蔡官軍，劉早紅，徐 晨，詹 健

(南昌大學(xué)a.工程建設(shè)學(xué)院；b.資源與環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330031)

隨著我國城鎮(zhèn)化推進(jìn)和國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國工業(yè)生產(chǎn)廢水和生活污水等大量排入河道，導(dǎo)致河道出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象日益加劇，大量黑臭水體導(dǎo)致水生動植物、微生物大量死亡[1]，不僅威脅生態(tài)安全，還嚴(yán)重影響居民正常生產(chǎn)生活和身心健康發(fā)展，因此，如何高效凈化黑臭水體已經(jīng)成為了城市環(huán)境保護(hù)的重要任務(wù)之一[2]。

近年來，許多地區(qū)采用常規(guī)處理方法(物理法、化學(xué)法和生物法)用于黑臭水體的治理，研究表明[2]，化學(xué)處理技術(shù)可以在短時(shí)間內(nèi)迅速降低污染物，但并不能從根本上解決水體黑臭的問題，并且容易引發(fā)二次污染。由于許多老城區(qū)的排污管線錯(cuò)綜復(fù)雜,明管暗管無法全部截留，補(bǔ)水清淤措施繁瑣[3]。郭煒超[4]等研究了生態(tài)基質(zhì)箱中基質(zhì)級配方式對黑臭水體處理效果影響，其中正反級配均對TN、TP的去除有顯著效果，基質(zhì)對水生植物有脅迫作用，但并未對基質(zhì)配比對黑臭水體修復(fù)效果進(jìn)行研究。各種技術(shù)手段的綜合運(yùn)用已經(jīng)成為處理黑臭水體的關(guān)鍵技術(shù)[4]。

因此，研究不同基質(zhì)配比對生態(tài)基質(zhì)箱處理黑臭水體的效果有重要意義，本實(shí)驗(yàn)采用的生態(tài)基質(zhì)箱是一種利用活性炭、氧化鋁、沸石等基質(zhì)營造出水生植物+微生物生長的環(huán)境條件，使基質(zhì)箱為微生物的生長和繁殖提供碳源和載體，在基質(zhì)箱底泥上種植水生植物燈芯草，它集中了生態(tài)沉床和人工濕地的優(yōu)點(diǎn)，且集中了物理吸附(天然吸附材料+物理材料吸附)、生物吸附(水生植物吸附)、微生物修復(fù)等技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，形成了一種“天然河道水體+多功能生態(tài)沉床+水生植物”的原位處理技術(shù)體系，是黑臭水體處理的一種綜合治理技術(shù)[4]?；|(zhì)箱可以根據(jù)水體污染程度的差異來靈活調(diào)節(jié)吃水深度，解決水生植物不易扎根生長、水體透明度低等一系列缺點(diǎn)，能達(dá)到有效去除多種污染物的目的[5]。我們通過設(shè)置不同基質(zhì)配比的生態(tài)基質(zhì)箱進(jìn)行黑臭水體的處理分析，探究其對黑臭水體處理效果的比較以及對水生植物的生長影響，期望為后期治理農(nóng)村黑臭水體提供重要參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

水生植物選取燈芯草，植株初始均高為(23.5±0.5) cm，單株平均株重為(0.126±0.005) g，實(shí)驗(yàn)前用自來水洗去根莖部泥土，再用去離子水清洗3遍，然后用稀釋好的營養(yǎng)液對燈芯草馴化1周，再用營養(yǎng)液和人工模擬污水配制成1：1的混合液對燈芯草馴化1周，實(shí)驗(yàn)中營養(yǎng)液采用霍格蘭(Hoagland)濃縮營養(yǎng)液[5]，其富含氮、磷、鉀必要元素以及鐵、鈣、錳、鋅、硼等微量元素，稀釋的營養(yǎng)液：霍格蘭濃縮營養(yǎng)液:水為1:1000，水生植物與底泥均采自南昌大學(xué)園區(qū)內(nèi)池塘。

實(shí)驗(yàn)所用塑料箱、塑料板、沸石(粒徑3～6 mm)、氧化鋁(粒徑4～6 mm)、活性炭(3～5 mm)均在網(wǎng)上采購。

1.2 水質(zhì)分析

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，采用模擬太陽光LED燈下培養(yǎng)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置自行設(shè)計(jì)(圖1)。裝置每天照射燈光12 h，基質(zhì)箱分為底泥層和基質(zhì)層兩部分，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置(圖1)。生態(tài)基質(zhì)箱規(guī)格為18 cm×18 cm×18 cm，基質(zhì)箱四面布有16個(gè)均勻透水孔，小孔孔徑為2.5 mm，底泥層裝有5cm底泥，基質(zhì)層自下由上放入3種吸附基質(zhì)分別為沸石、氧化鋁、活性炭，這3種基質(zhì)粒徑均大于透水孔孔徑，且將3種基質(zhì)用紗布隔開，基質(zhì)箱頂部蓋板打有4個(gè)4 cm圓形孔洞，每個(gè)孔洞種植10株燈芯草，最后將基質(zhì)箱置于長740 mm×寬535 mm×高415 mm的140 L白色水箱中，每個(gè)箱內(nèi)注入100 L模擬人工污水。設(shè)置5組實(shí)驗(yàn)處理裝置分別為：空白組(只含有水樣)、對照組(在基質(zhì)箱中僅用底泥種植燈芯草)、實(shí)驗(yàn)1組(底泥里栽種40株燈芯草，在底泥上鋪設(shè)8 cm基質(zhì)，由下到上基質(zhì)配比為1：2：1)、實(shí)驗(yàn)組2(底泥里栽種40株燈芯草，在底泥上鋪設(shè)8 cm基質(zhì)，由下到上基質(zhì)配比為1:1:2)、實(shí)驗(yàn)組3(底泥里栽種40株燈芯草，在底泥上鋪設(shè)8cm基質(zhì)，由下到上基質(zhì)配比為2:1:1)，為排除溶解氧、溫度等因素對試驗(yàn)的影響，將裝置放在室內(nèi)，且對水箱進(jìn)行曝氣，曝氣量2.5 L·min-1。

實(shí)驗(yàn)于2020年10月05日～12月12日，馴化周期為14 d，實(shí)驗(yàn)處理周期為40 d，共耗時(shí)54 d，每5 d采集1次水樣，共8次，且每次于采集日下午6點(diǎn)采集水樣，每次采集3個(gè)100 mL平行水樣，并根據(jù)水箱水量蒸發(fā)損耗情況用去離子水補(bǔ)充，以維持水體總體積和鹽度條件保持不變，植物樣品分別于實(shí)驗(yàn)處理前后采集。

圖1 生態(tài)基質(zhì)箱示意圖Figure 1 Schematic diagram of ecological substrate box

1.3.2 實(shí)驗(yàn)主要檢測指標(biāo)與檢測方法

實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中，每5 d采集水樣測定TN、TP、NH4-N、CODCr、PH等指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)前后采集裝置中栽種的燈芯草，利用分析天平稱量鮮重和干重，用直尺測量燈心草高度，利用水樣采集器采集水面下8～12 mm處水樣，上述水質(zhì)指標(biāo)測定時(shí)均參照《水與廢水水質(zhì)測定方法》[6]，并每組實(shí)驗(yàn)采集3個(gè)水樣取平均值，比較每個(gè)組分水體中各指標(biāo)值的變化情況，比較空白組、對照組、實(shí)驗(yàn)組處理前后燈心草的鮮重、株高、含氮量與含磷量的變化情況。

根據(jù)黃麗芬[7]等和郭煒超[4]等計(jì)算污染物去除率及植物吸收對氮磷去除的貢獻(xiàn)率的方法，公式為:污染物去除率η=(C0-C1)/C0×100%;水體氮(磷)削減量Δmw=(C0-C1)×V;每克植物氮(磷)積累量Δm=m0-m1;植物對氮(磷)去除貢獻(xiàn)γ=Δm/Δmw×100%。式中:C0和C1分別為初始和試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的污染物濃度(mg·L-1);m0和m1分別為初始和試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的平均含氮和磷量(mg·g-1);V為水樣的體積100 L。

1.3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果用SPSS 17.0進(jìn)行分析，不同基質(zhì)配比在生態(tài)基質(zhì)箱中處理黑臭水體效果比較采用單因素方差分析(n=5,Duncan法)，并對方差分析結(jié)果用Excel2010進(jìn)行作圖表示，作圖采用Origin 8.5軟件作圖。

2 生態(tài)基質(zhì)箱的不同基質(zhì)配比對人工模擬廢水的處理效果比較

2.1 不同生態(tài)基質(zhì)箱對水體中pH的影響

從圖2分析可得，不同處理裝置的pH差異較大，各裝置的pH在前20 d均呈明顯上升趨勢，并且在第20 d后，各裝置的pH達(dá)到最大值，之后趨于平衡，其原因?yàn)閷?shí)驗(yàn)1，2，3組主要受基質(zhì)特性的作用[6，8]，3個(gè)實(shí)驗(yàn)組的水質(zhì)均為堿性，pH范圍在7.84～8.19；而空白組和對照組的pH略有升高，根據(jù)分析，是由于人工曝氣、植物的光合作用、底泥的微生物作用[9-10]對水體的pH變化均有影響，但影響不大。對各裝置實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，3個(gè)實(shí)驗(yàn)組的出水pH不存在顯著性差異(P>0.05)，說明不同基質(zhì)配比及燈芯草的種植對處理后的污水pH無顯著性影響，而空白組、對照組、實(shí)驗(yàn)組對處理后的污水pH存在顯著性差異(P<0.05)。

t/d圖2 不同裝置水體pH的變化曲線Figure 2 Variation curve of pH in different devices

2.2 CODCr去除效果

從圖3分析可得，各實(shí)驗(yàn)裝置處理后的污水CODCr濃度均呈下降趨勢，之后基本趨于平衡。其中空白組裝置，僅依靠裝置曝氣作用[11]，處理后水質(zhì)CODCr去除率最低，只有66.14%。而對照組、實(shí)驗(yàn)1，2，3組的去除率均高于空白組，去除率分別為84.20%，85.70%，86.06%和85.31%。在實(shí)驗(yàn)15 d之前，各實(shí)驗(yàn)裝置的CODCr濃度均迅速下降，并在20 d時(shí)達(dá)到最低值。通過圖中我們發(fā)現(xiàn)，在25 d之后，CODCr濃度略微上升，在光學(xué)顯微鏡下分析水樣，此時(shí)發(fā)現(xiàn)水體中有部分藻類生長，我們分析是由于藻類進(jìn)行光合作用和自身就是有機(jī)物的原因[10-11]，導(dǎo)致水體CODCr略微上升的?？傊?，對照組和實(shí)驗(yàn)組能夠有效去除水體中CODCr濃度，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，對照組和實(shí)驗(yàn)組對水中的CODCr的處理效果無顯著性差異(P>0.05)，說明不同基質(zhì)配比對CODCr的處理效果影響甚微。

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2.3 TN去除效果

從圖4分析可得，各實(shí)驗(yàn)裝置處理后水質(zhì)的TN濃度均呈下降趨勢,且去除率不斷升高，其中空白組裝置，僅依靠裝置曝氣作用[12]，故處理后水質(zhì)TN去除率最低，僅有11.70%。對照組、實(shí)驗(yàn)1，2，3組的去除率均高于空白組，去除率分別為20.35%，58.55%，63.95%，66.45%，故可以看出各裝置中實(shí)驗(yàn)3組對TN去除效果最好。從圖中可以看出，3個(gè)實(shí)驗(yàn)組裝置在前5 d時(shí)，TN濃度驟然下降，可能此時(shí)對TN的去除起決定性作用的是各組基質(zhì)材料的吸附作用[13]，實(shí)驗(yàn)組在20 d之后幾乎呈直線型下降趨勢，可能該時(shí)期內(nèi)基質(zhì)箱中的微生物處于對數(shù)生長期，微生物的生長繁殖快、代謝活力快，繼而能夠大量去除水中的氮素[14]。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，3個(gè)實(shí)驗(yàn)組對水體中的TN處理效果存在顯著性差異(P<0.05)，實(shí)驗(yàn)3組的裝置對TN的去除能力明顯高于其他實(shí)驗(yàn)組。

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2.5 TP去除效果

由圖6分析可得，各實(shí)驗(yàn)裝置處理后水質(zhì)的TP濃度均呈下降趨勢，且去除率不斷升高，在實(shí)驗(yàn)第40 d時(shí)，空白組、對照組、實(shí)驗(yàn)1，2，3組對TP的去除率分別為27.75%，31.25%，62.75%，66.26%，64.74%。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，空白組、對照組、實(shí)驗(yàn)1，2，3組對水體中TP的處理效果均存在顯著性差異(P<0.05)，實(shí)驗(yàn)組對TP去除率遠(yuǎn)高于空白組和對照組，其中實(shí)驗(yàn)2組對水體中TP的去除率最高，是由于實(shí)驗(yàn)2組的基質(zhì)配比中活性炭最多，且活性炭對磷元素的吸收能力優(yōu)于氧化鋁和沸石[19-20]。

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3 生態(tài)基質(zhì)箱中不同基質(zhì)配比對植物生長以及N、P積累量的比較

3.1 生態(tài)基質(zhì)箱中不同基質(zhì)配比對植物生長的影響

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)觀察，對照組，實(shí)驗(yàn)1，2，3組基質(zhì)箱中燈芯草均在實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)存活，由表1可知，各裝置內(nèi)的燈芯草單株鮮重、干重以及單株高度均存在不同程度增加，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，對照組，實(shí)驗(yàn)1，2，3組的燈芯草單株鮮重、單株干重、單株高度增量均存在顯著性差異(P<0.05)，其中實(shí)驗(yàn)1，2，3組的燈芯草單株鮮重、單株干重、單株高度增量不存在顯著性差異(P>0.05)，根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在生態(tài)基質(zhì)箱中將燈芯草直接植入底泥中更有助生長[20-21]。

表1 不同基質(zhì)配比對燈芯草生長的影響Table 1 The effect of different substrate ratios on the growth of Juncus

3.2 生態(tài)基質(zhì)箱中不同基質(zhì)配比對燈芯草N、P的積累量以及植物去除N、P貢獻(xiàn)率的影響

參照衛(wèi)小松、夏品華、袁果[21]等的方法，各生態(tài)基質(zhì)箱中燈芯草對氮、磷直接吸收所起的貢獻(xiàn)率用燈芯草對TN、TP的吸收量占生態(tài)基質(zhì)箱總的TN、TP去除量的比例來表示,公式為Mp/∑(Cstar-Cover)OT,Mp為生態(tài)基質(zhì)箱對TN、TP的吸收量，Cstar-和Cover分別為實(shí)驗(yàn)開始和實(shí)驗(yàn)結(jié)束的ρ(TN)、ρ(TP)，V為基質(zhì)箱水體體積，T表示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的時(shí)間。由表2可得，實(shí)驗(yàn)3組中的燈芯草對TN的積累量(36.67±3.22) mg·g-1最高，但對照組的燈芯草對水體中TN去除貢獻(xiàn)率(24.18±3.22)%最高，實(shí)驗(yàn)2組中的燈芯草對TP的積累量(10.11±0.85) mg·g-1最高，但對照組的燈芯草對水體中TP去除貢獻(xiàn)率(33.11±4.01)%最高。其中我們看到，燈芯草對TN、TP的積累量與水體中TN、TP總削減量成正比關(guān)系，而燈芯草去除污染物的貢獻(xiàn)率與水體中TN、TP總削減量不成比例關(guān)系。對此我們得出，對照組中的燈芯草雖然能夠去除一定量的TN和TP，但生態(tài)基質(zhì)箱中的非植物因素對污染物的去除率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于燈芯草的吸收作用，這與郭煒超[2]等人研究結(jié)論基本一致。

表2 不同基質(zhì)配比對燈芯草N、P積累量以及去除貢獻(xiàn)率Table 2 Contribution rate of different substrate ratios on the accumulation of N and P and the removal rate

4 討論

4.1 生態(tài)基質(zhì)箱的不同基質(zhì)級配對黑臭水體的處理效果

水體中CODCr含量的去除，主要是通過植物根系的吸收和吸附、微生物降解。由于植物根系和基質(zhì)材料能夠很好的為微生物提供碳源和載體，提高微生物富集[23]，富集的微生物是去除水體中CODCr的主體。因此，對照組和3個(gè)實(shí)驗(yàn)組的CODCr的去除無顯著性差異。

水體中磷的去除，主要通過植物的吸收同化、基質(zhì)吸附、沉降作用、微生物的新陳代謝等作用[23-25]。由于植物對磷的去除效率較低，且基質(zhì)中的Ca2+、Mg2+、Al3+等離子與磷酸鹽能夠產(chǎn)生沉淀，因此在磷元素的去除中占主導(dǎo)地位的是基質(zhì)吸附與沉降作用[27]，故對照組和實(shí)驗(yàn)組的磷元素去除存在顯著性差異，由于活性炭對磷元素的吸附能力優(yōu)于氧化鋁和沸石[23，28]，故實(shí)驗(yàn)2組對磷元素的去除效果最好。

4.2 生態(tài)基質(zhì)箱的不同基質(zhì)級配對N、P積累量的比較

經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析，燈芯草植株單株高度和株重有所增加，且生長狀況良好，基質(zhì)的不同配比影響燈芯草對N、P的吸收和轉(zhuǎn)化；燈芯草在生長時(shí)，會受到基質(zhì)的擠壓和脅迫，繼而阻礙燈芯草對N、P的吸收和去除[28]，因此，對照組的燈芯草的單株株重和株高增長最快。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，3個(gè)實(shí)驗(yàn)組的燈芯草單株株重和株高不存在顯著性差異，但是對照組和3個(gè)實(shí)驗(yàn)組的植物單株株重和株高存在顯著性差異。生態(tài)基質(zhì)箱中的非植物因素對TN、TP去除的貢獻(xiàn)率要遠(yuǎn)高于燈芯草對N、P的吸收和轉(zhuǎn)化的，其主要原因是基質(zhì)的吸附、微生物的降解和吸附使N、P下降[29]。因此，優(yōu)化生態(tài)基質(zhì)箱結(jié)構(gòu)和基質(zhì)的形式，改進(jìn)植物的種植方式和類別以提高非植物因素的作用可以提高對T、P的去除效率。綜上所述，生態(tài)基質(zhì)箱能夠很好的去除水中TN、TP，并且可以改變不同基質(zhì)配比來去除不同污染物濃度，改變植物的種植方式和種類，可以提高生態(tài)基質(zhì)箱處理黑臭水體的處理能力。

5 結(jié)論

(3)生態(tài)基質(zhì)箱中的非植物因素對TN、TP去除貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)高于水生植物燈芯草對N、P的轉(zhuǎn)化和吸收，對照組的燈芯草生長狀態(tài)最好，基質(zhì)對水生植物生長具有脅迫作用。

(4)不同基質(zhì)配比對水體在TN、TP的積累量存在顯著性差異，其中基質(zhì)沸石、活性鋁、活性炭配比為2:1:1的基質(zhì)箱對TN的去除貢獻(xiàn)率高于其他實(shí)驗(yàn)組，基質(zhì)配比為1:1:2對TP的去除貢獻(xiàn)率高于其他實(shí)驗(yàn)組，繼而可以根據(jù)水體N、P的比例來選用不同沸石、活性鋁、活性炭的基質(zhì)不同配比的生態(tài)基質(zhì)箱。