶解態(tài)磷酸鹽才能被植物和微生物吸收，對(duì)磷的吸收作用較低，除磷作用不明顯，復(fù)合系統(tǒng)填料的網(wǎng)絮狀結(jié)構(gòu)形態(tài)豐富了微生物種類和數(shù)量，使得系統(tǒng)中磷素含量持續(xù)降低并且優(yōu)于其他幾組試驗(yàn)。至于在試驗(yàn)過(guò)程中植物吸收、填料的吸附和微生物聚磷的去除貢獻(xiàn)率還需進(jìn)一步研究。

2.3 對(duì)水體化學(xué)需氧量去除效果分析

由圖6可知，A、B、C等3組浮床系統(tǒng)對(duì)水體中有機(jī)物具有明顯的去除效果，試驗(yàn)過(guò)程中，CODCr含量均呈下降趨勢(shì)。A、B、C、空白4組系統(tǒng)對(duì)COD去除率分別為81.9%、61.8%、42.9%、12.2%。A系統(tǒng)與空白相比對(duì)CODCr具有明顯的削減作用，與對(duì)照組差異顯著（P<0.05）。水體中有機(jī)物的降解受到水溫、溶解氧、微生物的種類、數(shù)量等多種因素影響，通過(guò)厭氧降解、缺氧降解和好氧降解等不同方式進(jìn)行降解[20-21]。浮床A顯著增加了系統(tǒng)內(nèi)微生物的數(shù)量和種類，這些微生物通過(guò)自身的新陳代謝進(jìn)行降解污水中的有機(jī)物，使之濃度降低；植物對(duì)CODCr的降解作用則比較有限，主要依靠根系上富集的微生物來(lái)實(shí)現(xiàn)降解作用，菖蒲發(fā)達(dá)的根系促進(jìn)了好氧微生物的生長(zhǎng)，消耗大量有機(jī)物。

2.4 水體中的微生物分析

微生物是生態(tài)浮床系統(tǒng)脫氮除磷的主要執(zhí)行者，微生物的數(shù)量與凈化效果呈正相關(guān)[22]。試驗(yàn)結(jié)束對(duì)4組系統(tǒng)的細(xì)菌數(shù)量進(jìn)行檢測(cè)，分別為7.6×1011、5.3×1011、3.4×1010、21×1010 CFU/m3?？梢钥闯鯝和B復(fù)合浮床內(nèi)微生物的含量明顯高于植物組和空白對(duì)照組，植物組浮床比空白含有更多的微生物。說(shuō)明填料的存在為微生物提供了良好的附著空間，纖維填料較大的比表面積更利于微生物的富集，同時(shí)，植物根部為微生物的生長(zhǎng)提供了載體環(huán)境，其分泌物可以有效促進(jìn)某些氮磷菌的生長(zhǎng)[23]。復(fù)合處理組與植物組的細(xì)菌增量多于植物組與空白組的細(xì)菌增量，進(jìn)一步說(shuō)明填料的存在對(duì)于微生物繁殖起到促進(jìn)作用，對(duì)水中污染物的去除率也顯著較高，驗(yàn)證了微生物在整個(gè)污染物去除中起核心作用。

2.5 植物生長(zhǎng)狀況分析

試驗(yàn)過(guò)程中菖蒲生長(zhǎng)情況見(jiàn)表2。由表2可知，菖蒲在不同試驗(yàn)階段生長(zhǎng)狀況良好，其中，纖維填料復(fù)合浮床的菖蒲生長(zhǎng)狀況要優(yōu)于立體填料復(fù)合浮床，立體填料浮床優(yōu)于植物對(duì)照組。說(shuō)明微生物對(duì)植物產(chǎn)生了積極影響，豐富的微生物群落通過(guò)代謝作用，產(chǎn)生的小分子物質(zhì)促進(jìn)了植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收，植物茂盛生長(zhǎng)的同時(shí)根系向水體中分泌大量的有機(jī)物，這類分泌物中包含大量的有機(jī)酸、氨基酸和活性酶等，反過(guò)來(lái)促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)。植物對(duì)氮磷的固定與植物的生物量呈正相關(guān)[24]，植物生物量越大，對(duì)氮磷的固定能力越強(qiáng)，凈化水質(zhì)效果越好。

2.6 植物、填料和微生物之間的關(guān)系分析

在復(fù)合浮床系統(tǒng)中，植物、微生物和填料的單獨(dú)作用和之間的協(xié)同作用使復(fù)合浮床對(duì)污水的凈化效率明顯高于傳統(tǒng)浮床和對(duì)照組。植物的存在對(duì)于維持微生物的生長(zhǎng)和系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有較大貢獻(xiàn)，同時(shí)自身還能吸收氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素[25]。植物通過(guò)根系的泌氧作用提高水體中的溶解氧含量，為硝化細(xì)菌提供好氧環(huán)境，根系向水中分泌有機(jī)物促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)，加速其釋放和轉(zhuǎn)化[26]。填料自身通過(guò)巨大的比表面積可以對(duì)水體中的污染物進(jìn)行吸附攔截，是微生物理想的附著對(duì)象，通過(guò)代謝作用改變營(yíng)養(yǎng)元素的形態(tài)促進(jìn)植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收。微生物在污染物去除過(guò)程中起著核心作用，包括去除初期的生物物理吸附和后期的生物降解，而且對(duì)于植物的生長(zhǎng)也有積極的作用[27]。

3 小結(jié)

（1）復(fù)合浮床系統(tǒng)對(duì)污染水體具有較好的凈化效果，其中，纖維填料浮床比彈性立體填料浮床對(duì)污染水體中污染物的凈化效果更好，CODCr、氨態(tài)氮、總氮、總磷的去除率分別為81.9%、86.9%、76.5%、80.8%。凈化效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于空白對(duì)照，差異顯著（P<0.05）。（2）復(fù)合浮床增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，拓展了立體空間，能有效降低因植物衰敗或生命活動(dòng)微弱時(shí)其對(duì)浮床系統(tǒng)的沖擊，對(duì)水體中污染物具有穩(wěn)定且良好的去除效果。纖維填料浮床內(nèi)部生物量高于彈性填料浮床，微生物是水體脫氮除磷的主要媒介，對(duì)比去除率發(fā)現(xiàn)微生物在整個(gè)過(guò)程中起到主導(dǎo)作用。（3）復(fù)合浮床能實(shí)現(xiàn)水生植物與微生物的有效結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可實(shí)現(xiàn)污染物的高效降解，同時(shí)投資低，維護(hù)簡(jiǎn)單，還兼有一定的景觀效果，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

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