寇海濤，彭惠靖，曹文平，2，張衛(wèi)民，吳 浩，李澤兵，曹建平

（1.東華理工大學水資源與環(huán)境工程學院，江西南昌330013；2.江蘇蓮洋港環(huán)保科技有限公司，江蘇徐州221111）

大量的含氮、磷營養(yǎng)元素的污水（如污水處理廠尾水、地表徑流、農業(yè)面源污染和養(yǎng)殖廢水等）進入地表水體，氮、磷總量超出地表水體中的自凈能力，或沉積在底泥中〔1〕，或溶解在水體中被浮游生物、浮游藻類循環(huán)利用〔2〕。由于內源性營養(yǎng)元素排出較少，而外源性營養(yǎng)元素卻持續(xù)排入，使地表水體中的氮、磷營養(yǎng)元素總量呈逐年增加的趨勢，江河湖庫受水體富營養(yǎng)化的影響日益加劇〔3〕，我國水污染問題仍然十分嚴峻。據(jù)《2017 中國環(huán)境狀況公報》可知〔4〕，Ⅰ～Ⅲ類水體比例達到67.9%，還有32.1%的水體未達到標準，主要是總氮、總磷、COD 等超標。富營養(yǎng)化水體的主要危害有〔5-6〕：（1）發(fā)黑發(fā)臭發(fā)綠的現(xiàn)象，嚴重影響水體表觀和生態(tài)環(huán)境安全；（2）水體氮磷含量過高，藻類瘋長，水體中藻毒素急劇增加；（3）水體富營養(yǎng)化和河水流速較慢的影響下，外源物質淤積和水生植物蔓延，湖泊向沼澤演變。

富營養(yǎng)化地表水體不同于工業(yè)污水、生活污水等點源污染污水，外源和內源污染物均無法完全切斷，一般采用原位生物修復法。傳統(tǒng)生態(tài)浮床可以凈化受污染水體，其中生態(tài)浮床因其水質適應范圍廣，水面美化效果明顯，具有一定的資源化利用價值，但修復效果十分有限〔7-10〕。濕地式浮床是近些年來發(fā)展起來的新型組合生態(tài)浮床，濕地式浮床原理是：利用填料作為水生植物生長基質，強化水生植物的生長，水生植物反過來促進填料表面微生物增殖，提高浮床系統(tǒng)內微生物量，達到同化吸收和生物降解雙重強化的目的〔11-13〕。填料作為濕地式浮床的核心，承擔著改善水生植物生長、強化微生物富集等作用，其特性決定了濕地式浮床的凈化效果和特性。在完全相同的條件下，本研究對比研究了兩種不同基質的濕地式生態(tài)浮床對TN、TP 和COD 的去除效果和特性，分析了其作用機理；同時采用指示性微生物觀察和掃描電鏡表征方法分析了絲竹和塑料基質表面生物膜特征，查找不同基質的濕地式浮床凈化效果產生的微觀差異。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置見圖1。

圖1 濕地式浮床系統(tǒng)結構

濕地式浮床由浮床框體、野生芹菜和填料基質組成，浮床框體采用絲竹編制而成（內徑190 mm、高180 mm），填料基質深140 mm，透水性能良好，浮床框體四周安裝2 個高為220 mm 的空心浮球，為濕地式浮床提供浮力。野生芹菜移植到浮床框體內，填料基質作為野生芹菜生長基質， 填料基質淹沒深度＞25 mm。

浮床框體內種植野生水芹，每個浮床框體內平均種植4 株野生水芹，橫豎間距為20 mm。野生水芹取自南昌市（江西?。┠喜撹F集團有限公司附近野外污水溝渠中，株高30 cm 左右，并具有較為豐富的根系結構，小心洗凈根系土壤后移植到浮床基質中。

試驗水箱尺寸為700 mm×500 mm×580 mm，水箱內裝試驗用水，其有效水深290 mm，有效體積102 L，將濕地式浮床置于其中構建生態(tài)浮床系統(tǒng)，浮床水面覆蓋率約為8.4%。

1.2 填料基質

本研究分別選用塑料基質和絲竹作為植物生長基質，均為常見的生物膜生長介質。塑料基質是人工合成的高聚物材料，其直徑為20 mm，堆積密度為1.2 g/cm3，孔隙率90%，比表面積325 m2/m3。絲竹填料是一種天然纖維素材料，由毛竹加工而成，是尺寸為25 mm×2 mm×1 mm 的長方體，堆積密度為2.2 g/cm3，孔隙率88%，比表面積288 m2/m3。填料堆積體積約為7 060 cm3。

1.3 試驗水質

試驗用水為人工配制的模擬水，屬劣Ⅴ類水體。將1.4 g 氯化銨、0.4 g 磷酸二氫鉀、8 g 維維豆奶溶解在250 mL 的自來水中，在充分溶解的條件下，注入試驗水箱中，攪拌均勻，穩(wěn)定1 h 后取水樣測水質，試驗用水COD 為80.75 mg/L，TN 為5.60 mg/L，NH4+-N 為4.30 mg/L，TP 為0.71 mg/L。

1.4 試驗方法

設置2 組平行的濕地式浮床，一組為塑料基質濕地式浮床（WFB-PS），另一組為絲竹基質的濕地式浮床（WFB-BS），兩組濕地式浮床均安裝微孔曝氣裝置，強化水體的充氧。

野生水芹于2018 年10 月15 日移栽，并進行培養(yǎng)馴化，栽種后觀察植物成活率及生長情況。試驗于2018 年11 月15 日—2019 年4 月30 日進行，試驗期間水溫6.0～17.0 ℃，每天定時補充自來水至水位刻度線，水體交換周期是5 d，5 d 為1 個批次，全部換新鮮污水。通過水質采樣器采集水面下80 mm 處水樣于錐形瓶中，取樣時間在上午10 時左右。

水質測定方法：總氮，堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法；氨氮，納氏試劑比色法；硝酸鹽，酚二磺酸分光光度法；亞硝酸鹽，N-（1-萘基）-乙二胺光度法；總磷，鉬酸銨分光光度法；COD，COD 快速測定儀，北京連華永興科技發(fā)展有限公司提供。

取出WFB-PS 和WFB-BS 中生物膜生長情況良好的基質，在連續(xù)冷凍干燥6 h 后，迅速進行掃描電鏡表征分析（FEI Nova Nano SEM 450），掃描電鏡表征在東華理工大學核資源與環(huán)境教育部重點實驗室完成。指示性微生物分析采用可攝像顯微鏡進行（Axio Scope.A1），其具體做法是：手工剝離基質表面生物膜，并將生物膜溶于蒸餾水中，滴加于載玻片上觀察其中的菌膠團、原生動物和微型后生動物等。

2 試驗結果與分析

2.1 COD 去除效果

試驗期間COD 變化如圖2 所示。

圖2 COD 變化分析

由圖2 可知，WFB-PS和WFB-BS 進水COD 分別為（80.75±2.91）、（80.77±3.39）mg/L，出水COD 分別為（20.11±3.02）、（14.62±3.62）mg/L，去除率分別為75.14%±3.20%和81.96%±4.07%。 相比于WFBPS，WFB-BS 對COD 去除率要高出9.08%，WFB-PS和WFB-BS 變化趨勢基本一致。

前5 個批次，WFB-BS 對COD 的去除率達到84.84%±0.44%，COD 從（80.44±3.46）mg/L 下降到（11.40±0.77）mg/L；而前9 個批次，WFB-PS 對COD去除率達到78.69%±0.92%，COD 從（81.03±2.83）mg/L 下降到（17.27±1.01）mg/L。隨著水溫降低，由17.0 ℃下降到13.8 ℃，平均溫度為14.5 ℃，兩個濕地式浮床對COD 去除率均降低，第17 個批次達到最低，WFB-PS 去除率為67.80%，WFB-BS 去除率為73.64%。從第18 個批次開始，水溫逐漸升高，兩個濕地式浮床對COD 的去除率又逐漸增大，WFBPS 由67.80%上升到75.65%，WFB-BS 由73.64%上升到87.42%。

總體上，WFB-BS 對COD 去除率始終高于WFBPS，這是由于，一方面絲竹基質具有好的生物親和性和親水性，其表面的生物膜量要多于塑料基質；另一方面絲竹基質比塑料基質能促進野生水芹生長，WFB-BS 內野生水芹同化吸收效果強，同時生長旺盛的野生水芹反過來能提高其根系微生物量和活性，提高污染物降解效果。

2.2 脫氮效果

試驗期間脫氮效果如圖3 所示。

圖3 脫氮效果分析

從圖3（a）可知，WFB-PS 和WFB-BS 進水TN 為（5.60±0.19）、（5.62±0.15）mg/L，對應的出水TN 分別為（2.34±0.26）、（2.01±0.25）mg/L，去除率分別為58.19%±5.28%和64.02%±4.98%。相比于WFB-PS，WFB-BS對TN 去除率要高出10.02%，WFB-PS 和WFB-BS 變化趨勢基本一致，先慢后快，最后趨于穩(wěn)定。前8 個批次中，兩個浮床的TN 去除率接近，兩者均處于培養(yǎng)馴化過程。從第9 個批次開始，WFB-BS 對TN 的去除率開始優(yōu)于WFB-PS，隨著時間的推移，優(yōu)勢越來越明顯。相比于塑料基質，絲竹基質屬于天然纖維素物質，生物親和性和親水性好，生物膜形成時間更短，所以生物脫氮速度快；另外，絲竹組織能釋放出一定量的有機酸強化碳源供給，而WFB-PS 中只有內源碳，并無外加碳源供給。

從 圖3（b）可 知，WFB-PS 和WFB-BS 進 水NH4+-N 為（4.30±0.08）、（4.29±0.15）mg/L，對應的出水NH4+-N 分別為（1.27±0.10）、（1.03±0.17）mg/L，去除率分別為70.50%±2.28%和76.10%±3.90%。相比于WFB-PS，WFB-BS 對NH4+-N 去除率要高出7.94%。WFB-PS 和WFB-BS 對NH4+-N 的去除率始終高于WFB-PS。硝化菌屬于生長周期長、環(huán)境敏感的微生物，表面粗糙和良好的生物親和性使絲竹更利于硝化菌的增殖和富集。試驗過程中絲竹基質表面的微生物膜明顯多于塑料基質。

從圖3（c）和圖3（d）可知，WFB-PS 和WFB-BS出水NO3--N 分別為（0.22±0.09）、（0.19±0.07）mg/L，出水NO2--N 分別為（0.20±0.14）、（0.18±0.13）mg/L?；|不同，而且產生的NO2--N 富集情況也存在差異。試驗過程中發(fā)現(xiàn)，絲竹基質表面生物膜明顯厚于塑料基質表面，即使在充氧環(huán)境下，絲竹基質表面生物膜內仍然容易形成豐富的缺氧微環(huán)境，在絲竹釋放有機物和內源有機物供給下發(fā)生顯著的反硝化脫氮過程，NO3--N 轉化為氮氣等，NO2--N 積累量相對偏低；而塑料基質表面生物膜明顯較少，充氧環(huán)境下不容易形成穩(wěn)定的缺氧環(huán)境，而且好氧環(huán)境下，O2比NO3--N 具有更強的獲得電子（來源于有機物）能力，污水中的有機物先被氧化分解，因此污水中的有機物內源碳供給相對不足，所以反硝化脫氮過程相對偏弱，NO2--N 積累量也較大。

2.3 除磷效果

試驗期間TP 的去除效果如圖4 所示。

圖4 TP 濃度變化分析

從 圖4 可知，WFB-PS 和WFB-BS 進水TP 為（0.71±0.03）、（0.73±0.02）mg/L，出水TP 分別為（0.26±0.09）、（0.17±0.08）mg/L，去除率分別為64.03%±10.78%和75.62%±10.83%，水體修復對TP 去除的主要途徑是：植物吸收、基質吸附和生物降解，基質不同導致TP 去除效果不同可能有以下幾個原因：（1）前期研究發(fā)現(xiàn)，絲竹基質粗糙的表面結構和復雜的內部孔洞結構使WFB-BS 系統(tǒng)具有更強的TP 吸附效果，而WFB-PS 僅利用表面較少的吸附面進行TP 吸附以致TP 去除效果偏低。（2）試驗過程中發(fā)現(xiàn)，WFBBS 中水芹生長效果明顯優(yōu)于WFB-PS，因為絲竹基質使用過程中能釋放出一些有機物和微量元素，刺激野生水芹的強勁生長，野生水芹同化吸收效果較好；而WFB-PS 中的野生水芹生長效果明顯差于WFB-BS 系統(tǒng)，所以植物同化吸收效果偏低。（3）試驗過程中發(fā)現(xiàn)，絲竹基質表面生物膜量明顯優(yōu)于塑料基質表面，微生物的同化吸收和降解等作用，使得WFB-BS 對TP 的去除效果優(yōu)于WFB-PS。

2.4 指示性微生物分析

WFB-BS 和WFB-PS 內典型的指示性微生物如圖5 所示。圖5（a）～圖5（c）取自WFB-PS 系統(tǒng)；圖5（d）～圖5（f）取自WFB-BS 系統(tǒng)。

圖5 典型的指示性微生物

由圖5 可知，WFB-BS 和WFB-PS 內指示性微生物有相似的特征。從菌膠團來說，絲竹基質和塑料基質表面菌膠團都較黑，因為試驗過程中沒有對基質表面生物膜進行擾動，相比之下，絲竹基質表面菌膠團發(fā)黑更嚴重，可能是因為絲竹基質表面生物膜更厚，內層生物膜厭氧更加厲害。Yongfeng Cao 等〔14〕利用氧微電極研究發(fā)現(xiàn)， 水環(huán)境的溶解氧分別為1.5、5.5 mg/L 時，生物膜厚度超過1.2 mm 和2.6 mm后，生物膜內層的溶解氧低于0.5 mg/L。

從原生動物來說，塑料基質表面發(fā)現(xiàn)的原生動物種類比絲竹基質表面要豐富、進化程度高等；塑料基質表面發(fā)現(xiàn)了最高級的原生動物是鐘蟲（固著性纖毛蟲類），而絲竹基質表面發(fā)現(xiàn)的最高級原生動物是盾形蟲、草履蟲等游泳性纖毛蟲類，從指示性微生物進化角度而言，固著性纖毛蟲類要比游泳性纖毛蟲類進化程度更高，說明塑料基質表面水體更清澈；而絲竹基質表面水體由于絲竹能釋放出一定量的有機物要相對差些。這在一定程度上佐證了絲竹基質能釋放出有機物的微觀事實。

從微型后生動物來說，塑料基質和絲竹基質表面存在的種類相似，主要以生物膜掃除微生物為主，試驗過程中對浮床框體內的基質和水生植物沒有擾動，生物膜積累較厚，微型后生動物吞噬生物膜，促進生物膜的更新。但是相比之下，絲竹基質表面微型后生動物數(shù)量更多、活性更強，因為絲竹基質表面釋放的有機物越多，生物膜生長速度越快，生物膜厚度則越厚，從而滋生了更多的微型后生動物以加快生物膜的更新。

2.5 掃描電鏡結果分析

兩種基質表面生物膜如圖6 所示。

圖6 基質掃描電鏡圖

對比圖6（a）和圖6（b）可知，塑料基質表面具有很多的桿菌，而竹絲基質表面僅發(fā)現(xiàn)少量的細菌和大量的胞外物。說明塑料基質不可降解導致生物膜僅能存在于表面；而絲竹基質可生化降解以致大量的微生物“穴居”于孔洞中。

進一步觀察絲竹斷切面圖可知，大量的桿菌“穴居”在絲竹孔洞內，通過孔洞的復雜性和保護性以及氧傳遞局限性，使絲竹基質孔洞內部和表面能形成更復雜的微環(huán)境，容納更多的微生物和更穩(wěn)定的微生物系統(tǒng)，這是絲竹基質的濕地式浮床凈化效果好的微觀原因。

3 結論

（1）WFB-PS 對TN、NH4+-N 和COD 平均去除率為58.19±5.28%、70.50±2.28%和75.14±3.20%；WFBBS 對TN、NH4+-N、COD 平均去除率為64.02±4.98%、76.10±3.90%、81.96±4.07%；WFB-BS 對TN 和COD 有更高的去除率。相比于WFB-PS，WFB-BS 系統(tǒng)內存在更為顯著的NH4+-N 和NO3--N 同步轉化的現(xiàn)象。

（2）與WFB-PS 比較而言，WFB-BS 系統(tǒng)具有更好的TP 去除效果，主要源于較強的多孔洞絲竹吸附能力和強勁生長的水生植物吸收作用以及絲竹表面數(shù)量巨大的生物膜同化等協(xié)同作用。

（3）基質決定著濕地式浮床對污染物凈化效果，不同的基質因為特性差異，污染物凈化效果之間存在較大差異。絲竹因其可生物降解性能釋放出一定的有機物刺激水生植物生長，并形成多孔洞結構，強化了微生物生長和碳源供給同時，實現(xiàn)了對微生物增殖和保護的目的。